阿波羅新聞網新聞 > 科教 > 正文

看完這個 你還會不會無知高喊快造出「愛國芯」

在中國和「外國」這兩國的較量中,究竟哪一國更佔上風?有說中國吊打外國,有說外國輕鬆把中國摁在地上摩擦,雙方都列舉了林林總總的例子,整得我們吃瓜群眾一臉懵逼。

在中國和“外國”這兩國的較量中,究竟哪一國更佔上風?有說中國吊打外國,有說外國輕鬆把中國摁在地上摩擦,雙方都列舉了林林總總的例子,整得我們吃瓜群眾一臉懵逼。

中間派肯定說兩國各有利弊,但這結論雖然正確卻沒啥營養。想要在這個話題上顯得有見識,得先搞明白啥是技術?

01.核心技術,到底是個啥?

把技術分分類,第一類姑且叫“可山寨技術”,或者叫“純燒錢技術”,有人喜歡往左邊燒,有人喜歡往右邊燒,於是就燒出了不同的應用技術。

這本質上是用舊技術整合出新玩意兒,比如,美帝登月的土星五號,中國的跨海大橋,小鬍子的鼠式坦克,甚至包括長城和埃及金字塔。

打個比方,這有點像吉尼斯紀錄:最長的頭髮,最長的指甲,等等……這類東西,只要錢到位,擱誰都燒的出,關鍵看有沒有需求,所以這些也可以叫應用技術。

比如上圖這種架橋機,幾個工業大國都能搞,但搞出來只能當玩具,只有中國搞出來才賺錢。

我國在經濟發展起來之後,迸發出海量需求,推動各種燒錢的應用技術井噴,賺了錢又可以孜孜不倦地完善各種細節,於是,可以不吹牛的說,中國的應用技術已經和整個外國平起平坐。

第二類技術暫且叫“不可山寨技術”,或者叫“燒錢燒時間技術”,任何牛逼設備,你拚命往細拆,最終發現都是材料技術。

做材料和做菜差不多,番茄炒蛋的成分可以告訴你,但你做的菜就是沒我做的好吃,這就是核心技術。

除了生物醫學之外,核心技術說到底就是材料技術,看一串例子:

發動機,工業皇冠上的明珠,是我國最遭人詬病的短板。其核心技術說白了就是渦輪葉片不夠結實,油門踩狠了就得散架,無論是航天發動機、航空發動機、燃氣輪機,只要帶個“機”字,我們腰桿都有點軟。

材料技術除了燒錢、燒時間,有時還要點運氣。還是以發動機為例:金屬錸,這玩意兒和鎳混一混,做出的渦輪葉片吊炸天,錸的全球探明儲量大約2500噸,主要分布在歐美,70%用來做發動機渦輪葉片,這種戰略物資,妥妥被美帝禁運。

前幾年在陝西發現一個儲量176噸的錸礦,可把國人樂的,馬上拼了老命燒錢,這幾年苦逼生活才有了起色。

稀土永磁體,就是用稀土做的磁鐵,能一直保持磁性,用處很大的。高品位稀土礦大多分布在中國,所以和“磁”相關的技術,我們比美帝還能嘚瑟,比如核聚變、太空暗物質探測等。

據說,我國前幾年也對美帝禁運,逼得美帝拿錸交換,外加陝西安徽刨出來的那點錸,J20的發動機才算有些眉目。

作為“工業之母”的高端機床,我們基本和男國足一個水平,只能仰望日本德國瑞士。

材料是最大的限制之一,比如,高速加工時,主軸和軸承摩擦產生熱變形,導致主軸抬升和傾斜,還有刀具磨損,等等,所以對加工精度要求極高的活,國人還是望“洋”興嘆。

光學晶體,我國的部分產品還能對美帝實施禁運,所以和光相關的技術都不弱,比如激光武器、量子通信。氣動外形,得益於錢學森那輩人的積澱,與之相關的技術也是杠杠的。

如果我們繼續羅列,就會發現,應用寬泛的基礎性材料,中國還是落後外國,應用相對較窄的細分領域,中國逐漸領跑。

下面,重點來了!

這種關鍵核心材料,全球總共約130種,也就是說,只要你有了這130種材料,就可以組裝出世界上已有的任何設備,進而生產出已有的任何東西。

人類的核心科技,某種程度上說,指的就是這130種材料,其中32%國內完全空白,52%依賴進口,在高端機床、火箭、大飛機、發動機等尖端領域比例更懸殊,零件雖然實現了國產,但生產零件的設備95%依賴進口。

這些可不是陳芝麻爛穀子的事情,而是工信部2018年7月發布的數據,還新鮮著呢。

核心材料技術,說一句“外國仍把中國摁在地上”,一點都不過分。這其實很容易理解,畢竟發家時間不長,而材料技術不但要燒錢,更要燒時間。

這裡得強調一下,應用技術並不比核心技術次要,它需要資金、需求和社會實際情況的結合,雖然外國有能力燒,但也許一輩子都沒機會燒。

這兒肯定有人抬杠了:人家只是不願意燒,不然分分鐘秒殺你!呵呵,如果強行燒錢,後果參照老毛子。

磨嘰半天,該回正題了,半導體晶元之所以難,是因為它不但涉及海量燒錢的應用技術,還有眾多燒錢燒時間的材料技術。為了便於大家理解,這話得從原理說起。

02.晶元原理和量子力學

很多人覺得量子力學只是一個數學遊戲,沒有應用價值,呵呵,下面咱給計算機晶元尋個祖宗,請看示範:

導體,咱能理解,絕緣體,咱也能理解,我們第一次被物理整懵的,怕是半導體了,所以先替各位的物理老師把這債還上。

原子組成固體時,會有很多相同的電子混到一起,但量子力學認為,2個相同電子沒法待在一個軌道上。

於是,為了讓這些電子不在一個軌道上打架,很多軌道就分裂成了好幾個軌道,這麼多軌道擠在一起,不小心挨得近了,就變成了寬寬的大軌道。這種由很多細軌道擠在一起變成的寬軌道就叫能帶。

有些寬軌道擠滿了電子,電子就沒法移動,有些寬軌道空曠的很,電子就可自由移動。電子能移動,宏觀上表現為導電,反過來,電子動不了就不能導電。

好了,我們把事情說得簡單一點,不提“價帶、滿帶、禁帶、導帶”的概念,準備圈重點!

有些滿軌道和空軌道挨的太近,電子可以毫不費力從滿軌道跑到空軌道上,於是就能自由移動,這就是導體。一價金屬的導電原理稍有不同。

但很多時候兩條寬軌道之間是有空隙的,電子單靠自己是跨不過去的,也就不導電了。

但如果空隙的寬度在5ev之內,給電子加個額外能量,也能跨到空軌道上,跨過去就能自由移動,也就是導電。

這種空隙寬度不超過5ev的固體,有時能導電有時不能導電,所以叫半導體。

如果空隙超過5ev,那基本就得歇菜,正常情況下電子是跨不過去的,這就是絕緣體。當然,如果是能量足夠大的話,別說5ev的空隙,50ev都照樣跑過去,比如高壓電擊穿空氣。

如果你想進行1+1的加法運算,其電路的複雜程度就已經超過了99%的人的智商了,即便本僧親自出手,設計電路的運算能力也抵不過一副算盤。

直到有一天,有人用18000隻電子管,6000個開關,7000隻電阻,10000隻電容,50萬條線組成了一個超級複雜的電路,誕生了人類第一台計算機,重達30噸,運算能力5000次/秒,還不及現在手持計算器的十分之一。

不知道當時的工程師為了安裝這堆電路,腦子抽筋了多少回。

接下來的思路就簡單了,如何把這30噸東西,集成到指甲那麼大的地方上呢?這就是晶元。

03.晶元製造與中國技術

為了把30噸的運算電路縮小,工程師們把多餘的東西全扔了,直接在矽片上製作PN結和電路。下面從矽片出發,說說晶元的製作過程和中國所處的水平。

第一:硅

把這玩意兒氯化了再蒸餾,可以得到純度很高的硅,切成片就是我們想要的矽片。硅的評判指標就是純度,你想想,如果硅里有一堆雜質,那電子就別想在滿軌道和空軌道之間跑順暢。

太陽能級高純硅要求99.9999%,這玩意兒全世界超過一半是中國產的,早被玩成了白菜價。

晶元用的電子級高純硅要求99.999999999%(別數了,11個9),幾乎全賴進口,直到2018年江蘇的鑫華公司才實現量產,目前年產0.5萬噸,而中國一年進口15萬噸。

難得的是,鑫華的高純硅出口到了半導體強國韓國,品質應該還不錯。不過,30%的製造設備還得進口……

高純硅的傳統霸主依然是德國Wacker和美國Hemlock(美日合資),中國任重而道遠。

第二:晶圓

硅提純時需要旋轉,成品就長這樣:

所以切片後的矽片也是圓的,因此就叫“晶圓”。這詞是不是已經有點耳熟了?

切好之後,就要在晶圓上把成千上萬的電路裝起來的,干這活的就叫“晶圓廠”。各位拍腦袋想想,以目前人類的技術,怎樣才能完成這種操作?

用原子操縱術?想多了,朋友!等你練成御劍飛行的時候,人類還不見得能操縱一個一個原子組成各種器件。晶圓加工的過程有點繁瑣。

首先在晶圓上塗一層感光材料,這材料見光就融化,那光從哪裡來?光刻機,可以用非常精準的光線,在感光材料上刻出圖案,讓底下的晶圓裸露出來。

然後,用等離子體這類東西沖刷,裸露的晶圓就會被刻出很多溝槽,這套設備就叫刻蝕機。在溝槽里摻入磷元素,就得到了一堆N型半導體。

完成之後,清洗乾淨,重新塗上感光材料,用光刻機刻圖,用刻蝕機刻溝槽,再撒上硼,就有了P型半導體。

實際過程更加繁瑣,大致原理就是這麼回事。有點像3D列印,把導線和其他器件一點點一層層裝進去。

這塊晶圓上的小方塊就是晶元。晶元放大了看就是成堆成堆的電路,這些電路並不比那台30噸計算機的電路高明,最底層都是簡單的門電路。

 

只是採用了更多的器件,組成了更龐大的電路,運算性能自然就提高了。

據說這就是一個與非門電路:

提個問題:為啥不把晶元做的更大一點呢?這樣不就可以安裝更多電路了嗎?性能不就趕上外國了嘛?

阿波羅網責任編輯:夏雨荷 來源:「報人劉亞東」公眾號 轉載請註明作者、出處並保持完整。

科教熱門

相關新聞

➕ 更多同類相關新聞