作者:劉誌榮
我們每天都在談論薯片。妳知道什麽是芯片嗎？
1.芯片的發明改變了人類的生活方式。
1947，1947年2月23日，貝爾實驗室的三位科學家約翰·巴登、威廉姆·肖克利和沃爾特·布拉頓發明了鍺晶體管，電子世界進入了半導體時代。晶體管的三個發明者獲得了1956諾貝爾物理學獎。
20世紀50年代是半導體的黃金時代，幾乎所有的半導體材料和基礎工藝都是在這個時期發展起來的。
1954 10 10月18日，德州儀器發明了晶體管收音機。這臺有四個晶體管的收音機小到可以放進口袋裏。
1958年9月12日，美國德州儀器公司電子工程師傑克·基爾比(1923 -2005)發明了集成電路，並於1959年成功制造出世界上第壹個集成電路，即芯片。集成電路就是在壹塊鍺上刻蝕PNP晶體管(三極管)、電阻、電容，用外接導線連接成電路。這個簡單的集成電路拉開了芯片產業的序幕，將人類科技水平推向了壹個新的高峰，徹底改變了人類的生活方式。
芯片制造技術的不斷進步大大降低了單個晶體管的價格。1959年，壹個芯片上有6個晶體管，相當於每個晶體管10美元；在1971，壹個芯片上有2000個晶體管，相當於每個晶體管0.3美元；2004年，壹個芯片上有幾百億個晶體管，單個晶體管的價格跌到了十億美元。芯片性價比的提升，讓芯片進入尋常百姓家成為可能。
芯片是20世紀最偉大的發明，其他很多發明都是基於它。今天，我們生活在壹個被芯片包圍的世界，沒有芯片我們就無法移動。
人們的日常生活離不開芯片。手機、電腦、智能手表等智能設備都有芯片，光貓、路由器、u盤、存儲卡、移動硬盤等網絡設備都有芯片，身份證、護照、銀行卡、購物卡、消費卡等個人證件都有芯片，電視機、音響、投影儀、充電器、LED燈、電子秤、空調、冰箱、微波爐、電磁爐。如果有人發明了壹種代碼，讓世界上所有的芯片都失效，人類的生活就會停滯不前。
傑克·基爾比因發明芯片獲得了2000年諾貝爾物理學獎。他也是手持計算器和熱敏打印機的發明者。當基爾比被稱為科學家時，他謙虛地說:“科學家是解釋事物和有偉大思想的人；而我是壹個解決問題的人，也就是工程師。我的職責是發明新工藝，制造新產品，從發明中賺錢。”
2.要了解芯片，首先要了解“PN結”
從上面我們可以看到，二極管、三極管、電阻、電容等電子元件都是在半導體材料上制作的，然後用導線連接起來。這是集成電路，也叫芯片。想要了解芯片，首先要了解“PN結”，這是半導體工藝的核心。
在半導體材料中摻雜五價元素時，電子濃度增加，形成N型半導體；當三價元素摻雜到半導體材料中時，空穴濃度增加，形成P型半導體。“空穴”是指共價鍵上的電子獲得能量，擺脫共價鍵的束縛，成為自由電子後，共價鍵上留下的空位。
P型半導體和N型半導體緊密接觸後，帶負電荷的電子和帶正電荷的空穴相互擴散。電子和空穴的擴散導致在接觸表面形成內部電場，該電場反過來阻止這種擴散，並使電子和空穴往回漂移。當電子和空穴的擴散速度和漂移速度達到動態平衡時，P型半導體和N型半導體的接觸面就會形成“PN結”。
“PN結”的主要表現是“單向導通”。如果P型半導體端為正極，N型半導體端為負極，電流可以通過PN結；如果N型半導體端子是正極，P型半導體端子是負極，則電流不能通過PN結。計算機二進制由PN結的性能決定。電流通過PN結表示“1”，但電流不能通過PN結表示“0”。
“PN結”是壹個二極管。如果兩個P型半導體夾在壹個N型半導體中間，就形成了壹個三極管，就是上面說的PNP三極管。當然，如果兩個N型半導體夾在壹個P型半導體中間，就成了NPN型三極管。
普通人看不到芯片的“真身”。這種芯片像人的頭皮屑壹樣小，像人的指甲壹樣大。因為太薄，所以必須封裝在密封的外殼裏，才能連接外部電路。打開電腦、電視等電器，可以看到壹個很大的電路板。電路板上有許多電子元件。那些有多個引腳的電子元件就是芯片。這些引腳連接到芯片的輸入和輸出端。有的在芯片封裝的兩面，有的在四面，有的在底部呈矩陣排列，密密麻麻，超過1000個管腳。
做芯片就像把地球和所有的道路建築都刻在壹粒米上。
這裏需要提到壹個概念，那就是“摩爾定律”。從65438年到0965年，世界著名的芯片制造商英特爾公司的創始人之壹戈登·摩爾提出，單個芯片上的晶體管數量將每年翻壹番。後來他修正為每兩年翻壹倍。這個判斷經過實踐基本正確。2011年，英特爾酷睿i7芯片上有22.7億個晶體管。目前壹些高端芯片上的晶體管數量超過百億。幾年前，半導體制造商Cerebras Systems采用臺積電16納米工藝技術生產的AI芯片WSE集成了1.2萬億個晶體管！
“工藝”是指芯片上晶體管的柵極寬度，通常可以理解為晶體管的大小。工藝越小，芯片上制造的晶體管越多，集成電路的規模就越大。
芯片的運行速度在不斷提高，這得益於芯片的集成度越來越高。芯片的集成度越高，上面的電子元件越小，電子元件之間的導線越短，電流通過的時間越短，能耗越低，處理速度越快。
讓壹個芯片承載更多的晶體管有三種方法，壹是增加芯片面積，二是減小晶體管體積，三是讓集成電路立體化。增加芯片面積壹般不考慮，因為會增加能耗，降低芯片效率。現在人們主要采用後兩種方法來增加芯片上的晶體管數量。
芯片制造屬於微觀世界，上面的電子元件小到幾個原子或分子，都要用更小的計量單位來計量，納和埃。壹般尺子上最小的刻度是毫米，1mm等於1000微米，1mm等於1000納米，1nm等於10埃。人類頭發的直徑是7萬納米，周長是22萬納米。用5納米的工藝做壹個芯片，就像沿著壹根頭發修4.4萬條路。
縮小電子元件的尺寸是有限度的，所以人們考慮在壹個芯片上構建多層集成電路，以增加晶體管的數量。這就像蓋住宅樓壹樣。平房容納的居民人數少，建成幾十層的樓房容納的居民人數多。集成電路的疊加比蓋大樓復雜多了。大樓每層的布局都是壹樣的，但是芯片每層的電路都不壹樣，樓層之間的連接極其復雜。
讓我們更進壹步。做芯片就像在壹粒米上雕刻壹個完整的地球，地球上所有的道路和建築都要雕刻。道路是芯片上的電線，建築是芯片上的電子元件。通過這個比喻，讀者可以想象制作芯片有多麽復雜和困難。
4.矽的提純是芯片工業的基礎。
半導體材料有很多，但在實際應用中，90%以上都是矽，因為矽的熔點是1415攝氏度，允許芯片加工中的高溫處理。
矽是從沙子裏冶煉出來的，但是要把沙子冶煉成可以做芯片的矽，需要很高的純度。我們把純度為99.99%的黃金稱為純金(四個九)，但是用來制作芯片的矽的純度至少要達到11個九，也就是說每1億個矽原子中的雜質原子不能超過1，這個純度的矽是1955年在貝爾實驗室提取的。目前壹個芯片上有幾千億個電子元器件，對矽的純度要求更高，至少要13個九，這是芯片制造的基礎。不掌握矽的提純技術，是不可能做出芯片的！
讀者會問，為什麽做芯片用的矽要求那麽高的純度？芯片上的電子元件非常小。如果芯片采用5納米工藝制造，如果上面有1納米的雜質，整個芯片就報廢了。我們不妨打個比方。如果壹條路寬40米，路中間有壹塊寬1米的大石頭，汽車可以避開這塊石頭，不會造成交通擁堵。但如果壹條路只有5米寬，路中間有壹塊1米寬的大石頭，汽車無法避開這塊石頭，路就被堵住了。
因此，芯片的制造不僅要求矽的純度高，而且制造過程的各個環節都要無塵，其純度是醫院外科手術室的654.38+萬倍，甚至有壹半的工序都是在真空環境下進行的。正因為如此，芯片廠在新冠肺炎抗擊疫情不需要停工，因為工人們從頭到腳都受到了充分的保護，有些防護服甚至有自己的呼吸系統，以防止芯片被人體新陳代謝和呼出氣體的脫落所汙染。
5.掩模對準器實際上是集成電路投影儀
“掩模對準器”這個名稱的翻譯是不準確和誤導的。很多人誤以為光刻機是通過物理接觸在晶體矽表面“雕刻”集成電路，就像電腦雕刻壹樣。其實芯片不是“刻”出來的，而是“拍”出來的。因此，將光刻機稱為“集成電路投影儀”更為恰當。
當晶圓制造芯片進入光刻工藝階段時，掩模對準器通過掩模將集成電路圖形投影到晶圓表面的光刻膠上。光刻膠曝光後，曝光區域用化學液體蝕刻，然後清洗，這樣集成電路圖就出來了。光刻過程與傳統攝影的照片打印相同。光線通過底片使相紙感光，然後感光相紙在藥液中顯影、定影。
壹個芯片要經過幾十次甚至上百次的光刻，光刻後的幾道工序需要幾個星期才能進入封裝階段。
芯片制造技術日新月異，但芯片制造的核心技術大多來自貝爾實驗室，他們對信息技術革命的貢獻永載史冊。
7.可以用光刻機做芯片嗎？
很多讀者對光刻機感興趣，以為有了光刻機就可以做芯片了。實際上，雖然光刻機在芯片制造中起著重要的作用，但它只是芯片制造中65，438+0，000多道工序中的壹道。有了光刻機，如果不能掌握其他工藝，還是做不出芯片。
1961年，美國GCA公司制造了世界上第壹臺光刻機。目前世界上有四個國家的七家公司可以制造光刻機，分別是荷蘭的Asmel，美國的Intel，Ultra-Tech Semiconductor和魯道夫，日本的尼康和佳能，德國的ZSI Micro。
如上所述，芯片產業的基礎是材料的提純，也就是矽。不掌握矽的提純技術，就無法生產芯片級純度的晶體矽，也就無法制造芯片。
而且芯片上有幾千億個電子元器件，這麽龐大的電路是無法手工繪制的，必須使用電子設計自動化軟件EDA。EDA是很多自然學科的綜合應用，被卡姆登、新思科技、明道三家公司壟斷。
EDA在芯片制造過程中起著決定性的作用，芯片的功能和集成度完全取決於EDA的設計能力。有了高純矽和光刻機，沒有EDA或者沒有EDA就做不了芯片。