说说让我们人仰马翻的芯片是什么芯片

　　2018年起中美贸易开战，美国操起禁售大棒，试图用芯片、操作系统等技术限制中国信息技术的发展。这极大的刺痛了中华民族的自尊心，激发了大家的爱国热情，很多人愤慨之余却不免奇怪，新中国成立初期一穷二白，我们成功研制了两弹一星；如今我们每年大量的科研投入，中国的高铁里程全球第一、超级计算机算力全球领先、玉兔二号登陆月球背面、＂北斗＂卫星导航系统组网收官……为什么却被一个小小的芯片弄得人仰马翻，迟迟造不出来呢？这就说明很多人虽然椎心痛恨，但并不知道芯片到底是个什么东西，今天咱试着为大家理一下芯片的前世今生。
　　从电子管到晶体管
　　芯片从本质上说就是集成电路（Integrated circuit，缩写为IC）或者说是集成电路的载体，它是经过氧化、光刻、扩散、外延、蒸铝等半导体制造工艺，把构成具有一定功能的电路所需的半导体、电阻、电容等元件及它们之间的连接导线全部集成在一小块硅片上，然后焊接封装在一个管壳内的电子器件。简单说，它就是在硅板上集合多种电子元器件实现某种特定功能的电路模块，稍微复杂一点的电子设备都离不开芯片。
　　为什么会产生集成电路？这也可以让我们一窥人类技术进步的原始驱动力是什么，那就是解决实际问题。
　　当我们轻松背着1kg左右含有许多芯片的笔记本电脑在街上悠然自得的闲逛时，不妨脑补一下1946年在美国诞生的世界上第一台电子计算的模样：这是一个占地150平方米、重达30吨的庞然大物，里面的电路使用了17468只电子管、7200只电阻、10000只电容、50万条线陆，耗电量高达150千瓦 。显然，占用面积大、无法移动是它最直观和突出的问题，那么，能否减小它的体积呢？
　　晶体管的发明使这种想法成为了可能，1947年在美国贝尔实验室制造出来了第一个晶体管，而在此之前要实现电流放大功能只能依靠体积大、耗电量大、结构脆弱的电子管。晶体管具有电子管的主要功能，并且克服了电子管的上述缺点，因此在晶体管发明后，很快就出现了基于半导体的集成电路的构想。1958年，世界上第一块集成电路问世，它的发明人之一杰克·基尔比（JackKilby）还因此获得了2000年的诺贝尔物理学奖。
　　相对于手工组装电路使用个别的分立电子组件，集成电路可以把很大数量的微晶体管刻录集成到一个小小硅基片上并实现强大的功能，这是一个巨大的进步。
　　芯片制造难在哪？
　　通过上述介绍，也许你头脑中会有一些模糊的认识：原来所谓的芯片就是像电路板一样，将我们常见的电子元件和电路，集成封装到一个很小的硅基片上，感觉也不难啊。是啊，难的不是理论，难在设计思想和技术工艺上，难在我们既要功能强大又要便于携带体积小！
　　问题在于，如何能够将这些晶体管集成至纳米级别，就一块普通的英特尔酷睿CPU来说，核心部分也就比指甲盖大一点，但其中集成了数十亿个晶体管。
　　这里顺便解释一下我们经常看到的芯片5nm、7nm、13nm工艺中nm的意思。纳米（符号为nm）是长度单位，原称毫微米，就是10亿分之一米，约为10个原子的长度。假设一根头发的直径为0.05毫米，把它径向平均剖成5万根，每根的厚度即约为1纳米。2003年，奔腾4E系列推出，它采用90nm工艺，标志着芯片工艺正式进入纳米时代（之前还在微米级别）。
　　5nm的数值就是指处理器的蚀刻尺寸，简单的讲，就是我们能够把一个单位的电晶体刻在多大尺寸的一块芯片上。蚀刻尺寸越小，相同大小的处理器中拥有的计算单元也就越多，性能也就越强；同时,先进的蚀刻技术还可以减小晶体管间电阻,让CPU所需的电压降低,从而使驱动功率也大幅度减小,有效降低功耗和发热量。因此，5nm工艺的芯片不仅意味着尺寸更小，各方面功能的表现也会代际提升。
　　据权威人士介绍，如今台积电最先进的5nm工艺芯片技术，每个晶体管尺寸只有20个硅原子的大小，它们之间还要通过多层纳米级金属线，连接成逻辑电路，实现多种功能。
　　而一块7nm芯片大概需要4000道工艺流程，一个7nm工艺的芯片制造工厂，它的建设成本大概是100亿到200亿美元，这几乎相当于航空母舰战斗群的制造价格。
　　我们甚至可以说，如果从技术工艺角度看，芯片的制造工艺代表着目前人类最精密、最复杂的工业技术，也是不断积累提高的过程。
　　芯片其实有很多种类
　　在很多人心目中，芯片就是计算机里的CPU芯片，这是个大大的误解。芯片是对于半导体器件的统称，当你拆开你的计算机或是手机，里面只要是矩形的，黑色的，每个边都有很多金属触角焊接在主板上的都是芯片。比如负责图像的显卡芯片，内存条上的缓存芯片，控制电源的管理芯片，负责声音的音频芯片，负责时间的控制芯片等等。
　　另外，也不是只有计算机和手机才有芯片的存在，稍微先进一点的电子产品上都有，大到医院里用的各种检测设备、科研用的仪器仪表，小到收音机的音频芯片，电磁炉、微波炉里有电磁芯片，洗衣机里有控制芯片，就连我们骑得电瓶车都有功率控制芯片，它已经成为了现代生活的底层技术。
　　中国也并非在这方面毫无建树，比如在消费级的模拟／混合信号电路芯片领域，我们已经基本可以实现自给自足。然而，在民用的其他高性能模拟／混合信号领域，例如超高速SerDes，高速AD／DA等，目前中国还难以生产出能达到国际领先水准的芯片。
　　这个领域的最顶尖设计还掌握在TI，ADI等美国公司手里，需要大量时间积累和工程实践才能实现最优性能。而在高端处理器（CPU）领域的架构设计和指令集都经过了长时间的积累。而且这些处理器芯片的工程规模巨大，因此中国想要独立做类似ARM或者Intel的自主知识产权架构则还要很多年的努力才能追上国际水准。
　　因贸易战所造成的高端芯片禁售，短时间内可能会影响一些企业的发展，影响我国信息技术产业的发展，但长期来看，外国的禁售会激发我们自我发展的内生动力，促进我国芯片生产技术能力的提高，或者带来产生其它替代产品和技术。例如，像俄罗斯一样，他们的芯片生产技术能力也低，但他们用其它技术替代对应功能，也生产出了先进的军事装备和民用产品等。
　　说到芯片，这里要附带说说＂生物芯片＂，这与上述的芯片完全不是一个概念。
　　什么是生物芯片呢？生物芯片（biochip或bioarray）是根据生物分子间特异相互作用的原理，将生化分析过程集成于芯片表面，从而实现对DNA、RNA、多肽、蛋白质以及其他生物成分的高通量快速检测。人们可能很容易把生物芯片与电子芯片联系起来。事实上，两者确有一个最基本的共同点：在微小尺寸上具有海量的数据信息。但它们是完全不同的两种东西，电子芯片上布列的是一个个半导体电子单元，而生物芯片上布列的是一个个生物探针分子。（责任编辑王世新，图片源自网络）