半导体是怎样炼成的:不起眼的矿物硅,改变整个世界

北京时间12月25日新闻,据外洋媒体报道,说到互联全球的手艺,半导体芯片居功至伟。然则这小小的芯片,究竟是若何走进我们生涯每一处的呢?

从不夜城到偏远墟落,一项手艺正在改变我们生涯和事情的方式。从口袋里的智能手机到支持互联网运作的重大数据中心,从电动踏板车到超音速飞机,从起搏器到展望天气的超级盘算机,不管是看不见的照样鲜为人知的,所有这些装备或设施的内部,都包罗一项使这一切成为可能的细小手艺:半导体。

半导体是现代盘算的基本组成部分。被称为晶体管的半导体装备是在盘算机内部运行盘算的微型电子开关。1947年,美国科学家制作了天下上第一个晶体管。在此之前,人们借助真空管完成盘算机制。但真空管盘算机既慢又粗笨。直到硅的应用,改变了一切。

用硅制造的晶体管,体积足够小,可以安装在微芯片上,从而打开一扇新天下的大门:种种装备层出不穷。每一年,这些装备都在变得更小更智能。半导体工业协会首席执行官约翰·诺弗说:“将晶体管微型化的能力,让我们得以开展前人无法想象的事情。而这一切,皆因我们可以将大型盘算机置于一枚小小的芯片上。”

创新的节奏也史无前例。芯片最先以稳固的速率越变越小,好像这项手艺有纪律可循。约莫五十年前,芯片制造巨头英特尔的团结创始人戈登·摩尔率先提出这个纪律,即厥后所说的摩尔定律。摩尔定律展望,芯片上可容纳的晶体管数目,约每隔两年便会增添一倍。

事实证明,摩尔定律曾经是准确的。直到最近,情形最先有变。当一再缩小晶体管的起劲越来越靠近物理极限时,芯片微型化的措施才有所放缓。早期的晶体管肉眼可见。而现在,一枚微芯片上可容纳数十亿个微型晶体管。最主要的是,这种制造业的指数级提高,推动了数字革命的发生。

然则这场伟大革掷中的焦点元素——硅,却自始至终都是一个无比不显眼的物质,也是地球上最常见的物质之一。地壳中90%的矿物质含有硅。地球上最普遍存在的一种物质,带来了一项遍布全球的手艺,着实有趣。

硅是5000亿美元芯片产业的基础。而该产业则带动了全球科技经济的生长。现在,全球科技经济价值约达3万亿美元。半导体产业也已经成为历史上最全球化的产业之一:原质料来自日本和墨西哥,芯片在美国和中国制造。然后,这些芯片被运送到天下各地,以安装在装备上。最后,装备来到天下各个国家的人手中。

诺弗说:“作为芯片的基础,硅也许会在全球各地流转两到三次。”然则,即便是云云重大的全球网络,我们也可以追本溯源到少数几个主要的地方。

白色黄金

高端电子产物对质料品质的要求也格外高。最纯净的硅来自于石英岩,而最纯净的石英岩来自于美国北卡罗来纳州斯普鲁斯派恩四周的一个采石场。全球数百万的数字装备——甚至你手中的手机或桌上的笔记本——都与北卡罗来纳州的这个小镇有那么一丝一毫的联系。高品质石英供应商Quartz Corp的采矿履历罗夫·皮伯特说:“一想到你可以在险些每一部手机和电脑的芯片上看到来自斯普鲁斯派恩的石英,这真的异常难以想象。”

斯普鲁斯派恩四周的岩石十分稀奇。该区域二氧化硅(一种含硅化合物)含量高,而杂质少。人们在这里开采宝石和云母已有几个世纪。但曾经,挖出来的石英无人问津。等到上世纪八十年代,半导体行业兴起后,石英摇身一变,成了白色黄金。

现在,每吨石英售价高达10000美元。斯普鲁斯派恩的采矿业每年收入可达3亿美元。用机械和炸药从地下提取的岩石被放入破碎机,以产出石英砂砾。随后,石英砂砾被送往加工厂,研磨成细砂。最后,细砂中再加入水和化学物质,将硅与其他矿物星散。提取出来的硅还要经由最后一道研磨工序,然后才气以粉末的形式装袋送往精炼厂。

只管全球有数十亿个微芯片,但每年开采的硅仅3万吨左右,甚至不及美国每小时生产的修建用砂。皮伯特说:“斯普鲁斯派恩的硅储量异常大。这里可以连续开采数十年。可能,还没等我们用完石英,整个行业已经发生变化。”

印刷机

把硅粉酿成芯片,需要将硅质料投入1400℃高温的熔炉举行融化,并制成圆柱形的晶棒。然后,像切黄瓜一样,将晶棒切成薄片,获得晶圆。最后,在工厂里(好比纽约州的Global Foundries),十几个矩形电路——也就是芯片自己——被印刷到每一个晶圆上。从这里最先,芯片将涣散到天下的各个角落。

Global Foundries的无菌室工程师克里斯·贝尔菲说:“我们实在就是一台印刷机,为公司印刷他们想要制造的任何电子装备。”

由于芯片异常细小,所有任何灰尘颗粒或头发丝都可能会损坏芯片的庞大电路。为了防止污染微电子产物,整个车间必须是无菌无尘的。约莫六个足球场巨细的区域,要比手术室还清洁数千倍,并用幽暗的黄色灯光照明,以防止紫外线辐射损坏生产过程中使用的一些化学药品。实验室员工和工程手艺人员穿着怪异的防护服,从头到脚包裹在白色平安服内,口罩和护目镜也戴得严严实实,然后才气最先事情。

在无菌室内,大多数操作由真空密封的机械人自动完成。从屋顶上悬下来的单轨道在机械人之间运送着零部件。凭据设计的差别,每个芯片的制作可能需要1000到2000个步骤。

流进工厂车间的空缺晶圆,每个的成本约莫为数百美元。从车间出来后,这些晶圆将被印刷上数十亿个晶体管。这时候,它们的身价将是原来的一百多倍。Global Foundries制造的芯片大多数用于智能手机或被称为GPU的硬件。电子游戏、人工智能以及挖掘加密钱币,都需要用到GPU。互联装备,从健身跟踪器到智能冰箱和智能音箱等,也就是我们常说的“物联网”,则是另一个正在兴起的终端装备系列。贝尔菲说:“人们希望将越来越多的器械时时刻刻互联在一起。”

下一个阶段,这些制造好的晶圆将被送往通常是位于外洋的电子制造商。“能够为促进全球人民之间的互联做出孝敬,我感应异常自豪。”Global Foundries的中央工程总监伊莎贝尔·弗雷恩说,“每当我看到我们天天使用的电子装备,我都市想到我们正在研究的手艺。”

半导体是美国的第四大出口商品,仅次于飞机、汽车和石油。大部分收入都用于开发新的产物,使得半导体行业与制药行业一样,成为顶级研究型行业。弗雷恩说:“我们正在改变行业,而这个行业将改变天下。”

硅革命

随着半导体越来越小、越来越廉价,现在险些人人都可以用上半导体产物。据估量,全球有跨越50亿人拥有移动装备,其中一半以上为智能手机。生长中国家也正在迎头赶上。

Research ICT Africa是一个聚焦手艺政策的智库。凭据该智库的观察,在非洲,2007年,15岁及以上人口中,使用互联网的比例为15%;十年后的2017年,这个数字增进到了28%。现在,十个非洲人中约莫有两个人拥有智能手机。Research ICT Africa的安里·范·德·斯普伊说:“这主要归功于廉价上网装备的迅速普及。”

这意味着,即便是在大多数的偏远农村区域,人们也能感受到这些手艺带来的影响。纳纽基是东非国家肯尼亚的一个集镇。以小镇上的农民道格拉斯·旺加拉为例,他现在会使用智能手机来寻找农作物的买家。他说:“手机让我的事情变得加倍轻松。”

在他们家边上,有一条河。旺加拉和他的妻子格拉迪斯就在河四周的一片农田里莳植玉米和土豆,并以此为生。在拥有智能手机之前,旺加拉出售他的农产物的唯一方式是将它们拿到墟市上去卖。若是卖不掉,农产物就会变质,他就会赔钱。移动手艺可以辅助他解决这种风险。通过和潜在买家分享他的农作物照片,他可以在玉米或土豆成熟前就杀青买卖。等到收获时节,买家会自己过来把农产物拉走,而不再需要等旺加拉把农产物运到墟市去。这样一来,买家就可以收获新鲜的农产物。旺加拉说,在有智能手机之前,他很难推销自己的农作物。

旺加拉约莫花15000肯尼亚先令,给自己买了一部手机,作为商业投资。除了联系买家之外,他还使用手机来掌握对谋划农场至关主要的信息,好比最新的天气预报和差别农作物的市场价格。凭据全球天气组织Weather Impact的菲欧娜·范·德·博格特举行的研究,更好地获取这类信息,是在肯尼亚和埃塞俄比亚等国家确保历久粮食平安的有用方式。获取准确的天气信息,可以辅助农民判断应该莳植什么庄家,以及在何时莳植庄家。

然则,若是要获取移动数据的话,旺加拉需要前往四周的一个Wifi热门。这个Wifi热门位于一个改装的集装箱内。在都会之外,像这样的热门恰似当地社区的命脉。在许多国家,都会和农村区域之间的互联网接见水平仍存在很大差距。但德国波恩大学研究员所做的研究解释,撒哈拉以南非洲区域的生长轨迹令人欣喜,其中肯尼亚的农民正积极地走在行使移动手艺促进生计的最前沿。

Research ICT Africa的数据显示,肯尼亚是非洲互联网使用率第三高的国家,24%的肯尼亚人口可以上网。然则其他国家仍远远落伍。好比,在卢旺达,仅9%的人口可以接见互联网,是非洲大陆上互联网使用率最低的国家。而在这9%的上网人口中,77%的人口居住在都会。

范·德·斯普伊说,我们需要小心,这种数字鸿沟不会使得人们的生涯变得更糟。她说:“能否上网现在已成为介入社会的先决条件。”好比领取社会福利、求职或孩子上学等等,越来越多的事情都在网上完成。另外,这种数字鸿沟不仅存在于城乡之间。富人比穷人更有可能使用互联网,男子比女人也更有可能使用互联网,年轻人比老年人亦更有可能使用互联网。“若是你无法上网,你就可能会被甩掉。”

随着半导体手艺的不断生长以及越来越多人最先学习数字手艺,这些差距应该会逐渐缩小。智能手机甚至也可以促进一个国家的整体经济。凭据一项研究估量,在生长中国家,每一百人中,每增添十部手机可以使GDP增进0.5%。

鲜有一项手艺可以改变这么多人的生涯。诺弗说,我们将简朴纯粹的石英砂酿成险些无限庞大的手艺,又用这手艺在今天让人人互联,光是想想,这就令人十分激动。

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