為什么說芯片是關(guān)鍵？核心技術(shù)到底是個(gè)啥？

在中國(guó)和“外國(guó)”這兩國(guó)的較量中，究竟哪一國(guó)更占上風(fēng)?有說中國(guó)吊打外國(guó)，有說外國(guó)輕松把中國(guó)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(dāng)然，中間派肯定說兩國(guó)各有利弊，但這結(jié)論雖然正確卻沒啥營(yíng)養(yǎng)。想要在中外兩國(guó)這個(gè)話題上顯得有見識(shí)，得先搞明白啥是技術(shù)?

核心技術(shù)到底是個(gè)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(yīng)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(hào)，土工的跨海大橋，小胡子的鼠式坦克，甚至包括中國(guó)長(zhǎng)城和埃及金字塔。打個(gè)比方，這有點(diǎn)像吉尼斯紀(jì)錄：最長(zhǎng)的頭發(fā)，最長(zhǎng)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(yīng)用技術(shù)。

比如這種架橋機(jī)，幾個(gè)工業(yè)大國(guó)都能搞，但搞出來只能當(dāng)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(dòng)各種燒錢的應(yīng)用技術(shù)井噴，賺了錢又可以孜孜不倦地完善各種細(xì)節(jié)，于是，可以不吹牛的說，中國(guó)的應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)和整個(gè)外國(guó)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(shí)間技術(shù)”，任何牛逼設(shè)備，你拼命往細(xì)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(xué)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(dòng)機(jī)，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(shí)，油門踩狠了就得散架，無論是航天發(fā)動(dòng)機(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)，只要帶個(gè)“機(jī)”字，土工腰桿都有點(diǎn)軟(可翻看前文《材料之殤：難產(chǎn)中國(guó)心》)。

材料技術(shù)除了燒錢、燒時(shí)間，有時(shí)還要點(diǎn)運(yùn)氣。還是以發(fā)動(dòng)機(jī)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(chǔ)量大約2500噸，主要分布在歐美，70%用來做發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片，這種戰(zhàn)略物資，妥妥被美帝禁運(yùn)。前幾年在陜西發(fā)現(xiàn)一個(gè)儲(chǔ)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(guó)，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(cè)等。據(jù)說，土工前幾年也對(duì)美帝禁運(yùn)，逼得美帝拿錸交換，外加陜西安徽刨出來的那點(diǎn)錸，J20的發(fā)動(dòng)機(jī)才算有些眉目。

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

光學(xué)晶體，土工的部分產(chǎn)品還能對(duì)美帝實(shí)施禁運(yùn)，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(dòng)外形，得益于錢學(xué)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(huì)發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用寬泛的基礎(chǔ)性材料，中國(guó)還是落后外國(guó)，應(yīng)用相對(duì)較窄的細(xì)分領(lǐng)域，中國(guó)逐漸領(lǐng)跑。

小盆友們坐端正，重點(diǎn)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(shè)備，進(jìn)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(guó)內(nèi)完全空白，52%依賴進(jìn)口，在高端機(jī)床、火箭、大飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)等尖端領(lǐng)域比例更懸殊，零件雖然實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)，但生產(chǎn)零件的設(shè)備95%依賴進(jìn)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(guó)仍把中國(guó)摁在地上”，一點(diǎn)都不過分。這其實(shí)很容易理解，畢竟發(fā)家時(shí)間不長(zhǎng)，而材料技術(shù)不但要燒錢，更要燒時(shí)間。

這里得強(qiáng)調(diào)一下，應(yīng)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(huì)實(shí)際情況的結(jié)合，雖然外國(guó)有能力燒，但也許一輩子都沒機(jī)會(huì)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(qiáng)行燒錢，后果參照老毛子。

磨嘰半天，該回正題了，半導(dǎo)體芯片之所以難，是因?yàn)樗坏婕昂Ａ繜X的應(yīng)用技術(shù)，還有眾多燒錢燒時(shí)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(xué)

很多文盲覺得量子力學(xué)只是一個(gè)數(shù)學(xué)游戲，沒有應(yīng)用價(jià)值，呵呵，下面咱給計(jì)算機(jī)芯片尋個(gè)祖宗，請(qǐng)看示范：

導(dǎo)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(dǎo)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(shí)，會(huì)有很多相同的電子混到一起，但量子力學(xué)認(rèn)為，2個(gè)相同電子沒法待在一個(gè)軌道上，于是，為了讓這些電子不在一個(gè)軌道上打架，很多軌道就分裂成了好幾個(gè)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(xì)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(dòng)，有些寬軌道空曠的很，電子就可自由移動(dòng)。電子能移動(dòng)，宏觀上表現(xiàn)為導(dǎo)電，反過來，電子動(dòng)不了就不能導(dǎo)電。

好了，我們把事情說得簡(jiǎn)單一點(diǎn)，不提“價(jià)帶、滿帶、禁帶、導(dǎo)帶”的概念，準(zhǔn)備圈重點(diǎn)!

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

但很多時(shí)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(dǎo)電了。但如果空隙的寬度在5ev之內(nèi)，給電子加個(gè)額外能量，也能跨到空軌道上，跨過去就能自由移動(dòng)，也就是導(dǎo)電。這種空隙寬度不超過5ev的固體，有時(shí)能導(dǎo)電有時(shí)不能導(dǎo)電，所以叫半導(dǎo)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(dāng)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(xué)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(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)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(xué)術(shù)點(diǎn)說，取決于價(jià)帶和導(dǎo)帶之間的禁帶寬度。

半導(dǎo)體離芯片原理還很遙遠(yuǎn)，別急。

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

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

下面有點(diǎn)燒腦細(xì)胞。

基于一些簡(jiǎn)單的原因，科學(xué)家用硅作為半導(dǎo)體的基礎(chǔ)材料。硅的外層有4個(gè)電子，假設(shè)某個(gè)固體由100個(gè)硅原子組成，那么它的滿軌道就擠滿了400個(gè)電子。這時(shí)，用10個(gè)硼原子取代其中10個(gè)硅原子，而硼這類三價(jià)元素外層只有3個(gè)電子，所以這塊固體的滿軌道就有了10個(gè)空位。這就相當(dāng)于在擠滿人的公交車上騰出了幾個(gè)空位子，為電子的移動(dòng)提供了條件。這叫P型半導(dǎo)體。

同理，如果用10個(gè)磷原子取代10個(gè)硅原子，磷這類五價(jià)元素外層有5個(gè)電子，因此滿軌道上反而又多出了10個(gè)電子。相當(dāng)于擠滿人的公交車外面又掛了10個(gè)人，這些人非常容易脫離公交車，這叫N型半導(dǎo)體。

現(xiàn)在把PN這兩種半導(dǎo)體面對(duì)面放一起會(huì)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(chǎng)平衡為止，這就是大名鼎鼎的“PN結(jié)”。(動(dòng)圖來自《科學(xué)網(wǎng)》張?jiān)频牟┪?

這時(shí)候再加個(gè)正向的電壓，N型半導(dǎo)體那些額外的電子就會(huì)源源不斷跑到P型半導(dǎo)體的空位上，電子的移動(dòng)就是電流，這時(shí)的PN結(jié)就是導(dǎo)電的。

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

當(dāng)然，實(shí)際上還是會(huì)有微弱的電子移動(dòng)，但和正向電流相比可忽略不計(jì)。

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(dǎo)線，就是二極管：

有了二極管，隨手搭個(gè)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(huì)順著A那條線流出，F(xiàn)端就沒了電壓;如果AB同時(shí)加電壓，電流就會(huì)被堵在二極管的另一頭，F(xiàn)端也就有了電壓。假設(shè)把有電壓看作1，沒電壓看作0，那么只有從AB端同時(shí)輸入1，F(xiàn)端才會(huì)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(gè)輸入1，F(xiàn)端就會(huì)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(yuǎn)了。你可以設(shè)計(jì)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(jiǎn)單舉個(gè)例子，給第二個(gè)和第四個(gè)輸入端加電壓，相當(dāng)于輸出0101，經(jīng)過特定的電路，輸出端可以變成1010，即第一個(gè)和第三個(gè)輸出端有電壓。

我們來玩?zhèn)€稍微復(fù)雜一點(diǎn)的局：

左邊有8個(gè)輸入端，右邊有7個(gè)輸出端，每個(gè)輸出端對(duì)應(yīng)一個(gè)發(fā)光管。從左邊輸入一串信號(hào)：00000101，經(jīng)過中間一堆的電路，使得右邊輸出另一串信號(hào)：1011011。1代表有電壓，0代表無電壓，有電壓就可以點(diǎn)亮對(duì)應(yīng)的發(fā)光管，即7個(gè)發(fā)光管點(diǎn)亮了5個(gè)，于是，就得到了一個(gè)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(jìn)行1+1的加法運(yùn)算，其電路的復(fù)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(shè)計(jì)電路的運(yùn)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(gè)開關(guān)，7000只電阻，10000只電容，50萬條線組成了一個(gè)超級(jí)復(fù)雜的電路，誕生了人類第一臺(tái)計(jì)算機(jī)，重達(dá)30噸，運(yùn)算能力5000次/秒，還不及現(xiàn)在手持計(jì)算器的十分之一。不知道當(dāng)時(shí)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(jiǎn)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。