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造“芯”之路（01）啟程：從繼電器到集成電路

來源：Me工程師

前言

在剛剛過去的幾年，隨著逆全球化思潮的發(fā)酵，國際貿(mào)易受到了很大影響，一些國家實施的長臂管轄也讓國人對芯片重要性的認識上升到了前所未有的高度。大家見面都在談?wù)摚蹅兡懿荒艽蜈A這一仗？中國什么時候有自己的光刻機？華為的麒麟芯片還能不能生產(chǎn)？

顯然，芯片已經(jīng)成為現(xiàn)代社會生活中不可或缺的一部分。從城市公共基礎(chǔ)設(shè)施到飛機、火車和汽車等交通工具，從商場、銀行的業(yè)務(wù)系統(tǒng)到各種家用電器，無一不是受到芯片控制。前沿科技的發(fā)展，比如5G、自動駕駛、太空飛船、人工智能、元宇宙等等，也都依賴于芯片技術(shù)的持續(xù)創(chuàng)新。

芯片究竟是什么？芯片是如何制造出來的？為什么會有“卡脖子”的問題？中國的芯片產(chǎn)業(yè)如何破局？有哪些前沿技術(shù)值得關(guān)注？這就是《造“芯”之路》系列專題要大家探討的內(nèi)容。

首先，讓我們回顧歷史，探尋芯片的起源，搞清楚芯片的本質(zhì)。

繼電器

眾所周知，電子元器件都是用二進制來編碼和處理信息的，這是因為電路的“開”和“關(guān)”非常適于表示“0”和“1”兩種狀態(tài)。那么，如何控制元器件中電路的開關(guān)狀態(tài)呢？19世紀30年代，美國科學(xué)家約瑟夫·亨利（Joseph Henry）通過其發(fā)明的繼電器解決了這一問題。為了紀念他，電感的單位就以他的名字命名。

圖1.約瑟夫·亨利

如下圖所示，繼電器可以看成由上端和下端兩套裝置組成。在下端，有一個開關(guān)可以控制電流的通斷，進而決定著一個電磁鐵的狀態(tài)——有磁性和無磁性。在電磁鐵的上方，有一個長長鐵片——銜鐵臂——安裝在支架上，它可以上下自由活動。平時，也就是電磁鐵沒有通電產(chǎn)生磁力的時候，它被一根彈簧拉著，以免與電磁鐵挨在一起。一旦下端的開關(guān)閉合，銜鐵臂就會被電磁鐵吸引從而接通上端的電路；當下端開關(guān)斷開，電磁鐵失去磁性，銜鐵臂又在彈簧的牽引下回到原來的位置從而斷開了上端的電路。

圖2.繼電器原理

繼電器可以通過電流把一端的信息傳遞到另一端，即下端開關(guān)的閉合可以控制上端開關(guān)的閉合。更讓人著迷的是，通過對繼電器稍作改動加上串聯(lián)或并聯(lián)的方式組合使用，很容易實現(xiàn)布爾代數(shù)中的 “與”、“或”、“非”計算，進而搞定各種復(fù)雜的信息處理。最早發(fā)現(xiàn)這一點的是信息論的創(chuàng)始人克勞德?艾爾伍德?香農(nóng)（Claude Elwood Shannon）。1938年，他在其碩士學(xué)位論文《繼電器與開關(guān)電路的符號分析》中把布爾代數(shù)、開關(guān)電路和繼電器聯(lián)系到了一起，奠定了數(shù)字電路的理論基礎(chǔ)。

圖3.克勞德?艾爾伍德?香農(nóng)

有了繼電器和數(shù)字電路的理論，人們開始嘗試發(fā)明用電驅(qū)動的計算機，比如哈佛大學(xué)的一個團隊于1944年建成的 “馬克1號”。由于大量地使用了繼電器作為其核心部件，被稱為電動機械計算機，以區(qū)別于后來的電子計算機。

圖4.馬克1號

（攝影：秦建軍）

上手操作后，人們發(fā)現(xiàn)繼電器有著很大的缺陷。因為它是機械式的，工作時需彎曲一個金屬簧片，不僅響應(yīng)時間長，而且工作久了容易折斷。此外，如果有一小片污垢或紙片粘在觸點之間，繼電器也會失效。一個著名的事件發(fā)生在1947年，正在運行中的“馬克2號”計算機出了故障，原因是一只蛾子飛到了一個繼電器里面。操作人員用膠條把這只蛾子貼到了工作日志中，并記錄到“這是發(fā)現(xiàn)的第一只蟲子（This is the first actual bug found）。”從此，用“bug”來表示“一個程序里的錯誤”，成為IT領(lǐng)域的一個習(xí)慣說法。

電子管

如圖所示，電子管由外部的玻璃殼體、內(nèi)部的電極及連接電極的管腳構(gòu)成。為了有利于游離電子的流動，玻璃殼體內(nèi)部被抽為真空，所以電子管也被稱為真空管。它改變狀態(tài)（開關(guān)閉合或斷開）的速度比繼電器快1000倍——每百萬分之一秒（即1微秒）就可以跳變一次。

圖5.電子管

于是，人們開始使用電子管來替換繼電器，從而將計算機“電子化”。其中，最為出名就是1945年底建成的ENIAC，占地約170平方米，大約30噸重，使用了近18000個電子管，每秒可以執(zhí)行5000次加法或400次乘法，是繼電器計算機的1000倍、手工計算的20萬倍。

圖6.ENIAC

雖然電子管的使用極大提升了計算效率，讓計算機真正進入了電子時代，但它同樣存在不小的缺陷。且不說價格昂貴、耗電量大、預(yù)熱時間長、產(chǎn)生熱量多，更麻煩的地方在于電子管極易被燒毀，壽命太短。那個年代，有收音機的人都習(xí)慣于定期更換電子管，電話系統(tǒng)也設(shè)計成有許多冗余的電子管（這樣以來，燒掉一些也還能運轉(zhuǎn)）。然而，計算機這類復(fù)雜設(shè)備擁有的電子管數(shù)量過于龐大。不難想象，每隔幾分鐘就要燒壞一個電子管，維護起來需要耗費多少人力、物力和時間？

晶體管

1947年，貝爾實驗室的一項發(fā)明——晶體管——橫空出世，被人們稱為20世紀最重要的發(fā)明之一。它的三個發(fā)明者——威廉·肖克利（William Bradford Shockley）、約翰·巴丁 (John Bardeen)和沃爾特·布拉頓（Walter Houser Brattain)——共同獲得了1956年的諾貝爾物理學(xué)獎。

晶體管是用半導(dǎo)體材料（硅元素、鍺元素以及一些化合物）制成的。之所以叫“半導(dǎo)體”，是因為可以通過加入雜質(zhì)來調(diào)節(jié)其導(dǎo)電性：比如，含有磷的稱作N型（negative）半導(dǎo)體，含有硼的稱作P型（positive）半導(dǎo)體。

把一個P型半導(dǎo)體夾在兩個N型半導(dǎo)體之間，可以使之成為一個放大器，這就是著名的NPN晶體管。如圖所示，當柵極沒有電壓時，源極和漏極之間的溝道電子很少，電阻比較大，源極和漏極無法導(dǎo)通；但只要對柵極加上微小的電壓，由于電場的吸引，電子就會聚集在源極和漏極之間的溝道內(nèi)，使得電阻減小，源極和漏極導(dǎo)通。

圖7.晶體管原理

可以說，晶體管開創(chuàng)了固態(tài)電子器件的時代，即不再需要真空而是使用固體制造，尤其是使用常見的硅元素來制造。除了體積比電子管更小、無需預(yù)熱之外，晶體管耗電極少，產(chǎn)生的熱量也少，非常可靠耐用。

集成電路

為了把更多的晶體管、導(dǎo)線及其它器件高效地連接起來，德州儀器公司的杰克·基爾比（Jack Kilby）和仙童半導(dǎo)體公司的羅伯特·諾伊斯（Robert Noyce）分別獨立設(shè)計出了集成電路。在集成電路中，所有元件在結(jié)構(gòu)上已組成一個整體，使電子元件向著微小型化、低功耗、智能化和高可靠性方面邁進了一大步。

圖8.集成電路

為了對“集成電路”有更加形象的認識，我們可以做個類比：過去的晶體管、導(dǎo)線及其它器件可以看成過去鄉(xiāng)村里獨立的一間間瓦房、一條條道路和其他配套設(shè)施。現(xiàn)在的集成電路相當于把村莊替換為一座樓房，把成百上千的居住單元、消防通道、排污設(shè)施等集成到了一起。也許整體占地只有數(shù)百平方米，卻具有了原來占地上萬平方米的居住區(qū)的功能！

人們?yōu)槭裁窗选鞍雽?dǎo)體+集成電路”叫做“芯片”呢？如圖所示，“片”是描述它的形狀，而 “芯”指這個東西是電子設(shè)備的心臟、大腦、中樞。一個紐扣大小的芯片，內(nèi)部集成了成千上萬個晶體管。由于其本身比較輕薄易碎，需要 “封裝”進外殼里加以保護。芯片的背面有密密麻麻的金屬引線，少則十幾根、幾十根，多則幾百根，作用就是把芯片電路和外界電路連接起來。

日常生活中，人們往往對芯片有所誤解，認為只有像電腦或手機里的CPU才是芯片。其實，CPU屬于邏輯芯片，可以做邏輯控制，有運算功能。更多的是各式各樣的其他種類芯片，比如像5G、Wi-Fi、藍牙這種通信芯片，內(nèi)存、U盤里的存儲芯片，還有手機里的陀螺儀和電子秤中測壓力的傳感芯片等等。

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