究竟什么是半导体？
文｜高捷资本，作者｜邢凯 ，编辑｜Rita
做一杯咖啡，18个月就可以上市，但做半导体，就像一场马拉松，18个月或许仅能做出来产品。无论是长期大量的资金投入，还是高技术门槛，这都不是一个追风的行业。从这个行业的开端，风投就如影随形。
高捷资本（ECC）三期基金发力AI底层基础，以及产业领域有现实意义场景的应用。半导体领域是我们关注的重点赛道。我们下注核心科技驱动的下一个十年，下注全球科技产业链分工上的中国力量。
要谈半导体，就离不开硅谷的起源。
上世纪50年代，“硅谷”的称号还未形成，在“硅谷教父”斯坦福大学教授Frederick Terman的推动下，各种风险投资项目成立，学生开始就地创业。
其中就有晶体管之父肖克利和他大名鼎鼎的“肖克利半导体实验室”，改变历史的晶体管就在此诞生。几年之后，人们发现硅比锗更适合于生产晶体管。于是，硅就替代了锗，这，便是“硅谷”的由来了。
在这个科学顶级殿堂中，以诺伊斯为首的八位青年风华正茂，但因不满肖克利只做基础研究而不做商业化落地，他们于1956年出走，并在当时年轻的投行分析师洛克的帮助下，获得了一家叫仙童（Fairchild）摄影器材公司130万美元的资助。
一年后，日后半导体行业的开山鼻祖---仙童半导体公司成立了，并很快获得了 IBM公司的第一张订单---用于电脑存储器上的100个硅晶体管。八位英才也以“仙童八叛徒” (Traitorous Eight)之名留史。
也就是说，从行业的一开始，风险投资就是重要环节。
仙童半导体公司被公认为是硅谷第一家具有现代化意味的初创企业。当仙童在60年代末左右分崩离析的时候，八叛徒中的一些人又开始创建其它公司。创办的公司名单包括但不限于，如今大名鼎鼎的Intel、AMD、KPCB风投、红杉资本以及国家半导体公司。
这种裂变式发展，让硅谷成为全球性创投圣地，而这些公司后来成长为全球性的行业龙头。可以说，仙童半导体公司是1970 年前后半导体浪潮的原点，造就了今天硅谷的科技基础，同时也奠定了半导体和风险投资的不解缘分。
Fairchildfounders in 1961，仙童八叛徒后排从左至右，Victor Grinich, Gordon Moore, Julius Blank, Eugene Kleiner,前排从左至右，Jay Last, Jean Hoerni , Sheldon Roberts, and Robert Noyce. Photo© Wayne Miller/Magnum Photos
大约一个甲子后， 2018年4月16日晚，美国商务部发布公告称，美国政府在未来7年内禁止中兴通讯向美国企业购买核心芯片等敏感产品。虽然下半年获得解禁，但也直接或间接导致了公司2018年净利润同比下降252.88%，创最近5年来最大降幅。
这是“中国芯”被叩痛的第一击，也开启了中国芯片行业的集体审视。一轮数十年对人才培养的缺乏、对产业规律的忽视以及政策导向失误的批判潮开始蔓延。
而今年的一系列“华为事件”更是让民族情绪达到顶峰。中国作为持续增长的全球第一大集成电路市场，集成电路自给能力居然只有不到20%，“缺芯之痛”亟待解决。
批判潮的另一面，是VC的关注风向转向。中国风险投资圈近几年经历了移动互联网发展的洗礼后，不论是行业还是机构都逐渐成熟。在AI、5G等逐渐成为流行概念后，机构们也愈发偏爱垂直领域的科技革新。这其中，芯片必然首当其冲，成为VC的新宠。
半个多世纪后，半导体行业与风险投资的缘分在中国被再次续写。
究竟什么是半导体？
半导体，顾名思义就是导电性介于导体和绝缘体之间的一类物体。通过杂质的掺入而改变材料的导电性能，这便是半导体技术的底层基础。
以此延展，这一特性可以用来制作出各类具备不同IV特性（电流电压特性）的晶体管。将成万上亿只晶体管集成在一起，并实现一定的电路功能，便形成了集成电路。粗略地讲，集成电路经过设计、制造、封装、测试后便形成了一颗完整的芯片，它通常是一个可以立即使用的独立整体。
对于半导体、集成电路和芯片的关系，一个通俗但或许不严谨的比喻是，“半导体是各种做纸的纤维，集成电路是一沓子纸，芯片就是书或者本子。”
制造一块小小的芯片，涉及50多个学科、数千道工序。包括设计、制造和封装三大环节。在此基础上又延伸出上游的材料、EDA（Electronics Design Automation设计辅助工具）、检测服务等细分行业，并最终应用至无数品类的硬件终端。
高捷资本对半导体早期公司的筛选标准
1. 有确定且大量的应用端需求
批量生产导致成本摊薄，这句真理在芯片行业更加凸显。 动辄2-3年的研发周期和百万级别的流片费用，要求了产品必须具有明确且大量的终端应用。
最近报会的很多芯片设计公司，正是借助着近期智能家居终端、TWS耳机等应用端上亿颗/年的强需求而成功。
芯片投资的风险很多在技术层面，但产品定位失误，市场针对性不明确带来的后果也许更加难以估量。
2. 创始团队经历过完整的产品周期product life cycle
技术和产品一定是不同的，产品初样和量产又有质的区别。特别是在化合物半导体和先进半导体光源（如VCSEL）等领域，技术壁垒或许更多地体现在工艺控制和良率稳定性上。这必然要求创始团队拥有完整的产品周期经验。工艺的壁垒往往更高，需要多年的试错、改良、产品化的摸索。
“只有真正走过一遍，才知道哪里是弯路、哪里是捷径”，无数创始人表达过类似观点。这样的护城河往往更宽更深。
3. 具备持续研发和迭代能力
大部分芯片的生命周期并不久，特别是在消费电子领域。 芯片公司的通常策略是通过相对低毛利但走量的产品A支撑现金流，而同时必定不断地研发迭代产品B。
产品A在一个周期后经历红海厮杀，当毛利空间达到临界点被战略性放弃。同时产品B继续承担起营收重任，并把公司综合毛利维持在相对稳定的水平。因此迭代能力和持续战斗力就显得尤为重要。
目前，高捷资本三期基金在半导体领域的战略布局已逐渐形成，投资矩阵涵盖了先进存储、VCSEL、DSP、高性能ADC、高端检测服务、大尺寸化合物外延、物联网连接芯片等数个细分赛道。
其中，先进存储芯片有博维逻辑、VCSEL芯片有瑞识科技，DSP芯片有国防科技大团队的毂梁微，高性能数模转换器ADC芯片有天易合芯、LED驱动芯片及无线充芯片公司美芯晟、以及半导体产业链上下游的 高端检测服务公司胜科纳米，大尺寸化合物外延片生产商唐晶量子、以及半导体设备公司悦芯科技等。
项目之间已形成协同效应。 比如外延片生产商唐晶量子和VCSEL芯片生产商瑞识科技，为上下游企业。
【钛媒体作者介绍：高捷资本（ECC）是国内最早 的一批投资人创立的风险投资机构。我们专注 投资硬科技领域的早期高成长期企业，管理团队有累计超过50年 的投资经验，实现近20个 项目的成功退出，累计基金管理规模超过30亿元 人民币，管理过多支人民币及美元基金，实现了丰厚的回报。公司在北京、深圳和美国硅谷设有办公室。】
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半导体是个好东西，不仅能做芯片，还能用来做“炒酸奶”
生活中，我们觉得很多东西越大越好，比如房子。
也有很多东西，我们觉得小一些更好，比如手机。
现在的手机屏幕通常会做得比较大，但是厚度、重量比二三十年前的“大哥大”要小太多了。我们现在可以“拿着”手机出门，但大哥大给人的感觉好像要“扛着”它出门。“大哥大”功能很单一，基本上只能打电话；当然了，以它那个块头，要用来防身也行。如果当时真要把“大哥大”做得像现在手机，有这么多功能，那就得做得更大，估计得“背着”出门了——不知道的还以为背的是钢琴。
最早的计算机也是个庞然大物，有好几层楼那么高，运算的时候需要好多人在里面来回跑来跑去地接线——真是工作健身两不误。现在能把电子产品做得这么小、实现“微型化”，这里面的科学叫作“微电子学” 。那么是怎么实现微型化的呢？其实就是把原来的一大堆东西，变成了一个小小的芯片。
变形记
对于电脑来说，“芯片”确实像人的“心脏”一样重要，但从功能上看，它其实更像人的大脑 。芯片的作用主要有两方面：一方面是运算处理 ，能像学理科一样算出来很多东西；另一方面是数据存储 ，能像学文科那样背下来很多东西。芯片真可以说是“文理双全”的“最强大脑”。
制造芯片所用的是一种半导体材料，叫作“硅”。它的来源特别广，最主要的来源是一些沙子和碎石，也可以说芯片是用沙子“变”来的 。当然，把沙子变成芯片靠的不是点石成金，更不是掐诀念咒，而是一套非常复杂的设计和加工过程。
沙子的主要成分是二氧化硅 ，制造芯片需要把沙子熔化，通过化学反应将其变成硅单质，做成单晶硅的“柱子”，然后像切黄瓜一样把柱子切成硅片。“芯片”就是以这个硅片为基底，通过蒸发、溅射、化学气相淀积等一系列方法在硅片的表面生成出一层薄膜，然后把这一层薄膜刻成我们需要的图形。
所以我们需要的电学器件、电路实际上是通过一层一层膜的图形化来实现的 ，这个过程是在一个平面上进行加工，叫作“平面加工工艺 ”。这有点像我们摊煎饼，会在衬底上先刷一层酱，再刷一层辣椒，再撒葱花，再放薄脆。芯片加工的过程主要就是反复生成薄膜，进行图形化的过程。
芯片图案里面的连线非常细，几纳米或者十几纳米。制作芯片的成本非常高，有时候做一批芯片可能需要花费几千万甚至上亿人民币 ，但可以一次做很多硅片，每张硅片又可以做成很多个小芯片，平均下来一个芯片可能只要几块钱、几十块钱。为什么要做小？第一是为了微型化 ，手机需要做小；第二是为了降低成本 ，做得越小，一次做出来的数量越多，成本就越低。
什么是半导体
芯片的设计、加工方法、封装测试等方面都需要大量的研究，研究芯片的行业被称为“半导体行业 ”。有的人一听，会误以为这个行业是制造收音机的，因为用半导体材料制造的收音机曾经很流行。实际上半导体这类材料不仅能用来做收音机，其更大的贡献在于制作芯片 。
人们可能对“导体”这个词很熟悉，像铜、铁这种具有较好导电特性的材料就被称为“导体 ”，而像陶瓷、橡胶这种导电性能极差的材料被称为“绝缘体 ”。导体之所以能导电，是因为里面包含了大量能够自由移动的“导电粒子” ，称为“载流子 ”。拿金属来说，金属原子的原子核能力有限，而原子最外层的电子特别活泼，原子核“管不住”，就成了“自由电子”。金属包括大量的自由电子，所以能够导电。而陶瓷中的自由电子极少，几乎不能导电。
顾名思义，“半导体”就是导电性能介于“导体”和“绝缘体”之间的材料，可以说是“两边倒”。尤其是掺入一些杂质之后的半导体材料，会有一定的导电性，但却是可以被“操控”的。所以由半导体材料做出来的器件，在某些条件下能够导电，而在另一些条件下不能导电，具有“让你导电你就导电，让你不导电你就不导电”的特点 。这样就可以做出来具有“开关”的电子元件，而在电子设备中通常用1和0这种开关的通断来表示，再用1和0组成二进制的数字进行运算和存储，表达各种信息，芯片就是利用这样的原理做出来的。
不过，半导体不仅能用来做芯片，还能用来做“炒酸奶”。
如何自制炒酸奶
怎么用半导体做“炒酸奶”？当然不是把半导体材料作为食材，而是作为加工工具。所谓的“炒酸奶”是用一个能够制冷的铁板，把酸奶倒入锅中，搅和至片状 。这个锅之所以能制冷，用的就是“半导体制冷片 ”，其中的原理叫作“第二热电效应 ”。
第二热电效应也叫“珀耳帖效应 ”，这个效应是说把两种不同的导电材料串联在一起，通电之后，两个接头分别出现吸热和放热的现象 。我们常用的“半导体制冷片”就是把两种掺杂不同杂质的半导体材料相串联，通电之后一端放热，而另一端吸热制冷，形成“热泵 ”。
可能有人会说，既然这叫“第二热电效应”，那就肯定有“第一热电效应 ”呀。确实，第一热电效应又叫“塞贝克效应 ”，它与第二热电效应的过程正好相反——如果两种导体或者半导体组成一个回路，两端接触点的温度不同（比如把两个端头分别放在冷水和热水中），就会产生电流，也会有相应的电压。利用这种现象，就可以把温度信号转化成电信号来测量温度 ，所谓“温差发电机 ”利用的就是这个原理。
其实还有“第三热电效应 ”（也叫“汤姆逊效应 ”），说的是一个导体或半导体，如果两端有温差并且有电流通过的话，就会吸热或者放热（除了电阻产热以外）。
“炒酸奶”的机器和一些车载冰箱利用的都是“第二热电效应”。其实你从网上买个半导体制冷片，放在平底锅或者铁板下进行改造，没准就能自制炒酸奶的机器。要是在半导体制冷片上再加一个塑料泡沫箱子，还能自制一个简易冰箱。不过自制的时候要特别注意用电安全哦。
如此说来，手机、沙子和炒酸奶的共同之处就在于，都和半导体材料有着“纠缠不清”的关系。
作者：张宇识
编辑：吴青
排版：雷颖
题图来源：图虫创意
来源：我是科学家iScientist
编辑：米老猫
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