知乎盐选会员精选文章很多人觉得量子力学只是物理学家的数学游戏，没有什么应用价值，甚至很多外行怀疑量子力学只是物理学家在故弄玄虚。
这回，咱们给计算机芯片寻个祖宗，看看 20 世纪人类最伟大的发明和 20 世纪人类最伟大的理论之间是个什么关系。
导体，咱们能理解；绝缘体，咱们也能理解。同学们第一次被物理课本整懵的，怕是「半导体」这个概念了，所以先帮各位的物理老师，来把这个债给还上。
我们知道原子外层是有电子的，当原子相互紧密连接，组成固体时，就会有很多电子混到一起。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，很多轨道就硬生生分裂成了好几个细轨道。
这么多电子的轨道挤在一起，不小心挨得近了，就变成了宽宽的大轨道。在量子力学里呢，这种细轨道，叫能级，而挤在一起，变成的宽轨道呢，就叫做能带。
有些宽轨道上挤满了电子，电子跟高峰时间的地铁一样，没法自由移动。而有些宽轨道空旷的很，就像车上还有不少空位置，电子就可自由移动。
我来问一个问题，你知道吗为什么有些东西能够导电，有些缺不能呢？这里啊，就可以解释了。电子可以在宽轨道上移动，宏观上就表现为导电，反过来，电子挤满了，动不了，宏观上就表现为不导电。
我们把事情说得简单一点，先不提「价带、满带、禁带和导带」这些概念，直接圈重点。
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。这里多提一嘴，一价金属的导电原理略有不同，它的满轨道上原本就不太满，所以电子不用跑到空轨道也能移动。
但很多时候两条宽轨道之间呢，是有空隙的，电子单靠自己是跨不过去的，表现为不导电。但如果空隙的宽度在 5 电子伏特，也就是 5ev 之内，给电子加个额外能量，它也能跨到空轨道上，而且跨过去就能自由移动，表现为导电。这种空隙宽度不超过 5 电子伏特的固体，有时电子能跨过去，有时不能，也就是说，有时导电、有时不导电，所以叫做半导体。
如果宽轨道的空隙超过 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，如果你给的能量足够大的话，别说 5ev 的空隙，50ev 都照样跑过去。比如说空气属于绝缘体，而高压电就能击穿空气，从而形成电流。
到这里，由量子力学发展出的能带理论就差不多成型了，能带理论系统地解释了导体、绝缘体和半导体的本质区别，也就是说，这三者取决于满轨道和空轨道之间的间隙。学术点说，取决于价带和导带之间的禁带宽度。
这里有个问题，一旦细轨道变少了，能不能挤成宽轨道就不好说了，所以能带理论本质上是一个近似理论，需要很多原子挤在一起，不适用于由少量原子组成的固体。这也是芯片存在发展瓶颈的根本原因。
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半导体我们知道是怎么回事了，但是它离芯片的原理还很遥远，大家别急。
很明显，像导体的这种直男性格，是没啥好折腾的，所以多少年了，导线依然是铜线，再怎么折腾都没啥本质变化，而另一个极端的绝缘体，它的遭遇其实也差不多。
只有半导体这种暧暧昧昧的性格，最容易搞事情，所以与电子设备相关的如芯片、雷达这些产业，基本都属于半导体产业。
说到下面有点烧脑细胞。
经过计算筛选，科学家选择了用硅来作为半导体的基础材料。
硅的外层有 4 个电子，假设某个固体由 100 个硅原子组成，那么它的满轨道就挤满了 400 个电子，这时电子挤得满满的，无法移动。这时，用 10 个硼原子取代其中 10 个硅原子，硼这类三价元素外层只有 3 个电子，所以这块固体的满轨道就有了 10 个空位。这就相当于在挤满人的公交车上腾出了几个空位子，为电子的移动提供了条件。这种类型的材料，我们叫它 P 型半导体。
同理，如果用 10 个磷原子取代 10 个硅原子，磷这类五价元素外层有 5 个电子，因此满轨道上反而又多出了 10 个电子。相当于挤满人的公交车外面又挂了 10 个人，这些人非常容易脱离公交车，这种材料我们叫他 N 型半导体。
现在把 PN 这两种半导体面对面，放在一起会怎么样？不用想也知道，挂在公交车外面的 10 个人肯定会跑到另一辆公交车的空位上。也就是说，N 型那些额外的电子必然是往 P 型那些空位上跑去，直到电场平衡为止，这就是大名鼎鼎的「PN 结」。
这时候，咱们再加个正向的电压，N 型半导体那些额外的电子就会源源不断跑到 P 型半导体的空位上，电子的移动就是电流，这时的 PN 结就是导电的。
如果加个反向的电压呢？让本来就有空位的公交上，再把人往另一辆坐满挂票的人的车上送。那肯定就不容易上车了。而且从 P 型半导体那里再抽电子到 N 型半导体，随着坐挂票的电子越来越多，电场就会不断增强，一直到抵消了外加的电压为止，这时电子就不再继续移动，此时的 PN 结呢，就是不导电的。
当然了，这是理论的理想情况，实际上还是会有微弱的电子移动，但跟正向电流相比呢，这个可以忽略不计。
说到这里，如果你已经被整晕了，没关系，我用普通人类的语言总结一下：PN 结具有单向导电性，也就是说，电流只能从 A 流向 B，无法从 B 流向 A。
我们现在已经有了单向导电的 PN 结，然后呢？把 PN 结两端接上导线，我们就合成了一个重要道具：二极管。
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有了二极管，通过组合，就能搭出一个电路来。在这个电路里，有两路输入，一路输出，然后就可以实现这么一个功能：只要其中一路输入有电压，输出就有电压，这叫或门电路，或者的或，大门的门。
改一改就可以变成这样：必须要两路都输入电压，输出端才会有电压，这叫与门电路。这类电路叫逻辑门电路。
现在有了这些逻辑门电路，咱们啊，离芯片就不远了。你可以设计出一种电路，它拥有一大堆的逻辑门电路，有很多输入端和输出端，然后把有电压看作 1，没电压的看作 0，这个电路就可以把一串 1 和 0，变成另一串 1 和 0。
一不小心，我们就得到了芯片运算的本质：把一串 1,0，变成另一串 1,0。
简单举个例子，某个电路左边 4 根线作为输入，右边 4 根线作为输出，现在左边输入 1010，也就是在第 1 根和第 3 根线上加电压，那么，右边就会输出 0101，也是第 2 根和第 4 根线有电压，这就算完成了一次运算。
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我们来玩个稍微复杂一点的局，把左边的输入线增加到 8 根，接上键盘，右边的输出线增加到 7 根，接上发光管，7 个发光管组成一个数字 8。通过逻辑门电路的巧妙安排，键盘就可以控制发光管的发亮顺序。
终于，我们已经搞定了数字是如何显示的！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，即便老师我亲自出手，设计的电路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 万条导线组成了一个超级复杂的电路，诞生了人类第一台计算机。重量呢，挺重的，足足 30 吨，运算能力呢，只有 5000 次每秒，这速度还不及现在手持计算器的十分之一。即便如此，当时的工程师为了安装这堆电路，不知道脑子被搞抽筋了多少回。
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接下来的思路就相对简单了，把这 30 吨的庞然大物，集成到指甲那么大的地方上去。做成了，它就变成了我们现在说的的芯片。
芯片，原料是地球上储量最丰富、最廉价的沙子，也就是二氧化硅，但它的出现，成就了咱们这个星球的科技之巅，从沙子到芯片，最佳逆袭奖颁给它，那可是实至名归！
后来，为了把 30 吨的运算电路体积缩小，聪明的工程师们把能扔的东西全扔了，直接在硅片上制作 PN 结和电路。多么的神奇呀！
那么，下面从硅片出发，我们就来聊聊芯片的逆袭之路。
第一步：硅
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把硅石氯化之后再蒸馏，我们可以得到纯度很高的硅。不过这种硅原子排列混乱，会影响电子运动，我们叫它多晶硅吧。
把多晶硅熔化了，按特定方法旋转提拉，就可以得到原子排列整齐的单晶硅。
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硅的主要评判指标是纯度，你想想，如果硅原子之间有一堆杂质，那电子就别想在满轨道和空轨道之间跑顺畅。
无论啥东西，纯度越高制造难度越大。用于太阳能发电的高纯硅要求 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。而芯片用的电子级高纯硅要求 99.999999999%（ 11 个 9），目前我国几乎全部都需要进口，直到 2018 年江苏的鑫华公司实现了量产，鼓掌!只是目前产量少得可怜，还不及进口的一个零头。不过,鑫华的高纯硅出口到了韩国这个半导体强国，所以他们的品质应该是很不错的。先别高兴，再来一盆冷水，目前他们 30% 的制造设备还得进口。
电子级高纯硅的传统霸主依然是德国 Wacker 和美国 Hemlock（美日合资），中国还有很长的路要走。
第二步：咱们说说晶圆
把单晶硅的圆柱切片，就能得到了圆形的硅片，也就是大家说的「晶圆」。
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切好之后，就要在晶圆上把成千上万的电路装起来的，干这活的地方呢叫做「晶圆厂」。
各位拍拍脑袋仔细想想，以目前人类的技术，怎样才能完成这种神奇的操作呢？
难道是原子操纵术？想多了，朋友！这可不是修仙，哪怕你到练成御剑飞行，元婴大成，人类还不见得能操纵一个一个原子来组成各种器件呢。
晶圆加工的过程相当繁琐，这里我们就先说个大概轮廓，专业人士就别挑刺了。
首先我们在晶圆上要涂一层感光材料，这种材料见光就融化，那光从哪里来？当然是光刻机了，光刻机可以用非常精细的光线，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进行冲刷，裸露部分的晶圆就会被刻出很多沟槽。这套设备就叫刻蚀机。然后，我们再用离子注入机在刻出来的沟槽里掺入磷元素，加热退火处理，就得到了一堆 N 型半导体。
完成之后，把晶圆清洗干净，重新涂上感光材料，用光刻机刻图，用刻蚀机刻上沟槽，再用离子注入机撒上硼元素，当当，咱们就有了 P 型半导体。
整个过程有点像 3D 打印，把器件一点点一层层安装进去。
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大家肯定看到过晶圆的图片。一块晶圆上的一个个排列整齐的小方块就是芯片。一块晶圆可以做很多个芯片。芯片放大了看就是成堆成堆的电路，这些电路其最底层都是简单的门电路。他们并不比那台 30 吨重的计算机的电路更高明，但是由于采用了更多的器件，组成了更庞大的电路，其运算性能自然就提高了。
在这里有些同学可能会有个疑问：为什么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？
这个问题其实很有意思。我们来算个账，比如说，7nm 工艺可以在 1 平方厘米的面积上安装 100 亿个晶体管，而 10nm 工艺大约是 50 亿个，所以这笔账就很简单了，芯片越小，一张晶圆能切出的芯片就越多，价格自然更划算，在市场上就能死死摁住竞争对手，赚了钱又可以做更多研发，差距就这么拉开了。那你说，咱们芯片是要做大还是做小？
这里说个题外话，中国军用芯片基本实现了自给自足，而且性能杠杠的，因为军用不计较钱嘛！可以把芯片做的比较大的。另外，越大的硅片遇到杂质的概率越大，所以芯片越大良品率越低。总的来说，大芯片的成本远远高于小芯片，不过对军方来说，这些统统都不叫事儿。
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除了成本之外，大芯片的布线比小芯片更长，所以延时也更明显，驱动电流也大 很多，这会导致整体设计更臃肿，性能上还是会吃亏。反正，小芯片就是比大芯片好用。
第三步：来说说架构
用 70 亿个晶体管在指甲盖大小的地方组成电路，想想就头皮发麻！一个路口红绿灯设置不合理，就可能导致大片堵车。电子在芯片上跑来跑去，稍微有个 PN 结出问题，电子同样会堵车。所以芯片的设计异常重要，重要到了和材料技术相提并论的地步。
这么复杂的设计，必须得先有个章法。七十年代，英特尔率先想出了一个好办法：X86 架构。详细内容不提了，简单来说，这架构虽然能耗高点、体积大点，但性能那是嗖嗖的，几乎垄断了电脑芯片市场，成就了如日中天的英特尔。
这相当于，英特尔提出造汽车用 4 个轮子，以后其他人想造 4 个轮子的汽车，就得先付授权费。这尼玛怎么忍，随后英国 ARM 公司提出了 2 个轮子的汽车方案：ARM 架构。
毫无疑问，2 个轮子肯定跑不过 4 个轮子，ARM 架构虽然省电小巧，但性能实在有点寒碜，于是一直被英特尔摁着打。ARM 熬到了九十年代，终于熬不住了，决定不再生产芯片，而是将 ARM 架构授权给其他公司生产，赚点授权费，这才保住了一条命。
人算不如天算，进入 21 世纪，智能手机横空出世，芯片的能耗和体积一下成了关注点，于是 ARM 架构一飞中天，几乎垄断了手机芯片。
这里小结一下：
X86 架构，能耗高、体积大、性能强；
ARM 架构，能耗低、体积小、性能弱。
于是，一个占了电脑，一个占了手机，直到今天，他们仍是主流设计方案。至于其他 3 个轮子或 5 个轮子的汽车，多多少少还是有些劣势，没有形成主流。
前阵曾经有新闻说，中国和 ARM 要成立中方控股的合资公司，ARM 想借此重回芯片制造商的角色。
尽管决定了汽车用几个轮子，距离造出汽车还差得很远，后面的设计依然是漫漫长征路，所以我们还得要有好的设计工具，那就是 EDA 软件。
目前，Synopsys，Cadence，Mentor，三巨头几乎垄断了全球 EDA 市场，一水儿的美帝公司。直到最近，熬了三十年的华大九天终于露头了，这家中国电子信息产业集团的二级公司，连续多年以 50% 的年增长率狂追，算是站稳了脚跟。
虽然借助 EDA 软件的仿真功能可以判断电路设计是否靠谱，但要真正验证这种精巧线路的靠谱程度，只有一种办法，那就是：用！广泛的用！长久的用！正因为如此，芯片设计不光要烧钱，也需要烧时间，属于试错周期较长的核心技术。
既然是核心技术，自然就会发展出独立的公司，所以芯片公司有三类：既设计又制造、只设计不制造、只制造不设计。
第四步：设计制造
但凡要处理信息，基本都有芯片，包括通信芯片、服务器芯片、手机芯片、电脑芯片等等。早期的芯片复杂程度不算夸张，所以设计制造可以在同一家公司完成，最有名的：美国英特尔、韩国三星、日本东芝、意大利法国的意法半导体；中国大陆的华润微电子、士兰微；中国台湾的旺宏电子等。
外国、台湾、大陆三方，大陆的起点最低，早期的产品多集中在家电遥控器之类的低端领域，手机、电脑这些高端芯片几乎空白！
后来随着芯片越来越复杂，设计与制造就分开了，有些公司只设计，成了纯粹的芯片设计公司。如，美国的高通、博通、AMD，中国台湾的联发科，大陆的华为海思、展讯等。
大名鼎鼎的高通就不多说了，世界上一半手机装的是高通芯片，AMD 和英特尔基本把电脑芯片包场了。电脑和手机是芯片市场的两块大蛋糕，全是美国公司，世界霸主真不是吹的。
台湾联发科走的中低端路线，手机芯片的市场份额一度排第三，很多国产手机都用，比如小米、OPPO、魅族。不过后来被高通干得有点惨，销量连连下跌。
华为海思是最争气的，手机处理器芯片麒麟，市场份额随着华为手机的增长排进了前五。个人切身体会，海思芯片的进步真的相当不错。最近华为又推出了服务器芯片鲲鹏 920，5G 基站芯片天罡，5G 基带芯片巴龙 5000，性能都是世界顶级的，隐隐看到了在芯片设计领域崛起的势头。
展讯是清华大学的校办企业，比较早的大陆芯片企业。前段时间传出了不少危机，后来又说是变革的开始，过的很不容易，和世界巨头相差甚多。
大陆还有一批芯片设计企业，晨星半导体、联咏科技、瑞昱半导体等，都是台湾老大哥的子公司，产品应用于电视、便携式电子产品等领域，还挺滋润。
在大陆的芯片设计公司，台湾顶住了小半边天，另大半边天原本是塌着的，现在华为算是撑住了。
还有一类只制造、不设计的晶圆代工厂，这必须得先说台湾最大的企业：台积电。正是台积电的出现，才把芯片的设计和制造分开了。台积电包下了全世界 50% 以上的晶圆代工业务，规模和技术均列全球第一，市值甚至超过了英特尔，成为全球第一半导体企业。
没错，晶圆代工厂又是台湾老大哥的天下，除了台积电这个巨无霸，台湾还有联华电子、力晶半导体等等，在这个领域，连美国韩国都得靠边站。
大陆最大的代工厂是中芯国际，还有上海华力微电子也还不错，但技术和规模都远不及台湾。最近台积电开始布局大陆，落户南京，这几年台资、外企疯狂在大陆建晶圆代工厂，这架势和当年合资汽车有的一拼。
不过，大陆中芯国际的 14nm 生产线刚刚上路，还在尚需努力的阶段。大家还是更愿意把更小制程的芯片交给台积电，它几乎拿下了全球 70% 的 28nm 以下代工业务。
目前美国、韩国、台湾已具备 7nm 的加工能力，最近台积电上线了制程更小的工艺，稳稳压过三星。
说真的，如果大陆能整合台湾的半导体产业，并利用灵活的政策和庞大的市场促进其进一步升级，中国追赶外国的步伐至少轻松一半。现在嘛，因为美国制裁的缘故，咱们中国的芯片制造可以说任重而道远呐！
第五：核心设备
芯片良品率取决于晶圆厂整体水平，但加工精度完全取决于核心设备，就是前面提到的「光刻机」。
说到光刻机，荷兰阿斯麦公司(ASML)横扫天下！不好意思，产量还不高，你们慢慢等着吧！无论是台积电、三星，还是英特尔，谁先买到阿斯麦的光刻机，谁就能率先具备 7nm 工艺。没办法，就是这么强大！
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而日本的尼康和佳能也做光刻机，但技术远不如阿斯麦，这几年被阿斯麦打得找不到北，只能在低端市场抢份额。
阿斯麦是全球唯一的高端光刻机生产商，每台售价至少 1 亿美金起步，你还别嫌贵，想买还得排着队。
既然这么重要，咱不能多出点钱吗？
第一，英特尔、台积电、三星都有阿斯麦的股份，有些时候吧，钱不是万能的；
第二，美帝整了个《瓦森纳协定》，敏感技术不能卖，中国、朝鲜、伊朗、利比亚均是被限制国家。现在么，贸易战、科技战打成这样，更加不可能了。
有意思的是，2009 年上海微电子的 90 纳米光刻机研制成功(核心部件进口)，2010 年美帝允许 90nm 以上设备销售给中国，后来中国开始攻关 65nm 光刻机，2015 年美帝允许 65nm 以上设备销售给中国。
2018 年底有则消息让人惊出一身冷汗，最早中科院只是淡淡说了句光刻项目通过验收，然后铺天盖地的「中国光刻机终于翻身农奴把歌唱」，闹到最后连人民日报都坐不住了，直接批「国产光刻机自嗨文」误导公众，损坏中国科研形象。引一句原文：「这台光刻机要想应用于芯片，还要攻克一系列技术难题，距离还相当遥远。」
相比于光刻机，中国的刻蚀机要好很多，16nm 刻蚀机已经量产运行，7-10nm 刻蚀机也在路上了，所以美帝很贴心的解除了对中国刻蚀机的封锁。
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不过离子注入机又寒碜了，2017 年 8 月终于有了第一台国产商用机，水平先不提了，离子注入机 70% 的市场份额是美国应用材料公司的。涂感光材料得用「涂胶显影机」，日本东京电子公司拿走了 90% 的市场份额。即便是光刻胶这些辅助材料，也几乎被日本信越、美国陶氏等垄断。
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2015 年至 2020 年，国内半导体产业计划投资 650 亿美元，其中设备 投资 500 亿美元，再其中 480 亿美元用于购买进口设备。算下来，这几年中国年均投入 130 亿，而英特尔一家公司的研发投入就超过 130 亿美元。
论半导体设备，中国，任无比重、道无比远啊！
第六：封测
芯片做好后，得从晶圆上切下来，接上导线，装上外壳，顺便还得测试，这就叫封测。
封测又又又是台湾老哥的天下，排名世界第一的日月光，后面还跟着一堆实力不俗的小弟：矽品、力成、南茂、欣邦、京元电子。
大陆的三大封测巨头，长电科技、华天科技、通富微电，混的都还不错。
我在这放一张全景图，大家可以到文字版去看。
这张全景图大概描述了从硅片到芯片的全过程及中国的设备制造商，乃是业内专家所做，值得一看。
说起中国芯片，不得不提「汉芯事件」。2003 年上海交通大学微电子学院院长陈进教授从美国买回芯片，磨掉原有标记，作为自主研发成果，骗取无数资金和荣誉，消耗大量社会资源，影响之恶劣可谓空前！以致于很长一段时间，科研圈谈芯色变，严重干扰了芯片行业的正常发展。
硅原料、芯片设计、晶圆加工、封测，以及相关的半导体设备，绝大部分领域中国还是处于「任重而道远」的状态，那这种懵逼状态还得持续多久呢？
国务院印发的《集成电路产业发展纲要》明确提出，2030 年集成电路产业链主要环节达到国际先进水平，一批企业进入国际第一梯队，产业实现跨越式发展。
从研发的过程来看，需求不缺，资金不缺，只要烧足了时间，没理由烧不出芯片。当前，中国芯片的总体水平差不多处在刚刚实现零突破的阶段，虽然市场份额不多，但每个领域都参了一脚，而且势头不错，前景还是可期待的。
在最后，还是要习惯性地抱怨一下人类科技的幼稚。
芯片，作为大伙削尖脑袋能达到的最高科技水准，作为其根基的能带理论竟然只是个近似理论，电子行为仍然是没法精确计算的。再往大了说，别看现在的技术纷繁复杂，其实就是玩玩电子而已，顶多再加个光子，至于其他几百种粒子，目前还完全不知道怎么玩！
芯片加工精度已经到了 7nm，3 纳米，几年后甚至要达到 1 纳米，可那又如何？你还能继续缩减吗？1nm 差不多就是几个原子而已，那时的量子效应非常显著，作为芯片理论基石的能带理论就不好使了，半导体行业说不定就得在这儿开始内卷，考虑新的发展方向和思路。
所以说烧钱也好，烧时间也罢，烧到尽头就是理论物理。基础科学除了烧钱烧时间，还得烧人，烧的异常惨烈，100 个高智商的科学家，差不多有 99 个都是垫脚石！工程师可以半道出家，但物理学家必须科班出身。我们要在理论物理上有所突破，实在是不易。所以，我们能不能别光去折腾电子了，可不可以把其他粒子，比如中微子也尽快用起来呢？所以，咱们是不是还得忽悠（不不，是呼吁）更多孩子去学基础科学呢？