为什么说芯片是关键？核心技术到底是个啥？

在中国和“外国”这两国的较量中，究竟哪一国更占上风?有说中国吊打外国，有说外国轻松把中国摁在地上摩擦，双方都列举了林林总总的例子，整得我们吃瓜群众一脸懵逼。当然，中间派肯定说两国各有利弊，但这结论虽然正确却没啥营养。想要在中外两国这个话题上显得有见识，得先搞明白啥是技术?

核心技术到底是个啥?

把技术分分类，第一类姑且叫“可山寨技术”，或者叫“纯烧钱技术”，有人喜欢往左边烧，有人喜欢往右边烧，于是就烧出了不同的应用技术。这本质上是用旧技术整合出新玩意儿，比如，美帝登月的土星五号，土工的跨海大桥，小胡子的鼠式坦克，甚至包括中国长城和埃及金字塔。打个比方，这有点像吉尼斯纪录：最长的头发，最长的指甲，等等……这类东西，只要钱到位，搁谁都烧的出，关键看有没有需求，所以这些也可以叫应用技术。

比如这种架桥机，几个工业大国都能搞，但搞出来只能当玩具，只有土工搞出来才赚钱。

土工发家后，迸发出海量需求，推动各种烧钱的应用技术井喷，赚了钱又可以孜孜不倦地完善各种细节，于是，可以不吹牛的说，中国的应用技术已经和整个外国平起平坐。

第二类技术暂且叫“不可山寨技术”，或者叫“烧钱烧时间技术”，任何牛逼设备，你拼命往细拆，最终发现都是材料技术。

做材料和做菜差不多，番茄炒蛋的成分可以告诉你，但你做的菜就是没我做的好吃，这就是核心技术。 除了生物医学之外，核心技术说到底就是材料技术。看一串例子：

发动机，工业皇冠上的明珠，是土工最遭人诟病的短板。其核心技术说白了就是涡轮叶片不够结实，油门踩狠了就得散架，无论是航天发动机、航空发动机、燃气轮机，只要带个“机”字，土工腰杆都有点软(可翻看前文《材料之殇：难产中国心》)。

材料技术除了烧钱、烧时间，有时还要点运气。还是以发动机为例：金属铼，这玩意儿和镍混一混，做出的涡轮叶片吊炸天，铼的全球探明储量大约2500吨，主要分布在欧美，70%用来做发动机涡轮叶片，这种战略物资，妥妥被美帝禁运。前几年在陕西发现一个储量176吨的铼矿，可把土工乐的，马上拼了老命烧钱，这几年苦逼生活才有了起色。

稀土永磁体，就是用稀土做的磁铁，能一直保持磁性，用处大大的。高品位稀土矿大多分布在中国，所以和“磁”相关的技术，土工比美帝还能嘚瑟，比如核聚变、太空暗物质探测等。据说，土工前几年也对美帝禁运，逼得美帝拿铼交换，外加陕西安徽刨出来的那点铼，J20的发动机才算有些眉目。

作为“工业之母”的高端机床，土工基本和男国足一个水平，只能仰望日本德国瑞士。材料是最大的限制之一，比如，高速加工时，主轴和轴承摩擦产生热变形，导致主轴抬升和倾斜，还有刀具磨损，等等，所以对加工精度要求极高的活，土工还是望“洋”兴叹。

光学晶体，土工的部分产品还能对美帝实施禁运，所以和光相关的技术都不弱，比如激光武器、量子通信。气动外形，得益于钱学森那辈人的积淀，与之相关的技术也是杠杠的。

如果我们继续罗列，就会发现，应用宽泛的基础性材料，中国还是落后外国，应用相对较窄的细分领域，中国逐渐领跑。

小盆友们坐端正，重点来了!这种关键核心材料，全球总共约130种，也就是说，只要你有了这130种材料，就可以组装出世界上已有的任何设备，进而生产出已有的任何东西。

人类的核心科技，某种程度上说，指的就是这130种材料，其中32%国内完全空白，52%依赖进口，在高端机床、火箭、大飞机、发动机等尖端领域比例更悬殊，零件虽然实现了国产，但生产零件的设备95%依赖进口。这些可不是陈芝麻烂谷子的事情，而是工信部2018年7月发布的数据，还新鲜着呢。

核心材料技术，说一句“外国仍把中国摁在地上”，一点都不过分。这其实很容易理解，毕竟发家时间不长，而材料技术不但要烧钱，更要烧时间。

这里得强调一下，应用技术并不比核心技术不重要，它需要资金、需求和社会实际情况的结合，虽然外国有能力烧，但也许一辈子都没机会烧。这儿肯定有人抬杠了：人家只是不愿意烧，不然分分钟秒杀你!呵呵，如果强行烧钱，后果参照老毛子。

磨叽半天，该回正题了，半导体芯片之所以难，是因为它不但涉及海量烧钱的应用技术，还有众多烧钱烧时间的材料技术。为了便于小盆友理解，这话得从原理说起。

芯片原理和量子力学

很多文盲觉得量子力学只是一个数学游戏，没有应用价值，呵呵，下面咱给计算机芯片寻个祖宗，请看示范：

导体，咱能理解，绝缘体，咱也能理解，小盆友们第一次被物理整懵的，怕是半导体了，所以先替各位的物理老师把这债还上。

原子组成固体时，会有很多相同的电子混到一起，但量子力学认为，2个相同电子没法待在一个轨道上，于是，为了让这些电子不在一个轨道上打架，很多轨道就分裂成了好几个轨道，这么多轨道挤在一起，不小心挨得近了，就变成了宽宽的大轨道。这种由很多细轨道挤在一起变成的宽轨道就叫能带。

有些宽轨道挤满了电子，电子就没法移动，有些宽轨道空旷的很，电子就可自由移动。电子能移动，宏观上表现为导电，反过来，电子动不了就不能导电。

好了，我们把事情说得简单一点，不提“价带、满带、禁带、导带”的概念，准备圈重点!

有些满轨道和空轨道挨的太近，电子可以毫不费力从满轨道跑到空轨道上，于是就能自由移动，这就是导体。一价金属的导电原理稍有不同。

但很多时候两条宽轨道之间是有空隙的，电子单靠自己是跨不过去的，也就不导电了。但如果空隙的宽度在5ev之内，给电子加个额外能量，也能跨到空轨道上，跨过去就能自由移动，也就是导电。这种空隙宽度不超过5ev的固体，有时能导电有时不能导电，所以叫半导体。

如果空隙超过5ev，那基本就得歇菜，正常情况下电子是跨不过去的，这就是绝缘体。当然，如果是能量足够大的话，别说5ev的空隙，50ev都照样跑过去，比如高压电击穿空气。

到这，由量子力学发展出的能带理论就差不多成型了，能带理论系统地解释了导体、绝缘体和半导体的本质区别，即，取决于满轨道和空轨道之间的间隙，学术点说，取决于价带和导带之间的禁带宽度。

半导体离芯片原理还很遥远，别急。

很明显，像导体这种直男没啥可折腾的，所以导线到了今天仍然是铜线，技术上没有任何进展，绝缘体的命运也差不多。

半导体这种暧暧昧昧的性格最容易搞事情，所以与电子设备相关的产业基本都属于半导体产业，如芯片、雷达。

下面有点烧脑细胞。

基于一些简单的原因，科学家用硅作为半导体的基础材料。硅的外层有4个电子，假设某个固体由100个硅原子组成，那么它的满轨道就挤满了400个电子。这时，用10个硼原子取代其中10个硅原子，而硼这类三价元素外层只有3个电子，所以这块固体的满轨道就有了10个空位。这就相当于在挤满人的公交车上腾出了几个空位子，为电子的移动提供了条件。这叫P型半导体。

同理，如果用10个磷原子取代10个硅原子，磷这类五价元素外层有5个电子，因此满轨道上反而又多出了10个电子。相当于挤满人的公交车外面又挂了10个人，这些人非常容易脱离公交车，这叫N型半导体。

现在把PN这两种半导体面对面放一起会咋样?不用想也知道，N型那些额外的电子必然是跑到P型那些空位上去了，一直到电场平衡为止，这就是大名鼎鼎的“PN结”。(动图来自《科学网》张云的博文)

这时候再加个正向的电压，N型半导体那些额外的电子就会源源不断跑到P型半导体的空位上，电子的移动就是电流，这时的PN结就是导电的。

如果加个反向的电压呢?从P型半导体那里再抽电子到N型半导体，而N型早已挂满了额外的电子，多出来的电子不断增强电场，直至抵消外加的电压，电子就不再继续移动，此时PN结就是不导电的。

当然，实际上还是会有微弱的电子移动，但和正向电流相比可忽略不计。

如果你已经被整晕了，没关系，用大白话总结一下：PN结具有单向导电性。

好了，我们现在已经有了单向导电的PN结，然后呢?把PN结两端接上导线，就是二极管：

有了二极管，随手搭个电路：

三角形代表二极管，箭头方向表示电流可通过的方向，AB是输入端，F是输出端。如果A不加电压，电流就会顺着A那条线流出，F端就没了电压;如果AB同时加电压，电流就会被堵在二极管的另一头，F端也就有了电压。假设把有电压看作1，没电压看作0，那么只有从AB端同时输入1，F端才会输出1，这就是“与门电路”，

同理，把电路改成这样，那么只要AB有一个输入1，F端就会输出1，这叫“或门电路”：

现在有了这些基本的逻辑门电路，离芯片就不远了。你可以设计出一种电路，它的功能是，把一串1和0，变成另一串1和0。

简单举个例子，给第二个和第四个输入端加电压，相当于输出0101，经过特定的电路，输出端可以变成1010，即第一个和第三个输出端有电压。

我们来玩个稍微复杂一点的局：

左边有8个输入端，右边有7个输出端，每个输出端对应一个发光管。从左边输入一串信号：00000101，经过中间一堆的电路，使得右边输出另一串信号：1011011。1代表有电压，0代表无电压，有电压就可以点亮对应的发光管，即7个发光管点亮了5个，于是，就得到了一个数字“5”，如上图所示。

终于，我们已经搞定了数字是如何显示的!如果你想进行1+1的加法运算，其电路的复杂程度就已经超过了99%的人的智商了，即便本僧亲自出手，设计电路的运算能力也抵不过一副算盘。

直到有一天，有人用18000只电子管，6000个开关，7000只电阻，10000只电容，50万条线组成了一个超级复杂的电路，诞生了人类第一台计算机，重达30吨，运算能力5000次/秒，还不及现在手持计算器的十分之一。不知道当时的工程师为了安装这堆电路，脑子抽筋了多少回。

接下来的思路就简单了，如何把这30吨东西，集成到指甲那么大的地方上呢?这就是芯片。

标签： 芯片 封测 7nm

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