今天小編分享的科學經驗：芯片為什麼那麼難造？，歡迎閱讀。
數字時代，我們所有人的生活都離不開芯片。我們的電腦、手機，乃至出行的汽車上，都裝有大量芯片。只要有一個芯片無法正常工作，都會影響到我們的生活，輕則手機失靈，重則汽車失控……
在享受芯片便利的同時，我們有沒有想過芯片為什麼對數字時代如此重要？它的開發和制造又為什麼這麼困難？這還要從芯片的歷史說起。
從真空管到晶體管
" 上古結繩而治 "。自人類文明誕生以來，計算便成了我們生活不可分離的一部分。小到一個家庭的收支平衡，大到一個國家的經濟走向，這些決定家庭或是國家命運的數字，無不需要計算才能得出。人們為此開發出了不少計算工具，如上下撥動珠子的算盤，或是可以按下按鈕的計算器，來獲得想要的結果。
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随着我們對計算需求的不斷增加，基于人力的計算方式很快就遭遇了瓶頸。戰争催生了早期電腦的誕生：圖靈依賴電動機械原理開發的計算機，破解了德國的恩尼格瑪密碼；而為了破解德國的洛倫茲密碼，英國又開發了 " 巨人計算機 "（Colossus computer），這也被認為是世界上第一台可以編程的數字計算機。這些機器可以輕易完成僅靠人類難以做到，甚至不可能實現的計算。
巨人計算機的運作核心是 " 真空管 "，它們看起來就像是一個碩大的燈泡，裡頭裝有一些金屬絲。通上電後，這些金屬絲無外乎兩種命運：有電，或是沒電，這對應了二進制中的 1 和 0。利用這兩個數字，理論上可以進行任何計算。我們如今的網絡虛拟世界，也可以近似理解為誕生于無數個 1 和 0 之上。
基于真空管的計算機功能雖然強大，卻也有着自身的多個局限。一方面，真空管體積太大了。賓夕法尼亞大學制造的 ENIAC 機有超過 1.7 萬根真空管，占地龐大，耗電量也相當恐怖；另一方面，這些海量數字的真空管，也帶來了各種隐患。據統計，平均每 2 天，這台機器就會發生真空管故障，每次排查至少需要 15 分鍾。為了穩定地產出各種 1 和 0，人們開始尋找真空管的替代品。
知名的貝爾實驗室做出了突破，而他們的選擇是半導體——這種材料的導電性基于導體（能讓電流自由通過，如銅制的電線），以及絕緣體（完全不導電，如玻璃）之間。在特定的條件下，它的導電特性可以發生變化。比如我們都聽說過的 " 矽 "（Si），它本身并不導電，但只要加入某些其他材料，就可以具有導電性。" 半 " 導體的名字，正是由此而來。
貝爾實驗室的威廉 · 肖克利（William Shockley）先提出了一個理論，認為在半導體材料附近加上電場，可以改變它們的導電性，然而他卻無法用實驗來證實自己的理論。
受到該理論啟發，他的兩名同事約翰 · 巴丁（John Bardeen）與沃爾特 · 布拉頓（Walter Brattain）兩年後制造出了一種叫做 " 晶體管 " 的半導體器件。不甘被超越的肖克利則在一年後開發出了一種更新的晶體管。又過了十年，他們三人因為在晶體管領網域的貢獻，獲得了諾貝爾物理學獎。而随着晶體管領網域的不斷擴大，迎來更多的新成員，它們也成為了數字時代的基石。
芯片和矽谷的誕生
随着晶體管逐漸替代真空管，它們的局限也在實際應用中暴露了出來。其中最主要的一個問題是如何在成千上萬個晶體管中布線，組成可用的電路。
為了讓晶體管實現復雜的功能，電路中除了晶體管外，還需要電阻、電容、電感等元件，再進行焊接和電路連接。這些元件本身尺寸就沒有一個标準，制作電路的工作量巨大，而且極易出錯。當時的一個解決思路是規定每個電子元件的大小和形狀，用模塊化的手段重新定義電路的設計。
德州儀器公司的傑克 · 基爾比（Jack Kilby）對這個計劃并不感冒，認為它解決不了根本上的問題——再怎麼規定，尺寸也小不了。最終造出來的模塊化電路依舊龐大，無法應用到體積較小的設備中。他的方案将一切都進行集成，把所有的晶體管、電阻以及電容都放在一塊半導體材料上，省去了大量的後續制造時間，也減少了犯錯的可能。
1958 年，他用 " 鍺 "（Ge）做出了一個原型，裡頭包含一個晶體管、三個電阻以及一個電容，在用導線連接後，能產生正弦波。這種嶄新的電路被稱為 " 集成電路 "，後來也有了個大家更為熟知的簡稱——芯片。基爾比本人在 2000 年斬獲諾貝爾物理學獎，表彰他的發明。
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差不多同一個時期，八名工程師同時向肖克利提出辭職，繼而一起創業，建立了仙童公司（Fairchild Semiconductor）。這八個辭職者，就是半導體歷史上大名鼎鼎的 " 八叛逆 "。羅伯特 · 諾伊斯（Robert Noyce）是這八名叛逆者中的領袖，也想到在一塊半導體材料上生產多個元件，制造集成電路。與基爾比的方法不同，他的設計将導線與各個元件都整合到一塊。這種一體化的設計在生產制造上有着更大的優勢，唯一的問題是成本——諾伊斯的集成電路雖然優勢明顯，成本卻是原來的 50 倍。
正如幾十年前的戰火催生出了計算機的雛形，冷戰也為諾伊斯的芯片帶來了意外的商機。随着前蘇聯發射第一顆人造衛星，并首次将人類送上太空，感受到危機的美國啟動了全面追趕計劃。他們決定把人送上月球作為最終反擊，然而這一工作需要巨大的計算量（控制火箭、操縱登陸倉、計算最佳時間視窗等），美國太空總署（NASA）則把命運賭在了諾伊斯的芯片上：這種集成電路體積更小，耗電量也更低。為了把人送上月球，每一克重量，每一瓦能源都要斤斤計較。對于這種極限項目，它無疑是更好的選擇。
在人類登月項目上，芯片向全世界展示了自己的潛力——諾伊斯說在阿波羅項目的電腦裡，它的芯片運行了 1900 萬個小時，只出現了 2 次故障，其中 1 次還是外部因素造成的。
此外，登月行動也證實芯片能在外太空這個極端惡劣的環境下正常運作。仙童崛起後，來自這家公司的員工也在當地開枝散葉，建立了英特爾、AMD 等公司，這塊半導體公司密布的地區，後來也有了一個更響亮的名字——矽谷。
光刻技術
集成電路的尺寸比由零散的晶體管元件組成的電路要小許多，往往需要用到顯微鏡才能看清裡頭的結構，檢查質量。德州儀器公司的傑伊 · 拉斯洛普（Jay Lathrop）在一次觀察中突發奇想，顯微鏡從上往下看可以把東西放大，那麼從下往上看，是不是就能把東西給變小呢？
這可不是為了好玩。當時集成電路的尺寸已經接近手工制造的極限，很難再取得新的突破。而如果能把設計好的電路圖 " 縮印 " 到半導體材料上，就有可能通過自動化的技術進行制造，實現量產。
拉斯洛普很快就檢驗了他的想法。首先他從柯達公司買到了一種叫做光阻劑的化學物質，将它塗在半導體材料上。然後他按設想把顯微鏡颠倒了過來，并在鏡頭上蓋上了一塊板，只留下一個小圖案。
最後，他讓光線穿過鏡頭，照到了顯微鏡另一端的光阻劑上。在光線的作用下，光阻劑發生化學反應，慢慢溶解消失，露出了下方的矽材料。而露出的材料形狀，和他最初設計的圖案如出一轍，只是縮小了成百上千倍。在暴露出的凹槽上，制造人員可以添加新的材料，連接起電路，再洗去多餘的光阻劑。這一套流程就是制造芯片的光刻技術。
德州儀器公司随後進一步完善了這套流程，使每個環節都能有标準進行參考，這也讓集成電路迎來了标準化的量產時代。而随着芯片變得越來越復雜，制作一塊集成電路，至少需要重復這個過程幾十次。
仙童也緊随其後，開發起了自己的光刻生產技術。諾伊斯之外，建立這家公司的其他七名創始人同樣并非等閒之輩。其中高登 · 摩爾（Gordon Moore）更是其中的佼佼者。
1965 年，他對集成電路的未來進行了預測，認為随着光刻等生產技術不斷更新，芯片中的元件數量每年都會翻倍。長遠來看，芯片的算力将指數級增長，成本也會明顯下降。這帶來的一個顯而易見的後果，就是芯片會大量走入尋常百姓家，徹底改變這個世界。摩爾的這個預測後來被叫做 " 摩爾定律 "，為全世界所知。
摩爾定律成立的前提，是制造工藝的不斷發展革新。早期一些公司開發的光刻技術近乎完美，簡直就像把光線一筆一筆勾勒在光阻劑，刻出只有一微米寬度的線路。而且這種技術還可以一次性刻出多個芯片，大大提升了芯片的產能。然而在不斷提升的芯片制造精度需求下，微米級的光刻機已經難以滿足產業的需求，納米級的光刻機成為了新的寵兒。
但研發這種光刻機并不容易——如何在越來越小的迷你空間裡進行光刻，成了阻礙光刻技術發展的瓶頸。
極紫外光光刻技術
1992 年，摩爾定律眼看就要失效——如果想要維持這一定律，芯片電路需要做得更加小巧。無論是使用的光源，還是光照過的鏡頭，都有着全新的要求。
拉斯洛普最初開發光刻技術之時，使用的是最為簡單不過的可見光。這些光的波長在幾百納米左右，最終在芯片上印出的極限尺寸也是幾百納米。而如果需要在芯片上印出尺寸更小的元件（比如只有幾十納米），那需要的光源也要超越可見光的極限，邁入紫外光的領網域。
一些公司開發過使用深紫外光（DUV）的制造設備，使用的波長不到 200 納米。但從長遠看，極紫外光（EUV）才是人們想到達的領網域——波長越短，能刻在芯片上的細節就越多。最終，人們的目标定在了波長為 13.5 納米的極紫外光上，而荷蘭的 ASML 成為了世界上唯一的 EUV 機器生產商。
EUV 技術開發了足足将近 20 年。為了制造可以運行的 EUV 機器，ASML 需要在全球尋找最先進的零件來滿足它的需求。作為光刻機，首先需要的就是光源：為了產生 EUV，人們需要發射一個直徑僅有幾十微米的錫滴，讓它以時速 300 多公裡的速度穿越真空，同時用激光精準地打到它——不是一次，而是兩次。
第一次是進行加熱，第二次是用 50 萬度的高溫把它轟成等離子體，這個溫度是太陽表面溫度的好幾倍。這樣的過程，每秒要重復 5 萬次，才能產生足夠多的 EUV。可以想象，這樣的高精尖技術，需要多少先進的元件。
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實際操作比上述的描述更為復雜。比如為了消除激光照射過程中產生的大量熱量，需要用風扇進行通風，旋轉速度需要達到每秒 1000 次。這一速度已經超過了物理軸承的極限，因此需要用磁鐵把風扇懸停在空中進行旋轉。
此外，激光發射器對其中的氣體密度有着嚴格要求，還要避免激光照在錫滴上後產生反光，影響儀器。光是開發發射激光的機器，就耗費了 10 多年的研發時間，每台發射器需要超過 45 萬個元件。
轟擊錫滴後產生的 EUV 來之不易，研究人員還需要學會怎麼收集這些光線，導向芯片。EUV 的波長實在太短，很容易就被周圍的材料吸收，而不是反射出去。最終蔡司（Carl Zeiss）公司開發出了一種極為光滑的鏡子，可以反射 EUV。
這面鏡子的光滑程度超出想象——用官方話語來說，如果把這面鏡子放大到整個德國這麼大，鏡子不規則的地方最大也只有 0.1 毫米。該公司也信心十足地相信，他們的鏡子可以導引激光，準确地擊中位于月球上的高爾夫球。
這麼一套繁復的設備，需要的不僅是科學技術，還需要供應鏈的完整管理。ASML 本身只生產其 EUV 機器的 15% 的元件，其餘來自全球各地的合作夥伴。當然，他們也會認真監控這些采購的產品，如有必要甚至會買下這些公司，自己親力管理。這樣一台機器，是不同國家的技術結晶。
第一台 EUV 機的原型在 2006 年誕生。2010 年，第一台商用 EUV 機發貨。而在未來幾年，ASML 預計将推出新一代的 EUV 機，每台造價 3 億美元。
芯片的應用
在先進的制造工藝下，多種芯片誕生了。有人總結在 21 世紀，芯片可以分為三大類别。
第一種是邏輯芯片，用作我們電腦、手機，或者是網絡伺服器中的處理器；
第二類是記憶芯片，經典例子包括英特爾（Intel）公司開發的 DRAM 芯片——在這款產品推出前，資料的儲存依賴于磁芯：磁化的元件代表 1，未磁化的元件代表 0。而英特爾的做法是把晶體管和電容器組合起來，充電代表 1，不充電代表 0。和磁芯相比，新的儲存工具原理接近，但一切都整合在芯片中，所以體積更小，出錯率也更低。此類芯片能為電腦提供運行時的短期和長期記憶；
第三類芯片則被叫做 " 模拟芯片 "，處理模拟信号。
在這些芯片中，邏輯芯片可能更為人所熟知。盡管英特爾公司開發出了最早的 DRAM 記憶芯片，但它卻在和日本公司的競争中節節敗退。1980 年，英特爾與 IBM 達成一項合作，為個人電腦制造中央處理器，即 CPU。
随着 IBM 第一台個人電腦的問世，搭建在這台電腦中的英特爾的處理器成為了產業的 " 标配 "，就好像微軟的 Windows 系統成了大眾更為熟悉的作業系統一樣。這場豪賭也讓英特爾從 DRAM 領網域徹底抽身，重新崛起。
CPU 的開發并不是一蹴而就。其實早在 1971 年，英特爾就造出了第一個微處理器（和 CPU 相比，只能處理單個特定的任務），整套設計流程的開發用了足足半年。當時這個微處理器只有上千個元件，使用的設計工具只有彩色鉛筆和直尺，落後得像是中世紀的工匠。琳 · 康維（Lynn Conway）開發了一種程式，解決了芯片的自動化設計問題。利用這種程式，從來沒設計過芯片的學生，都可以在短短時間裡學會怎麼設計具有功能的芯片。
上世紀八十年代末，英特爾開發出了 486 處理器，能在一塊微小的矽芯片上放上 120 萬個微型元件，生成各種 0 和 1。到了 2010 年，最先進的微處理器芯片已經能承載 10 億個晶體管。這種芯片的開發，離不開少數幾家寡頭公司開發的設計軟體。
另一種邏輯芯片——圖形處理器（GPU，俗稱顯卡）在近年也愈發受人關注。在這一領網域，英偉達（Nvidia）是重要玩家。在建立初期，該公司就相信 3D 影像是未來的發展方向，因此設計了能處理 3D 圖形的 GPU，并開發了一套相應的軟體，告訴芯片應該如何工作。和英特爾的中央處理器 " 依次計算 " 的模式不同，GPU 的優勢在于能同時進行大量的簡單運算。
誰也沒有想到，在人工智能時代，GPU 有了全新的使命。為了訓練人工智能模型，科學家們需要用數據不斷優化算法，讓模型經過訓練完成人類布置的任務，比如辨識貓狗，下圍棋，或者和人類對話。此時，為了同一時間進行多次運算 " 并行處理 " 數據而開發出來的 GPU 有着得天獨厚的優勢，它也在人工智能時代煥發出了全新的生命。
而芯片的另一個重要應用是通信。厄文 · 雅各布（Irwin Jacobs）看到芯片能處理一些復雜的算法，來編碼海量信息，就和朋友們創立了高通公司（Qualcomm），進軍通信領網域。我們知道最早的移動電話又叫大哥大，像一塊黑色的磚頭。
随後，通信技術得到了飛速發展——2G 技術可以傳輸圖文，3G 技術可以打開網站，4G 足以流暢觀看視頻，而 5G 則能提供更大的飛躍。這裡的每一個 G，代表的都是 " 代 "。可以看到，每一代無線技術，都讓我們通過無線電波傳遞的信息呈指數上升。如今我們手機上看視頻，稍稍有些卡頓就感到不耐煩。殊不知 10 多年前，我們還只能傳文字短信。
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高通參與了之後 2G 到後面其他手機技術的開發。利用依照摩爾定律不斷進化的芯片，高通能通過無限的頻譜，将更多的手機通話放到無垠的空間中。而為了更新 5G 網絡，不僅需要在手機裡放入新的芯片，也需要在基站中安裝新的硬體。這些硬體和芯片憑借更強大的算力，能用無線的方法更快地傳輸資料。
生產制造以及供應鏈
1976 年，幾乎每家設計芯片的公司都有自己的制造基地。然而如果将芯片設計和芯片制造的工作分離開來，将制造芯片的工作交給專門的代工廠，可以大幅減少芯片設計公司的成本。
台積電應運而生，并承諾只制造芯片，不設計芯片。這樣一來，設計芯片的公司不必擔心機密資料外洩。而台積電也不依賴販賣更多芯片——只要客戶成功，他的公司就取得了成功。
在台積電之前，就有一些美國芯片公司将目光望向了浩瀚的太平洋對岸：上世紀六十年代，仙童就在香港建立了中心，組裝從加州運來的各種芯片。投產的第一年，香港工廠就組裝了 1.2 億個裝置，人力成本極低，但品質極好。十年内，美國幾乎所有的芯片公司都在亞洲設立了組裝廠。這也為芯片如今以東亞和東南亞為中心的供應鏈格局奠定了基礎。
亞洲的高效和對質量的偏執，很快就對美國在芯片業上的地位帶來了衝擊。上世紀八十年代，負責檢測芯片質量的公司高管們意外發現，日本生產的芯片質量已經超過了美國——普通的美國芯片故障率是日本芯片的 4.5 倍，品質最差的美國芯片故障率是日本芯片的 10 倍！" 日本制造 " 不再是廉價但質量低劣的代名詞。更可怕的是，即便是被壓榨到極限的美國生產線，效率也遠不及日本。" 日本的資金成本只有 6% 到 7%，我最好的時候，成本也要 18%。"AMD 的首席執行官傑瑞 · 桑德斯（Jerry Sanders）有一次說道。
金融環境也起到了推波助瀾的效果：美國當時為了遏制通脹，利率一度高到 21.5%；而日本的芯片公司都有财團在背後扶持，民眾又習慣儲蓄，使得銀行能為芯片公司長期提供大額低息貸款。資本助力下，日本公司可以激進地搶奪市場。
此消彼長之下，最終有能力生產高級邏輯芯片的公司集中于東亞地區，制造出的芯片也随即送至周邊進行組裝。比如蘋果公司的芯片主要在韓國和我國台灣地區生產，然後送到富士康進行組裝。這些芯片不僅包括主處理器，也包括無線網和藍牙的芯片，拍照用的芯片，感知動作的芯片等。
随着生產制造芯片的能力逐漸集中于少數公司，這些原本的代工公司也有了更大的權力，比如協調不同公司的需求，甚至制定規則。由于當下負責設計芯片的公司沒有制造芯片的能力，只能聽從建議。這些日益龐大的權力，也正是當下地緣政治角鬥的話題之一。
結語
從解密二戰密碼的機器，到送人上月球的飛船。從随身播放音樂的随身聽，到日常出行的飛機和汽車，再到我們閱讀這篇文字時所用的手機和電腦，這些設備都離不開芯片。
每天，每個普通人的生活都會至少用到幾十上百種芯片。這一切的一切，都離不開芯片技術的發展，以及對芯片的生產制造。芯片是這個時代最重要的發明之一，想要開發出新的芯片，不僅需要科學技術的加持，更需要先進的制造生產能力，以及應用這些芯片的民用市場。
芯片設計與制造能力的布局，經過了幾十年的變遷，形成了當下的格局，也在當下這個時代產生了别樣的意義。本文期待通過回溯過去幾十年裡關于芯片的一些重要產業節點，供感興趣的讀者們參考。
策劃制作
作者丨葉拾 科普創作者
審核丨黃永光 中國科學院半導體研究所 光電子芯片 副研究員
策劃丨徐來
責編丨一諾
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