每天談?wù)摰男酒?，到底是什么東西

我們天天議論芯片，你可知道芯片究竟是什么？

1. 芯片的發(fā)明改變了人類生活方式

1947 年 12 月 23 日，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室 3 位科學(xué)家約翰·巴登、威廉·肖克利和瓦爾特·布拉頓發(fā)明了鍺晶體三極管，電子世界進(jìn)入半導(dǎo)體時(shí)代。晶體三極管的 3 位發(fā)明人獲得 1956 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

20 世紀(jì) 50 年代是半導(dǎo)體的黃金時(shí)期，幾乎所有的半導(dǎo)體材料和基本工藝都是在這一時(shí)期研發(fā)出來的。

1954 年 10 月 18 日，美國(guó)德州儀器公司發(fā)明了晶體管收音機(jī)，這個(gè)有 4 只晶體三極管的收音機(jī)小到可以裝到口袋里。

1958 年 9 月 12 日，德州儀器公司電子工程師杰克·基爾比（1923 年 -2005 年）發(fā)明了集成電路，并在 1959 年成功制造出世界上第一塊集成電路，即芯片。該集成電路就是在一塊鍺片上蝕刻出 PNP 型晶體管（三極管）、電阻和電容，用外部導(dǎo)線把它們連接成電路。這塊簡(jiǎn)陋的集成電路拉開了芯片產(chǎn)業(yè)的序幕，也把人類科技水平推向一個(gè)新的高峰，并徹底改變了人類的生活方式。

芯片制造技術(shù)的不斷進(jìn)步讓單個(gè)晶體管價(jià)格大降。1959 年，一塊芯片上有 6 個(gè)晶體管，折合每個(gè)晶體管 10 美元；1971 年，一塊芯片上有 2000 個(gè)晶體管，折合每個(gè)晶體管 0.3 美元；2004 年，一塊芯片上有上百億個(gè)晶體管，單個(gè)晶體管價(jià)格跌至十億分之一美元。芯片性價(jià)比的提高，讓芯片進(jìn)入普通百姓家庭成為可能。

芯片可謂 20 世紀(jì)最偉大的發(fā)明，其他很多發(fā)明也建立在芯片的基礎(chǔ)上。今天，我們生活在一個(gè)被芯片包圍的世界里，沒有芯片寸步難行。

百姓日常生活離不開芯片，手機(jī)、電腦、智能手表等智能設(shè)備有芯片，光貓、路由器、U 盤、儲(chǔ)存卡、移動(dòng)硬盤等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和電腦外設(shè)有芯片，身份證、護(hù)照、銀行卡、購(gòu)物卡、消費(fèi)卡等隨身證件有芯片，電視、音響、投影儀、充電器、LED 燈、電子秤、空調(diào)、冰箱、微波爐、電磁爐、熱水器等家用電器也有芯片，門禁、監(jiān)控、太陽能電池等也需要芯片。如果誰發(fā)明一種代碼讓世界上所有的芯片失效，那人類生活將會(huì)停滯。

杰克·基爾比因發(fā)明芯片獲得 2000 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。他也是手持計(jì)算器和熱感打印機(jī)的發(fā)明人?；鶢柋缺蝗朔Q作科學(xué)家時(shí)，他謙虛地說：“科學(xué)家是解釋事物的人，要有偉大的思想；而我是解決問題的人，就是個(gè)工程師，職責(zé)就是發(fā)明新工藝，制造新產(chǎn)品，而且還要從發(fā)明創(chuàng)造中賺錢?！?/p>

2. 認(rèn)識(shí)芯片必須首先了解“PN 結(jié)”

從上文可知，在半導(dǎo)體材料上制作出二極管、三極管、電阻、電容等電子元件，再用導(dǎo)線把它們連接起來，這就是集成電路，也叫芯片。要想認(rèn)識(shí)芯片，必須首先了解“PN 結(jié)”，它是半導(dǎo)體技術(shù)的核心。

半導(dǎo)體材料摻入五價(jià)元素，電子濃度增大，形成 N 型半導(dǎo)體；半導(dǎo)體材料摻入三價(jià)元素，空穴濃度增大，形成 P 型半導(dǎo)體。“空穴”指的是共價(jià)鍵上的電子獲得能量后擺脫共價(jià)鍵的束縛成為自由電子后，在共價(jià)鍵上留下的空位。

P 型半導(dǎo)體與 N 型半導(dǎo)體緊密接觸后，帶負(fù)電的電子和帶正電的空穴便向?qū)Ψ綌U(kuò)散；電子和空穴在擴(kuò)散中導(dǎo)致接觸面形成內(nèi)電場(chǎng)，內(nèi)電場(chǎng)又阻止這種擴(kuò)散，讓電子和空穴向回漂移。當(dāng)電子和空穴的擴(kuò)散速度和漂移速度達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，P 型半導(dǎo)體與 N 型半導(dǎo)體的接觸面便形成“PN 結(jié)”。

“PN 結(jié)”的主要性能就是“單項(xiàng)導(dǎo)電性”。如果把 P 型半導(dǎo)體端作正極，N 型半導(dǎo)體端作負(fù)極，電流便可通過 PN 結(jié)；如果把 N 型半導(dǎo)體端作正極、P 型半導(dǎo)體端作負(fù)極，電流則不能通過 PN 結(jié)。計(jì)算機(jī)用二進(jìn)位就是由“PN 結(jié)”的性能決定的，電流通過“PN 結(jié)”代表“1”，電流不能通過“PN 結(jié)”代表“0”。

“PN 結(jié)”就是二極管。如果讓兩塊 P 型半導(dǎo)體中間夾著一塊 N 型半導(dǎo)體,就構(gòu)成三極管，也就是上文提到的 PNP 型三極管。當(dāng)然，如果讓兩塊 N 型半導(dǎo)體中間夾著一塊 P 型半導(dǎo)體，這就成了 NPN 型三極管。

普通人是看不到芯片“真身”的，芯片小如人的頭皮屑，大的也就像人的指甲蓋，因?yàn)樗珕伪?，必須封裝在密封的殼中才能連接到外部電路上。打開電腦、電視等電器，可以看到一塊很大的電路板，電路板上有很多電子元件，那些有多個(gè)引腳的電子元件就是芯片，這些引腳連接著芯片的輸入輸出端，有的在芯片封裝體的兩側(cè)，有的在四個(gè)面上，有的則是在底部成矩陣排列，密密麻麻，有 1000 多個(gè)引腳。

3. 造芯片好比在一粒米上雕刻地球及所有道路建筑
這里需要提及一個(gè)概念，那就是“摩爾定律”。1965 年，世界著名芯片制造商美國(guó)英特爾公司的創(chuàng)始人之一戈登·摩爾提出，單片芯片上的晶體管數(shù)量會(huì)每年翻一番。后來他更正為每?jī)赡攴环?。這一判斷經(jīng)過實(shí)踐驗(yàn)證基本正確。2011 年，英特爾酷睿 i7 芯片上有 22.7 億個(gè)晶體管。目前，一些高端芯片上的晶體管數(shù)量超過數(shù)百億個(gè)。幾年前，半導(dǎo)體廠商 Cerebras Systems 用臺(tái)積電 16 納米制程工藝生產(chǎn)的 AI 芯片 WSE，則集成了 1.2 萬億個(gè)晶體管！

“制程”指的是芯片上晶體管柵極寬度，我們可以把它通俗地理解成晶體管的大小。制程越小，在一塊芯片上制作的晶體管就越多，集成電路的規(guī)模就越大。

芯片運(yùn)算速度不斷提高，得益于芯片的集成度越來越高。芯片的集成度越高，上面的電子元件就越小，各電子元件之間的導(dǎo)線也就越短，電流通過時(shí)用的時(shí)間隨之縮短，能耗減少，處理速度加快。

讓一塊芯片承載更多的晶體管，有三種方法，一是增加芯片面積，二是縮小晶體管體積，三是讓集成電路立體化。增大芯片面積一般不被考慮，因?yàn)檫@會(huì)增加能耗，降低芯片的效率?，F(xiàn)在，人們主要采取后兩種方法增加芯片上的晶體管數(shù)量。

芯片制造屬于微觀世界，上面的電子元件小到只有幾個(gè)原子或幾個(gè)分子大，要用更小的度量衡單位納米和埃來衡量。一般尺子上的最小刻度是毫米，1 毫米等于 1000 微米，1 微米等于 1000 納米，1 納米等于 10 埃。人的頭發(fā)直徑是 7 萬納米，周長(zhǎng)是 22 萬納米。用制程 5 納米工藝制造芯片，就好比沿著一根頭發(fā)修建 4.4 萬條公路。

縮小電子元件體積是有極限的，人們便考慮在一塊芯片上搭建多層集成電路來增加晶體管數(shù)量。這就好比是建居民住宅，平房容納的居民數(shù)少，蓋成幾十層高的樓房容納的居民數(shù)就多。集成電路的疊加要比蓋樓房復(fù)雜得多。樓房各層布局是相同的，而芯片各層電路是不同的，層與層之間的連接異常復(fù)雜。

我們?cè)龠M(jìn)一步比喻，制造芯片就像在一顆米粒上雕刻出一個(gè)完整的地球，而且還要把地球上所有的道路和建筑都要雕刻出來。道路就是芯片上的導(dǎo)線，建筑就是芯片上的電子元件。通過這個(gè)比喻，讀者便可想象，制造芯片該有多復(fù)雜，難度該有多大。

4. 硅的提純是芯片產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)

半導(dǎo)體材料很多，但在實(shí)際應(yīng)用中，九成以上都選用硅，因?yàn)楣璧娜埸c(diǎn)是 1415 攝氏度，可在芯片加工中允許高溫工藝。

硅是從沙子冶煉來的，但要把沙子冶煉成能制造芯片的硅，需要極高的純度。我們把純度是 99.99%的金叫純金（4 個(gè) 9），但制造芯片的硅的純度至少要達(dá)到 11 個(gè) 9，即每 10 億個(gè)硅原子里的雜質(zhì)原子不得超過 1 個(gè)，這一純度的硅 1955 年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室就提煉出來了。目前一塊芯片上有數(shù)以千億計(jì)的電子元件，對(duì)硅的純度要求更高，至少為 13 個(gè) 9，這是芯片制造的基礎(chǔ)，不掌握硅的提純技術(shù)，是不可能造出芯片來的！

讀者會(huì)問，為什么制造芯片的硅要求純度這么高? 芯片上的電子元件非常微小，如果用 5 納米制程工藝制造芯片，上面有 1 納米的雜質(zhì)就會(huì)把整塊芯片廢掉。我們不妨打個(gè)比方。如果一條公路 40 米寬，公路中間有塊 1 米寬的大石頭，汽車可避開這塊石頭走，不會(huì)造成交通擁堵。但是，如果一條公路只有 5 米寬，公路中間有塊 1 米寬的大石頭，汽車就避不開這塊石頭了，這條公路就堵死了。

所以，制造芯片不但要求硅的純度高，還要求制造工藝的各個(gè)環(huán)節(jié)是無塵的，其純凈度是醫(yī)院外科手術(shù)室的 10 萬倍，甚至有一半的工藝是在真空環(huán)境下進(jìn)行的。正因?yàn)槿绱?，新冠肺炎疫情下芯片制造廠無需停工抗疫，因?yàn)楣ぷ魅藛T從頭到腳全身防護(hù)，有的防護(hù)服甚至自帶呼吸系統(tǒng)，以防人體新陳代謝的脫落物和呼出的氣體污染芯片。

5. ***其實(shí)是集成電路投影儀

“***”這個(gè)名字翻譯不準(zhǔn)確，很有誤導(dǎo)性，很多人誤認(rèn)為***通過物理接觸在晶體硅表面上“刻”出集成電路來，就像電腦刻字一樣。其實(shí)，芯片不是“刻”出來的，而是“照”出來的。所以，***叫“集成電路投影儀”更貼切。

當(dāng)制造芯片的晶圓進(jìn)入光刻工藝階段時(shí)，***通過掩模版把集成電路圖投影到晶圓表面的光刻膠上，光刻膠曝光后，通過化學(xué)藥液把曝光區(qū)域蝕刻，然后清洗，這樣，集成電路的圖形就出來了。光刻過程和傳統(tǒng)照相的照片沖印是一個(gè)道理，光線通過底片讓相紙感光，然后把感光的相紙放在藥液里顯影、定影。

一塊芯片要經(jīng)過數(shù)十次甚至數(shù)百次光刻，光刻后的若干工藝還需要幾個(gè)星期，然后才能進(jìn)入封裝階段。

芯片制造技術(shù)日新月異，但芯片制造的大多數(shù)核心技術(shù)出自貝爾實(shí)驗(yàn)室，貝爾實(shí)驗(yàn)室為信息技術(shù)革命所做的貢獻(xiàn)永垂青史。

7. 有***就能造芯片嗎？

很多讀者對(duì)***很感興趣，認(rèn)為有了***就能造出芯片來。其實(shí)不然，雖然***在芯片制造中占重要地位，但它僅是芯片制造 1000 多道工藝中的一道而已，有了***但如果沒能掌握其他工藝，照樣造不出芯片來。

1961 年，美國(guó) GCA 公司制造出世界上第一臺(tái)***。目前，世界上有 4 個(gè)國(guó)家的 7 家公司可以制造***，即荷蘭的阿斯麥爾，美國(guó)的英特爾、超科技半導(dǎo)體、魯?shù)婪颍毡镜哪峥?、佳能，德?guó)的速思微科。

上文已述，芯片產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)是材料，也就是硅的提純，不掌握硅的提純技術(shù)，生產(chǎn)不出芯片級(jí)純度的晶體硅，造芯片就無從談起。

再有，芯片上有數(shù)以千億計(jì)的電子元件，這么龐大的電路靠人工是畫不出來的，必須使用電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件 EDA。EDA 是諸多自然學(xué)科的綜合運(yùn)用，由美國(guó)凱登、新思科技和明導(dǎo)三家公司壟斷。

EDA 在芯片制造過程中起著決定性作用，芯片的功能和集成度，完全取決于 EDA 的設(shè)計(jì)能力。有了高純度硅和***，卻沒有 EDA 或不會(huì)使用 EDA，照樣造不出芯片來。

審核編輯黃宇