數字時(shí)代，我們所有人的生活都離不開(kāi)芯片。我們的電腦、手機，乃至出行的汽車(chē)上，都裝有大量芯片。只要有一個(gè)芯片無(wú)法正常工作，都會(huì )影響到我們的生活，輕則手機失靈，重則汽車(chē)失控……

在享受芯片便利的同時(shí)，我們有沒(méi)有想過(guò)芯片為什么對數字時(shí)代如此重要？它的開(kāi)發(fā)和制造又為什么這么困難？這還要從芯片的歷史說(shuō)起。

從真空管到晶體管

“上古結繩而治”。自人類(lèi)文明誕生以來(lái)，計算便成了我們生活不可分離的一部分。小到一個(gè)家庭的收支平衡，大到一個(gè)國家的經(jīng)濟走向，這些決定家庭或是國家命運的數字，無(wú)不需要計算才能得出。人們?yōu)榇碎_(kāi)發(fā)出了不少計算工具，如上下?lián)軇?dòng)珠子的算盤(pán)，或是可以按下按鈕的計算器，來(lái)獲得想要的結果。

隨著(zhù)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。戰爭催生了早期電腦的誕生：圖靈依賴(lài)電動(dòng)機械原理開(kāi)發(fā)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(kāi)發(fā)了“巨人計算機”（Colossus computer），這也被認為是世界上第一臺可以編程的數字計算機。這些機器可以輕易完成僅靠人類(lèi)難以做到，甚至不可能實(shí)現的計算。

巨人計算機的運作核心是“真空管”，它們看起來(lái)就像是一個(gè)碩大的燈泡，里頭裝有一些金屬絲。通上電后，這些金屬絲無(wú)外乎兩種命運：有電，或是沒(méi)電，這對應了二進(jìn)制中的 1 和 0。利用這兩個(gè)數字，理論上可以進(jìn)行任何計算。我們如今的網(wǎng)絡(luò )虛擬世界，也可以近似理解為誕生于無(wú)數個(gè) 1 和 0 之上。

基于真空管的計算機功能雖然強大，卻也有著(zhù)自身的多個(gè)局限。一方面，真空管體積太大了。賓夕法尼亞大學(xué)制造的 ENIAC 機有超過(guò) 1.7 萬(wàn)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(lái)了各種隱患。據統計，平均每 2 天，這臺機器就會(huì )發(fā)生真空管故障，每次排查至少需要 15 分鐘。為了穩定地產(chǎn)出各種 1 和 0，人們開(kāi)始尋找真空管的替代品。

知名的貝爾實(shí)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(guò)，如銅制的電線(xiàn)），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(fā)生變化。比如我們都聽(tīng)說(shuō)過(guò)的“硅”（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?！鞍搿睂w的名字，正是由此而來(lái)。

貝爾實(shí)驗室的威廉·肖克利（William Shockley）先提出了一個(gè)理論，認為在半導體材料附近加上電場(chǎng)，可以改變它們的導電性，然而他卻無(wú)法用實(shí)驗來(lái)證實(shí)自己的理論。

受到該理論啟發(fā)，他的兩名同事約翰·巴?。↗ohn Bardeen）與沃爾特·布拉頓（Walter Brattain）兩年后制造出了一種叫做“晶體管”的半導體器件。不甘被超越的肖克利則在一年后開(kāi)發(fā)出了一種更新的晶體管。又過(guò)了十年，他們三人因為在晶體管領(lǐng)域的貢獻，獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。而隨著(zhù)晶體管領(lǐng)域的不斷擴大，迎來(lái)更多的新成員，它們也成為了數字時(shí)代的基石。

芯片和硅谷的誕生

隨著(zhù)晶體管逐漸替代真空管，它們的局限也在實(shí)際應用中暴露了出來(lái)。其中最主要的一個(gè)問(wèn)題是如何在成千上萬(wàn)個(gè)晶體管中布線(xiàn)，組成可用的電路。

為了讓晶體管實(shí)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(jìn)行焊接和電路連接。這些元件本身尺寸就沒(méi)有一個(gè)標準，制作電路的工作量巨大，而且極易出錯。當時(shí)的一個(gè)解決思路是規定每個(gè)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。

德州儀器公司的杰克·基爾比（Jack Kilby）對這個(gè)計劃并不感冒，認為它解決不了根本上的問(wèn)題——再怎么規定，尺寸也小不了。最終造出來(lái)的模塊化電路依舊龐大，無(wú)法應用到體積較小的設備中。他的方案將一切都進(jìn)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，省去了大量的后續制造時(shí)間，也減少了犯錯的可能。

1958 年，他用“鍺”（Ge）做出了一個(gè)原型，里頭包含一個(gè)晶體管、三個(gè)電阻以及一個(gè)電容，在用導線(xiàn)連接后，能產(chǎn)生正弦波。這種嶄新的電路被稱(chēng)為“集成電路”，后來(lái)也有了個(gè)大家更為熟知的簡(jiǎn)稱(chēng)——芯片?；鶢柋缺救嗽?2000 年斬獲諾貝爾物理學(xué)獎，表彰他的發(fā)明。

差不多同一個(gè)時(shí)期，八名工程師同時(shí)向肖克利提出辭職，繼而一起創(chuàng )業(yè)，建立了仙童公司（Fairchild Semiconductor）。這八個(gè)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(lǐng)袖，也想到在一塊半導體材料上生產(chǎn)多個(gè)元件，制造集成電路。與基爾比的方法不同，他的設計將導線(xiàn)與各個(gè)元件都整合到一塊。這種一體化的設計在生產(chǎn)制造上有著(zhù)更大的優(yōu)勢，唯一的問(wèn)題是成本——諾伊斯的集成電路雖然優(yōu)勢明顯，成本卻是原來(lái)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(lái)了意外的商機。隨著(zhù)前蘇聯(lián)發(fā)射第一顆人造衛星，并首次將人類(lèi)送上太空，感受到危機的美國啟動(dòng)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(shí)間窗口等），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(wú)疑是更好的選擇。

在人類(lèi)登月項目上，芯片向全世界展示了自己的潛力——諾伊斯說(shuō)在阿波羅項目的電腦里，它的芯片運行了 1900 萬(wàn)個(gè)小時(shí)，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(dòng)也證實(shí)芯片能在外太空這個(gè)極端惡劣的環(huán)境下正常運作。仙童崛起后，來(lái)自這家公司的員工也在當地開(kāi)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，后來(lái)也有了一個(gè)更響亮的名字——硅谷。

光刻技術(shù)

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里頭的結構，檢查質(zhì)量。德州儀器公司的杰伊·拉斯洛普（Jay Lathrop）在一次觀(guān)察中突發(fā)奇想，顯微鏡從上往下看可以把東西放大，那么從下往上看，是不是就能把東西給變小呢？

這可不是為了好玩。當時(shí)集成電路的尺寸已經(jīng)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(guò)自動(dòng)化的技術(shù)進(jìn)行制造，實(shí)現量產(chǎn)。

拉斯洛普很快就檢驗了他的想法。首先他從柯達公司買(mǎi)到了一種叫做光阻劑的化學(xué)物質(zhì)，將它涂在半導體材料上。然后他按設想把顯微鏡顛倒了過(guò)來(lái)，并在鏡頭上蓋上了一塊板，只留下一個(gè)小圖案。

最后，他讓光線(xiàn)穿過(guò)鏡頭，照到了顯微鏡另一端的光阻劑上。在光線(xiàn)的作用下，光阻劑發(fā)生化學(xué)反應，慢慢溶解消失，露出了下方的硅材料。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，再洗去多余的光阻劑。這一套流程就是制造芯片的光刻技術(shù)。

德州儀器公司隨后進(jìn)一步完善了這套流程，使每個(gè)環(huán)節都能有標準進(jìn)行參考，這也讓集成電路迎來(lái)了標準化的量產(chǎn)時(shí)代。而隨著(zhù)芯片變得越來(lái)越復雜，制作一塊集成電路，至少需要重復這個(gè)過(guò)程幾十次。

仙童也緊隨其后，開(kāi)發(fā)起了自己的光刻生產(chǎn)技術(shù)。諾伊斯之外，建立這家公司的其他七名創(chuàng )始人同樣并非等閑之輩。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(lái)進(jìn)行了預測，認為隨著(zhù)光刻等生產(chǎn)技術(shù)不斷更新，芯片中的元件數量每年都會(huì )翻倍。長(cháng)遠來(lái)看，芯片的算力將指數級增長(cháng)，成本也會(huì )明顯下降。這帶來(lái)的一個(gè)顯而易見(jiàn)的后果，就是芯片會(huì )大量走入尋常百姓家，徹底改變這個(gè)世界。摩爾的這個(gè)預測后來(lái)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(fā)展革新。早期一些公司開(kāi)發(fā)的光刻技術(shù)近乎完美，簡(jiǎn)直就像把光線(xiàn)一筆一筆勾勒在光阻劑，刻出只有一微米寬度的線(xiàn)路。而且這種技術(shù)還可以一次性刻出多個(gè)芯片，大大提升了芯片的產(chǎn)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(jīng)難以滿(mǎn)足產(chǎn)業(yè)的需求，納米級的光刻機成為了新的寵兒。

但研發(fā)這種光刻機并不容易——如何在越來(lái)越小的迷你空間里進(jìn)行光刻，成了阻礙光刻技術(shù)發(fā)展的瓶頸。

極紫外光光刻技術(shù)

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(wú)論是使用的光源，還是光照過(guò)的鏡頭，都有著(zhù)全新的要求。

拉斯洛普最初開(kāi)發(fā)光刻技術(shù)之時(shí)，使用的是最為簡(jiǎn)單不過(guò)的可見(jiàn)光。這些光的波長(cháng)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(jiàn)光的極限，邁入紫外光的領(lǐng)域。

一些公司開(kāi)發(fā)過(guò)使用深紫外光（DUV）的制造設備，使用的波長(cháng)不到 200 納米。但從長(cháng)遠看，極紫外光（EUV）才是人們想到達的領(lǐng)域——波長(cháng)越短，能刻在芯片上的細節就越多。最終，人們的目標定在了波長(cháng)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(chǎn)商。

EUV 技術(shù)開(kāi)發(fā)了足足將近 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(jìn)的零件來(lái)滿(mǎn)足它的需求。作為光刻機，首先需要的就是光源：為了產(chǎn)生 EUV，人們需要發(fā)射一個(gè)直徑僅有幾十微米的錫滴，讓它以時(shí)速 300 多公里的速度穿越真空，同時(shí)用激光精準地打到它——不是一次，而是兩次。

第一次是進(jìn)行加熱，第二次是用 50 萬(wàn)度的高溫把它轟成等離子體，這個(gè)溫度是太陽(yáng)表面溫度的好幾倍。這樣的過(guò)程，每秒要重復 5 萬(wàn)次，才能產(chǎn)生足夠多的 EUV?？梢韵胂?，這樣的高精尖技術(shù)，需要多少先進(jìn)的元件。

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實(shí)際操作比上述的描述更為復雜。比如為了消除激光照射過(guò)程中產(chǎn)生的大量熱量，需要用風(fēng)扇進(jìn)行通風(fēng)，旋轉速度需要達到每秒 1000 次。這一速度已經(jīng)超過(guò)了物理軸承的極限，因此需要用磁鐵把風(fēng)扇懸停在空中進(jìn)行旋轉。

此外，激光發(fā)射器對其中的氣體密度有著(zhù)嚴格要求，還要避免激光照在錫滴上后產(chǎn)生反光，影響儀器。光是開(kāi)發(fā)發(fā)射激光的機器，就耗費了 10 多年的研發(fā)時(shí)間，每臺發(fā)射器需要超過(guò) 45 萬(wàn)個(gè)元件。

轟擊錫滴后產(chǎn)生的 EUV 來(lái)之不易，研究人員還需要學(xué)會(huì )怎么收集這些光線(xiàn)，導向芯片。EUV 的波長(cháng)實(shí)在太短，很容易就被周?chē)牟牧衔?，而不是反射出去。最終蔡司（Carl Zeiss）公司開(kāi)發(fā)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(huà)語(yǔ)來(lái)說(shuō)，如果把這面鏡子放大到整個(gè)德國這么大，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，準確地擊中位于月球上的高爾夫球。

這么一套繁復的設備，需要的不僅是科學(xué)技術(shù)，還需要供應鏈的完整管理。ASML 本身只生產(chǎn)其 EUV 機器的 15% 的元件，其余來(lái)自全球各地的合作伙伴。當然，他們也會(huì )認真監控這些采購的產(chǎn)品，如有必要甚至會(huì )買(mǎi)下這些公司，自己親力管理。這樣一臺機器，是不同國家的技術(shù)結晶。

第一臺 EUV 機的原型在 2006 年誕生。2010 年，第一臺商用 EUV 機發(fā)貨。而在未來(lái)幾年，ASML 預計將推出新一代的 EUV 機，每臺造價(jià) 3 億美元。

芯片的應用

在先進(jìn)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(lèi)別。

第一種是邏輯芯片，用作我們電腦、手機，或者是網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器中的處理器；

第二類(lèi)是記憶芯片，經(jīng)典例子包括英特爾（Intel）公司開(kāi)發(fā)的 DRAM 芯片——在這款產(chǎn)品推出前，資料的儲存依賴(lài)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(lái)，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(lèi)芯片能為電腦提供運行時(shí)的短期和長(cháng)期記憶；

第三類(lèi)芯片則被叫做“模擬芯片”，處理模擬信號。

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(kāi)發(fā)出了最早的 DRAM 記憶芯片，但它卻在和日本公司的競爭中節節敗退。1980 年，英特爾與 IBM 達成一項合作，為個(gè)人電腦制造中央處理器，即 CPU。

隨著(zhù) IBM 第一臺個(gè)人電腦的問(wèn)世，搭建在這臺電腦中的英特爾的處理器成為了產(chǎn)業(yè)的“標配”，就好像微軟的 Windows 系統成了大眾更為熟悉的操作系統一樣。這場(chǎng)豪賭也讓英特爾從 DRAM 領(lǐng)域徹底抽身，重新崛起。

CPU 的開(kāi)發(fā)并不是一蹴而就。其實(shí)早在 1971 年，英特爾就造出了第一個(gè)微處理器（和 CPU 相比，只能處理單個(gè)特定的任務(wù)），整套設計流程的開(kāi)發(fā)用了足足半年。當時(shí)這個(gè)微處理器只有上千個(gè)元件，使用的設計工具只有彩色鉛筆和直尺，落后得像是中世紀的工匠。琳·康維（Lynn Conway）開(kāi)發(fā)了一種程序，解決了芯片的自動(dòng)化設計問(wèn)題。利用這種程序，從來(lái)沒(méi)設計過(guò)芯片的學(xué)生，都可以在短短時(shí)間里學(xué)會(huì )怎么設計具有功能的芯片。

上世紀八十年代末，英特爾開(kāi)發(fā)出了 486 處理器，能在一塊微小的硅芯片上放上 120 萬(wàn)個(gè)微型元件，生成各種 0 和 1。到了 2010 年，最先進(jìn)的微處理器芯片已經(jīng)能承載 10 億個(gè)晶體管。這種芯片的開(kāi)發(fā)，離不開(kāi)少數幾家寡頭公司開(kāi)發(fā)的設計軟件。

另一種邏輯芯片——圖形處理器（GPU，俗稱(chēng)顯卡）在近年也愈發(fā)受人關(guān)注。在這一領(lǐng)域，英偉達（Nvidia）是重要玩家。在建立初期，該公司就相信 3D 圖像是未來(lái)的發(fā)展方向，因此設計了能處理 3D 圖形的 GPU，并開(kāi)發(fā)了一套相應的軟件，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(yōu)勢在于能同時(shí)進(jìn)行大量的簡(jiǎn)單運算。

誰(shuí)也沒(méi)有想到，在人工智能時(shí)代，GPU 有了全新的使命。為了訓練人工智能模型，科學(xué)家們需要用數據不斷優(yōu)化算法，讓模型經(jīng)過(guò)訓練完成人類(lèi)布置的任務(wù)，比如辨識貓狗，下圍棋，或者和人類(lèi)對話(huà)。此時(shí)，為了同一時(shí)間進(jìn)行多次運算“并行處理”數據而開(kāi)發(fā)出來(lái)的 GPU 有著(zhù)得天獨厚的優(yōu)勢，它也在人工智能時(shí)代煥發(fā)出了全新的生命。

而芯片的另一個(gè)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(lái)編碼海量信息，就和朋友們創(chuàng )立了高通公司（Qualcomm），進(jìn)軍通信領(lǐng)域。我們知道最早的移動(dòng)電話(huà)又叫大哥大，像一塊黑色的磚頭。

隨后，通信技術(shù)得到了飛速發(fā)展——2G 技術(shù)可以傳輸圖文，3G 技術(shù)可以打開(kāi)網(wǎng)站，4G 足以流暢觀(guān)看視頻，而 5G 則能提供更大的飛躍。這里的每一個(gè) G，代表的都是“代”?？梢钥吹?，每一代無(wú)線(xiàn)技術(shù)，都讓我們通過(guò)無(wú)線(xiàn)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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高通參與了之后 2G 到后面其他手機技術(shù)的開(kāi)發(fā)。利用依照摩爾定律不斷進(jìn)化的芯片，高通能通過(guò)無(wú)限的頻譜，將更多的手機通話(huà)放到無(wú)垠的空間中。而為了升級 5G 網(wǎng)絡(luò )，不僅需要在手機里放入新的芯片，也需要在基站中安裝新的硬件。這些硬件和芯片憑借更強大的算力，能用無(wú)線(xiàn)的方法更快地傳輸資料。

生產(chǎn)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。然而如果將芯片設計和芯片制造的工作分離開(kāi)來(lái)，將制造芯片的工作交給專(zhuān)門(mén)的代工廠(chǎng)，可以大幅減少芯片設計公司的成本。

臺積電應運而生，并承諾只制造芯片，不設計芯片。這樣一來(lái)，設計芯片的公司不必擔心機密資料外泄。而臺積電也不依賴(lài)販賣(mài)更多芯片——只要客戶(hù)成功，他的公司就取得了成功。

在臺積電之前，就有一些美國芯片公司將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(lái)的各種芯片。投產(chǎn)的第一年，香港工廠(chǎng)就組裝了 1.2 億個(gè)裝置，人力成本極低，但品質(zhì)極好。十年內，美國幾乎所有的芯片公司都在亞洲設立了組裝廠(chǎng)。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(zhì)量的偏執，很快就對美國在芯片業(yè)上的地位帶來(lái)了沖擊。上世紀八十年代，負責檢測芯片質(zhì)量的公司高管們意外發(fā)現，日本生產(chǎn)的芯片質(zhì)量已經(jīng)超過(guò)了美國——普通的美國芯片故障率是日本芯片的 4.5 倍，品質(zhì)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(jià)但質(zhì)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(chǎn)線(xiàn)，效率也遠不及日本?！叭毡镜馁Y金成本只有 6% 到 7%，我最好的時(shí)候，成本也要 18%?！盇MD的首席執行官杰瑞·桑德斯（Jerry Sanders）有一次說(shuō)道。

金融環(huán)境也起到了推波助瀾的效果：美國當時(shí)為了遏制通脹，利率一度高到 21.5%；而日本的芯片公司都有財團在背后扶持，民眾又習慣儲蓄，使得銀行能為芯片公司長(cháng)期提供大額低息貸款。資本助力下，日本公司可以激進(jìn)地搶奪市場(chǎng)。

此消彼長(cháng)之下，最終有能力生產(chǎn)高級邏輯芯片的公司集中于東亞地區，制造出的芯片也隨即送至周邊進(jìn)行組裝。比如蘋(píng)果公司的芯片主要在韓國和我國臺灣地區生產(chǎn)，然后送到富士康進(jìn)行組裝。這些芯片不僅包括主處理器，也包括無(wú)線(xiàn)網(wǎng)和藍牙的芯片，拍照用的芯片，感知動(dòng)作的芯片等。

隨著(zhù)生產(chǎn)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(xié)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(méi)有制造芯片的能力，只能聽(tīng)從建議。這些日益龐大的權力，也正是當下地緣政治角斗的話(huà)題之一。