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文章于 2018年10月17日 被检测为删除。
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关于芯片之争,终于有人说出了本质

老和山下的小学僧 虎嗅APP 今天


本文来自微信公众号:老和山下的小学僧,原文标题:《点沙成金:半导体芯片》。


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。