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，美國貝爾實驗室 3 位科學家約翰·巴登、威廉·肖克利和瓦爾特·布拉頓發(fā)明了鍺晶體三極管，電子世界進入半導體時代。晶體三極管的 3 位發(fā)明人獲得 1956 年諾貝爾物理學獎。

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

1954 年 10 月 18 日，美國德州儀器公司發(fā)明了晶體管收音機，這個有 4 只晶體三極管的收音機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，用外部導線把它們連接成電路。這塊簡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)的不斷進步讓單個晶體管價格大降。1959 年，一塊芯片上有 6 個晶體管，折合每個晶體管 10 美元；1971 年，一塊芯片上有 2000 個晶體管，折合每個晶體管 0.3 美元；2004 年，一塊芯片上有上百億個晶體管，單個晶體管價格跌至十億分之一美元。芯片性價比的提高，讓芯片進入普通百姓家庭成為可能。

芯片可謂 20 世紀最偉大的發(fā)明，其他很多發(fā)明也建立在芯片的基礎上。今天，我們生活在一個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、電腦、智能手表等智能設備有芯片，光貓、路由器、U 盤、儲存卡、移動硬盤等網(wǎng)絡設備和電腦外設有芯片，身份證、護照、銀行卡、購物卡、消費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，那人類生活將會停滯。

杰克·基爾比因發(fā)明芯片獲得 2000 年諾貝爾物理學獎。他也是手持計算器和熱感打印機的發(fā)明人。基爾比被人稱作科學家時，他謙虛地說：“科學家是解釋事物的人，要有偉大的思想；而我是解決問題的人，就是個工程師，職責就是發(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。”

2. 認識芯片必須首先了解“PN 結(jié)”

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

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

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

“PN 結(jié)”的主要性能就是“單項導電性”。如果把 P 型半導體端作正極，N 型半導體端作負極，電流便可通過 PN 結(jié)；如果把 N 型半導體端作正極、P 型半導體端作負極，電流則不能通過 PN 結(jié)。計算機用二進位就是由“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 型半導體中間夾著一塊 N 型半導體,就構(gòu)成三極管，也就是上文提到的 PNP 型三極管。當然，如果讓兩塊 N 型半導體中間夾著一塊 P 型半導體，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，因為它太單薄，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)，有的在四個面上，有的則是在底部成矩陣排列，密密麻麻，有 1000 多個引腳。

3. 造芯片好比在一粒米上雕刻地球及所有道路建筑
這里需要提及一個概念，那就是“摩爾定律”。1965 年，世界著名芯片制造商美國英特爾公司的創(chuàng)始人之一戈登·摩爾提出，單片芯片上的晶體管數(shù)量會每年翻一番。后來他更正為每兩年翻一番。這一判斷經(jīng)過實踐驗證基本正確。2011 年，英特爾酷睿 i7 芯片上有 22.7 億個晶體管。目前，一些高端芯片上的晶體管數(shù)量超過數(shù)百億個。幾年前，半導體廠商 Cerebras Systems 用臺積電 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線也就越短，電流通過時用的時間隨之縮短，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，因為這會增加能耗，降低芯片的效率。現(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原子或幾個分子大，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雜。

我們再進一步比喻，制造芯片就像在一顆米粒上雕刻出一個完整的地球，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線，建筑就是芯片上的電子元件。通過這個比喻，讀者便可想象，制造芯片該有多復雜，難度該有多大。

4. 硅的提純是芯片產(chǎn)業(yè)的基礎

半導體材料很多，但在實際應用中，九成以上都選用硅，因為硅的熔點是 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 9），但制造芯片的硅的純度至少要達到 11 個 9，即每 10 億個硅原子里的雜質(zhì)原子不得超過 1 個，這一純度的硅 1955 年美國貝爾實驗室就提煉出來了。目前一塊芯片上有數(shù)以千億計的電子元件，對硅的純度要求更高，至少為 13 個 9，這是芯片制造的基礎，不掌握硅的提純技術(shù)，是不可能造出芯片來的！

讀者會問，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)就會把整塊芯片廢掉。我們不妨打個比方。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)境下進行的。正因為如此，新冠肺炎疫情下芯片制造廠無需停工抗疫，因為工作人員從頭到腳全身防護，有的防護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. ***其實是集成電路投影儀

“***”這個名字翻譯不準確，很有誤導性，很多人誤認為***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，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。

當制造芯片的晶圓進入光刻工藝階段時，***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星期，然后才能進入封裝階段。

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)出自貝爾實驗室，貝爾實驗室為信息技術(shù)革命所做的貢獻永垂青史。

7. 有***就能造芯片嗎？

很多讀者對***很感興趣，認為有了***就能造出芯片來。其實不然，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 GCA 公司制造出世界上第一臺***。目前，世界上有 4 個國家的 7 家公司可以制造***，即荷蘭的阿斯麥爾，美國的英特爾、超科技半導體、魯?shù)婪颍毡镜哪峥怠⒓涯埽聡乃偎嘉⒖啤?/p>

上文已述，芯片產(chǎn)業(yè)的基礎是材料，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，必須使用電子設計自動化軟件 EDA。EDA 是諸多自然學科的綜合運用，由美國凱登、新思科技和明導三家公司壟斷。

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 的設計能力。有了高純度硅和***，卻沒有 EDA 或不會使用 EDA，照樣造不出芯片來。

審核編輯黃宇