半導體：不起眼的礦物硅，改變整個(gè)世界

　　北京時(shí)間12月25日消息，據國外媒體報道，說(shuō)到互聯(lián)全球的技術(shù)，半導體芯片居功至偉。但是這小小的芯片，究竟是如何走進(jìn)我們生活每一處的呢？
　　從不夜城到偏遠鄉村，一項技術(shù)正在改變我們生活和工作的方式。從口袋里的智能手機到支持互聯(lián)網(wǎng)運作的龐大數據中心，從電動(dòng)踏板車(chē)到超音速飛機，從起搏器到預測天氣的超級計算機，不管是看不見(jiàn)的還是鮮為人知的，所有這些設備或設施的內部，都包含一項使這一切成為可能的微小技術(shù)：半導體。

　　半導體是現代計算的基本組成部分。被稱(chēng)為晶體管的半導體設備是在計算機內部運行計算的微型電子開(kāi)關(guān)。1947年，美國科學(xué)家建造了世界上第一個(gè)晶體管。在此之前，人們借助真空管完成計算機制。但真空管計算機既慢又笨重。直到硅的應用，改變了一切。

　　用硅制造的晶體管，體積足夠小，可以安裝在微芯片上，從而打開(kāi)一扇新世界的大門(mén)：各種設備層出不窮。每一年，這些設備都在變得更小更智能。半導體工業(yè)協(xié)會(huì )首席執行官約翰·諾弗說(shuō)：“將晶體管微型化的能力，讓我們得以開(kāi)展前人無(wú)法想象的工作。而這一切，皆因我們可以將大型計算機置于一枚小小的芯片上?！?/p>

　　創(chuàng )新的節奏也史無(wú)前例。芯片開(kāi)始以穩定的速度越變越小，仿佛這項技術(shù)有規律可循。大約五十年前，芯片制造巨頭英特爾的聯(lián)合創(chuàng )始人戈登·摩爾率先提出這個(gè)規律，即后來(lái)所說(shuō)的摩爾定律。摩爾定律預測，芯片上可容納的晶體管數目，約每隔兩年便會(huì )增加一倍。
　　事實(shí)證明，摩爾定律曾經(jīng)是正確的。直到最近，情況開(kāi)始有變。當一再縮小晶體管的努力越來(lái)越接近物理極限時(shí)，芯片微型化的步伐才有所放緩。早期的晶體管肉眼可見(jiàn)。而如今，一枚微芯片上可容納數十億個(gè)微型晶體管。最重要的是，這種制造業(yè)的指數級進(jìn)步，推動(dòng)了數字革命的發(fā)生。

　　但是這場(chǎng)偉大革命中的核心元素——硅，卻自始至終都是一個(gè)無(wú)比不顯眼的物質(zhì)，也是地球上最常見(jiàn)的物質(zhì)之一。地殼中90%的礦物質(zhì)含有硅。地球上最普遍存在的一種物質(zhì)，帶來(lái)了一項遍布全球的技術(shù)，著(zhù)實(shí)有趣。
　　硅是5000億美元芯片產(chǎn)業(yè)的基礎。而該產(chǎn)業(yè)則帶動(dòng)了全球科技經(jīng)濟的發(fā)展。如今，全球科技經(jīng)濟價(jià)值約達3萬(wàn)億美元。半導體產(chǎn)業(yè)也已經(jīng)成為歷史上最全球化的產(chǎn)業(yè)之一：原材料來(lái)自日本和墨西哥，芯片在美國和中國制造。然后，這些芯片被運送到世界各地，以安裝在設備上。最后，設備來(lái)到世界各個(gè)國家的人手中。
　　諾弗說(shuō)：“作為芯片的基礎，硅大概會(huì )在全球各地流轉兩到三次?！钡?，即便是如此龐大的全球網(wǎng)絡(luò )，我們也可以追本溯源到少數幾個(gè)重要的地方。

白色黃金
　　高端電子產(chǎn)品對材料品質(zhì)的要求也格外高。最純凈的硅來(lái)自于石英巖，而最純凈的石英巖來(lái)自于美國北卡羅來(lái)納州斯普魯斯派恩附近的一個(gè)采石場(chǎng)。全球數百萬(wàn)的數字設備——甚至你手中的手機或桌上的筆記本——都與北卡羅來(lái)納州的這個(gè)小鎮有那么一絲一毫的聯(lián)系。高品質(zhì)石英供應商Quartz Corp的采礦經(jīng)歷羅夫·皮伯特說(shuō)：“一想到你可以在幾乎每一部手機和電腦的芯片上看到來(lái)自斯普魯斯派恩的石英，這真的非常不可思議?！?/p>

　　斯普魯斯派恩附近的巖石十分特別。該地區二氧化硅（一種含硅化合物）含量高，而雜質(zhì)少。人們在這里開(kāi)采寶石和云母已有幾個(gè)世紀。但曾經(jīng)，挖出來(lái)的石英無(wú)人問(wèn)津。等到上世紀八十年代，半導體行業(yè)興起后，石英搖身一變，成了白色黃金。

　　現在，每噸石英售價(jià)高達10000美元。斯普魯斯派恩的采礦業(yè)每年收入可達3億美元。用機器和炸藥從地下提取的巖石被放入破碎機，以產(chǎn)出石英砂礫。隨后，石英砂礫被送往加工廠(chǎng)，研磨成細砂。最后，細砂中再加入水和化學(xué)物質(zhì)，將硅與其他礦物分離。提取出來(lái)的硅還要經(jīng)過(guò)最后一道研磨工序，然后才能以粉末的形式裝袋送往精煉廠(chǎng)。

　　盡管全球有數十億個(gè)微芯片，但每年開(kāi)采的硅僅3萬(wàn)噸左右，甚至不及美國每小時(shí)生產(chǎn)的建筑用砂。皮伯特說(shuō)：“斯普魯斯派恩的硅儲量非常大。這里可以持續開(kāi)采數十年?？赡?，還沒(méi)等我們用完石英，整個(gè)行業(yè)已經(jīng)發(fā)生變革?！?/p>

印刷機

　　把硅粉變成芯片，需要將硅材料投入1400℃高溫的熔爐進(jìn)行融化，并制成圓柱形的晶棒。然后，像切黃瓜一樣，將晶棒切成薄片，得到晶圓。最后，在工廠(chǎng)里（比如紐約州的Global Foundries），十幾個(gè)矩形電路——也就是芯片本身——被印刷到每一個(gè)晶圓上。從這里開(kāi)始，芯片將分散到世界的各個(gè)角落。
　　Global Foundries的無(wú)菌室工程師克里斯·貝爾菲說(shuō)：“我們其實(shí)就是一臺印刷機，為公司印刷他們想要制造的任何電子設備?！?/p>

　　因為芯片非常微小，所有任何灰塵顆?；蝾^發(fā)絲都可能會(huì )破壞芯片的復雜電路。為了防止污染微電子產(chǎn)品，整個(gè)車(chē)間必須是無(wú)菌無(wú)塵的。大約六個(gè)足球場(chǎng)大小的區域，要比手術(shù)室還干凈數千倍，并用昏暗的黃色燈光照明，以防止紫外線(xiàn)輻射破壞生產(chǎn)過(guò)程中使用的一些化學(xué)藥品。實(shí)驗室員工和工程技術(shù)人員穿著(zhù)怪異的防護服，從頭到腳包裹在白色安全服內，口罩和護目鏡也戴得嚴嚴實(shí)實(shí)，然后才能開(kāi)始工作。

　　在無(wú)菌室內，大多數操作由真空密封的機器人自動(dòng)完成。從屋頂上懸下來(lái)的單軌道在機器人之間運送著(zhù)零部件。根據設計的不同，每個(gè)芯片的制作可能需要1000到2000個(gè)步驟。
　　流進(jìn)工廠(chǎng)車(chē)間的空白晶圓，每個(gè)的成本大約為數百美元。從車(chē)間出來(lái)后，這些晶圓將被印刷上數十億個(gè)晶體管。這時(shí)候，它們的身價(jià)將是原來(lái)的一百多倍。Global Foundries制造的芯片大多數用于智能手機或被稱(chēng)為GPU的硬件。電子游戲、人工智能以及挖掘加密貨幣，都需要用到GPU?；ヂ?lián)設備，從健身跟蹤器到智能冰箱和智能音箱等，也就是我們常說(shuō)的“物聯(lián)網(wǎng)”，則是另一個(gè)正在興起的終端設備系列。貝爾菲說(shuō)：“人們希望將越來(lái)越多的東西時(shí)時(shí)刻刻互聯(lián)在一起?！?/p>

　　下一個(gè)階段，這些制造好的晶圓將被送往通常是位于海外的電子制造商?！澳軌驗榇龠M(jìn)全球人民之間的互聯(lián)做出貢獻，我感到非常自豪?！盙lobal Foundries的中央工程總監伊莎貝爾·弗雷恩說(shuō)，“每當我看到我們每天使用的電子設備，我都會(huì )想到我們正在研究的技術(shù)?！?br/>　　半導體是美國的第四大出口商品，僅次于飛機、汽車(chē)和石油。大部分收入都用于開(kāi)發(fā)新的產(chǎn)品，使得半導體行業(yè)與制藥行業(yè)一樣，成為頂級研究型行業(yè)。弗雷恩說(shuō)：“我們正在改變行業(yè)，而這個(gè)行業(yè)將改變世界?！?br/>硅革命

　　隨著(zhù)半導體越來(lái)越小、越來(lái)越便宜，現在幾乎人人都可以用上半導體產(chǎn)品。據估計，全球有超過(guò)50億人擁有移動(dòng)設備，其中一半以上為智能手機。發(fā)展中國家也正在迎頭趕上。
　　Research ICT Africa是一個(gè)聚焦技術(shù)政策的智庫。根據該智庫的調查，在非洲，2007年，15歲及以上人口中，使用互聯(lián)網(wǎng)的比例為15%；十年后的2017年，這個(gè)數字增長(cháng)到了28%。如今，十個(gè)非洲人中大約有兩個(gè)人擁有智能手機。Research ICT Africa的安里·范·德·斯普伊說(shuō)：“這主要歸功于廉價(jià)上網(wǎng)設備的迅速普及?！?/p>

　　這意味著(zhù)，即便是在大多數的偏遠農村地區，人們也能感受到這些技術(shù)帶來(lái)的影響。納紐基是東非國家肯尼亞的一個(gè)集鎮。以小鎮上的農民道格拉斯·旺加拉為例，他現在會(huì )使用智能手機來(lái)尋找農作物的買(mǎi)家。他說(shuō)：“手機讓我的工作變得更加輕松?！?br/>　　在他們家邊上，有一條河。旺加拉和他的妻子格拉迪斯就在河附近的一片農田里種植玉米和土豆，并以此為生。在擁有智能手機之前，旺加拉出售他的農產(chǎn)品的唯一方式是將它們拿到市集上去賣(mài)。如果賣(mài)不掉，農產(chǎn)品就會(huì )變質(zhì)，他就會(huì )賠錢(qián)。移動(dòng)技術(shù)可以幫助他解決這種風(fēng)險。通過(guò)和潛在買(mǎi)家分享他的農作物照片，他可以在玉米或土豆成熟前就達成交易。等到收獲時(shí)節，買(mǎi)家會(huì )自己過(guò)來(lái)把農產(chǎn)品拉走，而不再需要等旺加拉把農產(chǎn)品運到市集去。這樣一來(lái)，買(mǎi)家就可以收獲新鮮的農產(chǎn)品。旺加拉說(shuō)，在有智能手機之前，他很難推銷(xiāo)自己的農作物。
　　旺加拉大約花15000肯尼亞先令，給自己買(mǎi)了一部手機，作為商業(yè)投資。除了聯(lián)系買(mǎi)家之外，他還使用手機來(lái)掌握對經(jīng)營(yíng)農場(chǎng)至關(guān)重要的信息，比如最新的天氣預報和不同農作物的市場(chǎng)價(jià)格。根據全球氣候組織Weather Impact的菲歐娜·范·德·博格特進(jìn)行的研究，更好地獲取這類(lèi)信息，是在肯尼亞和埃塞俄比亞等國家確保長(cháng)期糧食安全的有效方法。獲取準確的天氣信息，可以幫助農民判斷應該種植什么莊家，以及在何時(shí)種植莊家。

　　但是，如果要獲取移動(dòng)數據的話(huà)，旺加拉需要前往附近的一個(gè)Wifi熱點(diǎn)。這個(gè)Wifi熱點(diǎn)位于一個(gè)改裝的集裝箱內。在城市之外，像這樣的熱點(diǎn)好似當地社區的命脈。在很多國家，城市和農村地區之間的互聯(lián)網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)水平仍存在很大差距。但德國波恩大學(xué)研究員所做的研究表明，撒哈拉以南非洲地區的發(fā)展軌跡令人欣喜，其中肯尼亞的農民正積極地走在利用移動(dòng)技術(shù)促進(jìn)生計的最前沿。
　　Research ICT Africa的數據顯示，肯尼亞是非洲互聯(lián)網(wǎng)使用率第三高的國家，24%的肯尼亞人口可以上網(wǎng)。但是其他國家仍遠遠落后。比如，在盧旺達，僅9%的人口可以訪(fǎng)問(wèn)互聯(lián)網(wǎng)，是非洲大陸上互聯(lián)網(wǎng)使用率最低的國家。而在這9%的上網(wǎng)人口中，77%的人口居住在城市。

　　范·德·斯普伊說(shuō)，我們需要警惕，這種數字?zhù)櫆喜粫?huì )使得人們的生活變得更糟。她說(shuō)：“能否上網(wǎng)如今已成為參與社會(huì )的先決條件?！北热珙I(lǐng)取社會(huì )福利、求職或孩子上學(xué)等等，越來(lái)越多的事情都在網(wǎng)上完成。另外，這種數字?zhù)櫆喜粌H存在于城鄉之間。富人比窮人更有可能使用互聯(lián)網(wǎng)，男人比女人也更有可能使用互聯(lián)網(wǎng)，年輕人比老年人亦更有可能使用互聯(lián)網(wǎng)?！叭绻銦o(wú)法上網(wǎng)，你就可能會(huì )被拋棄?！?br/>　　隨著(zhù)半導體技術(shù)的不斷發(fā)展以及越來(lái)越多人開(kāi)始學(xué)習數字技術(shù)，這些差距應該會(huì )逐漸縮小。智能手機甚至也可以促進(jìn)一個(gè)國家的整體經(jīng)濟。根據一項研究估計，在發(fā)展中國家，每一百人中，每增加十部手機可以使GDP增長(cháng)0.5%。
　　鮮有一項技術(shù)可以改變這么多人的生活。諾弗說(shuō)，我們將簡(jiǎn)單純粹的石英砂變成幾乎無(wú)限復雜的技術(shù)，又用這技術(shù)在今天讓人人互聯(lián)，光是想想，這就令人十分激動(dòng)。