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，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，它的功能才正式显示在你眼前。

在这一气呵成的秒级动作里，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，有着把电能进行变压、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。

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，以至人们通常笼统地把“芯片”和“半导体”画上等号。但有了上面的例子，你就知道，集成电路永远需要和另外三个家族合作，否则后果严重，手机也不过是应用场景的冰山一角。

如果没了功率器件，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。如果没了传感器，汽车的安全气囊、公共场所的烟雾警报不会工作，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），更是必争之地。

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，也让芯片更显眼花缭乱。

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，近到它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—这是我们见到它最直观的场景。

它们的重要性显而易见，你的身份信息、财产信息、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、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，但正是它们相对简单，用来理解芯片再好不过，因为它们已经包含了芯片最核心、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。就像人类用大脑思考的过程，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。今天，最常见的处理器是中央处理器，即CPU。虽说处理器并不只有CPU，但取名的艺术表明，CPU的中枢地位，非其他所能比拟。

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，并指挥着其他芯片部件工作，像我们开头提到的那样。

另一边，CPU是一片土壤，各种软件、应用程序就是土里长出来的花草树木，谁也离不开它。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。

处理器和存储器，这两个小东西是人类发明史上的绝配。

存储芯片的身价比不上处理器，但只要想到电脑死机时，文档没来得及保存的噩梦，以及它是所有机密、隐私数据的载体，你就不会轻视它。

存储芯片的门类也不少，大体上它和人一样，有短期记忆、长期记忆两种存储模式。當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”，关了机它也不会消失，你不删，它就在，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CP，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，你们的手机也都在把新信号发射给基站。但发射时，信号要足够强，得做放大处理，才能避免在传输损耗过程中消失殆尽；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。

当射频芯片的功能越强大，能够处理的频谱范围变大，信号传输的速度就越多越快。就像同样1分钟，八车道的通车量比四车道更高一样，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）更多，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，体内由几百万个甚至几十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，像交警一样，控制着电子流动的方向，以此表达不同的讯息。

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，它长得像一张披萨饼，但厚度不超过1毫米。其主要成分是硅，和沙子是近親，但沙子里有非常多杂质，这是晶圆不能容忍的。98%纯度的硅，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电子有限公司曾透露过他们在上世纪末建芯片厂的要求。为了防止尘埃降低芯片生产质量，尘埃微粒的直径不能超过芯片电路线宽的三分之一。这里的“线宽”在微米甚至纳米级别，如果线宽要做到0.25微米，无尘车间就必须对0.09微米以上的尘埃进行控制，而肉眼可见的最小尘埃，直径大约是50微米。

除了灰尘，精确入微的芯片生产过程还须严格防震。当年为了避免周围环境的震动对生产厂房的影响，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，来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，把电子怎么运动的路线，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大小。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老大，独家掌握着目前最尖端的EUV（极紫外）光刻机，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。

阿斯麦2022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片晶圆的速度，由此支撑全球万亿颗芯片的供应。

一片12英寸（300毫米）的晶圆，要做出成百上千个芯片，而一块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当中重复完成。阿斯麦2022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片晶圆的速度，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，第一个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。

持续更迭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，中国才开始摆脱IC卡进口依赖，推动国产替代。

之后5年间，换发的二代居民身份证有了中国芯。其后，手机SIM卡也开始国产化进程，平均价格也从原先的82元进口价降至8元的国产价。

银行卡芯片的国产化更晚，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，国产芯占比不到五成，完全的国产替代仍需时日。

中国的信息化建设从上世纪末开始崛起，“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更主导了当前PC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，即便选择了自主可控程度相对更高的架构，又碍于应用小众，兼容度相对弱，民用市场推广上有掣肘。综合性能上，仍需奋力追赶国际巨头英特尔和超威。

我们仍需看清现实差距：从实验室研发到标准化的生产线，再到激烈竞争的市场推广，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也更显艰巨。

据国家统计局，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，芯片继续成为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，是第一枚芯片的摇篮，可仙童创始人、后来参与创立了英特尔的戈登·摩尔起初也没有提供足够的支持，在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。

据国家统计局，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，芯片继续成为我国第一大进口商品。

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”。后来，物理学家约瑟夫·汤姆逊发现了电子，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、容易在网上获取，全世界的工程师似乎处在差不多的起跑线上。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，他在《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。”