人类头发的直径为70,000纳米，周长为220,000纳米。用5纳米工艺制造芯片，就好比沿着一根头发修建44,000条道路。

作者：刘志荣 来源：头条@铁塔-刘志荣

2020年5月15日，美国对华为芯片实施禁令。此后，芯片产业在中国引起了广泛关注。该禁令于9月15日生效。台积电、联发科、高通、索尼、三星、SK海力士、美光等世界知名芯片制造商均无法再向华为供应芯片。9月16日，中央纪委在其官网发表文章称，“华为芯片断供或许是中国芯片产业涅槃的开端”。

我们每天都在谈论薯片，但你知道薯片是什么吗？

1. 芯片的发明如何改变了人类生活？

1947年12月23日，美国贝尔实验室的三位科学家——约翰·巴登、威廉·肖克利和沃尔特·布拉顿——发明了锗晶体晶体管，将电子世界带入了半导体时代。这三位晶体管发明者荣获1956年诺贝尔物理学奖。

20世纪50年代是半导体的黄金时代。几乎所有半导体材料和基础工艺都是在这一时期发展起来的。

1954年10月18日，德州仪器公司发明了晶体管收音机。这款由四个晶体管组成的收音机体积小巧，可以放进口袋里。

1958年9月12日，德州仪器公司的电子工程师杰克·基尔比（1923-2005）发明了集成电路，并于1959年成功制造出世界上第一块集成电路——芯片。这块集成电路是将PNP晶体管、电阻器和电容器蚀刻在锗芯片上，并用外部导线将它们连接起来形成电路。这块简单的集成电路开启了芯片产业的篇章，将人类科学技术推向了新的高峰，并彻底改变了人类的生活方式。

芯片制造技术的不断进步极大地降低了单个晶体管的价格。1959年，一块芯片上有6个晶体管，相当于每个晶体管10美元；1971年，一块芯片上有2,000个晶体管，相当于每个晶体管0.3美元；2004年，一块芯片上有数百亿个晶体管，单个晶体管的价格降至十亿分之一美元。芯片性价比的提升使得芯片得以进入普通家庭。

芯片可以说是20世纪最伟大的发明，许多其他发明也都以芯片为基础。如今，我们生活在一个芯片环绕的世界，没有芯片寸步难行。

人们的日常生活离不开芯片。手机、电脑、智能手表等智能设备都含有芯片。光纤调制解调器、路由器、U盘、存储卡、移动硬盘等网络设备也含有芯片。网络设备和电脑外设中也包含芯片。身份证、护照、银行卡、购物卡、消费卡等个人身份识别卡都含有芯片。电视、音箱、投影仪、充电器、LED灯、电子秤、空调、冰箱、微波炉、电磁炉、热水器等家用电器也都含有芯片。门禁系统、监控系统、太阳能电池等也都需要芯片。如果有人发明了一种能够禁用世界上所有芯片的代码，人类生活将会彻底停滞。

杰克·基尔比因发明芯片而荣获2000年诺贝尔物理学奖。他也是手持计算器和热敏打印机的发明者。当人们称基尔比为科学家时，他谦虚地说：“科学家是解释事物的人，他们必须拥有伟大的想法；而我是一名问题解决者，一名工程师。我的职责是发明新工艺，制造新产品，并从发明创造中获利。”

2. 要了解芯片，首先必须了解“PN结”。

如上所示，二极管、晶体管、电阻器和电容器等电子元件都制作在半导体材料上，然后用导线连接起来。这就是集成电路，也称为芯片。要了解芯片，首先必须了解“PN结”，它是半导体技术的核心。

当半导体材料掺杂五价元素时，电子浓度增加，形成N型半导体；当半导体材料掺杂三价元素时，空穴浓度增加，形成P型半导体。“空穴”是指共价键上的电子获得能量并挣脱共价键束缚成为自由电子后，共价键上留下的空位。

当P型半导体和N型半导体紧密接触后，带负电的电子和带正电的空穴会相互扩散；电子和空穴的扩散会在接触面上形成内建电场，该内建电场会阻止这种扩散，使电子和空穴漂移回去。当电子和空穴的扩散速度和漂移速度达到动态平衡时，在P型半导体和N型半导体的接触面上就形成了“PN结”。

PN结的主要特性是“单向导电”。如果P型半导体端作为正极，N型半导体端作为负极，电流可以通过PN结；如果N型半导体端作为正极，P型半导体端作为负极，电流则无法通过PN结。计算机中二进制位的使用取决于PN结的特性。流过PN结的电流表示“1”，不流过PN结的电流表示“0”。

“PN结”是一种二极管。如果两个P型半导体夹着一个N型半导体，就形成了一个三极管，也就是前面提到的PNP型三极管。当然，如果两个N型半导体之间夹着一个P型半导体，就变成了NPN型晶体管。

普通人看不到芯片的“真面目”。芯片小到像人类的头皮屑，大到像人类的指甲盖。由于它太薄，必须封装在密封的外壳中才能连接到外部电路。当你打开电脑、电视或其他电器时，你会看到一块很大的电路板。电路板上有很多电子元件。那些带有多个引脚的电子元件就是芯片。这些引脚连接到芯片的输入和输出端。有些芯片封装两侧都有引脚，有些四面都有，还有一些则以矩阵形式排列在底部，密集地排列着超过1,000个引脚。

3. 制造薯片就像在一粒米上雕刻地球和所有道路建筑一样？

这里需要提及一个概念，那就是“摩尔定律”。1965年，世界知名芯片制造商英特尔公司的联合创始人戈登·摩尔提出，单个芯片上的晶体管数量每年都会翻一番。后来他修正为每两年翻一番。实践证明，这一判断基本正确。2011年，英特尔酷睿i7芯片上集成了2.27亿个晶体管。目前，一些高端芯片上的晶体管数量超过数百亿。几年前，半导体制造商Cerebras Systems采用台积电16纳米工艺技术生产的人工智能芯片WSE集成了1.2万亿个晶体管！

“工艺”指的是芯片上晶体管栅极的宽度，我们通常可以将其理解为晶体管的尺寸。工艺越小，单个芯片上可以制造的晶体管就越多，集成电路的尺寸也就越大。

芯片集成度的不断提高，使得芯片的计算速度持续提升。芯片集成度越高，其上的电子元件就越小，元件之间的连接线也就越短。这样一来，电流通过所需的时间缩短，能耗降低，处理速度也随之加快。

增加芯片上晶体管数量的三种方法有三种：一是增大芯片面积，二是减小晶体管尺寸，三是使集成电路采用三维结构。增大芯片面积通常不被考虑，因为它会增加能耗并降低芯片效率。目前，人们主要采用后两种方法来增加芯片上的晶体管数量。

芯片制造属于微观世界，其上的电子元件小至几个原子或分子，并以纳米和埃等更小的计量单位来衡量。普通尺子的最小刻度是毫米，1毫米等于1000微米，1微米等于1000纳米，1纳米等于10埃。人类头发的直径为70,000纳米，周长为220,000纳米。采用5纳米工艺制造芯片，就好比沿着一根头发修建44,000条道路。

电子元件尺寸缩小存在极限，因此人们考虑在单个芯片上构建多层集成电路以增加晶体管的数量。这就像建造住宅楼一样。单层房屋只能容纳少量居民，而数十层楼房可以容纳大量居民。集成电路的堆叠比建造房屋复杂得多。房屋每层的布局相同，但芯片上每一层的电路都不同，层与层之间的连接也极其复杂。

让我们进一步延伸这个比喻：制造芯片就像在一粒米上雕刻出一个完整的地球，地球上所有的道路和建筑物都必须从零开始雕刻出来。道路就像芯片上的导线，建筑物就像芯片上的电子元件。通过这个比喻，读者可以想象制造芯片是多么复杂和困难。

4. 硅的提纯是芯片产业的基础。

半导体材料有很多种，但在实际应用中，超过 90% 的半导体材料都使用硅，因为硅的熔点为 1415 摄氏度，这使得芯片加工中可以进行高温工艺。

硅是从沙子中冶炼出来的，但要将沙子冶炼成可用于制造芯片的硅，需要极高的纯度。我们称纯度为99.99%的黄金为纯金（四个九），但用于制造芯片的硅的纯度必须至少达到11个九，也就是说，每10亿个硅原子中杂质原子不得超过1个。这种纯度的硅是由美国贝尔实验室在1955年提炼出来的。如今，芯片上包含数千亿个电子元件，对硅的纯度要求更高，至少要达到13个九。这是芯片制造的基础。如果不能掌握硅提纯技术，就不可能制造出芯片！

读者可能会问，为什么制造芯片所需的硅必须如此纯净？芯片上的电子元件非常微小。如果芯片采用5纳米工艺制造，哪怕只有1纳米的杂质也会毁掉整个芯片。我们不妨打个比方：如果一条路宽40米，路中间有一块1米宽的大石头，汽车可以绕开它，不会造成交通堵塞。但是，如果一条路只有5米宽，路中间有一块1米宽的大石头，汽车就无法绕开它，道路就会被堵塞。

因此，芯片制造不仅需要高纯度的硅，还要求制造过程的各个环节都必须无尘。其纯度是医院手术室的10万倍，而且一半的工序甚至在真空环境下进行。正因如此，芯片制造厂在新冠疫情期间无需停工抗疫，因为工人从头到脚都受到防护，有些防护服甚至配备了呼吸系统，以防止芯片受到人体代谢物和呼出气体的污染。

5. 光刻机实际上是集成电路投影仪吗？?

“光刻机”这个名称翻译不准确，而且非常容易误导人。很多人误以为光刻机像电脑雕刻一样，通过物理接触在晶体硅表面“雕刻”集成电路。实际上，芯片并非“雕刻”而成，而是“拍摄”而成。因此，称光刻机为“集成电路投影仪”更为贴切。

当用于制造芯片的晶圆进入光刻工艺阶段时，光刻机通过掩模将集成电路图案投射到晶圆表面的光刻胶上。光刻胶曝光后，用化学溶液蚀刻曝光区域，然后进行清洗。这样，集成电路图案就显现出来了。光刻工艺与传统摄影的原理相同。光线穿过底片使感光纸感光，然后将感光后的感光纸浸入显影液中进行定影。

芯片需要经过数十次甚至数百次光刻工艺，光刻之后还需要经过几个工序，耗时数周才能进入封装阶段。

芯片制造技术日新月异，但大多数核心芯片制造技术都源自贝尔实验室。贝尔实验室对信息技术革命的贡献将永远载入史册。

7. 如果我有一台光刻机，我可以制造芯片吗？

许多读者对光刻机非常感兴趣，认为可以用光刻机制造芯片。事实上并非如此。虽然光刻机在芯片制造中扮演着重要角色，但它只是芯片制造1,000多个工序中的一道。即使掌握了光刻机，如果其他工序没有掌握，仍然无法制造出芯片。

1961年，美国GCA公司制造了世界上第一台光刻机。目前，全球共有7家公司能够制造光刻机，分布在4个国家，分别是荷兰的Asmaier、美国的英特尔、Super Technology Semiconductor和Rudolf、日本的尼康和佳能，以及德国的SusiMicro。

如上所述，芯片产业的基础是材料，也就是硅的提纯技术。如果不能掌握硅提纯技术，就无法生产出芯片级纯度的晶体硅，也就无法制造芯片。

此外，芯片上有数千亿个电子元件。如此庞大的电路无法手动绘制，必须使用电子设计自动化软件 (EDA)。EDA 是多个学科的综合应用，目前由三家美国公司垄断：Kadant、Synopsys 和 Mentor Graphics。

EDA在芯片制造过程中扮演着决定性的角色。芯片的功能和集成度完全取决于EDA的设计能力。即使拥有高纯度硅片和光刻设备，如果没有EDA或者不知道如何使用EDA，仍然无法制造出芯片。

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