人類頭髮的直徑為70,000奈米，週長為220,000奈米。用5奈米製程製造晶片，就好比沿著一根頭髮修建44,000條道路。

作者：劉志榮 來源：頭條@鐵塔-劉志榮

2020年5月15日，美國對華為晶片實施禁令。此後，晶片產業在中國引起了廣泛關注。該禁令於9月15日生效。台積電、聯發科、高通、索尼、三星、SK海力士、美光等世界知名晶片製造商均無法再向華為供應晶片。 9月16日，中央紀委在其官網發表文章稱，「華為晶片斷供或許是中國晶片產業涅槃的開端」。

我們每天都在談論薯片，但你知道薯片是什麼嗎？

1. 晶片的發明如何改變了人類生活？

1947年12月23日，美國貝爾實驗室的三位科學家——約翰·巴登、威廉·蕭克利和沃爾特·布拉頓——發明了鍺晶體晶體管，將電子世界帶入了半導體時代。這三位晶體管發明者榮獲1956年諾貝爾物理學獎。

1950年代是半導體的黃金時代。幾乎所有半導體材料和基礎工藝都是在這段時期發展起來的。

1954年10月18日，德州儀器公司發明了晶體管收音機。這款由四個電晶體組成的收音機體積小巧，可以放進口袋裡。

1958年9月12日，德州儀器公司的電子工程師傑克·基爾比（1923-2005）發明了積體電路，並於1959年成功製造出世界上第一塊積體電路－晶片。這塊積體電路是將PNP電晶體、電阻器和電容器蝕刻在鍺晶片上，並用外部導線將它們連接起來形成電路。這塊簡單的積體電路開啟了晶片產業的篇章，將人類科學技術推向了新的高峰，並徹底改變了人類的生活方式。

晶片製造技術的不斷進步極大地降低了單一電晶體的價格。 1959年，一塊晶片上有6個晶體管，相當於每個電晶體10美元；1971年，一塊晶片上有2,000個晶體管，相當於每個電晶體0.3美元；2004年，一塊晶片上有數百億個電晶體，單一電晶體的價格降至十億分之一美元。晶片性價比的提升使得晶片得以進入一般家庭。

晶片可以說是20世紀最偉大的發明，許多其他發明也都以晶片為基礎。如今，我們生活在一個晶片環繞的世界，沒有晶片寸步難行。

人們的日常生活離不開晶片。手機、電腦、智慧手錶等智慧型裝置都含有晶片。光纖數據機、路由器、U盤、記憶卡、行動硬碟等網路設備也含有晶片。網路設備和電腦週邊也包含晶片。身分證、護照、銀行卡、購物卡、消費卡等個人識別卡都含有晶片。電視、音箱、投影機、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都含有晶片。門禁系統、監控系統、太陽能電池等也都需要晶片。如果有人發明了一種能夠停用世界上所有晶片的程式碼，人類生活將會徹底停滯。

傑克·基爾比因發明晶片而榮獲2000年諾貝爾物理學獎。他也是手持計算器和熱感印表機的發明者。當人們稱基爾比為科學家時，他謙虛地說：“科學家是解釋事物的人，他們必須擁有偉大的想法；而我是一名問題解決者，一名工程師。我的職責是發明新工藝，製造新產品，並從發明創造中獲利。”

2. 要了解晶片，首先必須了解「PN結」。

如上所示，二極體、電晶體、電阻器和電容器等電子元件都製作在半導體材料上，然後用導線連接。這就是積體電路，也稱為晶片。要了解晶片，首先必須了解“PN結”，它是半導體技術的核心。

當半導體材料摻雜五價元素時，電子濃度增加，形成N型半導體；當半導體材料摻雜三價元素時，電洞濃度增加，形成P型半導體。 「空穴」是指共價鍵上的電子獲得能量並掙脫共價鍵束縛成為自由電子後，共價鍵上留下的空位。

當P型半導體和N型半導體緊密接觸後，帶負電的電子和帶正電的電洞會相互擴散；電子和電洞的擴散會在接觸面上形成內建電場，該內建電場會阻止這種擴散，使電子和電洞漂移回去。當電子和電洞的擴散速度和漂移速度達到動態平衡時，在P型半導體和N型半導體的接觸面上就形成了「PN接面」。

PN結的主要特性是「單嚮導電」。若P型半導體端為正極，N型半導體端為負極，電流可以通過PN接面；若N型半導體端為正極，以P型半導體端為負極，電流則無法通過PN接面。電腦中二進位位元的使用取決於PN結的特性。流經PN接面的電流表示“1”，不流過PN接面的電流表示“0”。

「PN結」是一種二極體。如果兩個P型半導體夾著一個N型半導體，就形成了一個三極管，也就是前面提到的PNP型三極體。當然，如果兩個N型半導體之間夾著一個P型半導體，就變成了NPN型電晶體。

一般人看不到晶片的「真面目」。晶片小到像人類的頭皮屑，大到像人類的指甲蓋。由於它太薄，必須封裝在密封的外殼中才能連接到外部電路。當你打開電腦、電視或其他電器時，你會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晶片。這些引腳連接到晶片的輸入和輸出端。有些晶片封裝兩側都有引腳，有些四面都有，有些則以矩陣形式排列在底部，密集地排列著超過1,000個引腳。

3. 製造薯片就像在一粒米上雕刻地球和所有道路建築？

這裡需要提及一個概念，那就是「摩爾定律」。 1965年，世界知名晶片製造商英特爾公司的聯合創始人戈登·摩爾提出，單一晶片上的電晶體數量每年都會翻倍。後來他修正為每兩年翻一番。實踐證明，這判斷基本上正確。 2011年，英特爾酷睿i7晶片上整合了2.27億個電晶體。目前，一些高階晶片上的電晶體數量超過數百億。幾年前，半導體製造商Cerebras Systems採用台積電16奈米製程技術生產的人工智慧晶片WSE整合了1.2兆個電晶體！

「製程」指的是晶片上電晶體閘極的寬度，我們通常可以將其理解為電晶體的尺寸。製程越小，單一晶片上可以製造的電晶體就越多，積體電路的尺寸就越大。

晶片整合度的不斷提高，使得晶片的運算速度持續提升。晶片整合度越高，其上的電子元件就越小，元件之間的連接線就越短。這樣一來，電流通過所需的時間縮短，能耗降低，處理速度也隨之加快。

增加晶片上電晶體數量的三種方法有三種：一是增大晶片面積，二是減小電晶體尺寸，三是讓積體電路採用三維結構。增大晶片面積通常不被考慮，因為它會增加能耗並降低晶片效率。目前，人們主要採用後兩種方法來增加晶片上的電晶體數量。

晶片製造屬於微觀世界，其上的電子元件小至幾個原子或分子，並以奈米和埃等更小的計量單位來衡量。普通尺的最小刻度是毫米，1毫米等於1000微米，1微米等於1000奈米，1奈米等於10埃。人類頭髮的直徑為70,000奈米，週長為220,000奈米。採用5奈米製程製造晶片，就好比沿著一根頭髮修建44,000條道路。

電子元件尺寸縮小存在極限，因此人們考慮在單一晶片上建立多層積體電路以增加電晶體的數量。這就像建造住宅大樓一樣。單層房屋只能容納少量居民，而數十層樓房屋可容納大量居民。積體電路的堆疊比建造房屋複雜得多。房屋每層的佈局相同，但晶片上每一層的電路都不同，層與層之間的連接也極為複雜。

讓我們進一步延伸這個比喻：製造晶片就像在一粒米上雕刻出一個完整的地球，地球上所有的道路和建築物都必須從零開始雕刻出來。道路就像晶片上的導線，建築物就像晶片上的電子元件。透過這個比喻，讀者可以想像製造晶片是多麼複雜和困難。

4. 矽的純化是晶片產業的基礎。

半導體材料有很多種，但在實際應用中，超過 90% 的半導體材料都使用矽，因為矽的熔點為 1415 攝氏度，這使得晶片加工中可以進行高溫製程。

矽是從沙中冶煉出來的，但要將沙子冶煉成可用於製造晶片的矽，需要極高的純度。我們稱純度為99.99%的黃金為純金（四個九），但用於製造晶片的矽的純度必須至少達到11個九，也就是說，每10億個矽原子中雜質原子不得超過1個。這種純度的矽是由美國貝爾實驗室在1955年提煉出來的。如今，晶片上包含數千億個電子元件，對矽的純度要求更高，至少要達到13個九。這是晶片製造的基礎。如果無法掌握矽提純技術，就不可能製造出晶片！

讀者可能會問，為什麼製造晶片所需的矽必須如此純淨？晶片上的電子元件非常微小。如果晶片採用5奈米製程製造，即使只有1奈米的雜質也會毀掉整個晶片。我們不妨打個比方：如果一條路寬40米，路中間有一塊1米寬的大石頭，汽車可以繞過它，不會造成交通堵塞。但是，如果一條路只有5公尺寬，路中間有一塊1公尺寬的大石頭，汽車就無法繞過它，道路就會被堵塞。

因此，晶片製造不僅需要高純度的矽，還要求製造過程的各個環節都必須無塵。其純度是醫院手術室的10萬倍，一半的工序甚至在真空環境下進行。正因如此，晶片製造廠在新冠疫情期間無需停工抗疫，因為工人從頭到腳都受到防護，有些防護服甚至配備了呼吸系統，以防止晶片受到人體代謝物和呼出氣體的污染。

5. 光刻機其實是積體電路投影機嗎？?

「光刻機」這個名稱翻譯不準確，而且非常容易誤導人。很多人誤以為光刻機像電腦雕刻一樣，透過物理接觸在晶體矽表面「雕刻」積體電路。事實上，晶片並非「雕刻」而成，而是「拍攝」而成。因此，稱光刻機為「積體電路投影機」更為貼切。

當用於製造晶片的晶圓進入光刻製程階段時，光刻機透過掩模將積體電路圖案投射到晶圓表面的光阻上。光阻曝光後，用化學溶液蝕刻曝光區域，然後進行清洗。這樣，積體電路圖案就顯現出來了。光刻工藝與傳統攝影的原理相同。光線穿過底片使感光紙感光，然後將感光後的感光紙浸入顯影液中進行定影。

晶片需要經過數十次甚至數百次光刻工藝，光刻之後還需要經過幾個工序，耗時數週才能進入封裝階段。

晶片製造技術日新月異，但大多數核心晶片製造技術都源自貝爾實驗室。貝爾實驗室對資訊科技革命的貢獻將永遠載入史冊。

7. 如果我有一台光刻機，我可以製造晶片嗎？

許多讀者對光刻機非常感興趣，認為可以用光刻機製造晶片。事實上並非如此。雖然光刻機在晶片製造中扮演著重要角色，但它只是晶片製造1,000多個工序中的一道。即使掌握了光刻機，如果其他工序沒有掌握，仍然無法製造出晶片。

1961年，美國GCA公司製造了世界上第一台光刻機。目前，全球共有7家公司能夠製造光刻機，分佈在4個國家，分別是荷蘭的Asmaier、美國的英特爾、Super Technology Semiconductor和Rudolf、日本的尼康和佳能，以及德國的SusiMicro。

如上所述，晶片產業的基礎是材料，也就是矽的純化技術。如果無法掌握矽提純技術，就無法生產出晶片級純度的晶體矽，也無法製造晶片。

此外，晶片上有數千億個電子元件。如此龐大的電路無法手動繪製，必須使用電子設計自動化軟體 (EDA)。 EDA 是多個學科的綜合應用，目前由三家美國公司壟斷：Kadant、Synopsys 和 Mentor Graphics。

EDA在晶片製造過程中扮演決定性的角色。晶片的功能和整合度完全取決於EDA的設計能力。即使擁有高純度矽片和光刻設備，如果沒有EDA或不知道如何使用EDA，仍然無法製造出晶片。

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