為什么說芯片是關(guān)鍵？核心技術(shù)到底是個啥？

　　在中國和“外國”這兩國的較量中，究竟哪一國更占上風?有說中國吊打外國，有說外國輕松把中國摁在地上摩擦，雙方都列舉了林林總總的例子，整得我們吃瓜群眾一臉懵逼。當然，中間派肯定說兩國各有利弊，但這結(jié)論雖然正確卻沒啥營養(yǎng)。想要在中外兩國這個話題上顯得有見識，得先搞明白啥是技術(shù)?

　　核心技術(shù)到底是個啥?

　　把技術(shù)分分類，第一類姑且叫“可山寨技術(shù)”，或者叫“純燒錢技術(shù)”，有人喜歡往左邊燒，有人喜歡往右邊燒，于是就燒出了不同的應用技術(shù)。這本質(zhì)上是用舊技術(shù)整合出新玩意兒，比如，美帝登月的土星五號，土工的跨海大橋，小胡子的鼠式坦克，甚至包括中國長城和埃及金字塔。打個比方，這有點像吉尼斯紀錄：最長的頭發(fā)，最長的指甲，等等……這類東西，只要錢到位，擱誰都燒的出，關(guān)鍵看有沒有需求，所以這些也可以叫應用技術(shù)。

　　比如這種架橋機，幾個工業(yè)大國都能搞，但搞出來只能當玩具，只有土工搞出來才賺錢。

　　土工發(fā)家后，迸發(fā)出海量需求，推動各種燒錢的應用技術(shù)井噴，賺了錢又可以孜孜不倦地完善各種細節(jié)，于是，可以不吹牛的說，中國的應用技術(shù)已經(jīng)和整個外國平起平坐。

　　第二類技術(shù)暫且叫“不可山寨技術(shù)”，或者叫“燒錢燒時間技術(shù)”，任何牛逼設備，你拼命往細拆，最終發(fā)現(xiàn)都是材料技術(shù)。

　　做材料和做菜差不多，番茄炒蛋的成分可以告訴你，但你做的菜就是沒我做的好吃，這就是核心技術(shù)。 除了生物醫(yī)學之外，核心技術(shù)說到底就是材料技術(shù)。看一串例子：

　　發(fā)動機，工業(yè)皇冠上的明珠，是土工最遭人詬病的短板。其核心技術(shù)說白了就是渦輪葉片不夠結(jié)實，油門踩狠了就得散架，無論是航天發(fā)動機、航空發(fā)動機、燃氣輪機，只要帶個“機”字，土工腰桿都有點軟(可翻看前文《材料之殤：難產(chǎn)中國心》)。

　　材料技術(shù)除了燒錢、燒時間，有時還要點運氣。還是以發(fā)動機為例：金屬錸，這玩意兒和鎳混一混，做出的渦輪葉片吊炸天，錸的全球探明儲量大約2500噸，主要分布在歐美，70%用來做發(fā)動機渦輪葉片，這種戰(zhàn)略物資，妥妥被美帝禁運。前幾年在陜西發(fā)現(xiàn)一個儲量176噸的錸礦，可把土工樂的，馬上拼了老命燒錢，這幾年苦逼生活才有了起色。

　　稀土永磁體，就是用稀土做的磁鐵，能一直保持磁性，用處大大的。高品位稀土礦大多分布在中國，所以和“磁”相關(guān)的技術(shù)，土工比美帝還能嘚瑟，比如核聚變、太空暗物質(zhì)探測等。據(jù)說，土工前幾年也對美帝禁運，逼得美帝拿錸交換，外加陜西安徽刨出來的那點錸，J20的發(fā)動機才算有些眉目。

　　作為“工業(yè)之母”的高端機床，土工基本和男國足一個水平，只能仰望日本德國瑞士。材料是最大的限制之一，比如，高速加工時，主軸和軸承摩擦產(chǎn)生熱變形，導致主軸抬升和傾斜，還有刀具磨損，等等，所以對加工精度要求極高的活，土工還是望“洋”興嘆。

　　光學晶體，土工的部分產(chǎn)品還能對美帝實施禁運，所以和光相關(guān)的技術(shù)都不弱，比如激光武器、量子通信。氣動外形，得益于錢學森那輩人的積淀，與之相關(guān)的技術(shù)也是杠杠的。

　　如果我們繼續(xù)羅列，就會發(fā)現(xiàn)，應用寬泛的基礎性材料，中國還是落后外國，應用相對較窄的細分領(lǐng)域，中國逐漸領(lǐng)跑。

　　小盆友們坐端正，重點來了!這種關(guān)鍵核心材料，全球總共約130種，也就是說，只要你有了這130種材料，就可以組裝出世界上已有的任何設備，進而生產(chǎn)出已有的任何東西。

　　人類的核心科技，某種程度上說，指的就是這130種材料，其中32%國內(nèi)完全空白，52%依賴進口，在高端機床、火箭、大飛機、發(fā)動機等尖端領(lǐng)域比例更懸殊，零件雖然實現(xiàn)了國產(chǎn)，但生產(chǎn)零件的設備95%依賴進口。這些可不是陳芝麻爛谷子的事情，而是工信部2018年7月發(fā)布的數(shù)據(jù)，還新鮮著呢。

　　核心材料技術(shù)，說一句“外國仍把中國摁在地上”，一點都不過分。這其實很容易理解，畢竟發(fā)家時間不長，而材料技術(shù)不但要燒錢，更要燒時間。

　　這里得強調(diào)一下，應用技術(shù)并不比核心技術(shù)不重要，它需要資金、需求和社會實際情況的結(jié)合，雖然外國有能力燒，但也許一輩子都沒機會燒。這兒肯定有人抬杠了：人家只是不愿意燒，不然分分鐘秒殺你!呵呵，如果強行燒錢，后果參照老毛子。

　　磨嘰半天，該回正題了，半導體芯片之所以難，是因為它不但涉及海量燒錢的應用技術(shù)，還有眾多燒錢燒時間的材料技術(shù)。為了便于小盆友理解，這話得從原理說起。

　　芯片原理和量子力學

　　很多文盲覺得量子力學只是一個數(shù)學游戲，沒有應用價值，呵呵，下面咱給計算機芯片尋個祖宗，請看示范：

　　導體，咱能理解，絕緣體，咱也能理解，小盆友們第一次被物理整懵的，怕是半導體了，所以先替各位的物理老師把這債還上。

　　原子組成固體時，會有很多相同的電子混到一起，但量子力學認為，2個相同電子沒法待在一個軌道上，于是，為了讓這些電子不在一個軌道上打架，很多軌道就分裂成了好幾個軌道，這么多軌道擠在一起，不小心挨得近了，就變成了寬寬的大軌道。這種由很多細軌道擠在一起變成的寬軌道就叫能帶。

　　有些寬軌道擠滿了電子，電子就沒法移動，有些寬軌道空曠的很，電子就可自由移動。電子能移動，宏觀上表現(xiàn)為導電，反過來，電子動不了就不能導電。

　　好了，我們把事情說得簡單一點，不提“價帶、滿帶、禁帶、導帶”的概念，準備圈重點!

　　有些滿軌道和空軌道挨的太近，電子可以毫不費力從滿軌道跑到空軌道上，于是就能自由移動，這就是導體。一價金屬的導電原理稍有不同。

　　但很多時候兩條寬軌道之間是有空隙的，電子單靠自己是跨不過去的，也就不導電了。但如果空隙的寬度在5ev之內(nèi)，給電子加個額外能量，也能跨到空軌道上，跨過去就能自由移動，也就是導電。這種空隙寬度不超過5ev的固體，有時能導電有時不能導電，所以叫半導體。

　　如果空隙超過5ev，那基本就得歇菜，正常情況下電子是跨不過去的，這就是絕緣體。當然，如果是能量足夠大的話，別說5ev的空隙，50ev都照樣跑過去，比如高壓電擊穿空氣。

　　到這，由量子力學發(fā)展出的能帶理論就差不多成型了，能帶理論系統(tǒng)地解釋了導體、絕緣體和半導體的本質(zhì)區(qū)別，即，取決于滿軌道和空軌道之間的間隙，學術(shù)點說，取決于價帶和導帶之間的禁帶寬度。

　　半導體離芯片原理還很遙遠，別急。

　　很明顯，像導體這種直男沒啥可折騰的，所以導線到了今天仍然是銅線，技術(shù)上沒有任何進展，絕緣體的命運也差不多。

　　半導體這種曖曖昧昧的性格最容易搞事情，所以與電子設備相關(guān)的產(chǎn)業(yè)基本都屬于半導體產(chǎn)業(yè)，如芯片、雷達。

　　下面有點燒腦細胞。

　　基于一些簡單的原因，科學家用硅作為半導體的基礎材料。硅的外層有4個電子，假設某個固體由100個硅原子組成，那么它的滿軌道就擠滿了400個電子。這時，用10個硼原子取代其中10個硅原子，而硼這類三價元素外層只有3個電子，所以這塊固體的滿軌道就有了10個空位。這就相當于在擠滿人的公交車上騰出了幾個空位子，為電子的移動提供了條件。這叫P型半導體。

　　同理，如果用10個磷原子取代10個硅原子，磷這類五價元素外層有5個電子，因此滿軌道上反而又多出了10個電子。相當于擠滿人的公交車外面又掛了10個人，這些人非常容易脫離公交車，這叫N型半導體。

　　現(xiàn)在把PN這兩種半導體面對面放一起會咋樣?不用想也知道，N型那些額外的電子必然是跑到P型那些空位上去了，一直到電場平衡為止，這就是大名鼎鼎的“PN結(jié)”。(動圖來自《科學網(wǎng)》張云的博文)

　　這時候再加個正向的電壓，N型半導體那些額外的電子就會源源不斷跑到P型半導體的空位上，電子的移動就是電流，這時的PN結(jié)就是導電的。

　　如果加個反向的電壓呢?從P型半導體那里再抽電子到N型半導體，而N型早已掛滿了額外的電子，多出來的電子不斷增強電場，直至抵消外加的電壓，電子就不再繼續(xù)移動，此時PN結(jié)就是不導電的。

　　當然，實際上還是會有微弱的電子移動，但和正向電流相比可忽略不計。

　　如果你已經(jīng)被整暈了，沒關(guān)系，用大白話總結(jié)一下：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦浴?/p>

　　好了，我們現(xiàn)在已經(jīng)有了單向?qū)щ姷腜N結(jié)，然后呢?把PN結(jié)兩端接上導線，就是二極管：

　　有了二極管，隨手搭個電路：

　　三角形代表二極管，箭頭方向表示電流可通過的方向，AB是輸入端，F(xiàn)是輸出端。如果A不加電壓，電流就會順著A那條線流出，F(xiàn)端就沒了電壓;如果AB同時加電壓，電流就會被堵在二極管的另一頭，F(xiàn)端也就有了電壓。假設把有電壓看作1，沒電壓看作0，那么只有從AB端同時輸入1，F(xiàn)端才會輸出1，這就是“與門電路”，

　　同理，把電路改成這樣，那么只要AB有一個輸入1，F(xiàn)端就會輸出1，這叫“或門電路”：

　　現(xiàn)在有了這些基本的邏輯門電路，離芯片就不遠了。你可以設計出一種電路，它的功能是，把一串1和0，變成另一串1和0。

　　簡單舉個例子，給第二個和第四個輸入端加電壓，相當于輸出0101，經(jīng)過特定的電路，輸出端可以變成1010，即第一個和第三個輸出端有電壓。

　　我們來玩?zhèn)€稍微復雜一點的局：

　　左邊有8個輸入端，右邊有7個輸出端，每個輸出端對應一個發(fā)光管。從左邊輸入一串信號：00000101，經(jīng)過中間一堆的電路，使得右邊輸出另一串信號：1011011。1代表有電壓，0代表無電壓，有電壓就可以點亮對應的發(fā)光管，即7個發(fā)光管點亮了5個，于是，就得到了一個數(shù)字“5”，如上圖所示。

　　終于，我們已經(jīng)搞定了數(shù)字是如何顯示的!如果你想進行1+1的加法運算，其電路的復雜程度就已經(jīng)超過了99%的人的智商了，即便本僧親自出手，設計電路的運算能力也抵不過一副算盤。

　　直到有一天，有人用18000只電子管，6000個開關(guān)，7000只電阻，10000只電容，50萬條線組成了一個超級復雜的電路，誕生了人類第一臺計算機，重達30噸，運算能力5000次/秒，還不及現(xiàn)在手持計算器的十分之一。不知道當時的工程師為了安裝這堆電路，腦子抽筋了多少回。

　　接下來的思路就簡單了，如何把這30噸東西，集成到指甲那么大的地方上呢?這就是芯片。