萬眾矚目的芯片，究竟是什么？

施晶晶

當你給手機充好電，將它輕輕拿起或雙擊它的屏幕，它隨即回應你的呼喚。屏幕亮起來的一瞬間，電能神奇地轉(zhuǎn)化成了光，它的功能才正式顯示在你眼前。

在這一氣呵成的秒級動作里，牽動了半導體世界的四大家族。

那個提供動力的手機快充頭里，有著把電能進行變壓、變流、變頻的功率器件，它屬于半導體四大家族之一的“分立器件”；觸控屏里的壓力傳感組件，來自“傳感器”家族；之后，“集成電路”家族里的中央處理器（CPU）接收來自傳感器的信號，并發(fā)出指令；最終響應的手機屏幕是“光電子元器件”家族的成員，負責發(fā)光，顯示界面。

四大家族里，最人多勢眾的是集成電路，也就是人們常說的“芯片”，它占據(jù)了半導體世界八成以上的地盤，又因為另外三個家族往往也需要多個器件重復組合，以至人們通常籠統(tǒng)地把“芯片”和“半導體”畫上等號。但有了上面的例子，你就知道，集成電路永遠需要和另外三個家族合作，否則后果嚴重，手機也不過是應用場景的冰山一角。

如果沒了功率器件，那么高鐵、地鐵、新能源汽車就動不了，太陽能發(fā)電機沒法并網(wǎng)供電，空調(diào)冰箱不會制冷，醫(yī)院不間斷的電源就會失效。如果沒了傳感器，汽車的安全氣囊、公共場所的煙霧警報不會工作，實驗室里沒法做DNA測序，病毒核酸檢測也無從談起。如果沒了光電子元器件，就沒有光伏發(fā)電，也不會有激光雷達，建立在光纖基礎上的現(xiàn)代通信將失去它的內(nèi)核。

你大概已經(jīng)意識到，這兩成半導體疆域尚且寸土不可失，那占了八成體量、和我們捆綁更深、復雜程度也更高的集成電路（下稱芯片），更是必爭之地。

芯片有著龐大的體系，它和人體細胞一樣神秘，我們極少看見它的真面目，但它無處不在。小到身份證銀行卡、交通信號燈、家電、智能手機，大到超級計算機、汽車高鐵大飛機、人工智能，不同的應用場景，也讓芯片更顯眼花繚亂。

理解信息化社會的基底，就要回到起點，從認識這些芯片開始。

芯片在工作

芯片離我們很近，近到它就內(nèi)置在二代身份證的正中央，近到銀行卡上的那個金色片片，近到那張讓你能夠接打電話的SIM卡—這是我們見到它最直觀的場景。

它們的重要性顯而易見，你的身份信息、財產(chǎn)信息、頭像指紋、通訊錄，就存儲在其中。當你搭乘高鐵飛機、去銀行取錢、獲得上網(wǎng)資格，就是通過對比處理這些信息，來識別“你是你本人”。

這三張芯片算不上復雜和尖端，但正是它們相對簡單，用來理解芯片再好不過，因為它們已經(jīng)包含了芯片最核心、最基本的構(gòu)件：處理器和存儲器。

這兩個小東西是人類發(fā)明史上的絕配。盡管處理器被認為是芯片王冠上最寶貴的明珠，但任何時候，都應當將它倆放在一起來理解計算機的工作。就像人類用大腦思考的過程，建立在信息記憶的基礎上，無論那些記憶是臨時的，還是永久的。

有了這個前提，我們再來認識處理器，它是所有芯片中設計和制造難度最大的一類。今天，最常見的處理器是中央處理器，即CPU。雖說處理器并不只有CPU，但取名的藝術表明，CPU的中樞地位，非其他所能比擬。

這個中樞地位有兩層含義，一方面，CPU像司令一樣，聽取來自諸如傳感器的各種報告，并指揮著其他芯片部件工作，像我們開頭提到的那樣。

另一邊，CPU是一片土壤，各種軟件、應用程序就是土里長出來的花草樹木，誰也離不開它。CPU負責調(diào)用和運行程序，程序的每一條指令都要經(jīng)過它的解析和執(zhí)行，可以說，它是整個軟件生態(tài)的起點。

處理器和存儲器，這兩個小東西是人類發(fā)明史上的絕配。

存儲芯片的身價比不上處理器，但只要想到電腦死機時，文檔沒來得及保存的噩夢，以及它是所有機密、隱私數(shù)據(jù)的載體，你就不會輕視它。

存儲芯片的門類也不少，大體上它和人一樣，有短期記憶、長期記憶兩種存儲模式。當你實時玩起手游王者榮耀，要想玩得絲滑，除了CPU給力，負責短期記憶的內(nèi)存芯片也為你的即時體驗服務；至于存在你手機里的照片，閃存讓這些回憶刻骨銘“芯”，關了機它也不會消失，你不刪，它就在，刪了它，也有辦法找回來。

存儲器件分出兩條路徑，主要是提供便利、節(jié)省成本的需要，不過倒也契合著一個樸素的規(guī)律：有價值的信息才值得留存，冗余的信息閱后即焚，別來占位置。

認識了處理器和存儲器這對CP，你還需要留意另一個重量級角色。你想過嗎，有線電話是怎么變成移動手機的，網(wǎng)速又是怎么變快的呢？這是射頻芯片的功勞。

當你和千里之外的朋友通話，你們的手機各自接收來自基站的信號，同時，你們的手機也都在把新信號發(fā)射給基站。但發(fā)射時，信號要足夠強，得做放大處理，才能避免在傳輸損耗過程中消失殆盡；接收時，也要處理變得微弱的信號，降低噪聲干擾，讓信息更純凈—射頻芯片就在做這些工作。

當射頻芯片的功能越強大，能夠處理的頻譜范圍變大，信號傳輸?shù)乃俣染驮蕉嘣娇臁＞拖裢瑯?分鐘，八車道的通車量比四車道更高一樣，信息傳輸?shù)男室埠蛶捰嘘P。手機之所以從最開始的只能打電話，到后來能發(fā)短信、又能上網(wǎng)，就是因為帶寬變大了。

這得益于構(gòu)成芯片的晶體管變小，電子開關的反應速度加快，信號來回奔跑的頻率（車道）更多，同時容納的“車”也變多了，也就能更多更快地傳輸信息—這也解釋了，為什么5G的核心之一是射頻芯片，以及為什么需要更精細、更先進的7納米芯片提供硬件支撐。

以CPU、存儲、射頻芯片為代表，它們呼應著90年前提出的計算機通用結(jié)構(gòu)“馮·諾伊曼結(jié)構(gòu)”。這一結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出一種簡潔的美，也勾勒出傳輸、處理、存儲三個基本單元，而信息社會的大廈，就建立在這三塊基石之上。

嬌滴滴的寶

一顆指甲蓋大小的手機芯片，體內(nèi)由幾百萬個甚至幾十上百億個比細胞還小的電子開關組成，人們叫它：晶體管。它們不知疲倦地把守著各自負責的要塞，負責開關閘門，像交警一樣，控制著電子流動的方向，以此表達不同的訊息。

這些晶體管非常嬌貴，還有重度潔癖。制造芯片的原材料之一叫晶圓，它長得像一張披薩餅，但厚度不超過1毫米。其主要成分是硅，和沙子是近親，但沙子里有非常多雜質(zhì)，這是晶圓不能容忍的。98%純度的硅，聽起來純度已經(jīng)夠高了，但這只能達到冶金工業(yè)的要求，要制造芯片，硅純度必須達到99.999999999%。

芯片的生產(chǎn)車間，屬于無塵車間，與其說它像工廠，不如說像手術室。這個高標準從最早生產(chǎn)芯片的IBM公司那里就有了雛形。具體有多嚴苛，上海華虹NEC電子有限公司曾透露過他們在上世紀末建芯片廠的要求。為了防止塵埃降低芯片生產(chǎn)質(zhì)量，塵埃微粒的直徑不能超過芯片電路線寬的三分之一。這里的“線寬”在微米甚至納米級別，如果線寬要做到0.25微米，無塵車間就必須對0.09微米以上的塵埃進行控制，而肉眼可見的最小塵埃，直徑大約是50微米。

除了灰塵，精確入微的芯片生產(chǎn)過程還須嚴格防震。當年為了避免周圍環(huán)境的震動對生產(chǎn)廠房的影響，華虹NEC廠房的地基內(nèi)打入了3000多根樁子，在樁基上整體澆鑄了1米多厚的核心承臺，廠房周圍還挖了隔離帶。工人開來十幾臺滿載的大卡車繞著工地來回轉(zhuǎn)，來測試類似震動對廠房的影響，之所以如此謹慎，是因為這是提高良品率必不可少的條件。

芯片就是在晶圓上畫電路然后切割，把電子怎么運動的路線，通過數(shù)以億計的晶體管安排得明明白白。這就不得不提最重要的一道工序：光刻—畫出路線圖，也決定著每個晶體管的尺寸大小。完成這一關鍵操作的光刻機，也就成了最寶貝的設備。

光刻機也非常敏感，每臺光刻機的內(nèi)部都有一個類似飛機黑匣子的裝置，專門記錄運輸途中周圍環(huán)境的溫度、濕度、壓力和震動等數(shù)據(jù)，允許的波動范圍非常小。尋常的精密設備運輸公司，甚至沒法承攬這項運輸工作。

荷蘭公司阿斯麥是光刻機老大，獨家掌握著目前最尖端的EUV（極紫外）光刻機，是生產(chǎn)7納米以下先進制程芯片的關鍵設備，這一型號也是光刻機核心能力的最佳體現(xiàn)：定位精準、快速生產(chǎn)、穩(wěn)定輸出。

阿斯麥2022年報里透露，阿斯麥不同級別的光刻機，可以達到每小時光刻200～300片晶圓的速度，由此支撐全球萬億顆芯片的供應。

一片12英寸（300毫米）的晶圓，要做出成百上千個芯片，而一塊芯片就要光刻二三十次甚至更多，光刻機要在快速且細微的移動當中重復完成。阿斯麥2022年報里透露，阿斯麥不同級別的光刻機，可以達到每小時光刻200～300片晶圓的速度，由此支撐全球萬億顆芯片的供應，這稱得上是工程學的一大奇觀。

芯片制造工藝比我們想象得更偉大。60年前，第一個芯片上的晶體管數(shù)量只有4個，現(xiàn)在蘋果手機A17處理器芯片的晶體管有190億個。

持續(xù)更迭的技術和工藝讓晶體管更小更穩(wěn)定，巨大的規(guī)模效應使得單個晶體管的制造成本更加低廉，甚至微不足道，芯片才得以飛入尋常百姓家，數(shù)字時代才真正到來。

國產(chǎn)替代之路

中國第一枚具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的非接觸式IC卡芯片，出現(xiàn)在2001年的上海，它嵌在社保卡和公交卡上，從那時起，中國才開始擺脫IC卡進口依賴，推動國產(chǎn)替代。

之后5年間，換發(fā)的二代居民身份證有了中國芯。其后，手機SIM卡也開始國產(chǎn)化進程，平均價格也從原先的82元進口價降至8元的國產(chǎn)價。

銀行卡芯片的國產(chǎn)化更晚，始于2013年，以通過銀聯(lián)和國密認證為標志，填補了國內(nèi)金融IC卡領域的空白。但據(jù)銀聯(lián)《2020年中國銀行卡產(chǎn)業(yè)發(fā)展報告》，發(fā)行的銀行卡里，國產(chǎn)芯占比不到五成，完全的國產(chǎn)替代仍需時日。

中國的信息化建設從上世紀末開始崛起，“金卡工程”是起步工程之一，芯片是基礎元件。在這一大背景下，芯片的國產(chǎn)化替代，又是另一項重大課題，同樣具有非凡的戰(zhàn)略意義。

制造芯片之前，要像蓋房子一樣，先對它的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)進行設計，看是采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)還是干欄式的磚木結(jié)構(gòu)。當下，以復雜程度最高的處理器為例，國內(nèi)有華為、飛騰、龍芯、兆芯、海光、申威等企業(yè)在CPU領域發(fā)力。

CPU的主流芯片架構(gòu)是x86和Arm，x86更主導了當前PC及服務器市場。然而，即便是國產(chǎn)CPU龍頭企業(yè)，仍需依賴海外企業(yè)對這兩類架構(gòu)進行專利授權(quán)，即便選擇了自主可控程度相對更高的架構(gòu)，又礙于應用小眾，兼容度相對弱，民用市場推廣上有掣肘。綜合性能上，仍需奮力追趕國際巨頭英特爾和超威。

我們?nèi)孕杩辞瀣F(xiàn)實差距：從實驗室研發(fā)到標準化的生產(chǎn)線，再到激烈競爭的市場推廣，應用的路已然漫長艱辛；面對進口芯片的先發(fā)優(yōu)勢，國產(chǎn)芯片尋求突圍替代、實現(xiàn)獨立自主的任務也更顯艱巨。

據(jù)國家統(tǒng)計局，2022年，中國進口芯片5384億顆，花了2.8萬億元人民幣，而進口5億噸原油，總花費是2.4萬億元，芯片繼續(xù)成為我國第一大進口商品。

國產(chǎn)芯片發(fā)力追趕的同時，對手也不會原地踏步，而回顧芯片發(fā)展史，硅谷的工程師一次次證明，先機始終從原創(chuàng)發(fā)明中誕生。

讓人倍感驚險的是，好些發(fā)明一開始并不受待見。赫赫有名的仙童半導體公司，是第一枚芯片的搖籃，可仙童創(chuàng)始人、后來參與創(chuàng)立了英特爾的戈登·摩爾起初也沒有提供足夠的支持，在1960年，營銷副總裁湯姆·貝更是對項目負責人杰·拉斯特直言：你為什么要去搞集成電路？這個玩意兒浪費了公司整整100萬美元，卻沒有什么收益，必須裁撤掉。

然而，正是這個最開始不被看好的研發(fā)項目，成了信息化社會的基石。

據(jù)國家統(tǒng)計局，2022年，中國進口芯片5384億顆，花了2.8萬億元人民幣，而進口5億噸原油，總花費是2.4萬億元，芯片繼續(xù)成為我國第一大進口商品。

再往前走，技術的前端是科學，芯片的產(chǎn)業(yè)大廈，建立在基礎科學的研究成果之上。芯片的科學起點，是量子物理學。

靈感的起點，和愛迪生的燈泡有關。當時，愛迪生觀察到燈泡內(nèi)壁被熏黑，偶然發(fā)現(xiàn)了真空燈泡中存在著單向電流，后來被稱為“愛迪生效應”。后來，物理學家約瑟夫·湯姆遜發(fā)現(xiàn)了電子，這一效應有了科學解釋。基于對這一效應的研究，科學家發(fā)現(xiàn)了半導體的獨特屬性。

如今，芯片的科學原理早已不是秘密，層出不窮的論文專利也都公開發(fā)表、容易在網(wǎng)上獲取，全世界的工程師似乎處在差不多的起跑線上。但若從科學的視角出發(fā)，羅斯福總統(tǒng)的科學顧問、萬尼瓦爾·布什博士更加高瞻遠矚。

二戰(zhàn)后的1945年，他在《科學：無盡的前沿》這份重磅報告里提醒：“一個依靠別人來獲得基礎科學知識的國家，無論其機械技能如何，其工業(yè)進步都將步履緩慢，在世界貿(mào)易中的競爭力也會非常弱……政府加強工業(yè)研究最簡單、最有效的方式是支持基礎研究和培養(yǎng)科學人才。”