万众瞩目的芯片，究竟是什么？

施晶晶

当你给手机充好电，将它轻轻拿起或双击它的屏幕时，它随即回应你的呼唤。屏幕亮起来的一瞬间，电能神奇地转化成了光，它的功能正式显现在你眼前。

这一气呵成的秒级动作，牵动了半导体世界的四大家族。

那个提供动力的手机快充头里，有著把电能进行变压、变流、变频的功率器件，它属于半导体四大家族之一的“分立器件”；触控屏里的压力传感组件，来自“传感器”家族；之后，“集成电路”家族里的中央处理器（CPU）接收来自传感器的信号，并发出指令；最终响应的手机屏幕是“光电子元器件”家族的成员，负责发光，显示界面。

半导体四大家族里，最人多势众的是集成电路，也就是人们常说的“芯片”，它占据了半导体世界八成以上的地盘，又因为另外三个家族往往也需要多个器件重复组合，以至于人们通常笼统地把“芯片”和“半导体”画上等号。但集成电路永远需要和另外三个家族合作，否则后果严重。

如果没有了功率器件，那么高铁、地铁、新能源汽车就动不了，太阳能发电机没法并网供电，空调、冰箱不会制冷，医院不间断的电源就会失效。如果没有了传感器，汽车的安全气囊、公共场所的烟雾警报器不会工作，实验室里没法做DNA测序，病毒核酸检测也无从谈起。如果没有了光电子元器件，就没有光伏发电，也不会有激光雷达，建立在光纤基础上的现代通信将失去它的内核。

你大概已经意识到，这两成半导体疆域尚且寸土不可失，那占了八成体量，和我们捆绑更深，复杂程度也更高的集成电路（下称芯片）领域，更是高科技发展的必争之地。

芯片有着庞大的体系，它和人体细胞一样神秘，我们极少看见它的真面目，但它无处不在。小到身份证、银行卡、交通信号灯、家电、智能手机，大到超级计算机、汽车、高铁、大飞机、人工智能，不同的应用场景，让芯片显得更加眼花缭乱。

理解信息化社会的基底，就要回到起点，从认识这些芯片开始。

芯片在工作

芯片离我们很近，近到就内置在二代身份证的正中央，近到银行卡上的那个金色片片，近到那张让你能够接打电话的SIM卡——这些是我们见到它的最直观的场景。

它们的重要性显而易见，你的身份信息、资产信息、头像指纹、通讯录就存储在其中，当你搭乘高铁、飞机，去银行取钱或获得上网资格，就是通过对比处理这些信息，来识别“你是你本人”。

这三张芯片算不上复杂和尖端，但正因为它们相对简单，用来帮助我们理解芯片再好不过，因为它们已经包含芯片最核心、最基本的构件：处理器和存储器。

这两个小东西是人类发明史上的绝配。尽管处理器被认为是芯片王冠上最宝贵的明珠，但任何时候，都应当将它俩放在一起来理解计算机的工作。就像人类大脑思考的过程都建立在信息记忆的基础上，无论那些记忆是临时的，还是永久的。

有了这个前提，我们再来认识处理器，它是所有芯片中设计和制造难度最大的一类构件。今天，最常见的处理器是中央处理器，即CPU。虽说处理器并非只有CPU，但取名的艺术表明，CPU的中枢地位非其他器件所能比拟。

这个中枢地位有两层含义。一方面，CPU像司令一样，听取来自诸如传感器的各种报告，并指挥其他芯片部件工作。另一方面，CPU是一片土壤，各种软件、应用程序就是土壤里长出来的花草树木。CPU负责调用和运行程序，程序的每一条指令都要经过它的解析和执行，可以说，它是整个软件生态的起点。

存储芯片的身价虽比不上处理器，但只要想到计算机死机时，文档没来得及保存，以及它是所有机密、隐私数据的载体，你就不会轻视它了。

存储芯片的门类也不少，大体上和人一样，有短期记忆、长期记忆两种存储模式。当你实时玩起手游《王者荣耀》，要想玩得丝滑，除了CPU给力，负责短期记忆的内存芯片也在为你的即时体验服务；至于存在你手机里的照片，闪存让这些回忆刻骨铭“芯”，关机后它也不会消失，你不删，它就在，即使删了它，也有办法找回来。

存储器件分出两条路径，主要是提供便利、节省成本的需要，不过倒也契合着一个朴素的规律：有价值的信息才值得留存，冗余的信息阅后即焚，别来占位置。

认识了处理器和存储器这对搭档，你还需要留意另一个重量级角色。你想过吗，有线电话是怎么变成移动手机的，网速又是怎么变快的呢？这是射频芯片的功劳。

当你和千里之外的朋友通话，你们的手机各自接收来自基站的信号，同时也都在把新的信号发射给基站。但发射时，信号要足够强，得做放大处理，才能避免在传输过程中因损耗而消失殆尽；接收时，也要处理变得微弱的信号，降低噪声干扰，让信息更纯净——射频芯片就在做这些工作。

射频芯片的功能越强大，能够处理的频谱范围越广，信号传输的速度就越快。就像同样一分钟，八车道的通车量比四车道更大一样，信息传输的效率也和带宽有关。手机之所以从最开始的只能打电话，到后来既能发短信又能上网，就是因为带宽变大了。

这得益于构成芯片的晶体管变小，电子开关的反应速度加快，信号来回奔跑的频率（车道）更高，同时容纳的“车”也变多了，也就能更多更快地传输信息——这也解释了为什么5G的核心之一是射频芯片，以及为什么需要更精细、更先进的7纳米芯片提供硬件支撑。

以CPU、存储、射频芯片为代表，它们呼应着90年前提出的计算机通用结构——冯·诺伊曼结构。这一结构呈现出一种简洁的美，也勾勒出传输、处理、存储三个基本单元，而信息社会的大厦，就建立在这三块基石之上。

娇滴滴的宝

一颗指甲盖大小的手机芯片由几百万甚至上百亿个比细胞还小的电子开关组成，人们叫它“晶体管”。它们不知疲倦地把守着各自负责的要塞，负责开关闸门，控制着电子流动的方向，以此传达不同的讯息。

这些晶体管非常娇贵，还有重度洁癖。制造芯片的原材料之一叫“晶圆”，它长得像一张比萨饼，但厚度不超过1毫米。其主要成分是硅，硅和沙子是近亲，但沙子里有非常多的杂质，这是晶圆不能容忍的。纯度为98%的硅，听起来纯度已经够高了，但这只能达到冶金工业的要求，要制造芯片，硅的纯度必须达到99.999999999%。

芯片的生产车间属于无尘车间，与其说它像工厂，不如说像手术室。这个高标准从最早生产芯片的IBM公司那里就有了雏形。具体有多严苛，上海华虹NEC电子有限公司的管理人员曾透露他们在20世纪末建芯片厂的要求：为了防止尘埃降低芯片生产质量，尘埃微粒的粒径不能超过芯片电路线宽的三分之一。这里的线宽为微米甚至纳米级别，如果要将线宽做到0.25微米，无尘车间就必须对粒径0.09微米以上的尘埃进行控制，而肉眼可见的最小尘埃，粒径大约是50微米。

在精确入微的芯片生产过程中，除了防止灰尘，还须严格防震。当年为了避免周围环境的震动对生产厂房产生影响，华虹NEC厂房的地基内打入了3000多根桩子，在桩基上整体浇铸了1米多厚的核心承台，厂房周围还挖了隔离带。工人开来十几台满载的大卡车绕着工地来回转，测试类似震动对厂房的影响。之所以如此谨慎，是因为这是提高良品率必不可少的条件。

芯片就是在晶圆上画电路然后切割，把电子运动的路线通过数以亿计的晶体管安排得明明白白。这就不得不提最重要的一道工序：光刻——画出路线图，也决定着每个晶体管的尺寸。完成这一关键操作的光刻机，也就成了最宝贝的设备。

光刻机也非常敏感，每台光刻机的内部都有一个类似飞机黑匣子的装置，专门记录运输途中周围环境的温度、湿度、压力和震动等数据，允许的波动范围非常小。寻常的精密设备运输公司，甚至没法承揽这项运输工作。

荷兰公司阿斯麦是光刻机的老大，独家掌握着目前全球最尖端的EUV（极紫外）光刻机，这是生产7纳米以下先进制程芯片的关键设备，这一型号也是光刻机核心能力的最佳体现：定位精准、快速生产、稳定输出。

一片12英寸（300毫米）的晶圆，要做出成百上千颗芯片，而一颗芯片就要光刻二三十次甚至更多，光刻机要在快速且细微的移动中重复完成以上工作。阿斯麦2022年年报里透露，阿斯麦不同级别的光刻机，可以达到每小时光刻200～300片晶圆，由此支撑全球万亿颗芯片的供应，这称得上是工程学的一大奇观。

芯片制造工艺比我们想象得更伟大。60年前，第一颗芯片上的晶体管数量只有4个，现在苹果手机A17处理器芯片的晶体管有190亿个。

持续更新的技术和工艺让晶体管更小更稳定，巨大的规模效应使得单个晶体管的制造成本更加低廉，甚至微不足道，芯片才得以飞入寻常百姓家，数字时代才真正到来。

国产替代之路

中国第一枚具有完全自主知识产权的非接触式IC卡芯片，出现在2001年的上海，它嵌在社保卡和公交卡上，从那时起，中国开始摆脱IC卡进口依赖，推动国产替代。

之后的5年间，换发的第二代居民身份证上有了中国芯。其后，手机SIM卡也开始了国产化进程，平均价格从原先的82元进口价降至8元的国产价。

银行卡芯片的国产化始于2013年，以通过银联和国密认证为标志，填补了国内金融IC卡领域的空白。但据银联《2020年中国银行卡产业发展报告》，发行的银行卡里，中国芯占比不到五成，完全的国产替代仍需时日。

中国的信息化建设从20世纪末开始崛起，“金卡工程”是起步工程之一，芯片是基础元件。在这一大背景下，芯片的国产化替代，又是另一项重大课题，同样具有非凡的战略意义。

制造芯片之前，要像盖房子一样，先对它的内部电路结构进行设计，看是采用钢筋混凝土结构还是干栏式的砖木结构。当下，以复杂程度最高的处理器为例，国内有华为、飞腾、龙芯、兆芯、海光、申威等企业在CPU领域发力。

CPU的主流芯片架构是X86和Arm，X86甚至主导了当前PC（个人计算机）及服务器市场。然而，即便是国产CPU龙头企业，仍需依赖海外企业对这两类架构进行专利授权，就算选择了自主可控程度相对较高的架构，仍碍于应用小众，兼容度相对较弱，民用市场推广上多有掣肘。综合性能上仍需奋力追赶国际巨头英特尔和超威。

我们必须看清现实差距：从实验室研发到标准化的生产线，再到竞争激烈的市场推广，应用的路已然漫长艰辛；面对进口芯片的先发优势，国产芯片寻求突围替代、实现独立自主的任务更加艰巨。

国家统计局公布的数据显示，2022年，中国进口芯片5384亿颗，花了2.8万亿元人民币，而进口5亿吨原油，总花费是2.4万亿元，芯片仍是我国第一大进口商品。

国产芯片发力追赶的同时，对手也不会原地踏步。而回顾芯片发展史，硅谷的工程师一次次证明，先机始终从原创发明中诞生。

让人倍感惊险的是，好些发明一开始并不受待见。赫赫有名的仙童半导体公司，是第一颗芯片诞生的摇篮，可仙童的创始人、后来参与创立了英特尔的戈登·摩尔起初并没有获得足够的支持。1960年，营销副总裁汤姆·贝更是对项目负责人杰·拉斯特直言：“你为什么要去搞集成电路？这个玩意儿浪费了公司整整100万美元，却没有什么收益，必须裁撤掉。”

然而，正是这个最开始不被看好的研发项目，成了信息化社会的基石。

再往前走，技术的前端是科学，芯片的产业大厦建立在基础科学的研究成果之上，芯片的科学起点是量子物理学。

灵感的起点和爱迪生的灯泡有关。当时，爱迪生观察到灯泡内壁被熏黑，偶然发现了真空灯泡中存在着单向电流，后来被称为“爱迪生效应”。再后来，物理学家约瑟夫·汤姆逊发现了電子，这一效应有了科学解释。基于对这一效应的研究，科学家发现了半导体的独特属性。

如今，芯片的科学原理早已不是秘密，层出不穷的论文、专利也都公开发表，很容易在网上获取，全世界的工程师似乎处在同一个起跑线上。但若从科学的视角出发，罗斯福总统的科学顾问万尼瓦尔·布什博士更加高瞻远瞩。

二战后的1945年，万尼瓦尔·布什在《科学：无尽的前沿》这份重磅报告里提醒：“一个依靠别人来获得基础科学知识的国家，无论其机械技能如何，其工业进步都将步履缓慢，在世界贸易中的竞争力也会非常弱……政府加强工业研究最简单、最有效的方式是支持基础研究和培养科学人才。”