为什么芯片那么难制造？

我们都知道，小到手机，大到航天飞机，现在生活中方方面面的电子设备都需要一种叫做芯片（chip）的小玩意。芯片到底是什么呢？为什么这么难做？

芯片是什么

简单来说，芯片是一个小型化的集成电路，在很小的体积上制作了许多的半导体元件，并且利用这些半导体元件实现一定的功能。比如，电脑中的CPU就是芯片，可以进行运算处理。

电脑中的闪存FLASH也是芯片，可以实现信息的快速存储。

虽然芯片的作用巨大，但是研发芯片需要许多高级人才长时间、大投入，在之前由于我国还属于发展中国家，芯片产业并没有进行大量的投入，造成现在我国芯片国有化率特别低。2018年4月16日，美国政府宣布对中国某企业实行禁售，一下子卡住了我们的脖子。

汉芯一号

中国并没没有过大力发展芯片的时候。二十年前，中国就提出要大力发展芯片产业。在这个大环境下，2003年，上海交大软件与微电子学院院长陈进制作了一款芯片：汉芯一号，经过测试达到了世界一流水平，陈进也因此获得了无数荣誉。

2006年，陈进的一位研究生在清华大学水木BBS爆料：所谓的“汉芯一号”其实是陈进在美国购买摩托罗拉飞思卡尔56800的芯片后，雇佣民工将表面的字样用砂纸磨掉，再找浦东的一家公司打上“汉芯一号”字样，并加上Logo，以此骗取政府一亿一千万元人民币的科研经费。

经过调查属实，陈进被取消了一切荣誉，开除出上海交大。但是这件事却成为了中国芯片产业的分水岭，从那之后芯片项目的审查非常严格，十几年里中国的芯片产业并没有获得预期的进步。

PN结

为了带大家了解芯片的基本原理，我们先从一个比较简单的半导体元件：二极管说起。

二极管是一种基本的半导体元件，它的基本结构是ＰＮ结。　

我们知道，硅是一种半导体材料。它的外围有四个电子。正常情况下，硅是不带电的。但是如果某一个电子飞出的原子的束缚成为自由电子，原来电子的位置就形成了一个“空穴”，空穴是带正电的。

与硅不同的是，硼元素周围有三个电子，相比于硅少一个电子。如果把硼元素掺杂到硅元素中，硅与硼之间就会形成一个电子空位，相当于一个正电荷。这种半导体就称为空穴导电型半导体，或称P型半导体。相反，磷这种元素，最外层有5个电子，如果把磷掺杂到硅中，那么磷与硅之间就会多出一个电子，这种半导体就称为电子导电型半导体，或称N型半导体。

那么，假如我们在一块半导体硅上一半掺入三价的硼，一半掺入五价的磷，这样就形成了一种基本的结构：PN结。

PN结中央会出现相互渗透的耗尽层，由于一些物理机制，造成PN结只允许电流从P端向N端流动，却不允许N端电流向P端移动。这就是二极管的单向导电机理。

逻辑运算

有了二极管，我们就可以实现一定的逻辑运算。基本的逻辑运有“与”“或”“非”三种。为了理解这三种关系，我们用一个简单电路做个比方。

比如：两个开关与灯泡串联，只有两个灯泡都闭合时，灯泡才会发光，这就是“与”逻辑。如果两个开关并联，再与灯泡串联，只需要闭合一个开关，灯泡就会亮，这种关系就是逻辑或。如果开关与灯泡并联，开关闭合时灯泡被短路，灯泡不发光，反而是开关断开时电流会流过灯泡，灯泡发光，就称为逻辑非。

在逻辑电路中，用高电压和低电压分别表示两种不同的状态，与二进制中中1和0对应。这样一来，逻辑与的关系就是：如果A和B两个输入端都是高电平，则输出Y是高电平；只要有一个输入端是低电平，输出就是低电平。它的真值表和符号如下：

我们把能够实现这种逻辑关系的电路称为“与门”，符号如下。

同样，我们还有或门和非门，符号如下：

同样的，逻辑或和逻辑非也有类似的关系。

那么，与门如何进行物理实现呢？这就要用到二极管了。我们用接近5V的电压表示1，用接近0V的电压表示0。通过两个二极管按照下面的方法进行连接。

我们会发现：如果A和B都输入5V（高电平），那么整个电路各部分电压都是5V，于是Y端也是5V（高电平）。但是如果A输入0V（低电平），这样二极管A就会导通，由于二极管正向导通电压很小，这样Y就接近0V（低电平）。同样，B端输入0V时，Y端也输出低电平。这样就实现了逻辑与运算。或门和非门也有类似的结构。

利用“与门”“或门”和“非门”，人们就可以实现各种各样的计算需要。比如，我们可以利用它们实现一位数的加法，它的门电路逻辑图如下：

计算机需要实现的功能比一位数加法要复杂的多，所以需要的门电路也复杂的多。第一代计算机使用更为原始的电子管组成，世界上第一台通用计算机“ENIAC”于1946年在美国宾夕法尼亚大学诞生，它是一个庞然大物，用了18000个电子管，占地170平方米，重达30吨，耗电功率约150千瓦，每秒钟可进行5000次运算。而且每几分钟都有电子管损坏需要更换，编程也非常复杂。

而现代的CPU把几十亿个晶体管放在一个指甲大小的晶片上，每秒可以实现几十亿次运算。显然，每一个晶体管都非常的小。这么小的结构是如何制作的呢？

芯片制作

芯片的制作可以分为四个阶段：

第一个阶段是设计，就是研究为了实现某些功能，芯片中的各种半导体元件应该如何进行排布和组合。这个阶段是最难的，因为设计芯片虽然本质上是个搭积木的游戏，但是需要在很小的空间里搭上亿个半导体元件mos管，每个管子的尺寸达到了纳米量级，这难度就相当大了。顶级芯片厂商英特尔在美国的研发部门有上万人，其中有八千多个博士，可见研发难度之大。目前，我们中国的芯片产业研发还集中在中低端领域，高端芯片研发基本为零。

第二个阶段是制作，制作需要使用“光刻”的方法。因为尺寸太小，使用普通机械方法无法加工，必须使用紫外线照射方法进行加工，就称为光刻。目前世界上只有少数几个厂商能够制作光刻机，价格非常昂贵，一台光刻机就要数亿美元，而且，由于货源稀少，就是这个价格依然供不应求。制作阶段有中国企业参与，例如台湾的“联发科”“台积电”。

具体来说，首先要将沙子融化还原。沙子就是二氧化硅，我们从中提取出单质硅，并且切成硅片。

然后在硅片上涂上一层光刻胶。

下一步就是利用设计好的模板，使用紫外线照射涂有光刻胶的硅片。相当于把电路图画在硅片上。

照射好之后再用化学溶液清洗。由于光刻胶的性质，被光照的部分和没有被光照射的部分其一会被洗掉。

之后，将杂质在硅片表面进行沉积。有一部分没有光刻胶覆盖的部分就有了杂质，而被光刻胶保护的部分就没有掺杂。随后洗去光刻胶，就形成了我们需要的一部分结构。

由于现代的芯片结构非常复杂，所以需要多次进行涂胶沉积操作，这样才能形成多层结构。

第三个阶段是封装与测试。芯片制作好了之后，需要切割、连接外部电路，同时对芯片的能力进行测试。这是芯片制作的收尾阶段，中国企业在这方面参与较多。

虽说芯片的原理大家都清楚，但是无论是设计还是制作，都需要巨额的资金、人才和时间的投入。因为芯片实在太小了，空气中有些灰尘，工厂中有些振动，都会造成芯片无法使用。有人问，为什么我们能搞出原子弹、氢弹，能把太空飞船送上天，却造不出小小的芯片呢？实际上，芯片的确是人类智慧最顶尖的成果，难度就是比航天飞机还要大。

罗马不是一天建成的，英特尔等芯片厂商的技术优势也不是一天积累的。在芯片产业上，中国还有很长的路要走。