施晶晶

當(dāng)你給手機(jī)充好電，將它輕輕拿起或雙擊它的屏幕時，它隨即回應(yīng)你的呼喚。屏幕亮起來的一瞬間，電能神奇地轉(zhuǎn)化成了光，它的功能正式顯現(xiàn)在你眼前。

這一氣呵成的秒級動作，牽動了半導(dǎo)體世界的四大家族。

那個提供動力的手機(jī)快充頭里，有著把電能進(jìn)行變壓、變流、變頻的功率器件，它屬于半導(dǎo)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(yīng)的手機(jī)屏幕是“光電子元器件”家族的成員，負(fù)責(zé)發(fā)光，顯示界面。

半導(dǎo)體四大家族里，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(dǎo)體世界八成以上的地盤，又因?yàn)榱硗馊齻€家族往往也需要多個器件重復(fù)組合，以至于人們通常籠統(tǒng)地把“芯片”和“半導(dǎo)體”畫上等號。但集成電路永遠(yuǎn)需要和另外三個家族合作，否則后果嚴(yán)重。

如果沒有了功率器件，那么高鐵、地鐵、新能源汽車就動不了，太陽能發(fā)電機(jī)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。如果沒有了傳感器，汽車的安全氣囊、公共場所的煙霧警報器不會工作，實(shí)驗(yàn)室里沒法做DNA測序，病毒核酸檢測也無從談起。如果沒有了光電子元器件，就沒有光伏發(fā)電，也不會有激光雷達(dá)，建立在光纖基礎(chǔ)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(dǎo)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(fù)雜程度也更高的集成電路（下稱芯片）領(lǐng)域，更是高科技發(fā)展的必爭之地。

芯片有著龐大的體系，它和人體細(xì)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(jī)，大到超級計算機(jī)、汽車、高鐵、大飛機(jī)、人工智能，不同的應(yīng)用場景，讓芯片顯得更加眼花繚亂。

理解信息化社會的基底，就要回到起點(diǎn)，從認(rèn)識這些芯片開始。

芯片在工作

芯片離我們很近，近到就內(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——這些是我們見到它的最直觀的場景。

它們的重要性顯而易見，你的身份信息、資產(chǎn)信息、頭像指紋、通訊錄就存儲在其中，當(dāng)你搭乘高鐵、飛機(jī)，去銀行取錢或獲得上網(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(fù)雜和尖端，但正因?yàn)樗鼈兿鄬唵?，用來幫助我們理解芯片再好不過，因?yàn)樗鼈円呀?jīng)包含芯片最核心、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(rèn)為是芯片王冠上最寶貴的明珠，但任何時候，都應(yīng)當(dāng)將它倆放在一起來理解計算機(jī)的工作。就像人類大腦思考的過程都建立在信息記憶的基礎(chǔ)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(rèn)識處理器，它是所有芯片中設(shè)計和制造難度最大的一類構(gòu)件。今天，最常見的處理器是中央處理器，即CPU。雖說處理器并非只有CPU，但取名的藝術(shù)表明，CPU的中樞地位非其他器件所能比擬。

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，并指揮其他芯片部件工作。另一方面，CPU是一片土壤，各種軟件、應(yīng)用程序就是土壤里長出來的花草樹木。CPU負(fù)責(zé)調(diào)用和運(yùn)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(diǎn)。

存儲芯片的身價雖比不上處理器，但只要想到計算機(jī)死機(jī)時，文檔沒來得及保存，以及它是所有機(jī)密、隱私數(shù)據(jù)的載體，你就不會輕視它了。

存儲芯片的門類也不少，大體上和人一樣，有短期記憶、長期記憶兩種存儲模式。當(dāng)你實(shí)時玩起手游《王者榮耀》，要想玩得絲滑，除了CPU給力，負(fù)責(zé)短期記憶的內(nèi)存芯片也在為你的即時體驗(yàn)服務(wù)；至于存在你手機(jī)里的照片，閃存讓這些回憶刻骨銘“芯”，關(guān)機(jī)后它也不會消失，你不刪，它就在，即使刪了它，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(rèn)識了處理器和存儲器這對搭檔，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(jī)的，網(wǎng)速又是怎么變快的呢？這是射頻芯片的功勞。

當(dāng)你和千里之外的朋友通話，你們的手機(jī)各自接收來自基站的信號，同時也都在把新的信號發(fā)射給基站。但發(fā)射時，信號要足夠強(qiáng)，得做放大處理，才能避免在傳輸過程中因損耗而消失殆盡；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。

射頻芯片的功能越強(qiáng)大，能夠處理的頻譜范圍越廣，信號傳輸?shù)乃俣染驮娇臁＞拖裢瑯右环昼?，八車道的通車量比四車道更大一樣，信息傳輸?shù)男室埠蛶捰嘘P(guān)。手機(jī)之所以從最開始的只能打電話，到后來既能發(fā)短信又能上網(wǎng)，就是因?yàn)閹捵兇罅恕?/p>

這得益于構(gòu)成芯片的晶體管變小，電子開關(guān)的反應(yīng)速度加快，信號來回奔跑的頻率（車道）更高，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(xì)、更先進(jìn)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(yīng)著90年前提出的計算機(jī)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(jī)芯片由幾百萬甚至上百億個比細(xì)胞還小的電子開關(guān)組成，人們叫它“晶體管”。它們不知疲倦地把守著各自負(fù)責(zé)的要塞，負(fù)責(zé)開關(guān)閘門，控制著電子流動的方向，以此傳達(dá)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”，它長得像一張比薩餅，但厚度不超過1毫米。其主要成分是硅，硅和沙子是近親，但沙子里有非常多的雜質(zhì)，這是晶圓不能容忍的。純度為98%的硅，聽起來純度已經(jīng)夠高了，但這只能達(dá)到冶金工業(yè)的要求，要制造芯片，硅的純度必須達(dá)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(shù)室。這個高標(biāo)準(zhǔn)從最早生產(chǎn)芯片的IBM公司那里就有了雛形。具體有多嚴(yán)苛，上海華虹NEC電子有限公司的管理人員曾透露他們在20世紀(jì)末建芯片廠的要求：為了防止塵埃降低芯片生產(chǎn)質(zhì)量，塵埃微粒的粒徑不能超過芯片電路線寬的三分之一。這里的線寬為微米甚至納米級別，如果要將線寬做到0.25微米，無塵車間就必須對粒徑0.09微米以上的塵埃進(jìn)行控制，而肉眼可見的最小塵埃，粒徑大約是50微米。

在精確入微的芯片生產(chǎn)過程中，除了防止灰塵，還須嚴(yán)格防震。當(dāng)年為了避免周圍環(huán)境的震動對生產(chǎn)廠房產(chǎn)生影響，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?yán)@著工地來回轉(zhuǎn)，測試類似震動對廠房的影響。之所以如此謹(jǐn)慎，是因?yàn)檫@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，把電子運(yùn)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。完成這一關(guān)鍵操作的光刻機(jī)，也就成了最寶貝的設(shè)備。

光刻機(jī)也非常敏感，每臺光刻機(jī)的內(nèi)部都有一個類似飛機(jī)黑匣子的裝置，專門記錄運(yùn)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(shè)備運(yùn)輸公司，甚至沒法承攬這項(xiàng)運(yùn)輸工作。

荷蘭公司阿斯麥?zhǔn)枪饪虣C(jī)的老大，獨(dú)家掌握著目前全球最尖端的EUV（極紫外）光刻機(jī)，這是生產(chǎn)7納米以下先進(jìn)制程芯片的關(guān)鍵設(shè)備，這一型號也是光刻機(jī)核心能力的最佳體現(xiàn)：定位精準(zhǔn)、快速生產(chǎn)、穩(wěn)定輸出。

一片12英寸（300毫米）的晶圓，要做出成百上千顆芯片，而一顆芯片就要光刻二三十次甚至更多，光刻機(jī)要在快速且細(xì)微的移動中重復(fù)完成以上工作。阿斯麥2022年年報里透露，阿斯麥不同級別的光刻機(jī)，可以達(dá)到每小時光刻200～300片晶圓，由此支撐全球萬億顆芯片的供應(yīng)，這稱得上是工程學(xué)的一大奇觀。

芯片制造工藝比我們想象得更偉大。60年前，第一顆芯片上的晶體管數(shù)量只有4個，現(xiàn)在蘋果手機(jī)A17處理器芯片的晶體管有190億個。

持續(xù)更新的技術(shù)和工藝讓晶體管更小更穩(wěn)定，巨大的規(guī)模效應(yīng)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?？ê凸豢ㄉ?，從那時起，中國開始擺脫IC卡進(jìn)口依賴，推動國產(chǎn)替代。

之后的5年間，換發(fā)的第二代居民身份證上有了中國芯。其后，手機(jī)SIM卡也開始了國產(chǎn)化進(jìn)程，平均價格從原先的82元進(jìn)口價降至8元的國產(chǎn)價。

銀行卡芯片的國產(chǎn)化始于2013年，以通過銀聯(lián)和國密認(rèn)證為標(biāo)志，填補(bǔ)了國內(nèi)金融IC卡領(lǐng)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，中國芯占比不到五成，完全的國產(chǎn)替代仍需時日。

中國的信息化建設(shè)從20世紀(jì)末開始崛起，“金卡工程”是起步工程之一，芯片是基礎(chǔ)元件。在這一大背景下，芯片的國產(chǎn)化替代，又是另一項(xiàng)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(jìn)行設(shè)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(dāng)下，以復(fù)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(lǐng)域發(fā)力。

CPU的主流芯片架構(gòu)是X86和Arm，X86甚至主導(dǎo)了當(dāng)前PC（個人計算機(jī)）及服務(wù)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(jìn)行專利授權(quán)，就算選擇了自主可控程度相對較高的架構(gòu)，仍礙于應(yīng)用小眾，兼容度相對較弱，民用市場推廣上多有掣肘。綜合性能上仍需奮力追趕國際巨頭英特爾和超威。

我們必須看清現(xiàn)實(shí)差距：從實(shí)驗(yàn)室研發(fā)到標(biāo)準(zhǔn)化的生產(chǎn)線，再到競爭激烈的市場推廣，應(yīng)用的路已然漫長艱辛；面對進(jìn)口芯片的先發(fā)優(yōu)勢，國產(chǎn)芯片尋求突圍替代、實(shí)現(xiàn)獨(dú)立自主的任務(wù)更加艱巨。

國家統(tǒng)計局公布的數(shù)據(jù)顯示，2022年，中國進(jìn)口芯片5384億顆，花了2.8萬億元人民幣，而進(jìn)口5億噸原油，總花費(fèi)是2.4萬億元，芯片仍是我國第一大進(jìn)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(jī)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(dǎo)體公司，是第一顆芯片誕生的搖籃，可仙童的創(chuàng)始人、后來參與創(chuàng)立了英特爾的戈登·摩爾起初并沒有獲得足夠的支持。1960年，營銷副總裁湯姆·貝更是對項(xiàng)目負(fù)責(zé)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(fèi)了公司整整100萬美元，卻沒有什么收益，必須裁撤掉?！?/p>

然而，正是這個最開始不被看好的研發(fā)項(xiàng)目，成了信息化社會的基石。

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

靈感的起點(diǎn)和愛迪生的燈泡有關(guān)。當(dāng)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(yīng)”。再后來，物理學(xué)家約瑟夫·湯姆遜發(fā)現(xiàn)了電子，這一效應(yīng)有了科學(xué)解釋。基于對這一效應(yīng)的研究，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了半導(dǎo)體的獨(dú)特屬性。

如今，芯片的科學(xué)原理早已不是秘密，層出不窮的論文、專利也都公開發(fā)表，很容易在網(wǎng)上獲取，全世界的工程師似乎處在同一個起跑線上。但若從科學(xué)的視角出發(fā)，羅斯?？偨y(tǒng)的科學(xué)顧問萬尼瓦爾·布什博士更加高瞻遠(yuǎn)矚。

二戰(zhàn)后的1945年，萬尼瓦爾·布什在《科學(xué)：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(chǔ)科學(xué)知識的國家，無論其機(jī)械技能如何，其工業(yè)進(jìn)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(qiáng)工業(yè)研究最簡單、最有效的方式是支持基礎(chǔ)研究和培養(yǎng)科學(xué)人才?！?/p>