半導(dǎo)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(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，說(shuō)到互聯(lián)全球的技術(shù)，半導(dǎo)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(yuǎn)鄉(xiāng)村，一項(xiàng)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(jī)到支持互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)作的龐大數(shù)據(jù)中心，從電動(dòng)踏板車到超音速飛機(jī)，從起搏器到預(yù)測(cè)天氣的超級(jí)計(jì)算機(jī)，不管是看不見的還是鮮為人知的，所有這些設(shè)備或設(shè)施的內(nèi)部，都包含一項(xiàng)使這一切成為可能的微小技術(shù)：半導(dǎo)體。

　　半導(dǎo)體是現(xiàn)代計(jì)算的基本組成部分。被稱為晶體管的半導(dǎo)體設(shè)備是在計(jì)算機(jī)內(nèi)部運(yùn)行計(jì)算的微型電子開關(guān)。1947年，美國(guó)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(jì)算機(jī)制。但真空管計(jì)算機(jī)既慢又笨重。直到硅的應(yīng)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，從而打開一扇新世界的大門：各種設(shè)備層出不窮。每一年，這些設(shè)備都在變得更小更智能。半導(dǎo)體工業(yè)協(xié)會(huì)首席執(zhí)行官約翰·諾弗說(shuō)：“將晶體管微型化的能力，讓我們得以開展前人無(wú)法想象的工作。而這一切，皆因我們可以將大型計(jì)算機(jī)置于一枚小小的芯片上。”

　　創(chuàng)新的節(jié)奏也史無(wú)前例。芯片開始以穩(wěn)定的速度越變?cè)叫?，仿佛這項(xiàng)技術(shù)有規(guī)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(guī)律，即后來(lái)所說(shuō)的摩爾定律。摩爾定律預(yù)測(cè)，芯片上可容納的晶體管數(shù)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，情況開始有變。當(dāng)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。而如今，一枚微芯片上可容納數(shù)十億個(gè)微型晶體管。最重要的是，這種制造業(yè)的指數(shù)級(jí)進(jìn)步，推動(dòng)了數(shù)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(xiàng)遍布全球的技術(shù)，著實(shí)有趣。
　　硅是5000億美元芯片產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)。而該產(chǎn)業(yè)則帶動(dòng)了全球科技經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。如今，全球科技經(jīng)濟(jì)價(jià)值約達(dá)3萬(wàn)億美元。半導(dǎo)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(guó)和中國(guó)制造。然后，這些芯片被運(yùn)送到世界各地，以安裝在設(shè)備上。最后，設(shè)備來(lái)到世界各個(gè)國(guó)家的人手中。
　　諾弗說(shuō)：“作為芯片的基礎(chǔ)，硅大概會(huì)在全球各地流轉(zhuǎn)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(shù)幾個(gè)重要的地方。

白色黃金
　　高端電子產(chǎn)品對(duì)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(guó)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(shù)百萬(wàn)的數(shù)字設(shè)備——甚至你手中的手機(jī)或桌上的筆記本——都與北卡羅來(lái)納州的這個(gè)小鎮(zhèn)有那么一絲一毫的聯(lián)系。高品質(zhì)石英供應(yīng)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(jī)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(qū)二氧化硅（一種含硅化合物）含量高，而雜質(zhì)少。人們?cè)谶@里開采寶石和云母已有幾個(gè)世紀(jì)。但曾經(jīng)，挖出來(lái)的石英無(wú)人問(wèn)津。等到上世紀(jì)八十年代，半導(dǎo)體行業(yè)興起后，石英搖身一變，成了白色黃金。

　　現(xiàn)在，每噸石英售價(jià)高達(dá)10000美元。斯普魯斯派恩的采礦業(yè)每年收入可達(dá)3億美元。用機(jī)器和炸藥從地下提取的巖石被放入破碎機(jī)，以產(chǎn)出石英砂礫。隨后，石英砂礫被送往加工廠，研磨成細(xì)砂。最后，細(xì)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。

　　盡管全球有數(shù)十億個(gè)微芯片，但每年開采的硅僅3萬(wàn)噸左右，甚至不及美國(guó)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(chǔ)量非常大。這里可以持續(xù)開采數(shù)十年?？赡埽€沒等我們用完石英，整個(gè)行業(yè)已經(jīng)發(fā)生變革?！?/p>

印刷機(jī)

　　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(tái)印刷機(jī)，為公司印刷他們想要制造的任何電子設(shè)備?！?/p>

　　因?yàn)樾酒浅Ｎ⑿?，所有任何灰塵顆?；蝾^發(fā)絲都可能會(huì)破壞芯片的復(fù)雜電路。為了防止污染微電子產(chǎn)品，整個(gè)車間必須是無(wú)菌無(wú)塵的。大約六個(gè)足球場(chǎng)大小的區(qū)域，要比手術(shù)室還干凈數(shù)千倍，并用昏暗的黃色燈光照明，以防止紫外線輻射破壞生產(chǎn)過(guò)程中使用的一些化學(xué)藥品。實(shí)驗(yàn)室員工和工程技術(shù)人員穿著怪異的防護(hù)服，從頭到腳包裹在白色安全服內(nèi)，口罩和護(hù)目鏡也戴得嚴(yán)嚴(yán)實(shí)實(shí)，然后才能開始工作。

　　在無(wú)菌室內(nèi)，大多數(shù)操作由真空密封的機(jī)器人自動(dòng)完成。從屋頂上懸下來(lái)的單軌道在機(jī)器人之間運(yùn)送著零部件。根據(jù)設(shè)計(jì)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)工廠車間的空白晶圓，每個(gè)的成本大約為數(shù)百美元。從車間出來(lái)后，這些晶圓將被印刷上數(shù)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(shù)用于智能手機(jī)或被稱為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(shè)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(shè)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?yàn)榇龠M(jìn)全球人民之間的互聯(lián)做出貢獻(xiàn)，我感到非常自豪?！盙lobal Foundries的中央工程總監(jiān)伊莎貝爾·弗雷恩說(shuō)，“每當(dāng)我看到我們每天使用的電子設(shè)備，我都會(huì)想到我們正在研究的技術(shù)?！?br/>　　半導(dǎo)體是美國(guó)的第四大出口商品，僅次于飛機(jī)、汽車和石油。大部分收入都用于開發(fā)新的產(chǎn)品，使得半導(dǎo)體行業(yè)與制藥行業(yè)一樣，成為頂級(jí)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

　　隨著半導(dǎo)體越來(lái)越小、越來(lái)越便宜，現(xiàn)在幾乎人人都可以用上半導(dǎo)體產(chǎn)品。據(jù)估計(jì)，全球有超過(guò)50億人擁有移動(dòng)設(shè)備，其中一半以上為智能手機(jī)。發(fā)展中國(guó)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(kù)。根據(jù)該智庫(kù)的調(diào)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(shù)字增長(zhǎng)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(jī)。Research ICT Africa的安里·范·德·斯普伊說(shuō)：“這主要?dú)w功于廉價(jià)上網(wǎng)設(shè)備的迅速普及?！?/p>

　　這意味著，即便是在大多數(shù)的偏遠(yuǎn)農(nóng)村地區(qū)，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(guó)家肯尼亞的一個(gè)集鎮(zhèn)。以小鎮(zhèn)上的農(nóng)民道格拉斯·旺加拉為例，他現(xiàn)在會(huì)使用智能手機(jī)來(lái)尋找農(nóng)作物的買家。他說(shuō)：“手機(jī)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(nóng)田里種植玉米和土豆，并以此為生。在擁有智能手機(jī)之前，旺加拉出售他的農(nóng)產(chǎn)品的唯一方式是將它們拿到市集上去賣。如果賣不掉，農(nóng)產(chǎn)品就會(huì)變質(zhì)，他就會(huì)賠錢。移動(dòng)技術(shù)可以幫助他解決這種風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)和潛在買家分享他的農(nóng)作物照片，他可以在玉米或土豆成熟前就達(dá)成交易。等到收獲時(shí)節(jié)，買家會(huì)自己過(guò)來(lái)把農(nóng)產(chǎn)品拉走，而不再需要等旺加拉把農(nóng)產(chǎn)品運(yùn)到市集去。這樣一來(lái)，買家就可以收獲新鮮的農(nóng)產(chǎn)品。旺加拉說(shuō)，在有智能手機(jī)之前，他很難推銷自己的農(nóng)作物。
　　旺加拉大約花15000肯尼亞先令，給自己買了一部手機(jī)，作為商業(yè)投資。除了聯(lián)系買家之外，他還使用手機(jī)來(lái)掌握對(duì)經(jīng)營(yíng)農(nóng)場(chǎng)至關(guān)重要的信息，比如最新的天氣預(yù)報(bào)和不同農(nóng)作物的市場(chǎng)價(jià)格。根據(jù)全球氣候組織Weather Impact的菲歐娜·范·德·博格特進(jìn)行的研究，更好地獲取這類信息，是在肯尼亞和埃塞俄比亞等國(guó)家確保長(zhǎng)期糧食安全的有效方法。獲取準(zhǔn)確的天氣信息，可以幫助農(nóng)民判斷應(yīng)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(shù)據(jù)的話，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(nèi)。在城市之外，像這樣的熱點(diǎn)好似當(dāng)?shù)厣鐓^(qū)的命脈。在很多國(guó)家，城市和農(nóng)村地區(qū)之間的互聯(lián)網(wǎng)訪問(wèn)水平仍存在很大差距。但德國(guó)波恩大學(xué)研究員所做的研究表明，撒哈拉以南非洲地區(qū)的發(fā)展軌跡令人欣喜，其中肯尼亞的農(nóng)民正積極地走在利用移動(dòng)技術(shù)促進(jìn)生計(jì)的最前沿。
　　Research ICT Africa的數(shù)據(jù)顯示，肯尼亞是非洲互聯(lián)網(wǎng)使用率第三高的國(guó)家，24%的肯尼亞人口可以上網(wǎng)。但是其他國(guó)家仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后。比如，在盧旺達(dá)，僅9%的人口可以訪問(wèn)互聯(lián)網(wǎng)，是非洲大陸上互聯(lián)網(wǎng)使用率最低的國(guó)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(shù)字鴻溝不會(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(shù)字鴻溝不僅存在于城鄉(xiāng)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/>　　隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷發(fā)展以及越來(lái)越多人開始學(xué)習(xí)數(shù)字技術(shù)，這些差距應(yīng)該會(huì)逐漸縮小。智能手機(jī)甚至也可以促進(jìn)一個(gè)國(guó)家的整體經(jīng)濟(jì)。根據(jù)一項(xiàng)研究估計(jì)，在發(fā)展中國(guó)家，每一百人中，每增加十部手機(jī)可以使GDP增長(zhǎng)0.5%。
　　鮮有一項(xiàng)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(fù)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)。