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  • 盤點我國的核心芯片技術(shù)
    盤點我國的核心芯片技術(shù)
  • 盤點我國的核心芯片技術(shù)
  •   發(fā)布日期: 2018-09-16  瀏覽次數(shù): 1,222

    在中國和“外國”這兩國的較量中,究竟哪一國更占上風?有說中國吊打外國,有說外國輕松把中國摁在地上摩擦,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。

     

    當然,中間派肯定說兩國各有利弊,但這結(jié)論雖然正確卻沒啥營養(yǎng)。想要在中外兩國這個話題上顯得有見識,得先搞明白啥是技術(shù)?

    核心技術(shù),到底是個啥?

    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,中國的跨海大橋,小胡子的鼠式坦克,甚至包括長城和埃及金字塔。打個比方,這有點像吉尼斯紀錄:最長的頭發(fā),最長的指甲,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)。

    比如上圖這種架橋機,幾個工業(yè)大國都能搞,但搞出來只能當玩具,只有中國搞出來才賺錢。

    我國在經(jīng)濟發(fā)展起來之后,迸發(fā)出海量需求,推動各種燒錢的應(yīng)用技術(shù)井噴,賺了錢又可以孜孜不倦地完善各種細節(jié),于是,可以不吹牛的說,中國的應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)和整個外國平起平坐。

    第二類技術(shù)暫且叫“不可山寨技術(shù)”,或者叫“燒錢燒時間技術(shù)”,任何牛逼設(shè)備,你拼命往細拆,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)動機,工業(yè)皇冠上的明珠,是我國最遭人詬病的短板。其核心技術(shù)說白了就是渦輪葉片不夠結(jié)實,油門踩狠了就得散架,無論是航天發(fā)動機、航空發(fā)動機、燃氣輪機,只要帶個“機”字,我們腰桿都有點軟。

    材料技術(shù)除了燒錢、燒時間,有時還要點運氣。還是以發(fā)動機為例:金屬錸,這玩意兒和鎳混一混,做出的渦輪葉片吊炸天,錸的全球探明儲量大約2500噸,主要分布在歐美,70%用來做發(fā)動機渦輪葉片,這種戰(zhàn)略物資,妥妥被美帝禁運。

    前幾年在陜西發(fā)現(xiàn)一個儲量176噸的錸礦,可把國人樂的,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,所以和“磁”相關(guān)的技術(shù),我們比美帝還能嘚瑟,比如核聚變、太空暗物質(zhì)探測等。

    據(jù)說,我國前幾年也對美帝禁運,逼得美帝拿錸交換,外加陜西安徽刨出來的那點錸,J20的發(fā)動機才算有些眉目。

    作為“工業(yè)之母”的高端機床,我們基本和男國足一個水平,只能仰望日本德國瑞士。

    材料是最大的限制之一,比如,高速加工時,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,所以對加工精度要求極高的活,國人還是望“洋”興嘆。

    光學晶體,我國的部分產(chǎn)品還能對美帝實施禁運,所以和光相關(guān)的技術(shù)都不弱,比如激光武器、量子通信。氣動外形,得益于錢學森那輩人的積淀,與之相關(guān)的技術(shù)也是杠杠的。

    如果我們繼續(xù)羅列,就會發(fā)現(xiàn),應(yīng)用寬泛的基礎(chǔ)性材料,中國還是落后外國,應(yīng)用相對較窄的細分領(lǐng)域,中國逐漸領(lǐng)跑。

    下面,重點來了!

    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%國內(nèi)完全空白,52%依賴進口,在高端機床、火箭、大飛機、發(fā)動機等尖端領(lǐng)域比例更懸殊,零件雖然實現(xiàn)了國產(chǎn),但生產(chǎn)零件的設(shè)備95%依賴進口。

    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“外國仍把中國摁在地上”,一點都不過分。這其實很容易理解,畢竟發(fā)家時間不長,而材料技術(shù)不但要燒錢,更要燒時間。

    這里得強調(diào)一下,應(yīng)用技術(shù)并不比核心技術(shù)次要,它需要資金、需求和社會實際情況的結(jié)合,雖然外國有能力燒,但也許一輩子都沒機會燒。

    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,是因為它不但涉及海量燒錢的應(yīng)用技術(shù),還有眾多燒錢燒時間的材料技術(shù)。為了便于大家理解,這話得從原理說起。

    芯片原理和量子力學

    很多人覺得量子力學只是一個數(shù)學游戲,沒有應(yīng)用價值,呵呵,下面咱給計算機芯片尋個祖宗,請看示范:

    導(dǎo)體,咱能理解,絕緣體,咱也能理解,我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,會有很多相同的電子混到一起,但量子力學認為,2個相同電子沒法待在一個軌道上。

    于是,為了讓這些電子不在一個軌道上打架,很多軌道就分裂成了好幾個軌道,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,有些寬軌道空曠的很,電子就可自由移動。電子能移動,宏觀上表現(xiàn)為導(dǎo)電,反過來,電子動不了就不能導(dǎo)電。

    好了,我們把事情說得簡單一點,不提“價帶、滿帶、禁帶、導(dǎo)帶”的概念,準備圈重點!

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

    但很多時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),給電子加個額外能量,也能跨到空軌道上,跨過去就能自由移動,也就是導(dǎo)電。

    這種空隙寬度不超過5ev的固體,有時能導(dǎo)電有時不能導(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,學術(shù)點說,取決于價帶和導(dǎo)帶之間的禁帶寬度。

    半導(dǎo)體離芯片原理還很遙遠,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)上沒有任何進展,絕緣體的命運也差不多。

    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。

    下面有點燒腦細胞。

    基于一些簡單的原因,科學家用硅作為半導(dǎo)體的基礎(chǔ)材料。硅的外層有4個電子,假設(shè)某個固體由100個硅原子組成,那么它的滿軌道就擠滿了400個電子。

    這時,用10個硼原子取代其中10個硅原子,而硼這類三價元素外層只有3個電子,所以這塊固體的滿軌道就有了10個空位。這就相當于在擠滿人的公交車上騰出了幾個空位子,為電子的移動提供了條件。這叫P型半導(dǎo)體。

    同理,如果用10個磷原子取代10個硅原子,磷這類五價元素外層有5個電子,因此滿軌道上反而又多出了10個電子。相當于擠滿人的公交車外面又掛了10個人,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)體面對面放一起會咋樣?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,一直到電場平衡為止,這就是大名鼎鼎的“PN結(jié)”。(動圖來自《科學網(wǎng)》張云的博文)

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

    如果加個反向的電壓呢?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電場,直至抵消外加的電壓,電子就不再繼續(xù)移動,此時PN結(jié)就是不導(dǎo)電的。

    當然,實際上還是會有微弱的電子移動,但和正向電流相比可忽略不計。

    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,電流就會順著A那條線流出,F(xiàn)端就沒了電壓;如果AB同時加電壓,電流就會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端同時輸入1,F(xiàn)端才會輸出1,這就是“與門電路”,

    同理,把電路改成這樣,那么只要AB有一個輸入1,F(xiàn)端就會輸出1,這叫“或門電路”:

    現(xiàn)在有了這些基本的邏輯門電路,離芯片就不遠了。你可以設(shè)計出一種電路,它的功能是,把一串1和0,變成另一串1和0。

    簡單舉個例子,給第二個和第四個輸入端加電壓,相當于輸出0101,經(jīng)過特定的電路,輸出端可以變成1010,即第一個和第三個輸出端有電壓。

    我們來玩?zhèn)€稍微復(fù)雜一點的局:

    左邊有8個輸入端,右邊有7個輸出端,每個輸出端對應(yīng)一個發(fā)光管。從左邊輸入一串信號:00000101,經(jīng)過中間一堆的電路,使得右邊輸出另一串信號:1011011。

    1代表有電壓,0代表無電壓,有電壓就可以點亮對應(yīng)的發(fā)光管,即7個發(fā)光管點亮了5個,于是,就得到了一個數(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!

    如果你想進行1+1的加法運算,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)計電路的運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個開關(guān),7000只電阻,10000只電容,50萬條線組成了一個超級復(fù)雜的電路,誕生了人類第一臺計算機,重達30噸,運算能力5000次/秒,還不及現(xiàn)在手持計算器的十分之一。

    不知道當時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。

     


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