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看完这个 你还会不会无知高喊快造出“爱国芯”

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。

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。

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。想要在这个话题上显得有见识,得先搞明白啥是技术?

01.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,中国的跨海大桥,小胡子的鼠式坦克,甚至包括长城和埃及金字塔。

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。

比如上图这种架桥机,几个工业大国都能搞,但搞出来只能当玩具,只有中国搞出来才赚钱。

我国在经济发展起来之后,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,是我国最遭人诟病的短板。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,我们腰杆都有点软。

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,可把国人乐的,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,用处很大的。高品位稀土矿大多分布在中国,所以和“磁”相关的技术,我们比美帝还能嘚瑟,比如核聚变、太空暗物质探测等。

据说,我国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,我们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,国人还是望“洋”兴叹。

光学晶体,我国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。

下面,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次要,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。为了便于大家理解,这话得从原理说起。

02.芯片原理和量子力学

很多人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,我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。

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。

03.芯片制造与中国技术

为了把30吨的运算电路缩小,工程师们把多余的东西全扔了,直接在硅片上制作PN结和电路。下面从硅片出发,说说芯片的制作过程和中国所处的水平。

第一:硅

把这玩意儿氯化了再蒸馏,可以得到纯度很高的硅,切成片就是我们想要的硅片。硅的评判指标就是纯度,你想想,如果硅里有一堆杂质,那电子就别想在满轨道和空轨道之间跑顺畅。

太阳能级高纯硅要求99.9999%,这玩意儿全世界超过一半是中国产的,早被玩成了白菜价。

芯片用的电子级高纯硅要求99.999999999%(别数了,11个9),几乎全赖进口,直到2018年江苏的鑫华公司才实现量产,目前年产0.5万吨,而中国一年进口15万吨。

难得的是,鑫华的高纯硅出口到了半导体强国韩国,品质应该还不错。不过,30%的制造设备还得进口……

高纯硅的传统霸主依然是德国Wacker和美国Hemlock(美日合资),中国任重而道远。

第二:晶圆

硅提纯时需要旋转,成品就长这样:

所以切片后的硅片也是圆的,因此就叫“晶圆”。这词是不是已经有点耳熟了?

切好之后,就要在晶圆上把成千上万的电路装起来的,干这活的就叫“晶圆厂”。各位拍脑袋想想,以目前人类的技术,怎样才能完成这种操作?

用原子操纵术?想多了,朋友!等你练成御剑飞行的时候,人类还不见得能操纵一个一个原子组成各种器件。晶圆加工的过程有点繁琐。

首先在晶圆上涂一层感光材料,这材料见光就融化,那光从哪里来?光刻机,可以用非常精准的光线,在感光材料上刻出图案,让底下的晶圆裸露出来。

然后,用等离子体这类东西冲刷,裸露的晶圆就会被刻出很多沟槽,这套设备就叫刻蚀机。在沟槽里掺入磷元素,就得到了一堆N型半导体。

完成之后,清洗干净,重新涂上感光材料,用光刻机刻图,用刻蚀机刻沟槽,再撒上硼,就有了P型半导体。

实际过程更加繁琐,大致原理就是这么回事。有点像3D打印,把导线和其他器件一点点一层层装进去。

这块晶圆上的小方块就是芯片。芯片放大了看就是成堆成堆的电路,这些电路并不比那台30吨计算机的电路高明,最底层都是简单的门电路。

 

只是采用了更多的器件,组成了更庞大的电路,运算性能自然就提高了。

据说这就是一个与非门电路:

提个问题:为啥不把芯片做的更大一点呢?这样不就可以安装更多电路了吗?性能不就赶上外国了嘛?

阿波罗网责任编辑:夏雨荷 来源:“报人刘亚东”公众号 转载请注明作者、出处並保持完整。

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