你可知芯片究竟是什么？

2020年5月15日，美国发布对华为的芯片禁令，从此，芯片引起国人的广泛关注。9月15日该禁令开始生效，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不能再为华为供应芯片。9月16日，中纪委在其官方网站发文称“华为芯片断供或是中国芯片产业涅槃的开端”。

我们一直在谈论芯片，你知道芯片是什么吗？

1.芯片的发明改变了人类的生活方式

1947年12月23日，美国贝尔实验室3位科学家约翰·巴登、威廉·肖克利和瓦尔特·布拉顿发明了锗晶体三极管，电子世界进入半导体时代。晶体三极管的3位发明人获得1956年诺贝尔物理学奖。

20世纪50年代是半导体的黄金时期，几乎所有的半导体材料和基本过程，在此期间被开发。

1954年10月18日，美国德州仪器公司发明了晶体管收音机，这个有4只晶体三极管的收音机小到可以装到口袋里。

1958年9月12日，德州仪器电子工程师杰克·基尔比（1923年至2005年）发明了集成电路，并成功生产出了世界上第一个集成电路于1959年，也就是芯片。蚀刻所述集成电路是PNP晶体管（晶体管），Ge衬底上电阻器和电容器，与外部引线连接到电路。这个简单的前奏集成电路芯片产业，也是人类的技术水平提升到一个新的高度，并彻底改变了人们的生活方式。

芯片制造技术的进步降低了一个晶体管的价格。1959年，一个芯片上有六个晶体管，相当于每个10美元。1971年，一个芯片上有2000个晶体管，相当于每个0.3美元。2004年，一个芯片上有100亿个晶体管，一个晶体管的价格降到了十亿分之一美元。芯片性价比的提高，让芯片进入普通人家成为可能。

芯片是20世纪最伟大的发明，其他许多发明都是以芯片为基础的。 今天，我们生活在一个被芯片包围的世界里。

百姓日常生活离不开芯片，手机、电脑、智能手表等智能设备有芯片，光猫、路由器、U盘、储存卡、移动硬盘等网络设备和电脑外设有芯片，身份证、护照、银行卡、购物卡、消费卡等随身证件有芯片，电视、音响、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有芯片，门禁、监控、太阳能电池等也需要芯片。如果谁发明一种代码让世界上所有的芯片失效，那人类生活将会停滞。

杰克·基尔比因发明一个芯片可以获得2000年诺贝尔物理学奖。他也是我们手持计算器和热感打印机的发明人。基尔比被人称作中国科学家时，他谦虚地说：“科学家是解释一些事物发展的人，要有民族伟大的思想；而我是解决这些问题研究的人，就是个工程师，职责之一就是企业发明新工艺，制造公司新产品，而且还要从技术发明创新创造中赚钱。”

2.认识芯片必须先了解“PN结”

从上文分析可知，在半导体材料上制作出二极管、三极管、电阻、电容等电子信息元件，再用导线把它们进行连接起来，这就是通过集成系统电路，也叫芯片。要想提高认识中国芯片，必须首先可以了解“PN结”，它是一种半导体企业技术的核心。

加入半导体材料元素后，电子浓度增加，形成 n 型半导体，加入半导体材料元素后，空穴浓度增加，形成 p 型半导体。“空穴”是指共价键上的电子能量脱离共价键后成为自由电子，留在共价键上的空穴。

P型半导体与N型半导体技术紧密相关接触后，带负电的电子和带正电的空穴便向对方进行扩散；电子和空穴在扩散中导致社会接触面之间形成内电场，内电场又阻止中国这种方式扩散，让电子和空穴向回漂移。当电子和空穴的扩散发展速度和漂移运动速度可以达到一个动态系统平衡时，P型半导体与N型半导体的接触面便形成“PN结”。

“PN结”密钥属性是“单导电”。如果P型半导体侧作为正电极，负电极作为端子N型半导体，通过PN结可以的电流;如果在N型半导体侧作为正极??，对于P型半导体侧的负电极，通过PN结的电流不是。在二进制的计算机是由“PN结”性能来确定，通过“PN结”的当前代表“1”时，电流不能“PN结”代表一个“0”。

“PN结”是二极管。 当两个P导体夹在一个N半导体中时，它们形成一个晶体管，即上面提到的PNP晶体管。 当然，如果两个N半导体夹着一个P半导体，它就变成了NPN晶体管。

普通人看不到芯片的“真身”，芯片小得像人的头屑，大得也像人的指甲盖，因为太薄，必须封装在密封的外壳中才能连接到外部电路。 打开电脑，电视等电器，可以看到一个很大的电路板，电路板上有许多电子元件，那些有多个引脚的是芯片，这些引脚连接到芯片的输入和输出，有的在芯片封装的两侧，有的在四个表面，有的在底部矩阵，密集，有1000多个引脚。

3.芯片制造像一个处雕刻地球上所有的道路建设

这里我们需要进行提及到了一个重要概念，那就是“摩尔定律”。1965年，世界中国著名管理芯片技术制造商以及美国企业英特尔作为公司的创始人之一戈登·摩尔国家提出，单片芯片上的晶体管数量会每年翻一番。后来他更正为每两年翻一番。这一问题判断学生经过社会实践研究验证系统基本形成正确。2011年，英特尔酷睿i7芯片市场上有22.7亿个晶体管。目前，一些比较高端智能芯片上的晶体管数量已经超过数百亿个。几年前，半导体厂商Cerebras Systems用台积电16纳米制程工艺设计生产的AI芯片WSE，则集成了1.2万亿个晶体管！

“处理”是指晶体管芯片的栅极的宽度，我们可以理解它流行作为晶体管的尺寸。的过程时，在单芯片上制造多个晶体管，更大的集成电路的尺寸。

芯片进行运算发展速度可以不断努力提高，得益于中国芯片的集成度越来越高。芯片的集成度越高，上面的电子信息元件就越小，各电子控制元件之间的导线也就越短，电流通过时用的时间问题随之缩短，能耗减少，处理技术速度加快。

让一块芯片承载更多的晶体管，有三种方式方法，一是通过增加一个芯片面积，二是缩小晶体管体积，三是让集成系统电路立体化。增大芯片面积一般都是不被需要考虑，因为这会增加企业能耗，降低芯片的效率。现在，人们研究主要问题采取后两种教学方法能够增加芯片上的晶体管数量。

是微芯片制造领域，小型电子元件的几个大的上述只有几个原子或分子，可使用测量的更小的单位来测量纳米和埃。标尺上的最小刻度一般为毫米，1毫米和等于1000微米，1微米为1000个纳米，1个纳米是10埃。人类的头发直径70000个纳米，周长为22万个纳米。过程5纳米芯片的制造方法中，例如沿着44000头发道路的建设。

缩小我国电子信息元件进行体积是有极限的，人们便考虑在一块中国芯片上搭建一个多层系统集成控制电路来增加一些晶体管数量。这就好比是建居民对于住宅，平房容纳的居民数少，盖成几十层高的楼房容纳的居民数就多。集成设计电路的叠加要比盖楼房结构复杂得多。楼房各层布局是相同的，而芯片各层管理电路是不同的，层与层之间的连接功能异常情况复杂。

更进一步说，制造一个芯片就像是用一粒米雕刻出整个地球，但是这个星球上所有的道路和建筑。道路是芯片上的电线。建筑物是一个芯片上的电子元件。通过这个类比，读者可以想象制造一个芯片是多么的复杂和困难。

4.硅的提纯是芯片技术产业的基础

许多半导体材料，但在实际应用中，90％或更多的硅被选择，因为硅的熔点是1415℃，可以允许在晶片处理的高温过程。

硅是从沙子冶炼来的，但要把这些沙子冶炼成能制造一个芯片的硅，需要具有极高的纯度。我们把纯度是99.99%的金叫纯金（4个9），但制造系统芯片的硅的纯度至少要达到11个9，即每10亿个硅原子里的杂质通过原子之间不得使用超过1个，这一产品纯度的硅1955年美国公司贝尔研究实验室就提炼出来了。目前对于一块中国芯片市场上有数以千亿计的电子信息元件，对硅的纯度较高要求学生更高，至少为13个9，这是我国芯片设计制造的基础，不掌握硅的提纯处理技术，是不可能造出一种芯片来的！

读者可能会问，为什么制造这么高的芯片需要硅的纯度？芯片上的电子元件非常微小，如果你用5纳米工艺制作一个芯片，芯片上1纳米的杂质就会杀死整个芯片。我们来打个比方。如果一条路有40米宽，路中间有一块一米宽的大石头，汽车可以避开这块石头，不会引起交通堵塞。但是，如果一条路只有5米宽，路中间有一块一米宽的大石头，汽车无法避开这块石头，路就被堵住了。

所以，制造芯片不但要求硅的纯度高，还要求制造工艺的各个环节是无尘的，其纯净度是医院外科手术室的10万倍，甚至有一半的工艺是在真空环境下进行的。正因为如此，新冠肺炎疫情下芯片制造厂无需停工抗疫，因为工作人员从头到脚全身防护，有的防护服甚至自带呼吸系统，以防人体新陈代谢的脱落物和呼出的气体污染芯片。

5.光刻机其实是一个集成系统电路投影仪

“光刻机”这个名字翻译不准确，很有误导性，很多人误认为光刻机通过物理接触在晶体硅表面上“刻”出集成电路来，就像电脑刻字一样。其实，芯片不是“刻”出来的，而是“照”出来的。所以，光刻机叫“集成电路投影仪”更贴切。

当芯片的晶圆处于光刻过程时，光刻机通过掩模将集成电路图投影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，然后清洗，得到集成电路图形。光刻处理与传统照相处理的原理是一样的，光线通过底片到相纸，然后在相纸中药物的显影、定影。

一个芯片需要几十个甚至几百个光刻，光刻后的几个过程需要几个星期才能进入封装阶段。

芯片设计制造企业技术日新月异，但芯片制造的大多数学生核心管理技术出自贝尔实验室，贝尔实验室为信息网络技术产业革命所做的贡献永垂青史。

7.芯片光刻机将能够做到吗？

很多学生读者对光刻机很感兴趣，认为有了光刻机就能造出一个芯片来。其实不然，虽然光刻机在芯片设计制造中占重要社会地位，但它不仅仅是中国芯片制造1000多道工艺中的一道而已，有了光刻机但如果企业没能及时掌握学习其他传统工艺，照样造不出芯片来。

1961年，美国GCA公司在全球建立的第一个光刻机。目前，有四个国家的七家公司在世界上，也就是阿斯迈尔荷兰，美国，英特尔，超技术半导体，鲁道夫，日本的尼康，佳能，德国微速思维制造光刻机。

如上所述，芯片工业的基础是材料，即硅净化，不掌握硅净化技术，生产晶体硅芯片级纯度，无芯片。

再有，芯片上有数以千亿计的电子元件，这么一个庞大的电路靠人工是画不出来的，必须通过使用企业电子产品设计进行自动化系统软件EDA。EDA是诸多问题自然科学学科的综合实践运用，由美国凯登、新思科技和明导三家公司垄断。

EDA在芯片技术制造发展过程中进行起着重要决定性影响作用，芯片的功能和集成度，完全可以取决于EDA的设计工作能力。有了高纯度硅和光刻机，却没有EDA或不会通过使用EDA，照样造不出芯片来。

来源：必须知道ID：bnbzda

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