揭秘手机背后，芯片的秘密|个人博客

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9月10日，苹果、华为发布会同日“对决”，接受市场的审视。科技界的两大巨头——华为和苹果，不约而同地选择了9月10日这一天举办新品发布会，这无疑为科技爱好者带来了双重的期待。此次正面交锋被许多网友戏称为“互相贴脸开大”。

那么，数字时代谈到科技，我们所有人的生活都离不开芯片。电脑、手机，乃至出行的汽车上，都装有大量芯片。只要有一个芯片无法正常工作，都会影响到我们的生活，轻则手机失灵，重则汽车失控……

在享受芯片便利的同时，我们有没有想过芯片为什么对数字时代如此重要？让我们一起了解一下吧~

芯片制造的“多层”思路

无数纳米级的电子元件在芯片上错落排布，是将每一个元件事先制好，再一个一个安放上去吗？

图源pixabay（上）；Searchmedia - Wikimedia Commons（下）

不是！我们可以换个角度看待这个问题，在纵向仔细观察，可以发现芯片是由一层层带有不同图案的片状结构纵向垒叠而成。如果我们将每一层事先制好，再纵向累加，二维结构能叠加成三维器件，最后形成功能丰富的芯片。

纵向观察芯片内部结构 | 图源Searchmedia - Wikimedia Commons

现在我们的目标变成了如何制成有特定图案的片状结构。首先，我们要有能够用来印上电路图的片状材料，也就是我们常听说的硅晶圆，这是一种纯度极高的硅，经过加工后被切割成光滑、极薄的圆片。

硅晶圆 | 图源pixabay（左）；Searchmedia - Wikimedia Commons（右）

接着，我们就像木匠，需要找到称手的工具来雕刻图案，要制成内部结构复杂且极其微小的芯片，对加工工具的尺寸要求极高。

聪明的我们找到了光这把刻刀，正是由于光具有丰富的波长，我们可以利用短波长的光来实现极其精细的加工。

可见光的丰富波长（不可见光波长更丰富） | 图源Searchmedia - Wikimedia Commons

我们希望通过光学曝光将图纸上设计好的电路图案转移到硅晶圆上，但是光不能对硅材料产生影响，所以需要借助一个中间材料，也就是能直接和光相互作用的光刻胶。

旋涂在硅晶片上的光刻胶（靠旋转离心力均匀覆盖）| 图源Searchmedia - Wikimedia Commons

要让光实现图案的信息的传递，可以利用将光完全挡住或完全通过的方式产生明暗图案。光通过带有电路图案的挡光板（掩模版），可以复制掩模版的图案信息，最后和硅晶圆表面上均匀覆盖的光刻胶相互作用后，硅晶圆上出现了我们需要的图案信息。

光刻成像曝光过程 | 图源Searchmedia - Wikimedia Commons

光刻胶是光刻成像的主要承载介质，分为正胶和负胶，曝光区域更容易在显影液中溶解的为正性光刻胶，曝光区域更不易在显影液中溶解的是负性光刻胶。

曝光过程的两种结果（正胶和负胶）|图源Searchmedia - Wikimedia Commons

假设使用的是正性光刻胶，当曝光过程结束后，显影液能够溶解暴露在光下的光刻胶，接着再用化学物质溶解裸露的硅晶圆，遗留在硅晶圆表面的光刻胶能起到保护硅晶圆的作用，这就是刻蚀过程。

现在我们完成了目标，获得了带有特定电路图案的硅晶圆。在这整个过程中，大致思路其实比较流畅，但芯片制造这项代表人类巅峰智慧的精密工程包含了无数严苛的要求。

芯片的应用

在先进的制造工艺下，多种芯片诞生了。有人总结，在21世纪，芯片可以分为三大类别。

逻辑芯片

第一种是逻辑芯片，用作我们电脑、手机，或者是网络服务器中的处理器。

记忆芯片

第二类是记忆芯片，经典例子包括英特尔（Intel）公司开发的DRAM芯片——在这款产品推出前，资料的储存依赖于磁芯：磁化的元件代表1，未磁化的元件代表0。而英特尔的做法是把晶体管和电容器组合起来，充电代表1，不充电代表0。和磁芯相比，新的储存工具原理接近，但一切都整合在芯片中，所以体积更小，出错率也更低。此类芯片能为电脑提供运行时的短期和长期记忆。

模拟芯片

第三类芯片则被叫做“模拟芯片”，处理模拟信号。

在这些芯片中，逻辑芯片可能更为人所熟知。尽管英特尔公司开发出了最早的DRAM记忆芯片，但它却在和日本公司的竞争中节节败退。1980年，英特尔与IBM达成一项合作，为个人电脑制造中央处理器，即CPU。

随着IBM第一台个人电脑的问世，搭建在这台电脑中的英特尔的处理器成为了产业的“标配”，就好像微软的Windows系统成了大众更为熟悉的操作系统一样。这场豪赌也让英特尔从DRAM领域彻底抽身，重新崛起。

CPU的开发并不是一蹴而就。其实早在1971年，英特尔就造出了第一个微处理器（和CPU相比，只能处理单个特定的任务），整套设计流程的开发用了足足半年。当时这个微处理器只有上千个元件，使用的设计工具只有彩色铅笔和直尺，落后得像是中世纪的工匠。琳·康维（Lynn Conway）开发了一种程序，解决了芯片的自动化设计问题。利用这种程序，从来没设计过芯片的学生，都可以在短短时间里学会怎么设计具有功能的芯片。

上世纪八十年代末，英特尔开发出了486处理器，能在一块微小的硅芯片上放上120 万个微型元件，生成各种0和1。到了2010 年，最先进的微处理器芯片已经能承载10亿个晶体管。这种芯片的开发，离不开少数几家寡头公司开发的设计软件。

另一种逻辑芯片——图形处理器（GPU，俗称显卡）在近年也愈发受人关注。在这一领域，英伟达（Nvidia）是重要玩家。在建立初期，该公司就相信3D图像是未来的发展方向，因此设计了能处理3D图形的GPU，并开发了一套相应的软件，告诉芯片应该如何工作。和英特尔的中央处理器“依次计算”的模式不同，GPU的优势在于能同时进行大量的简单运算。

谁也没有想到，在人工智能时代，GPU有了全新的使命。为了训练人工智能模型，科学家们需要用数据不断优化算法，让模型经过训练完成人类布置的任务，比如辨识猫狗，下围棋，或者和人类对话。此时，为了同一时间进行多次运算“并行处理”数据而开发出来的GPU有着得天独厚的优势，它也在人工智能时代焕发出了全新的生命。

而芯片的另一个重要应用是通信。厄文·雅各布（Irwin Jacobs）看到芯片能处理一些复杂的算法，来编码海量信息，就和朋友们创立了高通公司（Qualcomm），进军通信领域。我们知道最早的移动电话又叫大哥大，像一块黑色的砖头。

随后，通信技术得到了飞速发展——2G技术可以传输图文，3G 技术可以打开网站，4G足以流畅观看视频，而5G则能提供更大的飞跃。这里的每一个G，代表的都是“代”。可以看到，每一代无线技术，都让我们通过无线电波传递的信息呈指数上升。如今，我们在手机上看视频，稍稍有些卡顿就感到不耐烦。殊不知10多年前，我们还只能传文字短信。

高通参与了之后2G到后面其他手机技术的开发。利用依照摩尔定律不断进化的芯片，高通能通过无限的频谱，将更多的手机通话放到无垠的空间中。而为了升级5G网络，不仅需要在手机里放入新的芯片，也需要在基站中安装新的硬件。这些硬件和芯片凭借更强大的算力，能用无线的方法更快地传输资料。