-半导体:不起眼的矿物硅,改变整个世界
来源:新浪科技
发布时间:2020-12-25
浏览次数:749
-半导体:不起眼的矿物硅,改变整个世界

 

  说到互联全球的技术,半导体芯片居功至伟。但是这小小的芯片,究竟是如何走进我们生活每一处的呢?

  从不夜城到偏远乡村,一项技术正在改变我们生活和工作的方式。从口袋里的智能手机到支持互联网运作的庞大数据中心,从电动踏板车到超音速飞机,从起搏器到预测天气的超级计算机,不管是看不见的还是鲜为人知的,所有这些设备或设施的内部,都包含一项使这一切成为可能的微小技术:半导体。

 

  半导体是现代计算的基本组成部分。被称为晶体管的半导体设备是在计算机内部运行计算的微型电子开关。1947年,美国科学家建造了世界上第一个晶体管。在此之前,人们借助真空管完成计算机制。但真空管计算机既慢又笨重。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,从而打开一扇新世界的大门:各种设备层出不穷。每一年,这些设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工作。而这一切,皆因我们可以将大型计算机置于一枚小小的芯片上。”

 

  创新的节奏也史无前例。芯片开始以稳定的速度越变越小,仿佛这项技术有规律可循。大约五十年前,芯片制造巨头英特尔的联合创始人戈登·摩尔率先提出这个规律,即后来所说的摩尔定律。摩尔定律预测,芯片上可容纳的晶体管数目,约每隔两年便会增加一倍。

  事实证明,摩尔定律曾经是正确的。直到最近,情况开始有变。当一再缩小晶体管的努力越来越接近物理极限时,芯片微型化的步伐才有所放缓。早期的晶体管肉眼可见。而如今,一枚微芯片上可容纳数十亿个微型晶体管。最重要的是,这种制造业的指数级进步,推动了数字革命的发生。

 

  但是这场伟大革命中的核心元素——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技术,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发展。如今,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:原材料来自日本和墨西哥,芯片在美国和中国制造。然后,这些芯片被运送到世界各地,以安装在设备上。最后,设备来到世界各个国家的人手中。

  诺弗说:“作为芯片的基础,硅大概会在全球各地流转两到三次。”但是,即便是如此庞大的全球网络,我们也可以追本溯源到少数几个重要的地方。

 

  白色黄金

  高端电子产品对材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附近的一个采石场。全球数百万的数字设备——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的采矿经历罗夫·皮伯特说:“一想到你可以在几乎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,这真的非常不可思议。”

 

  斯普鲁斯派恩附近的岩石十分特别。该地区二氧化硅(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。用机器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,将硅与其他矿物分离。提取出来的硅还要经过最后一道研磨工序,然后才能以粉末的形式装袋送往精炼厂。

 

  尽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建筑用砂。皮伯特说:“斯普鲁斯派恩的硅储量非常大。这里可以持续开采数十年。可能,还没等我们用完石英,整个行业已经发生变革。”

 

  印刷机

 

  把硅粉变成芯片,需要将硅材料投入1400℃高温的熔炉进行融化,并制成圆柱形的晶棒。然后,像切黄瓜一样,将晶棒切成薄片,得到晶圆。最后,在工厂里(比如纽约州的Global Foundries),十几个矩形电路——也就是芯片本身——被印刷到每一个晶圆上。从这里开始,芯片将分散到世界的各个角落。

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

 

  因为芯片非常微小,所有任何灰尘颗粒或头发丝都可能会破坏芯片的复杂电路。为了防止污染微电子产品,整个车间必须是无菌无尘的。大约六个足球场大小的区域,要比手术室还干净数千倍,并用昏暗的黄色灯光照明,以防止紫外线辐射破坏生产过程中使用的一些化学药品。实验室员工和工程技术人员穿着怪异的防护服,从头到脚包裹在白色安全服内,口罩和护目镜也戴得严严实实,然后才能开始工作。

 

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

  流进工厂车间的空白晶圆,每个的成本大约为数百美元。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货币,都需要用到GPU。互联设备,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设备系列。贝尔菲说:“人们希望将越来越多的东西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海外的电子制造商。“能够为促进全球人民之间的互联做出贡献,我感到非常自豪。”Global Foundries的中央工程总监伊莎贝尔·弗雷恩说,“每当我看到我们每天使用的电子设备,我都会想到我们正在研究的技术。”

  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品,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,而这个行业将改变世界。”

  硅革命

 

  随着半导体越来越小、越来越便宜,现在几乎人人都可以用上半导体产品。据估计,全球有超过50亿人拥有移动设备,其中一半以上为智能手机。发展中国家也正在迎头赶上。

  Research ICT Africa是一个聚焦技术政策的智库。根据该智库的调查,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,这个数字增长到了28%。如今,十个非洲人中大约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设备的迅速普及。”

 

  这意味着,即便是在大多数的偏远农村地区,人们也能感受到这些技术带来的影响。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:“手机让我的工作变得更加轻松。”

  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附近的一片农田里种植玉米和土豆,并以此为生。在拥有智能手机之前,旺加拉出售他的农产品的唯一方式是将它们拿到市集上去卖。如果卖不掉,农产品就会变质,他就会赔钱。移动技术可以帮助他解决这种风险。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达成交易。等到收获时节,买家会自己过来把农产品拉走,而不再需要等旺加拉把农产品运到市集去。这样一来,买家就可以收获新鲜的农产品。旺加拉说,在有智能手机之前,他很难推销自己的农作物。

  旺加拉大约花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经营农场至关重要的信息,比如最新的天气预报和不同农作物的市场价格。根据全球气候组织Weather Impact的菲欧娜·范·德·博格特进行的研究,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长期粮食安全的有效方法。获取准确的天气信息,可以帮助农民判断应该种植什么庄家,以及在何时种植庄家。

 

  但是,如果要获取移动数据的话,旺加拉需要前往附近的一个Wifi热点。这个Wifi热点位于一个改装的集装箱内。在城市之外,像这样的热点好似当地社区的命脉。在很多国家,城市和农村地区之间的互联网访问水平仍存在很大差距。但德国波恩大学研究员所做的研究表明,撒哈拉以南非洲地区的发展轨迹令人欣喜,其中肯尼亚的农民正积极地走在利用移动技术促进生计的最前沿。

  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。但是其他国家仍远远落后。比如,在卢旺达,仅9%的人口可以访问互联网,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%的人口居住在城市。

  范·德·斯普伊说,我们需要警惕,这种数字鸿沟不会使得人们的生活变得更糟。她说:“能否上网如今已成为参与社会的先决条件。”比如领取社会福利、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,男人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。“如果你无法上网,你就可能会被抛弃。”

  随着半导体技术的不断发展以及越来越多人开始学习数字技术,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。根据一项研究估计,在发展中国家,每一百人中,每增加十部手机可以使GDP增长0.5%。

  鲜有一项技术可以改变这么多人的生活。诺弗说,我们将简单纯粹的石英砂变成几乎无限复杂的技术,又用这技术在今天让人人互联,光是想想,这就令人十分激动。



关注【深圳科普】微信公众号,在对话框:
回复【最新活动】,了解近期科普活动
回复【科普行】,了解最新深圳科普行活动
回复【研学营】,了解最新科普研学营
回复【科普课堂】,了解最新科普课堂
回复【科普书籍】,了解最新科普书籍
回复【团体定制】,了解最新团体定制活动
回复【科普基地】,了解深圳科普基地详情
回复【观鸟知识】,学习观鸟相关科普知识

听说,打赏我的人最后都找到了真爱。