我們都知道，小到手機,，大到航天飛機,，現(xiàn)在生活中方方面面的電子設備都需要一種叫做芯片（chip）的小玩意。芯片到底是什么呢,？為什么這么難做,？

芯片是什么

簡單來說，芯片是一個小型化的集成電路,，在很小的體積上制作了許多的半導體元件,，并且利用這些半導體元件實現(xiàn)一定的功能。比如,，電腦中的CPU就是芯片,，可以進行運算處理。

電腦中的閃存FLASH也是芯片,，可以實現(xiàn)信息的快速存儲,。

雖然芯片的作用巨大，但是研發(fā)芯片需要許多高級人才長時間,、大投入,，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，美國政府宣布對中國某企業(yè)實行禁售,，一下子卡住了我們的脖子,。

漢芯一號

中國并沒沒有過大力發(fā)展芯片的時候。二十年前,，中國就提出要大力發(fā)展芯片產(chǎn)業(yè),。在這個大環(huán)境下，2003年,，上海交大軟件與微電子學院院長陳進制作了一款芯片：漢芯一號,，經(jīng)過測試達到了世界一流水平,，陳進也因此獲得了無數(shù)榮譽。

2006年,，陳進的一位研究生在清華大學水木BBS爆料：所謂的“漢芯一號”其實是陳進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”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。

經(jīng)過調查屬實,，陳進被取消了一切榮譽,，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,，從那之后芯片項目的審查非常嚴格,，十幾年里中國的芯片產(chǎn)業(yè)并沒有獲得預期的進步。

PN結

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

二極管是一種基本的半導體元件，它的基本結構是ＰＮ結,?！?/p>

我們知道，硅是一種半導體材料,。它的外圍有四個電子,。正常情況下，硅是不帶電的,。但是如果某一個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“空穴”，空穴是帶正電的,。

與硅不同的是，硼元素周圍有三個電子,，相比于硅少一個電子,。如果把硼元素摻雜到硅元素中，硅與硼之間就會形成一個電子空位,，相當于一個正電荷,。這種半導體就稱為空穴導電型半導體，或稱P型半導體,。相反,，磷這種元素，最外層有5個電子,，如果把磷摻雜到硅中,，那么磷與硅之間就會多出一個電子,，這種半導體就稱為電子導電型半導體，或稱N型半導體,。

那么,，假如我們在一塊半導體硅上一半摻入三價的硼，一半摻入五價的磷,，這樣就形成了一種基本的結構：PN結,。

PN結中央會出現(xiàn)相互滲透的耗盡層，由于一些物理機制,，造成PN結只允許電流從P端向N端流動,，卻不允許N端電流向P端移動。這就是二極管的單向導電機理,。

邏輯運算

有了二極管,，我們就可以實現(xiàn)一定的邏輯運算?；镜倪壿嬤\有“與”“或”“非”三種,。為了理解這三種關系，我們用一個簡單電路做個比方,。

比如：兩個開關與燈泡串聯(lián),，只有兩個燈泡都閉合時，燈泡才會發(fā)光,，這就是“與”邏輯,。如果兩個開關并聯(lián)，再與燈泡串聯(lián),，只需要閉合一個開關,，燈泡就會亮，這種關系就是邏輯或,。如果開關與燈泡并聯(lián),，開關閉合時燈泡被短路，燈泡不發(fā)光,，反而是開關斷開時電流會流過燈泡,，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)，與二進制中中1和0對應,。這樣一來,，邏輯與的關系就是：如果A和B兩個輸入端都是高電平，則輸出Y是高電平,；只要有一個輸入端是低電平,，輸出就是低電平,。它的真值表和符號如下：

我們把能夠實現(xiàn)這種邏輯關系的電路稱為“與門”，符號如下,。

同樣,，我們還有或門和非門，符號如下：

同樣的,，邏輯或和邏輯非也有類似的關系,。

那么，與門如何進行物理實現(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,。通過兩個二極管按照下面的方法進行連接,。

我們會發(fā)現(xiàn)：如果A和B都輸入5V（高電平），那么整個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就會導通,，由于二極管正向導通電壓很小,，這樣Y就接近0V（低電平）。同樣,，B端輸入0V時,，Y端也輸出低電平。這樣就實現(xiàn)了邏輯與運算,?；蜷T和非門也有類似的結構。

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

計算機需要實現(xiàn)的功能比一位數(shù)加法要復雜的多,，所以需要的門電路也復雜的多。第一代計算機使用更為原始的電子管組成,，世界上第一臺通用計算機“ENIAC”于1946年在美國賓夕法尼亞大學誕生，它是一個龐然大物,，用了18000個電子管,，占地170平方米，重達30噸,，耗電功率約150千瓦,，每秒鐘可進行5000次運算,。而且每幾分鐘都有電子管損壞需要更換，編程也非常復雜,。

而現(xiàn)代的CPU把幾十億個晶體管放在一個指甲大小的晶片上,，每秒可以實現(xiàn)幾十億次運算。顯然,，每一個晶體管都非常的小,。這么小的結構是如何制作的呢？

芯片制作

芯片的制作可以分為四個階段：

第一個階段是設計,，就是研究為了實現(xiàn)某些功能,，芯片中的各種半導體元件應該如何進行排布和組合。這個階段是最難的,，因為設計芯片雖然本質上是個搭積木的游戲,，但是需要在很小的空間里搭上億個半導體元件mos管，每個管子的尺寸達到了納米量級,，這難度就相當大了,。頂級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)還集中在中低端領域,，高端芯片研發(fā)基本為零,。

第二個階段是制作，制作需要使用“光刻”的方法,。因為尺寸太小,，使用普通機械方法無法加工，必須使用紫外線照射方法進行加工,，就稱為光刻,。目前世界上只有少數(shù)幾個廠商能夠制作光刻機，價格非常昂貴,，一臺光刻機就要數(shù)億美元,，而且，由于貨源稀少,，就是這個價格依然供不應求,。制作階段有中國企業(yè)參與，例如臺灣的“聯(lián)發(fā)科”“臺積電”,。

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。

下一步就是利用設計好的模板,，使用紫外線照射涂有光刻膠的硅片,。相當于把電路圖畫在硅片上。

照射好之后再用化學溶液清洗,。由于光刻膠的性質,，被光照的部分和沒有被光照射的部分其一會被洗掉。

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

由于現(xiàn)代的芯片結構非常復雜,，所以需要多次進行涂膠沉積操作,，這樣才能形成多層結構。

第三個階段是封裝與測試,。芯片制作好了之后,，需要切割、連接外部電路,，同時對芯片的能力進行測試,。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,，但是無論是設計還是制作，都需要巨額的資金,、人才和時間的投入,。因為芯片實在太小了，空氣中有些灰塵,，工廠中有些振動,，都會造成芯片無法使用。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還要大,。

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