芯片是如何到達(dá)我們生活的每個角落的？

在紀(jì)錄片領(lǐng)域 BBC一直是打遍天下無敵手的存在 作為紀(jì)錄片王牌制作方 近期，BBC與FedEx聯(lián)合推出了神作Made on Earth系列 《The humble mineral that transformed the world》 作為零差評的重要一集 用嘆為觀止的精良畫面 為觀眾講述了半導(dǎo)體常用材料——硅的故事 半導(dǎo)體芯片在連接世界方面 已經(jīng)比其它任何技術(shù)都強(qiáng) 芯片是如何到達(dá)我們生活的每個角落的？

遍布世界的“硅”

從永不休眠的城市到偏遠(yuǎn)鄉(xiāng)村，一項(xiàng)技術(shù)正在改變我們的生活和工作方式。 從口袋里的智能手機(jī)到為互聯(lián)網(wǎng)“供電”的龐大數(shù)據(jù)中心，從電動踏板車到超音速飛機(jī)，從起搏器到天氣預(yù)報超級計算機(jī)——在這其中的每一個設(shè)備內(nèi)部，無論是看不見的還是鮮為人知的，都是這項(xiàng)微小的技術(shù)使之成為可能，它叫半導(dǎo)體。 半導(dǎo)體器件是現(xiàn)代計算的基本組成部分。被稱為晶體管的半導(dǎo)體設(shè)備是在計算機(jī)內(nèi)部運(yùn)行計算的微型電子開關(guān)。 美國科學(xué)家于1947年建造了第一個硅晶體管。在此之前，計算機(jī)理是由真空管完成的，該真空管體積大，速度慢。直至后來，硅改變了一切。

▲電子制造流水線上的女工 硅打開了半導(dǎo)體材料的新大門，使一大批半導(dǎo)體元器件變得越來越小，這種變化逐年發(fā)生，半導(dǎo)體元器件變得越來越小的同時，也在變得越來越智能。 半導(dǎo)體工業(yè)協(xié)會首席執(zhí)行官約翰·諾弗（John Neuffer）表示：“這些晶體管的小型化，使我們能夠進(jìn)行前幾代人無法想象的工作。”“因?yàn)槲覀兛梢詫⒋笮瓦\(yùn)算設(shè)備安裝在微型芯片上了?！? 創(chuàng)新的速度是空前的。芯片開始以穩(wěn)定的速度被小型化，就好像該技術(shù)在遵循某種法律一樣。 約50年前，芯片巨頭英特爾的聯(lián)合創(chuàng)始人戈登·摩爾（Gordon Moore）首先提出摩爾定律預(yù)測，即芯片上可容納的晶體管數(shù)量每兩年就會翻一番。 直到近幾年，摩爾定律仍被證明是正確的。只是到了現(xiàn)在，當(dāng)縮小的晶體管尺寸到物理極限時，芯片的微型化步伐才開始放慢了，摩爾定律走向逐漸失效。 早期晶體管肉眼可見，但是到了現(xiàn)在，一個很小的芯片可以容納數(shù)十億個晶體管。最重要的是，半導(dǎo)體制造業(yè)的這種指數(shù)級改進(jìn)推動了數(shù)字革命。 但是，硅作為這場革命的核心元素，卻有些“謙虛”得令人驚訝，它分布得太廣泛了。硅是地球上最常見的物質(zhì)之一，存在于構(gòu)成地殼90％的礦物中。一項(xiàng)遍布全球的技術(shù)是由地球上最普遍的一種物質(zhì)制成的。 硅為5000億美元（合4100億英鎊）的芯片產(chǎn)業(yè)提供了動力，這反過來又為價值約30億美元的全球科技經(jīng)濟(jì)提供動力。 半導(dǎo)體業(yè)務(wù)也已成為歷史上聯(lián)系最緊密的業(yè)務(wù)之一，其原材料主要來自日本和墨西哥，而芯片制造則來自美國和中國，制成的芯片將運(yùn)往世界各地，最終安裝在電子設(shè)備中，銷往世界各國的人們手上。 納弗說：“從原材料到銷往終端，硅可能要在世界范圍內(nèi)傳播兩到三次?！钡?，這個龐大的全球網(wǎng)絡(luò)可以將其起源追溯到少數(shù)幾個非常特定的地方，其中美國、德國、韓國、日本是世界上排名前四的硅晶圓出口國。

從石英石到硅

高端電子產(chǎn)品需要高質(zhì)量的原料。后來有人在石英巖中發(fā)現(xiàn)了最純凈的硅，其中美國北卡羅來納州云杉松附近的一個采石場擁有世界上最純凈的石英石。 全球數(shù)以百萬計的數(shù)字設(shè)備-甚至包括您手中的智能手機(jī)或您前面的筆記本電腦-都將北卡羅來納州這座小鎮(zhèn)的一部分帶入其中。 Quartz公司的礦山經(jīng)理Rolf Pippert說：“一想到幾乎在每部手機(jī)和計算機(jī)芯片中都可以找到Spruce Pine的石英石，這確實(shí)讓我有些詫異?！?

▲硅的原材料：石英石 云杉松周圍的巖石非常獨(dú)特。二氧化硅含量高，是一種含硅化合物，污染物含量低，該地區(qū)已經(jīng)開采了數(shù)百年，用于寶石和云母（一種用于油漆的硅酸鹽）。但是，隨之出土的石英被丟棄了。直到后來1980年代半導(dǎo)體工業(yè)的興起，石英石才變成了白金般珍貴的物質(zhì)。 現(xiàn)在，它的售價為每噸10,000美元（8,250英鎊），以此為主營業(yè)務(wù)的Spruce Pine礦的年營業(yè)額為3億美元。用機(jī)器和炸藥從地面提取的巖石放入破碎機(jī)中，該破碎機(jī)吐出石英礫石。然后將其送至加工廠，將石英研磨成細(xì)砂。添加水和化學(xué)藥品可將硅與其他礦物分離。硅經(jīng)過最后的研磨，然后裝袋并以粉末形式送到精煉廠。 世界上每年生產(chǎn)數(shù)十億個芯片，但對應(yīng)的每年僅開采約30,000噸硅。這比美國每小時生產(chǎn)的建筑用砂量還少?！霸谠粕妓傻貐^(qū)，這里的儲量非常大，”皮珀特說。“我們現(xiàn)在擁有數(shù)十年的芯片制造材料。而且在我們用盡石英石之前，該行業(yè)可能會發(fā)生變化?！?

從硅到芯片

將硅粉研磨成細(xì)末，將細(xì)末在1400℃的熔爐中熔化并制成圓柱形錠，然后將它們切成薄片，最終得到的產(chǎn)品稱為晶圓，晶圓切割的過程就像切碎黃瓜一樣。最終，幾十個矩形電路被刻印在工廠流水線中的每個晶圓上，例如紐約州Global Foundries運(yùn)營的晶圓廠。從晶圓廠，芯片開始進(jìn)入地球之旅。

▲芯片制造過程 “我們擁有所有公司想要制造的任何[電子]設(shè)備的印刷機(jī)，” Global Foundries（格羅方德半導(dǎo)體）的潔凈室工程師Chris Belfi說。 芯片體型很小，即便是灰塵或毛發(fā)等細(xì)微物質(zhì)都會破壞其復(fù)雜的電路。 為了避免污染微電子產(chǎn)品，廣闊的晶圓工廠車間必須是無菌的。六個足球場大小的芯片生產(chǎn)區(qū)域比手術(shù)室還要清潔數(shù)千倍，昏暗的黃光照明能防止紫外線輻射破壞生產(chǎn)過程中使用的某些化學(xué)藥品。實(shí)驗(yàn)室工作人員和工廠技術(shù)人員從頭到腳穿上了白色防護(hù)服，戴著口罩和護(hù)目鏡，就在這看起來有些令人毛骨悚然的照明色調(diào)中開展工作。

▲芯片生產(chǎn)環(huán)境 在潔凈室內(nèi)，大多數(shù)操作都是由真空密封的機(jī)器人自動執(zhí)行，它們之間的零件在吊裝的單軌上活動。根據(jù)設(shè)計的不同，每個芯片可能需要1,000至2,000個步驟才能生產(chǎn)出來。 每個進(jìn)入工廠車間的空白晶圓成本要幾百美元。當(dāng)它們離開晶圓廠時，身上已經(jīng)印有數(shù)十億個晶體管，身價已經(jīng)漲了一百多倍。Global Foundries制造的大多數(shù)芯片最終都用于手機(jī)或稱為GPU的專業(yè)硬件中，這些硬件為視頻游戲，AI和加密貨幣挖掘提供動力。 健身追蹤器、智能冰箱和智能揚(yáng)聲器等互聯(lián)設(shè)備（統(tǒng)稱為物聯(lián)網(wǎng)）是另一個不斷增長的終端設(shè)備系列。貝爾菲說：“人們總是希望和更多的東西聯(lián)系在一起?！?

▲經(jīng)過層層改造，硅進(jìn)入電子設(shè)備中 硅旅程的下一個階段通常是運(yùn)送到在其它國家的電子制造商手中。Global Foundries中央工程總監(jiān)Isabelle Ferain說：“我為成為半導(dǎo)體行業(yè)的一員感到自豪，該行業(yè)為加強(qiáng)世界各地人們之間的聯(lián)系做出了貢獻(xiàn)?！薄爱?dāng)我觀察每天使用的電子設(shè)備時，都能從中看到我們正在研究的技術(shù)。” 半導(dǎo)體是僅次于飛機(jī)，汽車和石油的第四大出口商品。半導(dǎo)體行業(yè)的大部分收入都用于開發(fā)新產(chǎn)品。 研究領(lǐng)域中投入最高的行業(yè)有兩個，一個是制藥業(yè)，另一個就是半導(dǎo)體。Ferain說：“我們正身處改變著改變世界的行業(yè)?！? 這樣說來，芯片制造商密切保護(hù)自己的技術(shù)秘密也就不足為奇了。“知識產(chǎn)權(quán)是半導(dǎo)體行業(yè)的命脈，”半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會的約翰·諾弗說。 但是很多國家正在努力發(fā)展半導(dǎo)體技術(shù)。中國是世界上最大的半導(dǎo)體消費(fèi)國，但使用的芯片中只有一小部分是自制的。 2017年，中國進(jìn)口了價值2600億美元的芯片，這是該國最大的單一進(jìn)口商品。中國半導(dǎo)體未來的目標(biāo)是更加自給自足，到2020年能生產(chǎn)40％的自研半導(dǎo)體器件，到2025年這一指數(shù)能達(dá)到70%。因此，越來越多的中國公司正在生產(chǎn)自己設(shè)計的芯片。

硅引發(fā)的互聯(lián)網(wǎng)革命

隨著時間的發(fā)展，半導(dǎo)體變得越來越小，價格卻越來越便宜，現(xiàn)在幾乎每個人都可以使用它們。據(jù)估計，超過50億人擁有移動電子設(shè)備，其中一半以上是智能手機(jī)。發(fā)展中國家還在努力提高普通民眾的電子設(shè)備使用率。 根據(jù)專注于技術(shù)政策研究的Research ICT Africa進(jìn)行的調(diào)查顯示，非洲 15歲及15歲以上使用互聯(lián)網(wǎng)的人數(shù)從2007年的15％增加到2017年的28％。 現(xiàn)在已經(jīng)有十分之二的非洲人擁有智能手機(jī)?！斑@主要?dú)w功于半導(dǎo)體的進(jìn)步迅速打造了更廉價的互聯(lián)網(wǎng)電子設(shè)備，”非洲研究ICT研究所的Anri van der Spuy表示。 更廉價的電子設(shè)備意味著即使是在大多數(shù)農(nóng)村地區(qū)生活的民眾，也能開始感受到半導(dǎo)體技術(shù)進(jìn)步的影響。 以肯尼亞集鎮(zhèn)納努基（Nanyuki）的農(nóng)民道格拉斯·旺加拉（Douglas Wanjala）為例，他會使用智能手機(jī)來協(xié)助尋找農(nóng)作物的購買者。他說：“手機(jī)使我的工作非常輕松?！? 旺加拉（Wanjala）和他的妻子格拉迪斯（Gladys）經(jīng)營著一家小型農(nóng)場企業(yè)，在他們家附近的一條河附近的一塊土地上種植玉米和土豆。 在他擁有智能手機(jī)之前，Wanjala出售農(nóng)作物的唯一方法就是將農(nóng)作物推到市場賣。到了收獲季節(jié)，如果他們不能及時出售農(nóng)作物，就會因?yàn)檗r(nóng)產(chǎn)品變質(zhì)而虧本。 互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)大大降低了這種風(fēng)險。Wanjala說，在擁有智能手機(jī)之前，自己推銷農(nóng)作物非常困難。現(xiàn)在通過手機(jī)，Wanjala可隨時與潛在買家分享自己的農(nóng)作物照片和信息，在玉米或土豆出土之前就與意向買家達(dá)成銷售協(xié)議。買主們還會在農(nóng)作物最新鮮的狀態(tài)下，親自來收割農(nóng)作物，而不再需要等待Wanjala將農(nóng)作物推向市場。 Wanjala認(rèn)為購買手機(jī)是一項(xiàng)商業(yè)投資，他花了約15,000肯尼亞先令（120英鎊）。除了聯(lián)系買家外，他還能通過手機(jī)來掌握對經(jīng)營農(nóng)場至關(guān)重要的信息，例如最新天氣預(yù)報和不同農(nóng)作物的市場價格。 根據(jù)全球天氣組織Weather Impact的Fiona van der Burgt的研究，農(nóng)場主們獲取準(zhǔn)確天氣信息使農(nóng)民在決定種植什么和何時種植農(nóng)作物時比以前更具優(yōu)勢，是保障肯尼亞和埃塞俄比亞等國家長期糧食安全的有效途徑。 為了順利上網(wǎng)，Wanjala需要訪問一個經(jīng)過轉(zhuǎn)換的運(yùn)輸容器附近Wifi熱點(diǎn)。在遠(yuǎn)離城市的地方，這種信號樞紐為當(dāng)?shù)厣鐓^(qū)數(shù)據(jù)訪問提供了生命線。在許多國家，城市和農(nóng)村地區(qū)的互聯(lián)網(wǎng)訪問體驗(yàn)仍存在很大差距。 但是，根據(jù)波恩大學(xué)HeikeBaumüller的研究，撒哈拉以南非洲地區(qū)的互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展前景令人鼓舞，肯尼亞農(nóng)民已成為采用移動技術(shù)來促進(jìn)業(yè)務(wù)發(fā)展的領(lǐng)先者。 Research ICT Africa的數(shù)據(jù)顯示，肯尼亞有24％的人上網(wǎng)，是非洲互聯(lián)網(wǎng)使用量排名第三的國家。其他國家的互聯(lián)網(wǎng)使用量被遠(yuǎn)遠(yuǎn)拋在后面。例如，在盧旺達(dá)，只有9％的人可以訪問互聯(lián)網(wǎng)，這是非洲大陸上訪問量最低的國家，而且，其中有77％的互聯(lián)網(wǎng)用戶生活在城市中。 范德斯普伊（van der Spuy）認(rèn)為，我們需要警惕這種數(shù)字鴻溝可能會使人們之間的差距變得更大。她說：“現(xiàn)在，互聯(lián)網(wǎng)接入已成為參與社會的先決條件?！彼魅∩鐣＠暾埞ぷ骰?yàn)楹⒆由蠈W(xué)注冊之類的事情越來越多地在網(wǎng)上完成。 這種鴻溝不僅存在于城鄉(xiāng)人口之間，富人比窮人更可能使用互聯(lián)網(wǎng)，男人比女人更可能使用互聯(lián)網(wǎng)，年輕人比老年人更可能使用互聯(lián)網(wǎng)。“如果您無法使用互聯(lián)網(wǎng)，則可能會被甩在后面?！? 欣慰的是，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷發(fā)展和更多人學(xué)習(xí)數(shù)字技能，這些差距可能在縮小。 智能手機(jī)甚至可以促進(jìn)一個國家的整體經(jīng)濟(jì)。根據(jù)一項(xiàng)估計，發(fā)展中國家如果每100人中有10部移動電話可促進(jìn)整體GDP增長0.5％。 很少有一項(xiàng)技術(shù)能夠改變這么多人的生活?！皩⒑唵蔚奈镔|(zhì)變成純石英砂，然后將其轉(zhuǎn)變?yōu)槿缃襁B接我們生活所需的，看起來無限復(fù)雜的半導(dǎo)體技術(shù)，這是一個相當(dāng)了不起的想法?！盢euffer認(rèn)為。