天天談論芯片，你可知芯片究竟是什么？

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2022-03-17 08:53:58 1

人的頭發直徑是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修建4.4萬條公路。

2fb974ec7d02826a66554f78a2ba855e 作者：劉植榮來源：頭條@鐵塔-劉植榮

2020年5月15日，美國發布對華為的芯片禁令，從此，芯片引起國人的廣泛關注。9月15日該禁令開始生效，臺積電、聯發科、高通、索尼、三星、SK海力士、美光等*知名芯片制造商不能再為華為供應芯片。9月16日，中紀委在其官方網站發文稱“華為芯片斷供或是中國芯片產業涅槃的開端”。

我們天天議論芯片，你可知道芯片究竟是什么？

1.芯片的發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·布拉頓發明了鍺晶體三極管，電子*進入半導體時代。晶體三極管的3位發明人獲得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出來的。

1954年10月18日，美國德州儀器公司發明了晶體管收音機，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）發明了集成電路，并在1959年成功制造出*上*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業的序幕，也把人類科技水平推向一個新的*，并徹底改變了人類的生活方式。

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芯片制造技術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世紀最偉大的發明，其他很多發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*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、冰箱、微波爐、電磁爐、熱水器等家用電器也有芯片，門禁、監控、太陽能電池等也需要芯片。如果誰發明一種代碼讓*上所有的芯片失效，那人類生活將會停滯。

8885d3faccb41fd4e1cfe263312e7dbe 杰克·基爾比因發明芯片獲得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明人?；鶢柋缺蝗朔Q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，職責就是發明新工藝，制造新產品，而且還要從發明創造中賺錢?！?

2.認識芯片必須首先了解“PN結”

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”，它是半導體技術的核心。

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?！翱昭ā敝傅氖枪矁r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對方擴散；電子和空穴在擴散中導致接觸面形成內電場，內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平衡時，P型半導體與N型半導體的接觸面便形成“PN結”。

“PN結”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；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。計算機用二進位就是由“PN結”的性能決定的，電流通過“PN結”代表“1”，電流不能通過“PN結”代表“0”。

“PN結”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，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。

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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，**芯片制造商美國英特爾公司的創始人之一戈登·摩爾提出，單片芯片上的晶體管數量會每年翻一番。后來他更正為每兩年翻一番。這一判斷經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量超過數百億個。幾年前，半導體廠商Cerebras Systems用臺積電16納米制程工藝生產的AI芯片WSE，則集成了1.2萬億個晶體管！

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“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?，F在，人們主要采取后兩種方法增加芯片上的晶體管數量。

芯片制造屬于微觀*，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量。這就好比是建居民住宅，平房容納的居民數少，蓋成幾十層高的樓房容納的居民數就多。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.硅的提純是芯片產業的基礎

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，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節是無塵的，其純凈度是醫院外科手術室的10萬倍，甚至有一半的工藝是在真空環境下進行的。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，以防人體新陳代謝的脫落物和呼出的氣體污染芯片。

5.光刻機其實是集成電路投影儀??

“光刻機”這個名字翻譯不準確，很有誤導性，很多人誤認為光刻機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，光刻機叫“集成電路投影儀”更貼切。

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當制造芯片的晶圓進入光刻工藝階段時，光刻機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。

一塊芯片要經過數十次甚至數百次光刻，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。

芯片制造技術日新月異，但芯片制造的大多數核心技術出自貝爾實驗室，貝爾實驗室為信息技術革命所做的貢獻永垂青史。

7.有光刻機就能造芯片嗎？??

很多讀者對光刻機很感興趣，認為有了光刻機就能造出芯片來。其實不然，雖然光刻機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，有了光刻機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*上*臺光刻機。目前，*上有4個*的7家公司可以制造光刻機，即荷蘭的阿斯麥爾，美國的英特爾、超科技半導體、魯道夫，日本的尼康、佳能，德國的速思微科。

上文已述，芯片產業的基礎是材料，也就是硅的提純，不掌握硅的提純技術，生產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。有了高純度硅和光刻機，卻沒有EDA或不會使用EDA，照樣造不出芯片來。

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