2023年8月27日至30日，美国商务部长雷蒙多对中国进行了为期四天的国事访问。与此同时，华为公司突然预售了新款手机Mate60系列，这一消息让雷蒙多成为了“华为代言人”，引起了中国网友的热议，纷纷称赞华为的强大实力，突破了美国对芯片技术的封锁。
美国对华为的封锁措施经历了四轮。第一轮封锁发生在2019年5月15日，特朗普宣布美国进入紧急状态，制裁华为并停止向其供应芯片。第二轮封锁发生在2020年5月16日，美国援引“长臂管辖”原则，要求全球范围内使用美国技术的公司不得向华为供货，否则将一并受到制裁。第三轮封锁发生在2020年8月17日，制裁范围扩大至软件与服务领域。随后在11月，华为不得不出售自家的荣耀手机品牌以自救。第四轮封锁发生在2021年3月，新上任的拜登政府宣布对华为进行第四轮制裁，导致华为无法获得5G射频模组的供货渠道，之前囤积的“麒麟”5G芯片也被废弃，只能作为4G芯片使用。
在这样的背景下，我对半导体和芯片产业产生了浓厚的兴趣。之前对这个行业一无所知，秉承着“不要把生命献给无知”的原则，开始阅读相关的芯片书籍，以增加对芯片行业的了解，并将我的认知简要地记录下来，与大家分享！
一、晶体管、芯片的诞生
要想发明芯片和晶体管，先要有半导体技术；要想有半导体技术，先要有量子物理学。基础学科是技术突破的深厚土壤。这一切都要从灯泡说起：
爱迪生的灯泡，是我们熟知的伟大发明之一。然而，这个发明在使用过程中，灯壁会逐渐发黑。为了解决这个问题，爱迪生在灯丝上方增加了一个铜片。虽然这个尝试并未解决灯壁发黑的问题，但却意外发现了在真空环境中，灯丝与铜片之间存在单向电流。这个发现，为后来的科学家们提供了灵感，他们依据这个现象，发明了真空二极管和三极管。
继电器、真空二极管、晶体管，这些元件的特性使他们可以代表二进制的0或1进行逻辑运算，或者可以理解为“开关”。然而，真空二极管存在着损耗大、体积大、故障率高等问题，科学家们开始寻找新的材料来替代它。
随着对微观世界的研究深入，量子力学取得了显著的进步。海森堡的学生威尔逊，基于量子力学，发现了半导体材料的“能带理论”，这一理论揭示了半导体材料可以作为开关材料的原理，为后续发明半导体二极管和晶体管奠定了基础。
第二次世界大战期间，军事需求推动了半导体材料锗和硅的研究，贝尔实验室在实验中偶然发现了硅的PN结。战后，贝尔实验室的肖克利、巴利、布拉顿发明了点触式晶体管和结型晶体管，并提出了MOS场效晶体管的概念。
然而，发明与批量生产之间的鸿沟往往在细节中存在着“魔鬼”。晶体管稳定运行的关键在于半导体材料的纯度和杂质的平衡。人们开始使用拉晶法和区域精炼法，但这些方法效率低下，材料稳定性差。后来，人们发明了效率更高的扩散法，实现了大规模制备P型半导体和N型半导体，降低了制造成本。最终，人们使用扩散法制造出了硅晶体管，它比锗晶体管具有更好的耐高温和高频工作的性能。
在晶体管的生产过程中，曾面临两个主要的挑战。首先，仙童半导体公司为美国军事企业生产的硅晶体管稳定性存在问题。幸运的是，这个问题得到了解决，多亏了霍尼发明的平面晶体管。
其次，就是贝尔实验室莫顿提出的“数字暴政”问题。计算机、通信设备使用的晶体管数量越来越多，且元件之间互连线更多，可达上千条连线。但是制作，却只能靠晶体女工在显微镜下，进行人工焊接。这样的制作过程即容易出错，又导致电路系统元件系统难以继续增加。在1958年左右，德州仪器公司的基尔、仙童的诺伊斯、莱霍韦茨的电子隔离技术，共同推进了“集成电路”的实现，即利用平面工艺将所有元件都集成在硅晶圆的平面上，并通过晶圆上的金属线互连起来，发明了可大规模制造的集成电路，别名“芯片”。
二、芯片的发展与演进
在《创新者的窘境》一书中，作者指出了一个行业中普遍存在的规律：创新者总是会面临窘境，而那些本来具备引领未来实力的企业却常常因为保守而错失良机。那些实力雄厚的企业，由于企业流程和客户需求等原因，往往选择延续性创新技术，而无法评估新兴小市场的市场规模和增长情况，最终失去了市场主导地位。相反，那些创新者企业选择了破坏性技术进入市场。虽然起初与成熟技术相比，产品性能较低、稳定性较差等存在缺点，但它们优先满足了边缘客户的需求，并随着产品的升级逐渐蚕食更多的市场份额，最终成为市场的主导者。
在前文提到的集成电路（也称为芯片）的出现和发展过程中，经历了典型的“创新者窘境”。在芯片的发展过程中，一些企业错过了这一机遇，失去了市场的领导地位，而另一些企业则迅速崛起，成为行业的领先者。
在这里，我们将重点讨论芯片发展初期最为重要的两个方面：MOS场效晶体管和摩尔定律。
2.1 MOS场效晶体管
MOS场效晶体管相较于结型晶体管更适合用于集成电路。这是因为MOS场效晶体管采用水平结构，而结型晶体管采用垂直结构，难以持续缩小。而随着晶体管的缩小，芯片中晶体管的数量增多，间距变小，从而提高了芯片的工作速度。
然而，MOS场效晶体管的发展历程并不顺利，它属于一种"破坏性技术创新"。1926年，利林菲尔德首次提出了场效晶体管的概念。1945年，肖克利也独立提出了类似的概念。直到1960年，贝尔实验室的阿塔拉和姜大元才成功制造出了MOS场效晶体管。然而，与结型晶体管相比，它在稳定性和速度方面仍存在巨大差距。因此，贝尔实验室撤销了MOS实验室。随后，仙童半导体公司和美国无线电等公司持续投入研发MOS场效晶体管，经过几十年的努力，直到20世纪70年代末，MOS场效晶体管的销售额才完全超过了结型晶体管。
2.2 摩尔定律
当时，仙童半导体公司推出芯片的时候，因为工艺不稳定，良品率低，导致芯片价格比分立元件的还贵，只有航空和国防客户才用得起。因此，那时大部分客户，甚至仙童公司内部都认为芯片不值得信任，毫无优势，不应发展芯片。
随着，MOS场效晶体管的发展，摩尔认为芯片内集成的元件数量将会越来越多，规模效应会使得芯片价格降低至客户能接受程度。因此，摩尔尝试通过数学的方法，以说服业界相信芯片成本将会下降。如果能让人们相信未来芯片上元件数量有不断增加的趋势，那么客户就会放下顾虑并逐渐接受芯片。
至此，摩尔通过分析历史芯片元件数量变化数据，于1965年给出了摩尔定律：依据元件最低成本的原则，芯片的复杂度会以每年2倍的速率增长。在1975年摩尔修改了定律，变为：依据元件最低成本的原则，芯片的复杂度会以每两年翻倍增长。1975年时，摩尔给出过去十年芯片元件数量变化情况，基本符合摩尔定律。
现如今，在摩尔定量的驱动下，芯片的元件数量不断攀升。1962年的元件数是7个，1964年是34个，1965年是58个，1966年是125个，1967年是264个，1997年日立公司(Hitachi Limited)的“SH-4”芯片有超过1000万个晶体管，2006年英特尔的“安腾2”处理器有17.2亿个晶体管，2017年高通公司的“Centriq 2400”芯片有180亿个晶体管，2022年苹果发布的“M1 Ultra”芯片晶体管数量更是达到了1140亿个。
关于摩尔定律几点特别说明：
1、摩尔定律不是物理定律，不会自然而然发生。它更像是一个自证预言、一个指挥棒，鞭策着行业参与者按照摩尔定律发展，突破一个又一个技术瓶颈。
2、元件数量为什么按照这个速率变化呢？主要是元件数量过少会造成芯片面积浪费，成本升高；元件数量过多，制造设备无法制造，良品率低，成本上升。而这个数值恰好是 “最甜蜜点”。
3、摩尔的数量翻倍指的是所有元件的数量，而不只是晶体管数量，因为在有些芯片中（如存储芯片），非晶体管元件（如电容器）会占相当大的比例。
4、人类为了实现摩尔定律，一直在攻克遇到的瓶颈，发明新的技术方案。如：等离子刻蚀、CMOS工艺、DUV光刻机、浸没DUV光刻机、FinFET、EUV光刻机。
5、摩尔定律是否会终止？只要人类不断创新，我相信人类会继续延长摩尔定律的时间！
2.3 CPU与闪存的诞生
CPU全名为“中央处理器”（Central Processing Unit），它是一种集合多种功能的芯片，通过一颗芯片即可实现大部分计算功能，与单一功能的专用芯片不同。CPU的诞生得益于MOS场效晶体管的发明和芯片集成度的提高。在1969年，霍夫提出了精简CPU架构的概念，随后在1971年，法金设计并制造出了第一颗CPU芯片4004。随着个人计算机和CPU的兴起，英特尔公司和超威半导体公司成为最重要的芯片生产商。
接下来，让我们来介绍存储器的发展。人类计数发展经历了多个阶段：结绳记事、纸卡上穿孔、磁鼓存储器、磁芯存储器和半导体存储器。半导体存储器的发展同样受益于MOS场效晶体管的发明和半导体集成度的提高。
以我们使用的手机为例，它包含了内存（memory）和闪存（flash memory）。内存的本质是DRAM（动态随机存储器），它的缺点是断电后存储的信息会丢失。在手机中，内存的大小决定了可以同时运行的APP数量。
为了克服内存的缺点，科学家们通过发明浮栅晶体管、EPROM和EEPROM，最终由日本东芝公司的舛冈富士发明了闪存。闪存全名为“快闪存储器”（flash memory），它是一种可以多次擦写的非易失性存储器，成本比老式的EEPROM要低得多，因此得到了广泛应用。无论是手机、U盘、固态硬盘还是轻薄型笔记本电脑，都可以看到NAND闪存的身影。在手机中，闪存的大小决定了可以存储的音乐、照片、安装APP的数量等。
总结起来，CPU和闪存在计算机技术和现代科技中起着重要的作用。CPU是计算机的核心，负责处理各种计算任务；而闪存则是存储数据的关键，决定了设备可以存储的信息量和运行的应用程序数量。它们的发展和创新推动了计算机技术的进步，为我们带来了更强大和便捷的计算体验。
三、模拟芯片的应用
上文中，我们已经讲到数字芯片CPU、闪存等等技术。接下来，我们看下模拟芯片技术的发展与应用。
人类通过五官可以感受外部环境的变化，并进行进一步行动。例如：耳朵听到警报声音，耳膜随着声波震动，带动听小骨和淋巴液震动，转换成身体的内部信号，传递给大脑。
有一种芯片同样可以感知外部声光的变化，并构建成电信号，传递电子系统，电子系统进行进一步行动。
主要原理是，模拟芯片能将感测到的外部声光信号放大，并用电信号复现出这些外部信号的幅度变化，相当于在芯片内部重新模拟出了这些外部信号，因而被称为模拟芯片。除了放大信号，模拟芯片还能对连续变化的信号进行各种处理，包括滤波、采样保持、比较大小等。模拟芯片是CPU感知外界的窗口，也是CPU对外控制的必经渠道。模拟芯片就是整个电子系统的耳、鼻、眼、舌、皮肤！
模拟芯片在感知端的应用，如我们所知的无线通信，大哥大、小灵通、手机的普及依赖射频的发展。再如，模拟芯片与微机械的结合，使得微机械芯片在汽车安全气囊、烟雾警报、DNA测序、病毒核酸检测等方面有着广泛的应用。
模拟芯片在驱动端的应用，发明的IGBT器件，如今已应用在电动汽车、高铁、AED（自动体外除颤器）、冰箱、变频空调等领域。
四、二极管的应用
当我看到二极管的功能与应用时，我感到非常惊讶！原来基于半导体制造的二极管不仅可以用于芯片制造，还能在我们生活的各个领域发挥着重要作用。它可以发电、发光，无处不在！
半导体材料捕捉光子生成电流，用来发电、成像。反过来，电流也可以驱动半导体发出光子提供照明，两者是一枚硬币的两面，我们称之为“光电子技术”。
二极管的应用，不仅可以用于发电，将太阳能转化为电能。太阳能电池板就是利用二极管的光电效应，将阳光转化为清洁、可再生的能源。还可以进行成像，如数码相机、哈勃望远镜等等。
更令人兴奋的是，二极管还能发光！LED（Light Emitting Diode）就是基于二极管的发光器件。通过注入电流，二极管会发出明亮的光芒，用于照明、显示和指示等各种应用。它们不仅节能环保，还具有出色的寿命和可靠性。如：LED灯、LED显示屏等等。
未完待续……下篇《探秘芯片制造：科技与挑战的完美结合》
