在中美貿(mào)易戰(zhàn)的過程中，美國有兩條殺手锏：第一是對(duì)中國出口美國的產(chǎn)品征收高額關(guān)稅，第二是對(duì)美國出口中國的高科技產(chǎn)品進(jìn)行限制。比如，美國對(duì)的芯片、操作系統(tǒng)對(duì)中國實(shí)行禁售，對(duì)我國的相關(guān)產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生了很大的影響。

我們都知道，小到手機(jī)，大到航天飛機(jī)，現(xiàn)在生活中方方面面的電子設(shè)備都需要一種叫做芯片（chip）的小玩意。芯片到底是什么呢？小小的芯片，為什么這么難做呢？今天我們就來討論一下。

之前已經(jīng)寫了三篇關(guān)于貿(mào)易戰(zhàn)的文章，可以點(diǎn)擊

換一個(gè)角度看貿(mào)易戰(zhàn)（一）美國為什么總折騰中國？

換一個(gè)角度看貿(mào)易戰(zhàn)（二）中美貿(mào)易里中國有優(yōu)勢(shì)嗎？

換一個(gè)角度看貿(mào)易戰(zhàn)（三）膽小鬼博弈

1??芯片是什么？

簡單來說，芯片是一個(gè)小型化的集成電路，在很小的體積上制作了許多的半導(dǎo)體元件，并且利用這些半導(dǎo)體元件實(shí)現(xiàn)一定的功能。比如，電腦中的CPU就是芯片，可以進(jìn)行運(yùn)算處理；電腦中的閃存FLASH也是芯片，可以實(shí)現(xiàn)信息的快速存儲(chǔ)。

雖然芯片的作用巨大，但是研發(fā)芯片需要許多高級(jí)人才、并且需要長時(shí)間、高投入，在之前由于我國還屬于發(fā)展中國家，芯片產(chǎn)業(yè)并沒有進(jìn)行大量的投入，造成現(xiàn)在我國芯片國有化率特別低。2018年4月16日，美國政府宣布對(duì)中國某企業(yè)實(shí)行禁售，一下子卡住了我們的脖子。

中國并不是沒有過大力發(fā)展芯片的時(shí)候。二十年前，中國就提出要大力發(fā)展芯片產(chǎn)業(yè)。在這個(gè)大環(huán)境下，2003年，上海交大軟件與微電子學(xué)院院長陳進(jìn)制作了一款芯片：漢芯一號(hào)，經(jīng)過測(cè)試達(dá)到了世界一流水平，陳進(jìn)也因此獲得了無數(shù)榮譽(yù)。

2006年，陳進(jìn)的一位研究生在清華大學(xué)水木BBS爆料：所謂的“漢芯一號(hào)”其實(shí)是陳進(jìn)在美國購買摩托羅拉飛思卡爾56800的芯片后，雇傭民工將表面的字樣用砂紙磨掉，再找浦東的一家公司打上“漢芯一號(hào)”字樣，并加上Logo，以此騙取政府一億一千萬元人民幣的科研經(jīng)費(fèi)。

經(jīng)過調(diào)查屬實(shí)，陳進(jìn)被取消了一切榮譽(yù)，開除出上海交大。但是這件事卻成為了中國芯片產(chǎn)業(yè)的分水嶺，從那之后芯片項(xiàng)目的審查非常嚴(yán)格，十幾年里中國的芯片產(chǎn)業(yè)并沒有獲得預(yù)期的進(jìn)步。

2??二極管?

為了帶大家了解芯片的基本原理，我們先從一個(gè)比較簡單的半導(dǎo)體元件：二極管說起。

二極管是一種基本的半導(dǎo)體元件，它的基本結(jié)構(gòu)是ＰＮ結(jié)?！?/p>

我們知道，硅是一種半導(dǎo)體材料。它的外圍有四個(gè)電子。正常情況下，硅是不帶電的。但是如果某一個(gè)電子飛出的原子的束縛成為自由電子，原來電子的位置就形成了一個(gè)“空穴”，空穴是帶正電的。

與硅不同的是，硼元素周圍有三個(gè)電子，相比于硅少一個(gè)電子。如果把硼元素?fù)诫s到硅元素中，硅與硼之間就會(huì)形成一個(gè)電子空位，相當(dāng)于一個(gè)正電荷。這種半導(dǎo)體就稱為空穴導(dǎo)電型半導(dǎo)體，或稱P型半導(dǎo)體。相反，磷這種元素，最外層有5個(gè)電子，如果把磷摻雜到硅中，那么磷與硅之間就會(huì)多出一個(gè)電子，這種半導(dǎo)體就稱為電子導(dǎo)電型半導(dǎo)體，或稱N型半導(dǎo)體。

那么，假如我們?cè)谝粔K半導(dǎo)體硅上摻入一半三價(jià)的硼，和一半五價(jià)的磷，這樣就形成了一種基本的結(jié)構(gòu)：PN結(jié)。

PN結(jié)中央會(huì)出現(xiàn)相互滲透的耗盡層，由于一些物理機(jī)制，造成PN結(jié)只允許電流從P端向N端流動(dòng)，卻不允許N端電流向P端移動(dòng)。這就是二極管的單向?qū)щ姍C(jī)理。

3??與門、或門和非門

有了二極管，我們就可以實(shí)現(xiàn)一定的邏輯運(yùn)算?；镜倪壿嬤\(yùn)算有“與”“或”“非”三種。為了理解這三種關(guān)系，我們用一個(gè)簡單電路做個(gè)比方。

比如：兩個(gè)開關(guān)與燈泡串聯(lián)，只有兩個(gè)燈泡都閉合時(shí)，燈泡才會(huì)發(fā)光，這就是“與”邏輯。如果兩個(gè)開關(guān)并聯(lián)，再與燈泡串聯(lián)，只需要閉合一個(gè)開關(guān)，燈泡就會(huì)亮，這種關(guān)系就是邏輯或。如果開關(guān)與燈泡并聯(lián)，開關(guān)閉合時(shí)燈泡被短路，燈泡不發(fā)光，反而是開關(guān)斷開時(shí)電流會(huì)流過燈泡，燈泡發(fā)光，就稱為邏輯非。

在邏輯電路中，用高電壓和低電壓分別表示兩種不同的狀態(tài)，與二進(jìn)制中的“1”和“0”對(duì)應(yīng)。這樣一來，邏輯“與”的關(guān)系就是：如果A和B兩個(gè)輸入端都是高電平，則輸出Y是高電平；只要有一個(gè)輸入端是低電平，輸出就是低電平。我們把能夠?qū)崿F(xiàn)這種邏輯關(guān)系的電路稱為與門，符號(hào)如下。

同樣，我們還有或門和非門，符號(hào)如下：

同樣的，邏輯“或”和邏輯“非”也有類似的關(guān)系。

4??門電路的物理實(shí)現(xiàn)

那么，與門如何進(jìn)行物理實(shí)現(xiàn)呢？這就要用到二極管了。我們用接近5V的電壓表示1，用接近0V的電壓表示0。通過兩個(gè)二極管按照下面的方法進(jìn)行連接。

我們會(huì)發(fā)現(xiàn)：如果A和B都輸入5V（高電平），那么整個(gè)電路各部分電壓都是5V，于是Y端也是5V（高電平）。但是如果A輸入0V（低電平），這樣二極管A就會(huì)導(dǎo)通，由于二極管正向?qū)妷汉苄?，這樣Y就接近0V（低電平）。同樣，B端輸入0V時(shí)，Y端也輸出低電平。這樣就實(shí)現(xiàn)了邏輯與運(yùn)算。或門和非門也有類似的結(jié)構(gòu)。

利用“與門”“或門”和“非門”，人們就可以實(shí)現(xiàn)各種各樣的計(jì)算需要。比如，我們可以利用它們實(shí)現(xiàn)一位數(shù)的加法，它的門電路邏輯圖如下：

?計(jì)算機(jī)需要實(shí)現(xiàn)的功能比一位數(shù)加法要復(fù)雜的多，所以需要的門電路也復(fù)雜的多。第一代計(jì)算機(jī)使用更為原始的電子管組成，世界上第一臺(tái)通用計(jì)算機(jī)“ENIAC”于1946年在美國賓夕法尼亞大學(xué)誕生，它是一個(gè)龐然大物，用了18000個(gè)電子管，占地170平方米，重達(dá)30噸，耗電功率約150千瓦，每秒鐘可進(jìn)行5000次運(yùn)算。而且每幾分鐘都有電子管損壞需要更換，編程也非常復(fù)雜。

而現(xiàn)代的CPU把幾十億個(gè)晶體管放在一個(gè)指甲大小的晶片上，每秒可以實(shí)現(xiàn)幾十億次運(yùn)算。顯然，每一個(gè)晶體管都非常的小。這么小的結(jié)構(gòu)是如何制作的呢？

5??芯片的制作流程

芯片的制作大體可以分為四個(gè)階段：

第一個(gè)階段是設(shè)計(jì)，就是研究為了實(shí)現(xiàn)某些功能，芯片中的各種半導(dǎo)體元件應(yīng)該如何進(jìn)行排布和組合。這個(gè)階段是最難的，因?yàn)樵O(shè)計(jì)芯片雖然本質(zhì)上是個(gè)搭積木的游戲，但是需要在很小的空間里搭上億個(gè)半導(dǎo)體元件mos管，每個(gè)管子的尺寸達(dá)到了納米量級(jí)，這難度就相當(dāng)大了。頂級(jí)芯片廠商英特爾在美國的研發(fā)部門有上萬人，其中有八千多個(gè)博士，可見研發(fā)難度之大。目前，我們中國的芯片產(chǎn)業(yè)研發(fā)還集中在中低端領(lǐng)域，高端芯片研發(fā)基本為零。

第二個(gè)階段是制作，制作需要使用“光刻”的方法。因?yàn)槌叽缣。褂闷胀C(jī)械方法無法加工，必須使用紫外線照射方法進(jìn)行加工，就稱為光刻。目前世界上只有少數(shù)幾個(gè)廠商能夠制作光刻機(jī)，價(jià)格非常昂貴，一臺(tái)光刻機(jī)就要數(shù)億美元，而且，由于貨源稀少，即使是這個(gè)價(jià)格依然供不應(yīng)求。制作階段有中國企業(yè)參與，例如臺(tái)灣的“聯(lián)發(fā)科”“臺(tái)積電”。

具體來說，首先要將沙子融化還原。沙子就是二氧化硅，我們從中提取出單質(zhì)硅，并且切成硅片。然后在硅片上涂上一層光刻膠。

下一步就是利用設(shè)計(jì)好的模板，使用紫外線照射涂有光刻膠的硅片。相當(dāng)于把電路圖畫在硅片上。照射好之后再用化學(xué)溶液清洗。由于光刻膠的性質(zhì)，被光照的部分和沒有被光照射的部分其一會(huì)被洗掉。

之后，將雜質(zhì)在硅片表面進(jìn)行沉積。有一部分沒有光刻膠覆蓋的部分就有了雜質(zhì)，而被光刻膠保護(hù)的部分就沒有摻雜。隨后洗去光刻膠，就形成了我們需要的一部分結(jié)構(gòu)。

由于現(xiàn)代的芯片結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，所以需要多次進(jìn)行涂膠沉積操作，這樣才能形成多層結(jié)構(gòu)。

第三個(gè)階段是封裝與測(cè)試。芯片制作好了之后，需要切割、連接外部電路，同時(shí)對(duì)芯片的能力進(jìn)行測(cè)試。這是芯片制作的收尾階段，中國企業(yè)在這方面參與較多。

雖說芯片的原理大家都清楚，但是無論是設(shè)計(jì)還是制作，都需要巨額的資金、人才和時(shí)間的投入。因?yàn)樾酒瑢?shí)在太小了，空氣中有些灰塵，工廠中有些振動(dòng)，都會(huì)造成芯片無法使用。有人問，為什么我們能搞出原子彈、氫彈，能把太空飛船送上天，卻造不出小小的芯片呢？實(shí)際上，芯片的確是人類智慧最頂尖的成果，難度就是比航天飛機(jī)還要大。

羅馬不是一天建成的，英特爾等芯片廠商的技術(shù)優(yōu)勢(shì)也不是一天積累的。在芯片產(chǎn)業(yè)上，中國還有很長的路要走。

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