造“芯”之路（01）启程：从继电器到集成电路

来源：Me工程师

前言

在刚刚过去的几年，随着逆全球化思潮的发酵，国际贸易受到了很大影响，一些国家实施的长臂管辖也让国人对芯片重要性的认识上升到了前所未有的高度。大家见面都在谈论，咱们能不能打赢这一仗？中国什么时候有自己的光刻机？华为的麒麟芯片还能不能生产？

显然，芯片已经成为现代社会生活中不可或缺的一部分。从城市公共基础设施到飞机、火车和汽车等交通工具，从商场、银行的业务系统到各种家用电器，无一不是受到芯片控制。前沿科技的发展，比如5G、自动驾驶、太空飞船、人工智能、元宇宙等等，也都依赖于芯片技术的持续创新。

芯片究竟是什么？芯片是如何制造出来的？为什么会有“卡脖子”的问题？中国的芯片产业如何破局？有哪些前沿技术值得关注？这就是《造“芯”之路》系列专题要大家探讨的内容。

首先，让我们回顾历史，探寻芯片的起源，搞清楚芯片的本质。

继电器

众所周知，电子元器件都是用二进制来编码和处理信息的，这是因为电路的“开”和“关”非常适于表示“0”和“1”两种状态。那么，如何控制元器件中电路的开关状态呢？19世纪30年代，美国科学家约瑟夫·亨利（Joseph Henry）通过其发明的继电器解决了这一问题。为了纪念他，电感的单位就以他的名字命名。

图1.约瑟夫·亨利

如下图所示，继电器可以看成由上端和下端两套装置组成。在下端，有一个开关可以控制电流的通断，进而决定着一个电磁铁的状态——有磁性和无磁性。在电磁铁的上方，有一个长长铁片——衔铁臂——安装在支架上，它可以上下自由活动。平时，也就是电磁铁没有通电产生磁力的时候，它被一根弹簧拉着，以免与电磁铁挨在一起。一旦下端的开关闭合，衔铁臂就会被电磁铁吸引从而接通上端的电路；当下端开关断开，电磁铁失去磁性，衔铁臂又在弹簧的牵引下回到原来的位置从而断开了上端的电路。

图2.继电器原理

继电器可以通过电流把一端的信息传递到另一端，即下端开关的闭合可以控制上端开关的闭合。更让人着迷的是，通过对继电器稍作改动加上串联或并联的方式组合使用，很容易实现布尔代数中的 “与”、“或”、“非”计算，进而搞定各种复杂的信息处理。最早发现这一点的是信息论的创始人克劳德•艾尔伍德•香农（Claude Elwood Shannon）。1938年，他在其硕士学位论文《继电器与开关电路的符号分析》中把布尔代数、开关电路和继电器联系到了一起，奠定了数字电路的理论基础。

图3.克劳德•艾尔伍德•香农

有了继电器和数字电路的理论，人们开始尝试发明用电驱动的计算机，比如哈佛大学的一个团队于1944年建成的 “马克1号”。由于大量地使用了继电器作为其核心部件，被称为电动机械计算机，以区别于后来的电子计算机。

图4.马克1号

（摄影：秦建军）

上手操作后，人们发现继电器有着很大的缺陷。因为它是机械式的，工作时需弯曲一个金属簧片，不仅响应时间长，而且工作久了容易折断。此外，如果有一小片污垢或纸片粘在触点之间，继电器也会失效。一个著名的事件发生在1947年，正在运行中的“马克2号”计算机出了故障，原因是一只蛾子飞到了一个继电器里面。操作人员用胶条把这只蛾子贴到了工作日志中，并记录到“这是发现的第一只虫子（This is the first actual bug found）。”从此，用“bug”来表示“一个程序里的错误”，成为IT领域的一个习惯说法。

电子管

如图所示，电子管由外部的玻璃壳体、内部的电极及连接电极的管脚构成。为了有利于游离电子的流动，玻璃壳体内部被抽为真空，所以电子管也被称为真空管。它改变状态（开关闭合或断开）的速度比继电器快1000倍——每百万分之一秒（即1微秒）就可以跳变一次。

图5.电子管

于是，人们开始使用电子管来替换继电器，从而将计算机“电子化”。其中，最为出名就是1945年底建成的ENIAC，占地约170平方米，大约30吨重，使用了近18000个电子管，每秒可以执行5000次加法或400次乘法，是继电器计算机的1000倍、手工计算的20万倍。

图6.ENIAC

虽然电子管的使用极大提升了计算效率，让计算机真正进入了电子时代，但它同样存在不小的缺陷。且不说价格昂贵、耗电量大、预热时间长、产生热量多，更麻烦的地方在于电子管极易被烧毁，寿命太短。那个年代，有收音机的人都习惯于定期更换电子管，电话系统也设计成有许多冗余的电子管（这样以来，烧掉一些也还能运转）。然而，计算机这类复杂设备拥有的电子管数量过于庞大。不难想象，每隔几分钟就要烧坏一个电子管，维护起来需要耗费多少人力、物力和时间？

晶体管

1947年，贝尔实验室的一项发明——晶体管——横空出世，被人们称为20世纪最重要的发明之一。它的三个发明者——威廉·肖克利（William Bradford Shockley）、约翰·巴丁 (John Bardeen)和沃尔特·布拉顿（Walter Houser Brattain)——共同获得了1956年的诺贝尔物理学奖。

晶体管是用半导体材料（硅元素、锗元素以及一些化合物）制成的。之所以叫“半导体”，是因为可以通过加入杂质来调节其导电性：比如，含有磷的称作N型（negative）半导体，含有硼的称作P型（positive）半导体。

把一个P型半导体夹在两个N型半导体之间，可以使之成为一个放大器，这就是著名的NPN晶体管。如图所示，当栅极没有电压时，源极和漏极之间的沟道电子很少，电阻比较大，源极和漏极无法导通；但只要对栅极加上微小的电压，由于电场的吸引，电子就会聚集在源极和漏极之间的沟道内，使得电阻减小，源极和漏极导通。

图7.晶体管原理

可以说，晶体管开创了固态电子器件的时代，即不再需要真空而是使用固体制造，尤其是使用常见的硅元素来制造。除了体积比电子管更小、无需预热之外，晶体管耗电极少，产生的热量也少，非常可靠耐用。

集成电路

为了把更多的晶体管、导线及其它器件高效地连接起来，德州仪器公司的杰克·基尔比（Jack Kilby）和仙童半导体公司的罗伯特·诺伊斯（Robert Noyce）分别独立设计出了集成电路。在集成电路中，所有元件在结构上已组成一个整体，使电子元件向着微小型化、低功耗、智能化和高可靠性方面迈进了一大步。

图8.集成电路

为了对“集成电路”有更加形象的认识，我们可以做个类比：过去的晶体管、导线及其它器件可以看成过去乡村里独立的一间间瓦房、一条条道路和其他配套设施。现在的集成电路相当于把村庄替换为一座楼房，把成百上千的居住单元、消防通道、排污设施等集成到了一起。也许整体占地只有数百平方米，却具有了原来占地上万平方米的居住区的功能！

人们为什么把“半导体+集成电路”叫做“芯片”呢？如图所示，“片”是描述它的形状，而 “芯”指这个东西是电子设备的心脏、大脑、中枢。一个纽扣大小的芯片，内部集成了成千上万个晶体管。由于其本身比较轻薄易碎，需要 “封装”进外壳里加以保护。芯片的背面有密密麻麻的金属引线，少则十几根、几十根，多则几百根，作用就是把芯片电路和外界电路连接起来。

日常生活中，人们往往对芯片有所误解，认为只有像电脑或手机里的CPU才是芯片。其实，CPU属于逻辑芯片，可以做逻辑控制，有运算功能。更多的是各式各样的其他种类芯片，比如像5G、Wi-Fi、蓝牙这种通信芯片，内存、U盘里的存储芯片，还有手机里的陀螺仪和电子秤中测压力的传感芯片等等。

原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=Mzg5MzM1NjY2Mg==&mid=2247484252&idx=1&sn=3b2eaf1c6573e74c0e39fa32cfba8fd5&chksm=c0315c45f746d553eb07c07083aadfcd180129393a75c23bdba04c56e930d73377c8ed52e375&scene=21#wechat_redirect