你知道沙子是怎么做成芯片的嗎？

本叢書主要以小學(xué)中高年級學(xué)生和初中生為讀者對象，每冊均以問題的形式導(dǎo)入，內(nèi)容既涵蓋該領(lǐng)域的基本概念及常識，又包括中國在此方面科技發(fā)展的亮點、實力，以及生動體現(xiàn)科學(xué)家精神的故事，旨在通過聚焦我國科技事業(yè)，營造濃厚科學(xué)文化氛圍，展現(xiàn)我國科技實力，培養(yǎng)少年兒童學(xué)科學(xué)、愛科學(xué)的興趣，弘揚(yáng)自立自強(qiáng)、不斷探索的科學(xué)精神，傳承攻堅克難的責(zé)任擔(dān)當(dāng)。

孫凝暉

計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)專家，中國工程院院士，中國科學(xué)院計算技術(shù)研究所研究員、學(xué)術(shù)所長，中國科學(xué)院大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院院長。

金涌

化學(xué)工程專家，中國工程院院士，清華大學(xué)化學(xué)工程系教授、博士研究生導(dǎo)師，化工科學(xué)與技術(shù)研究院院長。主要研究領(lǐng)域為流態(tài)化反應(yīng)工程、生態(tài)工業(yè)工程。

同學(xué)們知道嗎？咱們平時用的電子設(shè)備里面，那一個個黑色的小方塊就是芯片，也叫作“集成電路”。

別看芯片這么小，我們的生活越來越智能化可離不開芯片的功勞——它是電腦的“大腦”，是手機(jī)的“嘴巴”和“耳朵”，也是照相機(jī)的“眼睛”，是非常重要的。

那么，芯片是怎么做到這些事情的呢？

當(dāng)你打開電燈開關(guān)，電燈就會亮；當(dāng)你關(guān)上開關(guān)，電燈就會滅掉。芯片里也有像電燈開關(guān)一樣的“開關(guān)”，每個“開關(guān)”都可以實現(xiàn)“亮燈”和“關(guān)燈”兩種狀態(tài)?？茖W(xué)家把“亮燈”的狀態(tài)稱為“是”，用“1”來表示；把“關(guān)燈”的狀態(tài)稱為“否”，用“0”來表示。

芯片中所有“開關(guān)”相互配合，用“1”和“0”形成一個個復(fù)雜的式子，就可以實現(xiàn)各種控制和計算功能。比如掃地機(jī)器人撞上墻的時候，芯片便判斷為“1”——打開轉(zhuǎn)彎的“開關(guān)”，告訴機(jī)器人該轉(zhuǎn)彎了。

芯片的這種“開關(guān)”叫晶體管。晶體管就像芯片里的交通警察，指揮交通，互相配合，維持芯片里的道路通暢，保證不會出現(xiàn)堵車的情況。別看一枚芯片只有指甲蓋大小，里面的晶體管卻有幾千萬個甚至幾十億個！

那么，有這么多晶體管的芯片是用什么原料做成的呢？

答案是——沙子。

難以想象吧？一捧沙子，竟然會變成結(jié)構(gòu)如此復(fù)雜、功能如此強(qiáng)大的芯片！

這要歸功于沙子里的神奇元素——硅。

制造芯片的第一步，是把沙子里的硅提取出來。

你可以把沙子想象成一塊肉，今天，媽媽要用它做純瘦肉火腿腸。首先，媽媽會把肥肉部分切掉，進(jìn)行“提純”；然后，把瘦肉剁碎，塑造成身材均勻的圓柱體；最后，在吃的時候還要把火腿腸切成一片又一片的薄片。

芯片也是一樣，科學(xué)家們在對沙子進(jìn)行“提純”“拉柱”“切片”等操作后，得到硅片，又叫晶圓。

沙子變成芯片的第二步，是硅片搭乘“無菌無塵班車”，正式進(jìn)入實驗室。實驗室和醫(yī)院的手術(shù)臺一樣，為了防止“硅片病人”感染，要保證整個環(huán)境沒有塵土和細(xì)菌，工作人員要穿戴白大褂、帽子、鞋套等。

“白大褂”們要把幾億個“晶體管交警”放在一枚指甲蓋大小的芯片上，里面的“金屬線道路”寬度細(xì)到連頭發(fā)絲的萬分之一都不到。這么精細(xì)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，是怎么做出來的呢？

用傳統(tǒng)的刀啊鋸啊什么的肯定是不行了，科學(xué)家想到了光，一束光可以小到幾納米粗細(xì)。

怎么用光去做芯片呢？

簡單來說就是用“光刻”的辦法。

同學(xué)們玩過手影嗎？在黑暗的地方，你用光去照自己的手，不透光的手會在墻上投射出圖案。光刻是用光去照掩膜版，在硅片上投射出科學(xué)家設(shè)計好的電路圖。

芯片分很多種，我們使用的電腦里最核心的部分、號稱計算機(jī)“大腦”的CPU就是其中一種。

我國包括CPU在內(nèi)的芯片研發(fā)起步比較晚，所以一直依賴進(jìn)口。如果哪天外國人不賣給我們了，我們的電子設(shè)備就失去了“眼睛”“鼻子”和“耳朵”。這樣就像人被卡住了脖子，生命被別人掌控。近年來，有的國家已經(jīng)開始對中國的一些高科技企業(yè)實行全面封鎖，不許將包括高端芯片在內(nèi)的產(chǎn)品供貨給這些企業(yè)，也不許向他們提供生產(chǎn)制造芯片的設(shè)備。

中國科學(xué)院計算技術(shù)研究所的科學(xué)家們早就意識到了這個問題。2000年，年輕的研究員胡偉武毅然接下這個重任，組建了龍芯課題組，也就是現(xiàn)在的龍芯中科公司的前身。

胡偉武給自己定了兩年的目標(biāo)，一定要把中國人自己的CPU搞出來。那兩年，他帶著課題組成員，在60平方米的實驗室里沒日沒夜地工作。

芯片是核心技術(shù)，外國人不但不可能教給我們，還會搞技術(shù)封鎖。胡偉武他們當(dāng)時遇到的最大的難題就是“不會”，國內(nèi)沒有人會，一片空白，全靠自己摸索。技術(shù)攻關(guān)的時候，他們顧不上吃飯，也顧不上回家，最忙的時候，胡偉武甚至整整一星期都沒出實驗室。

經(jīng)過艱難的摸索，2002年，安裝了“龍芯1號”芯片的計算機(jī)順利啟動，“龍芯1號”成為我國首款自主研發(fā)的通用CPU芯片。“龍芯1號”終結(jié)了中國人只能依靠進(jìn)口CPU的歷史，象征著我國邁出了打破國外壟斷的第一步。

現(xiàn)在我們國家越來越注重自主芯片的設(shè)計和制造，陸續(xù)研發(fā)出飛騰、申威、海光等系列的芯片，一點點形成了我們自己的CPU體系。

當(dāng)前，如何解決芯片的“卡脖子”問題仍然是“中國芯”的首要任務(wù)。從沙子到芯片經(jīng)歷了“九九八十一難”，“中國芯”也會在國人的努力下，歷經(jīng)艱難困苦而逐漸發(fā)展壯大。希望有越來越多的同學(xué)加入“中國芯”事業(yè)，共同守護(hù)我們的中國夢。