文|小彭的灿烂笔记

编辑|小彭的灿烂笔记

声明：本文陈述内容参考的“官方信息来源”，均赘述在文章末尾，感谢支持。

【前言】

近年来，芯片领域的话题热度居高不下，时不时就会掀起波澜，而中科大教授朱士尧的一句“造5nm芯片比造原子弹难10倍”，宛如一颗重磅炸弹，瞬间在网络上炸开了锅。

很多人乍一听，第一反应都是满脸狐疑：原子弹那可是关乎人类生死存亡的“大杀器”，造芯片再难，能难过造原子弹？

但当我们静下心来，深入探究芯片制造与原子弹制造背后的门道，就会惊觉，这话还真不是空穴来风。

如今，美国在芯片设计软件上“卡脖子”，更是让我们深刻意识到芯片自主研发的紧迫性。

那么造芯片究竟难在哪？美国这一招又会给我们带来多大的冲击呢？

【芯片制造与原子弹制造】

原子弹的原理是基于核裂变，简单来说，就是用高速运动的中子去轰击铀-235或钚-239等重核材料，使其原子核分裂，进而释放出巨大能量，引发链式反应。

而这一过程看似简洁明了，实则暗藏玄机，毕竟高纯度核材料的获取难如登天。

而且这些离心机必须使用特殊的高强度材料，以耐受六氟化铀的腐蚀，其制造工艺之复杂，成本之高昂，令许多国家望而却步。

美国最初研发的枪式结构原子弹，如广岛投下的“小男孩”，虽结构相对简单，但效率低下，大量核材料未及反应就被炸散。

后来的内爆式结构，像长崎的“胖子”，虽然提高了利用率，可对起爆的同步性、炸药的精准调配要求极高，稍有差池，链式反应就无法顺利启动，沦为一颗“哑弹”。

自二战后，国际社会为防止核扩散，签署了一系列条约，如《不扩散核武器条约》，对核技术、核材料的管控近乎滴水不漏。

各国的核活动都处于国际原子能机构等组织的严密监视之下，私自进行核试验或研发，必将遭受国际社会的严厉制裁，政治、经济压力接踵而至。

不过，值得庆幸的是，我国在上世纪五六十年代，在外部技术封锁、内部资源匮乏的艰难处境下，硬是靠着老一辈科学家们的自力更生、艰苦奋斗，攻克了原子弹制造的重重难关，成功试爆原子弹，为国家的和平稳定筑牢了坚实根基。

再说芯片的制造，就宛如一场在微观世界里的精细“大工程”，其流程涵盖设计、制造、封装测试等诸多环节，环环相扣，每一步都不容有失。

设计环节是芯片的“灵魂勾勒”，工程师们运用专业的电子设计自动化（EDA）软件，依据芯片的功能需求，精心绘制出数十亿甚至上百亿个晶体管的布局电路图。

制造环节堪称芯片诞生的“主战场”，先是晶圆制造，从沙子（二氧化硅）起步，经过多道复杂工序提纯、拉晶，制成高纯度、晶格完美的单晶硅晶圆，这一过程对温度、杂质含量的控制精度达到了极致。

接下来是光刻，这是芯片制造的“核心绝技”，利用高精度光刻机，将设计好的电路图以纳米级精度“雕刻”在晶圆上，犹如在发丝上绘制精美画卷。

随着芯片制程不断向5nm、3nm甚至更先进节点迈进，光刻的难度呈指数级上升，对光刻机的光源波长、镜头分辨率、工作台精度等提出了近乎苛刻的要求。

【5nm芯片制造难在哪？】

在芯片制造迈向5nm这一前沿领域的征程中，人类仿佛闯入了一个充满未知与挑战的微观“异次元”，诸多棘手难题接踵而至。

光刻精度堪称“逆天”要求，光刻是芯片制造的核心环节，犹如用“光刀”在晶圆上雕刻电路。

在5nm制程下，需要将数十亿个晶体管精准布局在指甲盖大小的芯片上，这意味着光刻的线宽要达到极其微小的5nm。

要知道，1nm等于十亿分之一米，这已经接近原子的尺寸量级。

目前顶尖的极紫外光刻（EUV）技术，为了实现这一精度，光源波长需缩短至13.5nm，其难度无异于在地球上精准操控月球表面的一粒微尘，任何微小的震动、温度变化或尘埃颗粒干扰，都可能让光刻图案出现偏差，导致芯片报废。

芯片产业链，犹如一幅错综复杂、精细入微的全球“拼图”，各个环节紧密相依，牵一发而动全身。

全球芯片设计软件市场长期被美国的Cadence、Synopsys等巨头垄断，这些EDA软件集成了海量的电路设计工具、仿真模型，是芯片设计师绘制复杂电路图、进行性能验证的“神器”。

没有它们，设计工作几乎寸步难行。此外，芯片架构方面，英国ARM公司的架构在移动芯片领域占据主导，全球众多芯片设计企业基于ARM架构进行二次开发，若无法获取授权或被限制使用，自主创新设计之路将布满荆棘。

【美国限制：设计软件的“紧箍咒”】

在芯片设计的奇幻世界里，EDA（电子设计自动化）软件宛如一支神奇的“魔法画笔”，赋予了工程师们将奇思妙想转化为现实芯片蓝图的魔力。

从设计的初始阶段开始，EDA软件就发挥着关键引领作用。

紧接着进入仿真验证环节，这是EDA软件的“拿手好戏”。

它能模拟芯片在各种工况下的运行状态，从日常办公的低负载场景到大型游戏运行、高清视频渲染时的高负载“压力测试”，全方位检验芯片的性能、功耗、信号完整性等指标。

一旦发现设计中的潜在瑕疵，如信号传输延迟过大、电路功耗异常飙升，工程师便能迅速回溯修改设计，避免后续制造环节的高昂成本浪费，就像提前在虚拟世界里为芯片“排雷”，确保其“出生”后稳定可靠。

可以说，没有EDA软件，芯片设计将陷入“巧妇难为无米之炊”的困境，现代芯片产业的飞速发展更是无从谈起。

美国作为全球EDA软件领域的霸主，掌控着这一关键技术的“命门”。

当它挥舞起禁令大棒，对我国实施EDA软件出口限制时，我国芯片设计行业瞬间感受到了刺骨寒意。

诸多国内芯片设计企业，尤其是那些专注于高端芯片研发，志在冲击先进制程的先锋军，如华为海思等，首当其冲受到冲击。

以往凭借购买美国先进EDA软件，它们得以紧追全球芯片技术前沿，设计出麒麟系列等高性能芯片，与国际巨头在手机、通信等领域一较高下。

可禁令之下，软件更新受阻，新功能、新特性无法获取，芯片设计仿佛被戴上了“枷锁”，难以继续向更先进制程迈进，后续新品研发计划被全盘打乱，研发进程被迫按下“暂停键”。

【自主研发的砥砺前行】

面对美国的“卡脖子”行径，国内企业与科研机构没有丝毫退缩，毅然决然地踏上了自主研发的艰辛征程，在各个关键领域全力冲锋，力求突破技术封锁。

在EDA软件领域，近年来国内众多企业与科研团队奋起直追，成果斐然。

以华大九天为例，作为国内EDA行业的领军者，经过多年深耕，其研发的多款EDA工具已在国内市场崭露头角。

从模拟电路设计到数字芯片验证，华大九天的软件产品逐渐覆盖芯片设计全流程，为国内芯片设计企业提供了可靠的国产替代方案。

部分工具在性能上已接近国际先进水平，如在某些特定工艺节点下的电路仿真速度，相较于国外同类产品差距不断缩小，助力国内芯片设计企业降低对国外软件的依赖，稳步推进自主研发进程。

光刻机作为芯片制造的核心装备，国内科研力量同样全力以赴。上海微电子装备公司肩负重任，持续投入海量研发资源，全力攻克光刻机技术难关。

从早期的90nm光刻机实现量产交付，为国内芯片制造企业提供基础支撑，到如今向更高精度的28nm甚至更先进制程光刻机发起冲击，每一步都凝聚着科研人员的智慧与汗水。

在光源技术、镜头制造、精密控制等关键子系统上，国内科研团队不断创新，多项技术取得突破性进展，逐渐打破国外垄断格局，为国产高端芯片制造注入强心剂。

除了EDA软件和光刻机，在芯片制造的其他关键环节，如刻蚀机、薄膜沉积设备、离子注入机等，国内企业也纷纷发力。

中微公司的刻蚀机在全球市场已占据一席之地，不仅满足国内需求，还出口海外。

其研发的高端刻蚀设备在5nm及以下制程工艺中表现出色，刻蚀精度、均匀性等关键指标达到国际领先水准，为芯片微观结构的精细加工提供坚实保障。

【结语】

美国在芯片设计软件上的“卡脖子”行径，犹如一场突如其来的暴风雨，让我国芯片产业的前行之路布满荆棘。

但回首往昔，从“两弹一星”到如今诸多领域的技术突破，中国一次次在困境中奋起，靠的就是那股不服输的韧劲与自主创新的精神。

展望未来，尽管前路崎岖，但只要我们坚定信念、持续投入、协同创新，就没有跨不过的难关。

相信在不久的将来，国产芯片必将冲破重重阻碍，实现从量变到质变的飞跃，让“中国芯”在全球舞台上熠熠生辉，为中华民族的伟大复兴筑牢科技根基。

参考资料：

秦州融媒在2022-08-23关于《芯片之母，被谁垄断？美国断供EDA软件，对国产芯片发展有什么影响？》的报道

世界先进制造技术论坛在2024-11-19关于《造5nm芯片要比造原子弹难10倍以上，美国不给你用设计软件》的报道

上观新闻在2018-12-16关于《国产刻蚀机入选全球首条5纳米芯片产线，精度达到发丝的二万分之一》的报道