芯片，以儲量最豐富、成本最廉價的二氧化硅(也是沙子的主要成份）為原料，成就了這個星球的科技之巔，頒一枚最佳逆襲獎，實至名歸！

很多文盲覺得量子力學(xué)只是物理學(xué)家的數(shù)學(xué)游戲，沒有應(yīng)用價值，呵呵，下面咱給計算機芯片尋個祖宗。

導(dǎo)體，咱能理解；絕緣體，咱也能理解，小盆友們第一次被物理整懵的，怕是半導(dǎo)體了，所以先替各位的物理老師把這債還上。

原子組成固體時，會有很多電子混到一起，但量子力學(xué)認為，2個相同電子沒法待在一個軌道上，于是，為了讓這些電子不在一個軌道上打架，很多軌道就分裂成了好幾個軌道，這么多軌道擠在一起，不小心挨得近了，就變成了寬寬的大軌道。在量子力學(xué)里，這種細軌道叫能級，擠在一起變成的寬軌道就叫能帶。

有些寬軌道擠滿了電子，電子就沒法移動；有些寬軌道空曠的很，電子就可自由移動。電子能移動，宏觀上表現(xiàn)為導(dǎo)電，反過來，電子動不了就不能導(dǎo)電。

好了，我們把事情說得簡單一點。有些滿軌道和空軌道挨的太近，電子可以毫不費力從滿軌道跑到空軌道上，于是就能自由移動，這就是導(dǎo)體。不過一價金屬的導(dǎo)電原理稍有不同，它的滿軌道原本就不太滿，所以電子不用跑到空軌道也能移動。

但很多時候兩條寬軌道之間是有空隙的，電子單靠自己是跨不過去的，表現(xiàn)為不導(dǎo)電。但如果空隙的寬度在5ev之內(nèi)，給電子加個額外能量，也能跨到空軌道上，跨過去就能自由移動，表現(xiàn)為導(dǎo)電。這種空隙寬度不超過5ev的固體，有時導(dǎo)電、有時不導(dǎo)電，所以叫半導(dǎo)體。

如果空隙超過5ev，那基本就得歇菜，正常情況下電子是跨不過去的，這就是絕緣體。當(dāng)然，如果是能量足夠大的話，別說5ev的空隙，50ev都照樣跑過去，比如高壓電擊穿空氣。

到這，由量子力學(xué)發(fā)展出的能帶理論就差不多成型了，能帶理論系統(tǒng)地解釋了導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體的本質(zhì)區(qū)別，即，取決于滿軌道和空軌道之間的間隙。學(xué)術(shù)點說，取決于價帶和導(dǎo)帶之間的禁帶寬度。這里有個問題，一旦細軌道變少了，能不能擠成寬軌道就不好說了，所以能帶理論本質(zhì)上是一個近似理論，不適用于少量原子組成的固體。

半導(dǎo)體離芯片原理還很遙遠，別急。

很明顯，像導(dǎo)體這種直男沒啥可折騰的，所以導(dǎo)線到了今天仍然是銅線，絕緣體的命運也差不多。半導(dǎo)體這種曖曖昧昧的性格最容易搞事情，所以與電子設(shè)備相關(guān)的產(chǎn)業(yè)基本都屬于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，如芯片、雷達。

下面有點燒腦細胞。

經(jīng)過計算篩選，科學(xué)家用硅作為半導(dǎo)體的基礎(chǔ)材料。硅的外層有4個電子，假設(shè)某個固體由100個硅原子組成，那么它的滿軌道就擠滿了400個電子。這時，用10個硼原子取代其中10個硅原子，硼這類三價元素外層只有3個電子，所以這塊固體的滿軌道就有了10個空位。這就相當(dāng)于在擠滿人的公交車上騰出了幾個空位子，為電子的移動提供了條件。這叫P型半導(dǎo)體。

同理，如果用10個磷原子取代10個硅原子，磷這類五價元素外層有5個電子，因此滿軌道上反而又多出了10個電子。相當(dāng)于擠滿人的公交車外面又掛了10個人，這些人非常容易脫離公交車，這叫N型半導(dǎo)體。

現(xiàn)在把PN這兩種半導(dǎo)體面對面放一起會咋樣？不用想也知道，N型那些額外的電子必然是跑到P型那些空位上去了，一直到電場平衡為止，這就是大名鼎鼎的“PN結(jié)”。

(動圖來自張云的博文)

這時候再加個正向的電壓，N型半導(dǎo)體那些額外的電子就會源源不斷跑到P型半導(dǎo)體的空位上，電子的移動就是電流，這時的PN結(jié)就是導(dǎo)電的。

如果加個反向的電壓呢？從P型半導(dǎo)體那里再抽電子到N型半導(dǎo)體，而N型早已掛滿了額外的電子，多出來的電子不斷增強電場，直至抵消外加的電壓，電子就不再繼續(xù)移動，此時PN結(jié)就是不導(dǎo)電的。

當(dāng)然，實際上還是會有微弱的電子移動，但和正向電流相比可忽略不計。

如果你已經(jīng)被整暈了，沒關(guān)系，用大白話總結(jié)一下：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?，即，電流只能從這一頭流向另一頭，無法從另一頭流向這一頭。

好了，我們現(xiàn)在已經(jīng)有了單向?qū)щ姷腜N結(jié)，然后呢？把PN結(jié)兩端接上導(dǎo)線，就是二極管。

有了二極管，隨手搭個電路：

三角形代表二極管，箭頭方向表示電流可通過的方向，AB是輸入端，F(xiàn)是輸出端。如果A不加電壓，電流就會順著A那條線流出，F(xiàn)端就沒了電壓；如果AB同時加電壓，電流就會被堵在二極管的另一頭，F(xiàn)端也就有了電壓。假設(shè)把有電壓看作1，沒電壓看作0，那么只有從AB端同時輸入1，F(xiàn)端才會輸出1，這就是“與門電路”。

同理，把電路改成這樣，那么只要AB有一個輸入1，F(xiàn)端就會輸出1，這叫“或門電路”：

現(xiàn)在有了這些基本的邏輯門電路，離芯片就不遠了。你可以設(shè)計出一種電路，它的功能是，把一串1和0，變成另一串1和0。一不小心，我們就得到了芯片運算的本質(zhì)：把一串1，0，變成另一串1，0。

簡單舉個例子，在左邊輸入1010，在右邊輸出0101，這就算完成了一次運算。

我們來玩?zhèn)€稍微復(fù)雜一點的局：

左邊有8個輸入端，右邊有7個輸出端，每個輸出端對應(yīng)一個發(fā)光管，7個發(fā)光管組成一個數(shù)字顯示器。從左邊輸入一串信號：00000101，經(jīng)過中間一堆的電路，使得右邊輸出另一串信號：1011011。1代表有電壓，有電壓就可以點亮對應(yīng)的發(fā)光管，于是，就得到了一個數(shù)字“5”，如上圖所示。

終于，我們已經(jīng)搞定了數(shù)字是如何顯示的！如果你想進行1+1的加法運算，其電路的復(fù)雜程度就已經(jīng)超過了99%的人的智商了，即便本僧親自出手，設(shè)計的電路運算能力也抵不過一副算盤。

直到有一天，有人用18000只電子管，6000個開關(guān)，7000只電阻，10000只電容，50萬條線組成了一個超級復(fù)雜的電路，誕生了人類第一臺計算機，重達30噸，運算能力5000次/秒，還不及現(xiàn)在手持計算器的十分之一。不知道當(dāng)時的工程師為了安裝這堆電路，腦子抽筋了多少回。

接下來的思路就簡單了，如何把這30噸東西，集成到指甲那么大的地方上呢？這就是芯片。

為了把30噸的運算電路縮小，工程師們把能扔的東西全扔了，直接在硅片上制作PN結(jié)和電路。下面從硅片出發(fā)，說說芯片的逆襲之路。

第一，硅。

把這玩意兒氯化了再蒸餾，可以得到純度很高的硅，不過這種硅原子排列混亂，會影響電子運動，就叫多晶硅吧。

把多晶硅熔化了，按特定方法旋轉(zhuǎn)提拉，就可以拉制成原子排列整齊的單晶硅。

所以成品就長這樣：

硅的主要評判指標是純度，你想想，如果硅原子之間有一堆雜質(zhì)，那電子就別想在滿軌道和空軌道之間跑順暢。

無論啥東西，純度越高制造難度越大。用于太陽能發(fā)電的高純硅要求99.9999%，這玩意兒全世界超過一半是中國產(chǎn)的，早被玩成了白菜價。芯片用的電子級高純硅要求99.999999999%（別數(shù)了，11個9），幾乎全賴進口，直到2018年江蘇的鑫華公司才實現(xiàn)量產(chǎn)，只是目前產(chǎn)量少的可憐，還不及進口的一個零頭。難得的是，鑫華的高純硅出口到了半導(dǎo)體強國韓國，品質(zhì)應(yīng)該不錯。不過，30%的制造設(shè)備還得進口……

電子級高純硅的傳統(tǒng)霸主依然是德國Wacker和美國Hemlock（美日合資），中國任重而道遠。

第二，晶圓。

把單晶硅圓柱切片，就得到了圓形的硅片，因此就叫“晶圓”。這詞是不是已經(jīng)有點耳熟了？

切好之后，就要在晶圓上把成千上萬的電路裝起來，干這活的就叫“晶圓廠”。各位拍腦袋想想，以目前人類的技術(shù)，怎樣才能完成這種操作？用原子操縱術(shù)？想多了，朋友！等你練成御劍飛行的時候，人類還不見得能操縱一個一個原子組成各種器件。

晶圓加工的過程相當(dāng)繁瑣，咱說個大概輪廓，謝絕專業(yè)人士挑刺。首先在晶圓上涂一層感光材料，這材料見光就融化，那光從哪里來？光刻機，可以用非常精細的光線，在感光材料上刻出圖案，讓底下的晶圓裸露出來。然后，用等離子體這類東西沖刷，裸露的晶圓就會被刻出很多溝槽，這套設(shè)備就叫刻蝕機。再用離子注入機在溝槽里摻入磷元素，加熱退火處理，就得到了一堆N型半導(dǎo)體。

完成之后，清洗干凈，重新涂上感光材料，用光刻機刻圖，用刻蝕機刻溝槽，用離子注入機撒上硼，就有了P型半導(dǎo)體。

整個過程有點像3D打印，把器件一點點一層層裝進去。

這塊晶圓上的小方塊就是芯片，一塊晶圓可以做多個芯片。芯片放大了看就是成堆成堆的電路，這些電路并不比那臺30噸計算機的電路高明，最底層都是簡單的門電路。只是采用了更多的器件，組成了更龐大的電路，運算性能自然就提高了。

提個問題：為啥不把芯片做的更大一點呢？這樣不就可以安裝更多電路了嗎？性能不就趕上外國了嘛？這個問題很有意思。一塊300mm直徑的晶圓，16nm工藝可以做出100塊芯片，10nm工藝可以做出210塊芯片，于是價格就便宜了一半，在市場上就能死死摁住競爭對手，賺了錢又可以做更多研發(fā)，差距就這么拉開了。

說個題外話，中國軍用芯片基本實現(xiàn)了自給自足，而且性能杠杠的，因為軍用不計較錢嘛！可以把芯片做的大大的。另外，越大的硅片遇到雜質(zhì)的概率越大，所以芯片越大良品率越低?？偟膩碚f，大芯片的成本遠遠高于小芯片，不過對軍方來說，這都不叫事兒。

除了成本之外，大芯片的布線比小芯片更長，所以延時也更明顯，驅(qū)動電流也大很多，由此導(dǎo)致整體設(shè)計更臃腫，性能上還是會吃虧。反正，小芯片就是比大芯片好用。

第三，架構(gòu)。

用70億個晶體管在指甲蓋大小的地方組成電路，想想就頭皮發(fā)麻！一個路口紅綠燈設(shè)置不合理，就可能導(dǎo)致大片堵車。電子在芯片上跑來跑去，稍微有個PN結(jié)出問題，電子同樣會堵車。所以芯片的設(shè)計異常重要，重要到了和材料技術(shù)相提并論的地步。

這么復(fù)雜的設(shè)計，必須得先有個章法。七十年代，英特爾率先想出了一個好辦法：X86架構(gòu)。詳細內(nèi)容不提了，簡單來說，這架構(gòu)雖然能耗高點、體積大點，但性能那是嗖嗖的，幾乎壟斷了電腦芯片市場，成就了如日中天的英特爾。

這相當(dāng)于，英特爾提出造汽車用4個輪子，以后其他人想造4個輪子的汽車，就得先付授權(quán)費。這尼瑪怎么忍，隨后英國ARM公司提出了2個輪子的汽車方案：ARM架構(gòu)。

毫無疑問，2個輪子肯定跑不過4個輪子，ARM架構(gòu)雖然省電小巧，但性能實在有點寒磣，于是一直被英特爾摁著打。ARM熬到了九十年代，終于熬不住了，決定不再生產(chǎn)芯片，而是將ARM架構(gòu)授權(quán)給其他公司生產(chǎn)，賺點授權(quán)費，這才保住了一條命。人算不如天算，進入21世紀，智能手機橫空出世，芯片的能耗和體積一下成了關(guān)注點，于是ARM架構(gòu)一飛中天，幾乎壟斷了手機芯片。

小結(jié)一下：

1）X86架構(gòu)，能耗高、體積大、性能強。

2）ARM架構(gòu)，能耗低、體積小、性能弱。

于是，一個占了電腦，一個占了手機，直到今天，仍是主流設(shè)計方案。至于其他3個輪子或5個輪子的汽車，多多少少還是有些劣勢，沒有形成主流。

決定汽車用幾個輪子，距離造出汽車還差得很遠。有了基本架構(gòu)，后面的設(shè)計依然是漫漫長征路，所以還得要有好工具：EDA軟件。Synopsys，Cadence，Mentor，三巨頭幾乎壟斷了全球EDA市場，一水兒的美帝公司。直到最近，熬了三十年的華大九天終于露頭了，這家中國電子信息產(chǎn)業(yè)集團的二級公司，連續(xù)多年以50%的年增長率狂追，算是站穩(wěn)了腳跟。

雖然借助EDA軟件的仿真功能可以判斷電路設(shè)計是否靠譜，但要真正驗證這種精巧線路的靠譜程度，只有一種辦法，那就是：用。廣泛的用！長久的用！正因為如此，芯片設(shè)計不光要燒錢，也需要燒時間，屬于試錯周期較長的核心技術(shù)。

既然是核心技術(shù)，自然就會發(fā)展出獨立的公司，所以芯片公司有三類：既設(shè)計又制造、只設(shè)計不制造、只制造不設(shè)計。

第四，設(shè)計制造。

但凡要處理信息，基本都有芯片，包括通信芯片、服務(wù)器芯片、手機芯片、電腦芯片等等。早期的芯片復(fù)雜程度不算夸張，所以設(shè)計制造可以在同一家公司完成，最有名的是美國英特爾、韓國三星、日本東芝、意大利法國的意法半導(dǎo)體；中國大陸的華潤微電子、士蘭微；中國臺灣的旺宏電子等。外國、臺灣、大陸三方，大陸的起點最低，早期的產(chǎn)品多集中在家電遙控器之類的低端領(lǐng)域，手機、電腦這些高端芯片幾乎空白！

后來隨著芯片越來越復(fù)雜，設(shè)計與制造就分開了，有些公司只設(shè)計，成了純粹的芯片設(shè)計公司。如，美國的高通、博通、AMD，中國臺灣的聯(lián)發(fā)科，大陸的華為海思、展訊等。大名鼎鼎的高通就不多說了，世界上一半手機裝的是高通芯片，AMD和英特爾基本把電腦芯片包場了。電腦和手機是芯片市場的兩塊大蛋糕，全是美國公司，世界霸主真不是吹的。

臺灣聯(lián)發(fā)科走的中低端路線，手機芯片的市場份額一度排第三，很多國產(chǎn)手機都用，比如小米、OPPO、魅族。不過后來被高通干的有點慘，銷量連連下跌。

華為海思是最爭氣的，手機處理器芯片麒麟，市場份額隨著華為手機的增長排進了前五。個人切身體會，海思芯片的進步真的相當(dāng)不錯。最近華為又推出了服務(wù)器芯片鯤鵬920，5G基站芯片天罡，5G基帶芯片巴龍5000，性能都是世界頂級的，隱隱看到了在芯片設(shè)計領(lǐng)域崛起的勢頭。

展訊是清華大學(xué)的校辦企業(yè)，比較早的大陸芯片企業(yè)。前段時間傳出了不少危機，后來又說是變革的開始，過的很不容易，和世界巨頭相差甚多。

大陸還有一批芯片設(shè)計企業(yè)，晨星半導(dǎo)體、聯(lián)詠科技、瑞昱半導(dǎo)體等，都是臺灣老大哥的子公司，產(chǎn)品應(yīng)用于電視、便攜式電子產(chǎn)品等領(lǐng)域，還挺滋潤。在大陸的芯片設(shè)計公司，臺灣頂住了小半邊天，另大半邊天原本是塌著的，現(xiàn)在華為算是撐住了。

還有一類只制造、不設(shè)計的晶圓代工廠，這必須得先說臺灣最大的企業(yè)：臺積電。正是臺積電的出現(xiàn)，才把芯片的設(shè)計和制造分開了。2017年臺積電包下了全世界晶圓代工業(yè)務(wù)的56%，規(guī)模和技術(shù)均列全球第一，市值甚至超過了英特爾，成為全球第一半導(dǎo)體企業(yè)。

沒錯，晶圓代工廠又是臺灣老大哥的天下，除了臺積電這個巨無霸，臺灣還有聯(lián)華電子、力晶半導(dǎo)體等等，連美國韓國都得靠邊站。

大陸最大的代工廠是中芯國際，還有上海華力微電子也還不錯，但技術(shù)和規(guī)模都遠不及臺灣。最近臺積電開始布局大陸，落戶南京，這幾年臺資、外企瘋狂在大陸建晶圓代工廠，這架勢和當(dāng)年合資汽車有的一拼。

2018年底有則消息讓人驚出一身冷汗，最早中科院只是淡淡說了句光刻項目通過驗收，然后鋪天蓋地的“中國光刻機終于翻身農(nóng)奴把歌唱”，鬧到最后連人民日報都坐不住了，直接批“國產(chǎn)光刻機自嗨文”誤導(dǎo)公眾，損壞中國科研形象。引一句原文：“這臺光刻機要想應(yīng)用于芯片，還要攻克一系列技術(shù)難題，距離還相當(dāng)遙遠?！?/p>

相比于光刻機，中國的刻蝕機要好很多，16nm刻蝕機已經(jīng)量產(chǎn)運行，7-10nm刻蝕機也在路上了，所以美帝很貼心的解除了對中國刻蝕機的封鎖。

不過離子注入機又寒磣了，2017年8月終于有了第一臺國產(chǎn)商用機，水平先不提了，離子注入機70%的市場份額是美國應(yīng)用材料公司的。涂感光材料得用“涂膠顯影機”，日本東京電子公司拿走了90%的市場份額。即便是光刻膠這些輔助材料，也幾乎被日本信越、美國陶氏等壟斷。

說起中國芯片，不得不提“漢芯事件”。2003年上海交通大學(xué)微電子學(xué)院院長陳進教授從美國買回芯片，磨掉原有標記，作為自主研發(fā)成果，騙取無數(shù)資金和榮譽，消耗大量社會資源，影響之惡劣可謂空前！以致于很長一段時間，科研圈談芯色變，嚴重干擾了芯片行業(yè)的正常發(fā)展。

硅原料、芯片設(shè)計、晶圓加工、封測，以及相關(guān)的半導(dǎo)體設(shè)備，絕大部分領(lǐng)域中國還是處于“任重而道遠”的狀態(tài)，那這種懵逼狀態(tài)還得持續(xù)多久呢？國務(wù)院印發(fā)的明確提出，2030年集成電路產(chǎn)業(yè)鏈主要環(huán)節(jié)達到國際先進水平，一批企業(yè)進入國際第一梯隊，產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)跨越式發(fā)展。

從研發(fā)的過程來看，需求不缺，資金不缺，只要燒足了時間，沒理由燒不出芯片。當(dāng)前，中國芯片的總體水平差不多處在剛剛實現(xiàn)零突破的階段，雖然市場份額不多，但每個領(lǐng)域都參了一腳，而且勢頭不錯，前景還是可期待的。

文末，習(xí)慣性抱怨一下人類科技的幼稚。芯片，作為大伙削尖腦袋能達到的最高科技水準，作為其根基的能帶理論竟然只是個近似理論，電子行為仍然沒法精確計算。再往大了說，別看現(xiàn)在的技術(shù)紛繁復(fù)雜，其實就是玩玩電子而已，頂多再加個光子，至于其他幾百種粒子，還完全不知道怎么玩！

芯片加工精度已經(jīng)到了7nm，雖然三星吹牛說要燒到3nm，可那又如何？你還能繼續(xù)燒嗎？1nm差不多就是幾個原子而已，量子效應(yīng)非常顯著，作為基石的能帶理論就不好使了，半導(dǎo)體行業(yè)就得在這兒歇菜。

燒錢也好，燒時間也罷，燒到盡頭就是理論物理?；A(chǔ)科學(xué)除了燒錢、燒時間，還得燒人，燒的異常慘烈，100個高智商，99個都是墊腳石！工程師可以半道出家，但物理學(xué)家必須科班出身。

不能光折騰電子了，為了把中微子也用起來，咱趕緊呼吁更多孩子學(xué)基礎(chǔ)科學(xué)吧！