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，它隨即回應(yīng)你的呼喚。屏幕亮起來(lái)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(jí)動(dòng)作里，牽動(dòng)了半導(dǎo)體世界的四大家族。

那個(gè)提供動(dòng)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(lái)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(lái)自傳感器的信號(hào)，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。

四大家族里，最人多勢(shì)眾的是集成電路，也就是人們常說(shuō)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€(gè)家族往往也需要多個(gè)器件重復(fù)組合，以至人們通?；\統(tǒng)地把“芯片”和“半導(dǎo)體”畫(huà)上等號(hào)。但有了上面的例子，你就知道，集成電路永遠(yuǎn)需要和另外三個(gè)家族合作，否則后果嚴(yán)重，手機(jī)也不過(guò)是應(yīng)用場(chǎng)景的冰山一角。

如果沒(méi)了功率器件，那么高鐵、地鐵、新能源汽車就動(dòng)不了，太陽(yáng)能發(fā)電機(jī)沒(méi)法并網(wǎng)供電，空調(diào)冰箱不會(huì)制冷，醫(yī)院不間斷的電源就會(huì)失效。如果沒(méi)了傳感器，汽車的安全氣囊、公共場(chǎng)所的煙霧警報(bào)不會(huì)工作，實(shí)驗(yàn)室里沒(méi)法做DNA測(cè)序，病毒核酸檢測(cè)也無(wú)從談起。如果沒(méi)了光電子元器件，就沒(méi)有光伏發(fā)電，也不會(huì)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(shí)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），更是必爭(zhēng)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(jiàn)它的真面目，但它無(wú)處不在。小到身份證銀行卡、交通信號(hào)燈、家電、智能手機(jī)，大到超級(jí)計(jì)算機(jī)、汽車高鐵大飛機(jī)、人工智能，不同的應(yīng)用場(chǎng)景，也讓芯片更顯眼花繚亂。

理解信息化社會(huì)的基底，就要回到起點(diǎn)，從認(rèn)識(shí)這些芯片開(kāi)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(gè)金色片片，近到那張讓你能夠接打電話的SIM卡—這是我們見(jiàn)到它最直觀的場(chǎng)景。

它們的重要性顯而易見(jiàn)，你的身份信息、財(cái)產(chǎn)信息、頭像指紋、通訊錄，就存儲(chǔ)在其中。當(dāng)你搭乘高鐵飛機(jī)、去銀行取錢、獲得上網(wǎng)資格，就是通過(guò)對(duì)比處理這些信息，來(lái)識(shí)別“你是你本人”。

這三張芯片算不上復(fù)雜和尖端，但正是它們相對(duì)簡(jiǎn)單，用來(lái)理解芯片再好不過(guò)，因?yàn)樗鼈円呀?jīng)包含了芯片最核心、最基本的構(gòu)件：處理器和存儲(chǔ)器。

這兩個(gè)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(shí)候，都應(yīng)當(dāng)將它倆放在一起來(lái)理解計(jì)算機(jī)的工作。就像人類用大腦思考的過(guò)程，建立在信息記憶的基礎(chǔ)上，無(wú)論那些記憶是臨時(shí)的，還是永久的。

有了這個(gè)前提，我們?cè)賮?lái)認(rèn)識(shí)處理器，它是所有芯片中設(shè)計(jì)和制造難度最大的一類。今天，最常見(jiàn)的處理器是中央處理器，即CPU。雖說(shuō)處理器并不只有CPU，但取名的藝術(shù)表明，CPU的中樞地位，非其他所能比擬。

這個(gè)中樞地位有兩層含義，一方面，CPU像司令一樣，聽(tīng)取來(lái)自諸如傳感器的各種報(bào)告，并指揮著其他芯片部件工作，像我們開(kāi)頭提到的那樣。

另一邊，CPU是一片土壤，各種軟件、應(yīng)用程序就是土里長(zhǎng)出來(lái)的花草樹(shù)木，誰(shuí)也離不開(kāi)它。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(guò)它的解析和執(zhí)行，可以說(shuō)，它是整個(gè)軟件生態(tài)的起點(diǎn)。

處理器和存儲(chǔ)器，這兩個(gè)小東西是人類發(fā)明史上的絕配。

存儲(chǔ)芯片的身價(jià)比不上處理器，但只要想到電腦死機(jī)時(shí)，文檔沒(méi)來(lái)得及保存的噩夢(mèng)，以及它是所有機(jī)密、隱私數(shù)據(jù)的載體，你就不會(huì)輕視它。

存儲(chǔ)芯片的門類也不少，大體上它和人一樣，有短期記憶、長(zhǎng)期記憶兩種存儲(chǔ)模式。當(dāng)你實(shí)時(shí)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)存芯片也為你的即時(shí)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)了機(jī)它也不會(huì)消失，你不刪，它就在，刪了它，也有辦法找回來(lái)。

存儲(chǔ)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(guò)倒也契合著一個(gè)樸素的規(guī)律：有價(jià)值的信息才值得留存，冗余的信息閱后即焚，別來(lái)占位置。

認(rèn)識(shí)了處理器和存儲(chǔ)器這對(duì)CP，你還需要留意另一個(gè)重量級(jí)角色。你想過(guò)嗎，有線電話是怎么變成移動(dòng)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(lái)自基站的信號(hào)，同時(shí)，你們的手機(jī)也都在把新信號(hào)發(fā)射給基站。但發(fā)射時(shí)，信號(hào)要足夠強(qiáng)，得做放大處理，才能避免在傳輸損耗過(guò)程中消失殆盡；接收時(shí)，也要處理變得微弱的信號(hào)，降低噪聲干擾，讓信息更純凈—射頻芯片就在做這些工作。

當(dāng)射頻芯片的功能越強(qiáng)大，能夠處理的頻譜范圍變大，信號(hào)傳輸?shù)乃俣染驮蕉嘣娇?。就像同?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(guān)。手機(jī)之所以從最開(kāi)始的只能打電話，到后來(lái)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(kāi)關(guān)的反應(yīng)速度加快，信號(hào)來(lái)回奔跑的頻率（車道）更多，同時(shí)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(chǔ)、射頻芯片為代表，它們呼應(yīng)著90年前提出的計(jì)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(jiǎn)潔的美，也勾勒出傳輸、處理、存儲(chǔ)三個(gè)基本單元，而信息社會(huì)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，體內(nèi)由幾百萬(wàn)個(gè)甚至幾十上百億個(gè)比細(xì)胞還小的電子開(kāi)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(kāi)關(guān)閘門，像交警一樣，控制著電子流動(dòng)的方向，以此表達(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(zhǎng)得像一張披薩餅，但厚度不超過(guò)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(tīng)起來(lái)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，硅純度必須達(dá)到99.999999999%。

芯片的生產(chǎn)車間，屬于無(wú)塵車間，與其說(shuō)它像工廠，不如說(shuō)像手術(shù)室。這個(gè)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電子有限公司曾透露過(guò)他們?cè)谏鲜兰o(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，塵埃微粒的直徑不能超過(guò)芯片電路線寬的三分之一。這里的“線寬”在微米甚至納米級(jí)別，如果線寬要做到0.25微米，無(wú)塵車間就必須對(duì)0.09微米以上的塵埃進(jìn)行控制，而肉眼可見(jiàn)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(guò)程還須嚴(yán)格防震。當(dāng)年為了避免周圍環(huán)境的震動(dòng)對(duì)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(tái)，廠房周圍還挖了隔離帶。工人開(kāi)來(lái)十幾臺(tái)滿載的大卡車?yán)@著工地來(lái)回轉(zhuǎn)，來(lái)測(cè)試類似震動(dòng)對(duì)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(huà)電路然后切割，把電子怎么運(yùn)動(dòng)的路線，通過(guò)數(shù)以億計(jì)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(huà)出路線圖，也決定著每個(gè)晶體管的尺寸大小。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(tái)光刻機(jī)的內(nèi)部都有一個(gè)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(dòng)等數(shù)據(jù)，允許的波動(dòng)范圍非常小。尋常的精密設(shè)備運(yùn)輸公司，甚至沒(méi)法承攬這項(xiàng)運(yùn)輸工作。

荷蘭公司阿斯麥?zhǔn)枪饪虣C(jī)老大，獨(dú)家掌握著目前最尖端的EUV（極紫外）光刻機(jī)，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(hào)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。

阿斯麥2022年報(bào)里透露，阿斯麥不同級(jí)別的光刻機(jī)，可以達(dá)到每小時(shí)光刻200～300片晶圓的速度，由此支撐全球萬(wàn)億顆芯片的供應(yīng)。

一片12英寸（300毫米）的晶圓，要做出成百上千個(gè)芯片，而一塊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(dòng)當(dāng)中重復(fù)完成。阿斯麥2022年報(bào)里透露，阿斯麥不同級(jí)別的光刻機(jī)，可以達(dá)到每小時(shí)光刻200～300片晶圓的速度，由此支撐全球萬(wàn)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，第一個(gè)芯片上的晶體管數(shù)量只有4個(gè)，現(xiàn)在蘋(píng)果手機(jī)A17處理器芯片的晶體管有190億個(gè)。

持續(xù)更迭的技術(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(gè)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(shí)代才真正到來(lái)。

國(guó)產(chǎn)替代之路

中國(guó)第一枚具有完全自主知識(shí)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(shí)起，中國(guó)才開(kāi)始擺脫IC卡進(jìn)口依賴，推動(dòng)國(guó)產(chǎn)替代。

之后5年間，換發(fā)的二代居民身份證有了中國(guó)芯。其后，手機(jī)SIM卡也開(kāi)始國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程，平均價(jià)格也從原先的82元進(jìn)口價(jià)降至8元的國(guó)產(chǎn)價(jià)。

銀行卡芯片的國(guó)產(chǎn)化更晚，始于2013年，以通過(guò)銀聯(lián)和國(guó)密認(rèn)證為標(biāo)志，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)金融IC卡領(lǐng)域的空白。但據(jù)銀聯(lián)《2020年中國(guó)銀行卡產(chǎn)業(yè)發(fā)展報(bào)告》，發(fā)行的銀行卡里，國(guó)產(chǎn)芯占比不到五成，完全的國(guó)產(chǎn)替代仍需時(shí)日。

中國(guó)的信息化建設(shè)從上世紀(jì)末開(kāi)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(guó)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(duì)它的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，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(guó)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更主導(dǎo)了當(dāng)前PC及服務(wù)器市場(chǎng)。然而，即便是國(guó)產(chǎn)CPU龍頭企業(yè)，仍需依賴海外企業(yè)對(duì)這兩類架構(gòu)進(jìn)行專利授權(quán)，即便選擇了自主可控程度相對(duì)更高的架構(gòu)，又礙于應(yīng)用小眾，兼容度相對(duì)弱，民用市場(chǎng)推廣上有掣肘。綜合性能上，仍需奮力追趕國(guó)際巨頭英特爾和超威。

我們?nèi)孕杩辞瀣F(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，再到激烈競(jìng)爭(zhēng)的市場(chǎng)推廣，應(yīng)用的路已然漫長(zhǎng)艱辛；面對(duì)進(jìn)口芯片的先發(fā)優(yōu)勢(shì)，國(guó)產(chǎn)芯片尋求突圍替代、實(shí)現(xiàn)獨(dú)立自主的任務(wù)也更顯艱巨。

據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局，2022年，中國(guó)進(jìn)口芯片5384億顆，花了2.8萬(wàn)億元人民幣，而進(jìn)口5億噸原油，總花費(fèi)是2.4萬(wàn)億元，芯片繼續(xù)成為我國(guó)第一大進(jìn)口商品。

國(guó)產(chǎn)芯片發(fā)力追趕的同時(shí)，對(duì)手也不會(huì)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(xiǎn)的是，好些發(fā)明一開(kāi)始并不受待見(jiàn)。赫赫有名的仙童半導(dǎo)體公司，是第一枚芯片的搖籃，可仙童創(chuàng)始人、后來(lái)參與創(chuàng)立了英特爾的戈登·摩爾起初也沒(méi)有提供足夠的支持，在1960年，營(yíng)銷副總裁湯姆·貝更是對(duì)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(gè)玩意兒浪費(fèi)了公司整整100萬(wàn)美元，卻沒(méi)有什么收益，必須裁撤掉。

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

據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局，2022年，中國(guó)進(jìn)口芯片5384億顆，花了2.8萬(wàn)億元人民幣，而進(jìn)口5億噸原油，總花費(fèi)是2.4萬(wàn)億元，芯片繼續(xù)成為我國(guó)第一大進(jìn)口商品。

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(ài)迪生的燈泡有關(guān)。當(dāng)時(shí)，愛(ài)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(lái)被稱為“愛(ài)迪生效應(yīng)”。后來(lái)，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(duì)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(kāi)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(xué)的視角出發(fā)，羅斯?？偨y(tǒng)的科學(xué)顧問(wèn)、萬(wàn)尼瓦爾·布什博士更加高瞻遠(yuǎn)矚。

二戰(zhàn)后的1945年，他在《科學(xué)：無(wú)盡的前沿》這份重磅報(bào)告里提醒：“一個(gè)依靠別人來(lái)獲得基礎(chǔ)科學(xué)知識(shí)的國(guó)家，無(wú)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(jìng)爭(zhēng)力也會(huì)非常弱……政府加強(qiáng)工業(yè)研究最簡(jiǎn)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>