美国最强大的贸易战武器——沙子

浮云之地2018-06-20 05:55:29

前两个月,与叙利亚战火并起的最大新闻,莫过于美国这伸出的又一个贸易战杀威棒:芯片。


之前大家都在调侃着中美贸易战,美国制裁着中国的各项高科技产品贸易,中国则在制裁美国的农业产品,这到底哪跟哪。


不过伴随着中兴7年禁令过程中的拉锯,已经出动到了国家级的力量进行斡旋,很多人冷静的发现,芯片这来自于沙子的小玩意切切实实的成为了灯塔国的终极手段。


今天就来详细的说说这个终极武器的故事,文章里面会提到芯片为什么来自于沙子计算机又为什么用二进制中兴到底是做什么的售价昂贵的i7成本其实比i3便宜


文章较长,阅读约15分钟,高能预警,文末有福利。


好了,正片开始

?

一、什么是芯片

芯片是什么,这个图片最好理解,自从芯片发明的那天起,现代生活里面处处都是芯片。手机、电脑、电视、冰箱我们一切的电子产品都离不开这个小小的东西。


在我们的记忆里面,芯片也就一个指甲盖那么大,我们看看显微镜底下的芯片是怎么样

这一条条的通路,就是电路

?

这摩天大厦一般的复杂电路,有一个专有名词“集成电路”。


所以芯片,其实指的是一个包含了集成电路的硅片,这些电路正是实现芯片功能的基础。

?

是的,这指甲盖一样大小的芯片里面,有着这么多数不清的电路,但这并不是科幻,而是已经有着半个多世纪历史的工业产品。

?

这些芯片根据使用领域、大小、集成程度都有着不同的分类,例如模拟信号芯片、数字芯片等等之类,像老款电视中的模拟信号转换器就叫模拟信号芯片,而如今处理数字信号的电视则内置了视频芯片、音频芯片等等。

?

我们最常见到的电脑的CPU也是集中程度最高的一种芯片,里面包括了很多模块,可以说是许多芯片同时预留了大家商量好的接口,单个芯片就像我们小时候搭的积木一样,厂家还可以使用许多种不同的芯片组合成更大的一块芯片。

?

这次被美国制裁的中兴,其实做的主要生意就是将不同芯片组合在一起的生意。中兴最大的营收并不是手机,而是商用的基站、机房等基础通信领域的产品,每一个产品里面有着几十上百个不同厂家不同作用的芯片。

?

而美国的制裁,一方面禁止了国内企业采购中兴的成型产品,另一方面更是直接禁止了国内芯片厂家向中兴供货,要知道全世界将近7成的芯片都是美国企业制造的,这样的禁令等于直接切断了中兴的原材料供应,有消息称中兴的存量芯片大概只能供应后续1-2个月的制造需求,可想而知中兴后面的处境之艰难。


顺便说一下,现在手机爱好者们常常提到的SOC,其实也是一种芯片,只不过这个芯片实现了手机里的大部分功能:显示、通讯、计算、声音等等,由于集成度非常高,可以说这个芯片实现了早期电脑中主板、CPU、365bet娱乐_365bet官网平台网址_大陆365bet网址、网卡等绝大部分功能,可以认为这块芯片内置了一个完整的系统,故命名为System-on-a-Chip,简称SOC


好了,让我们回到芯片这个话题,我们知道芯片其实是一个硅片上搭建的集成电路。那么这样的电路是怎么建起来的?


二、电路之谜

?

初中物理告诉我们,一般的物质分为导体、绝缘体,像铁、铜、银这样带着金字旁的元素就叫导体,而我们常见的空气、塑料之类的就叫绝缘体。他们的区别,就是能不能顺利的导电。

?

到我们学电路的时候,我们知道,我们要有一个电源,一条电路和一个电子元件组成,当然,电路也是有方向的。

?

由于绝缘体和导体的存在,在日常的电路中,我们总是需要一个导体的通路,以及和外界断开的绝缘体的存在。就像我们家用的电线,外面总是缠绕着厚厚的一层绝缘橡胶。

?

但是芯片不一样,在我们的记忆里面,芯片也就一个指甲盖那么大,哪里来的电路和绝缘体呢?那就让我们看看显微镜底下的芯片是怎么样吧

这一层层的通路,就是电路,这些电路中由一个个电子元件(晶体管)组合而成,就像我们电路中的开关、灯泡一样。而现在我们民用中的一块GPU芯片,在314平方毫米(也就是3个指甲盖那么大)的区域内集中了72亿个晶体管,这样说还不直观,我们直接看图。

这是目前家用电脑中的一块365bet娱乐_365bet官网平台网址_大陆365bet网址(GTX 1080)的核心芯片,这样看还不直观?

黑色的区域,才是真正的365bet娱乐_365bet官网平台网址_大陆365bet网址芯片的大小,17毫米宽、20毫米长

?

这么小的一块芯片,几十亿个晶体管、数不清的电路,这些电路和晶体管之间为什么能够相互隔绝?他们中间不是应该有绝缘体彼此隔绝吗?

?

在这么小的空间里面,怎么能把导体和绝缘体做的这么接近同时又连接在一起呢?

?

也许我们需要一个东西,它即是导体又是绝缘体,能随意的被我们设置电流导向,需要他导电的地方就自然的形成通路,不需要的地方就让他自己变成绝缘。

?

如果我告诉你人类真的找到了这样一个东西,这不是开玩笑,这也不是科幻,你会不会觉得这个世界简直就像假的一样?

?

对,人类真的找到了,这也是上天赐予了我们最好的一个礼物:沙子。

?

三、上帝的礼物


在初中物理中,老师告诉我们世界万物都是导体和绝缘体,但是正如人世间没有绝对的是与非一样,导体和绝缘体之间的区分也是有着它的界限:半导体。

?

物理学家们把物理的导电性用电阻值来定义它们,多少电阻值以上的物体称作绝缘体,多少电阻值以下的称作导体。

?

一般而言,一个物体的导电性是固定的,也就是我们常见的铁、橡胶;但是,半导体不一样,半导体的电阻值可以被改变,有的半导体受温度控制,低温下是绝缘体,但是加热到高温就变成了导体,还有的半导体受光照控制、受辐射控制,诸如此类。

?

而沙子其中最重要的材料二氧化硅,经过提纯出的硅,就是这个世界上最常见的一种半导体,被誉为上帝的礼物。

?

硅有多么神奇,他简直就是我们能想到的最佳的一种材料:

第一,作为一种半导体,他在纯净的状态下,导电性能一般,但是只需要掺杂少量的硼、磷,导电性能就会成千上万倍的增加变成导体,同时还可以控制导电方向。


第二,纯净的二氧化硅就是一种绝缘体,而且二氧化硅和硅能够形成一个明显的界面分册,导体和绝缘体可以以分子级别的间隔连接在一起


第三,硅的密度非常小,密度2.32-2.34克/立方厘米,还不到铁的三分之一;同时,硅的化学性质非常稳定,常温状态下一直都是固态,熔点甚至超过了1400度,不溶于水、硝酸和盐酸,无毒无害。


这三点还不够,最重要的是硅的来源实在是太广泛了,不像铁还需要去地下开采铁矿石,硅的原材料就是随处可见的石头、沙子,山上、河里面、海里面、内陆的沙漠里面数不清的沙子都是二氧化硅。而且二氧化硅提取成硅的工艺实在是太方便了。


要知道,我们日常生活里的玻璃、水泥、陶瓷都是硅的化合物。


由于所有的芯片工业都是来源于硅的原材料,所以我们世界上最着名的科技中心就以此命名——硅谷

?

而由于硅这种半导体对于芯片工业的巨大作用,芯片行业也被称之为半导体行业。而热爱科幻的我们,经常能在科幻小说中见到的硅基生命,某种程度上也正是对于硅这种材料带给人类巨大的贡献的一种赞美。

?

四、从沙子到芯片


当然,从沙子要制造成一个芯片,需要着非常多的工序,而在这个世界上执牛耳的莫过于美国的英特尔。

?

而英特尔的几个创始人其实继承的是半导体行业的“黄埔军校”仙童公司,这家公司几乎承包了冷战中各项科技计划中所有芯片的制造,包括我们耳熟能详的阿波罗登月计划。

?

而英特尔也不负众望,在后来的几十年中,按照创始人摩尔的预言,一步步的以一个火箭般(褒义)的速度研发崛起,成为了芯片领域的一大霸主。

?

甚至很多人说,世界上的芯片史某种程度上其实就是英特尔的历史。而英特尔最顶尖的技术也都在微处理器或者说中央处理器(也就是我们俗称的CPU)的制造中体现无遗。

?

2012年英特尔官方发布的一个PDF文档(文后有链接)揭秘CPU的制造,下面我们就来一窥究竟:

?

1、沙子到硅

从沙子到CPU,其实就像铁矿石到飞机。

需要很多步骤,而这第一步其实也就是沙子的冶炼。

把沙子(主要成分二氧化硅)加热到熔点以上,用还原剂脱氧后生成纯净的硅,丢入一颗硅晶的种子,旋转拉伸,最后就“生长”出了一个圆柱体的硅锭。


目前的提纯工艺,可获取纯度达到99.999999999%的硅结晶。

成品的硅锭直径有很多种尺寸,图中这个直径300毫米的高4.5米左右的硅锭重达100公斤。现在更先进的工艺已经可以生产直径450毫米的硅锭。


2、切片

圆柱体的硅,和我们认知上的硅片当然还有很大的区别,而这第二部,就是把硅锭切割成像光盘一样1毫米厚的晶圆,当然还有打磨、抛光之类的工艺,就不细说了。


这才是真正芯片的原材料,高贵如英特尔当然是不干这样粗放的生意,他们并不自己生产,而是从第三方厂家那边直接购买这样薄薄的晶圆片。


3、硅片上的摩天大楼

从一个晶圆,到一个布满集成电路的芯片,其实就是类似于一块地皮上盖起一栋摩天大楼。

而这摩天大楼的制造技巧,经过了芯片厂家们几十年来的研究,已经可以盖得越来越快、越来越小也越来越豪华。

?

就像盖房子需要工程机械布置钢筋一样,这小小芯片上的几十亿个电子元件和电路,也需要有相应的工具把他们一一安放上去。

?

天才的科学家们想了一个绝顶聪明的办法,把整个硅片变成一个绝缘体的底座,用工具把硅片上刻出了或深或浅的沟槽,再把需要导电的沟槽内填入铜或者其他导电金属。这个沟槽在这个过程中就变成了最终的电路,而两个相邻沟槽的间距也就是我们常常说的制程,所谓的40nm制程芯片,指的就是刻出来的沟槽最小间距40nm。

?

至于电子元件,则利用硅的半导体特性,利用其他元素掺杂把硅片的某些位置改变成晶体管。

?

这么小的空间,这个工具需要精细而且精确,这个神奇的工具——光,现在英特尔用到的是波长相对最短的13纳米波长的极紫外光。这里需要用到的是荷兰ASML的光刻机。


由于遗憾的是目前国内虽然芯片制程能力已经能做到28纳米级,但是在光刻机这个领域,我们还差距很大,目前自主研发的还是波长193纳米的激光光刻机(注意波长长)。

?

以下的这些流程图,由于涉及太多细节和技术名词,括号内是用盖房子的流程来类比。

分别代表着光刻胶(打地基)、光刻(打模板)、溶解(打混凝土)、离子注入(装水电)、清除光刻胶(拆模板)、电镀(装修)。

?

总结来说,先在硅片上铺一层对光敏感的材料,用光通过一块设计好的电路图案的底片照射在图层上,相当于把底片上的电路临摹到了硅片的光胶上,然后使用别的元素的离子改变设定区域硅片的导电性,最后使用铜离子沉淀形成通路,完成整个集成电路的制造。


4、测试封装

完成了集成电路的制造,主要的硬件方面的就基本完成了。

后面还需要的是测试及封装,在这个过程里面,使用相应的机器测试每块芯片的性能是否达到了预期值,对于芯片里面出现的瑕疵部分进行屏蔽,就算完成了硬件部分的主要工艺了。

?

后续切割成相等大小的芯片,写入芯片的内核软件,把一块块的不同芯片再合成一块完整的更大的芯片——CPU,这个过程就叫做封装。

?

到这个阶段,CPU的整个制造过程就算完成了。

?

最后,还有一个关键的工序叫做等级测试,每块芯片测试关键的指标,给芯片评定一个等级,例如我们常见的i7、i5等等,编好号就可以出厂销售了。


五、商品的逻辑

上面说到了英特尔的处理器,这里要多说几句关于芯片商品的逻辑。

?

在芯片测试、封装的那道工序里面,由于工序的过于精细,所以其实很多时候芯片中电路的错误难以避免,在芯片大规模生产的时候,需要达到某个标准(比如说90%以上的部分都可用)才能称之为优良品,优良品占总产量的比值又称之为良品率。只有达到了优良标准才能被生产出来,达不到的就被废弃掉了。

?

不过,就算达到了优良标准的芯片,也是依然不是完美无缺,也分了1、2、3等,第1等的芯片错误率最少,厂家会把错误的那部分电路屏蔽掉,而第2、第3等的芯片错误的电路更多,厂家则屏蔽的也越多。

?

在最终的出厂写入信息的时候,也会根据错误的多少,“告诉芯片”哪些位置的电路是不能读取的。自然而然,由于第2、第3等的芯片屏蔽的越多,性能也就没这么好了。

?

所以,其实像英特尔的CPU,i9、i7、i5、i3绝大部分都是同样的材料、同样的工艺、同样的生产方式生产出来的,不同的只是在测试的时候,根据错误电路的多少进行了细分。


错误相对最少的那一批次就被封装成了i9,而错误相对最多的那一批次则被封装成了i3。

?

这也是芯片领域最反逻辑的一个结论了,作为错误相对较多的i3,明明需要更多的工艺和时间去屏蔽更多的电路,明明成本其实更高,却卖的最便宜。

?

而且,整个i9、i7、i5、i3的产品线价格,都是英特尔根据市场接受程度做调研后卡住人们的接受进行定价的。

?

最黑暗的是,在工艺越来越好的今天,良品率越来越高,很多时候第2、第3等的芯片越来越少,但是由于i9、i7高额的价格,i5、i3的需求量显着的更多。

于是英特尔很多时候会把第1等能够生产成i9的芯片,强行的屏蔽、封装成了i5甚至i3,这正是芯片商品的销售逻辑,也是这个世界工业产品商品的共有逻辑。

?

而在电脑领域,爱好者们协同主板厂家乐此不疲的与英特尔这样的“奸商”进行了艰苦卓绝的斗争,开核、超频等等专业名词,其实就是在大家发现了厂家的这些“劣迹”后,强行对CPU增加负载,挖掘那些被屏蔽掉电路中潜在的性能。


斗来斗去,乐此不疲。


六、芯片的运行

?

那么生产出的芯片又是怎么运作的呢?

以刚才新鲜出炉的CPU为例,一块CPU芯片里面包括了许许多多的部件,什么运算器、寄存器、控制器等等。要知道一个CPU的官方使用手册就有155页之多,更不用说设计文件积累了英特尔这些公司几十年的技术,所以鉴于篇幅这里就不细说。

?

我们从宏观上理解一下,在中学时代我们就知道计算机使用的是二进制,但是老师很可能没有告诉你为什么要用二进制?

?

一个十进制数字133,用二进制表达就变成了10000101,这要是海量的文字,变成二进制表达不是变成了更海量的数字吗?

?

其实答案也很简单,CPU里面那几十亿个晶体管,只有通电和不通电两种状态,于是我们可以把通电定义为1,不通电定义为0。或者有时候是电流的方向,正和反,也只有两种状态,正是1,反则是0.

?

这样的两种状态正好对应着二进制里的0和1,从而那几十亿个晶体管,就像几十亿个电灯一样,亮和灭交替闪烁着,传递着各种各样的信息,就像眼前的这篇文章一样。

?

而CPU里的各个部件,由根据那些科学家们设计的逻辑电路(门、非门、与非门等等)、架构(X86、ARM等等)简化叠加成了一种计算的规则,从而更加效率的完成0和1 计算。

?

而我们的操作系统、各大软件公司的码农们设计的软件、家电上的按钮,则就是一座桥梁,把我们的需求转换成0和1,传递到芯片里面进行计算返回结果,再转换回通用的语言、媒体进行显示输出。

?

这就是芯片的逻辑。

?

总结来说,我们神奇的硅作为半导体既是0又是1,断电是0,通电是1。可以控制半导体用来表述0和1。有了0和1,就有了二进制语言,有了语言就有了逻辑,有了逻辑就有了电子产品、有了我们的计算机以及我们的信息时代。

?

七、产业链的上下游

?

在刚才说到的这些制造工艺里面,我们还看到了这个芯片产业里面许许多多的中间制造商,而这其中国内企业的影子少之又少。


曾经中芯国际还和台积电有着许许多多纠缠不清的故事,在这个产值巨大的产业链中,依旧被欧美国家牢牢把控着。


八、贸易战的我们

?

虽然来自于地球上最常见的沙子,但是芯片工业其实代表着人类科学技术最高的精华。从芯片设计、测试、制造这其中每一个环节都包含着许多家专业细分的领域。

?

而强如英特尔,也无法独立完成整个芯片的从零到有。这其中是冷战后整个西方世界大大小小的公司走过的很多弯路、很多失败才到了现在这个信息时代;这其中是从亚洲到欧洲再到美国的世界工业体系的紧密合作。

?

更重要的是,在芯片工业领域,不同于普通工业产品,这是一个完完全全的技术密集型产业。和芯片工业相比,互联网行业才是劳动密集型行业。

?

芯片工业的发展需要的是从基础教育到基础工业到科研、材料整个产业链的共同进步。而我们要清楚的认知到,在芯片领域,现在我们和欧美差距很大,而且欧美在芯片发展的路上,设置了数不清的专利门槛和陷阱。

?

所以在被美国制裁的时候,等着我们的是这个芯片进口2600亿美元的行业里数不清的坑,等着我们的是从光刻机到测试软件、从硬件到软件整个生产链的技术封锁。

?

更恐怖的是,建立在几个诺贝尔奖理论基础上的英特尔这样的公司,超过十万员工中有接近1万名博士,在2017年的研发费用更是达到了131亿美元,826亿人民币。要知道,这个价格差不多可以造出5艘辽宁舰了。

?

在我们追赶的路上,对手们并没有停下来等我们,而是更加快速的往前奔跑着。

?

但是,我们并不能退缩,就像航母、大飞机一样,一日不能突破就一日被人掐着脖子,一日不能突破就一日被人一边吃着剪刀差的巨额利润一边制裁我们。


好在,如今芯片制造的工艺已经接近5nm,而到3nm就要重新攻克量子效应的巨大难题,在这个时间点,也许正是追赶的宝贵窗口期。

?

一直都有人说,一个行业被中国人突破的时候,就是这个行业的巨额暴利坍塌的时候,而作为现代文明粮食的芯片工业,恰恰是目前最重要也最关键的这一个,而如今被制裁时手足无措血淋淋的现实也必定会让决策者们更加坚定决心,那一天,也许不会太远。



最后是福利时间


完成此文的时候,正值台北电脑展,英特尔发布了纪念其创立50周年,同时也是其首个x86架构处理器8086诞生40周年的纪念版处理器——i7-8086K。


为了纪念这一里程碑,同时感谢这么多年大家剁手送的钱,英特尔准备送出8086颗i7-8086K处理器(中国大陆独享2000颗),抽奖时间是北京时间2018年6月8日上午8点至6月9日8点,仅限24小时,抽奖地址是

https://game.intel.com/8086sweepstakes/zh/(公众号没法链接,只能手动复制),好了不多说了,大家快去抽奖吧。


PS:最后附上intel的官方CPU制造科普地址

https://newsroom.intel.com/press-kits/from-sand-to-silicon-the-making-of-a-chip/