在紀(jì)錄片領(lǐng)域 BBC一直是打遍天下無(wú)敵手的存在 作為紀(jì)錄片王牌制作方 近期，BBC與FedEx聯(lián)合推出了神作Made on Earth系列 《The humble mineral that transformed the world》 作為零差評(píng)的重要一集 用嘆為觀止的精良畫(huà)面 為觀眾講述了半導(dǎo)體常用材料——硅的故事

半導(dǎo)體芯片在連接世界方面

已經(jīng)比其它任何技術(shù)都強(qiáng)

芯片是如何到達(dá)我們生活的每個(gè)角落的？

遍布世界的“硅”

從永不休眠的城市到偏遠(yuǎn)鄉(xiāng)村，一項(xiàng)技術(shù)正在改變我們的生活和工作方式。

從口袋里的智能手機(jī)到為互聯(lián)網(wǎng)“供電”的龐大數(shù)據(jù)中心，從電動(dòng)踏板車(chē)到超音速飛機(jī)，從起搏器到天氣預(yù)報(bào)超級(jí)計(jì)算機(jī)——在這其中的每一個(gè)設(shè)備內(nèi)部，無(wú)論是看不見(jiàn)的還是鮮為人知的，都是這項(xiàng)微小的技術(shù)使之成為可能，它叫半導(dǎo)體。

半導(dǎo)體器件是現(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(kāi)關(guān)。

美國(guó)科學(xué)家于1947年建造了第一個(gè)硅晶體管。在此之前，計(jì)算機(jī)理是由真空管完成的，該真空管體積大，速度慢。直至后來(lái)，硅改變了一切。

▲電子制造流水線上的女工

硅打開(kāi)了半導(dǎo)體材料的新大門(mén)，使一大批半導(dǎo)體元器件變得越來(lái)越小，這種變化逐年發(fā)生，半導(dǎo)體元器件變得越來(lái)越小的同時(shí)，也在變得越來(lái)越智能。

半導(dǎo)體工業(yè)協(xié)會(huì)首席執(zhí)行官約翰·諾弗（John Neuffer）表示：“這些晶體管的小型化，使我們能夠進(jìn)行前幾代人無(wú)法想象的工作。”“因?yàn)槲覀兛梢詫⒋笮瓦\(yùn)算設(shè)備安裝在微型芯片上了。”

創(chuàng)新的速度是空前的。芯片開(kāi)始以穩(wěn)定的速度被小型化，就好像該技術(shù)在遵循某種法律一樣。

約50年前，芯片巨頭英特爾的聯(lián)合創(chuàng)始人戈登·摩爾（Gordon Moore）首先提出摩爾定律預(yù)測(cè)，即芯片上可容納的晶體管數(shù)量每?jī)赡昃蜁?huì)翻一番。

直到近幾年，摩爾定律仍被證明是正確的。只是到了現(xiàn)在，當(dāng)縮小的晶體管尺寸到物理極限時(shí)，芯片的微型化步伐才開(kāi)始放慢了，摩爾定律走向逐漸失效。

早期晶體管肉眼可見(jiàn)，但是到了現(xiàn)在，一個(gè)很小的芯片可以容納數(shù)十億個(gè)晶體管。最重要的是，半導(dǎo)體制造業(yè)的這種指數(shù)級(jí)改進(jìn)推動(dòng)了數(shù)字革命。

但是，硅作為這場(chǎng)革命的核心元素，卻有些“謙虛”得令人驚訝，它分布得太廣泛了。硅是地球上最常見(jiàn)的物質(zhì)之一，存在于構(gòu)成地殼90％的礦物中。一項(xiàng)遍布全球的技術(shù)是由地球上最普遍的一種物質(zhì)制成的。

硅為5000億美元（合4100億英鎊）的芯片產(chǎn)業(yè)提供了動(dòng)力，這反過(guò)來(lái)又為價(jià)值約30億美元的全球科技經(jīng)濟(jì)提供動(dòng)力。

半導(dǎo)體業(yè)務(wù)也已成為歷史上聯(lián)系最緊密的業(yè)務(wù)之一，其原材料主要來(lái)自日本和墨西哥，而芯片制造則來(lái)自美國(guó)和中國(guó)，制成的芯片將運(yùn)往世界各地，最終安裝在電子設(shè)備中，銷(xiāo)往世界各國(guó)的人們手上。

納弗說(shuō)：“從原材料到銷(xiāo)往終端，硅可能要在世界范圍內(nèi)傳播兩到三次。”但是，這個(gè)龐大的全球網(wǎng)絡(luò)可以將其起源追溯到少數(shù)幾個(gè)非常特定的地方，其中美國(guó)、德國(guó)、韓國(guó)、日本是世界上排名前四的硅晶圓出口國(guó)。

從石英石到硅

高端電子產(chǎn)品需要高質(zhì)量的原料。后來(lái)有人在石英巖中發(fā)現(xiàn)了最純凈的硅，其中美國(guó)北卡羅來(lái)納州云杉松附近的一個(gè)采石場(chǎng)擁有世界上最純凈的石英石。

全球數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的數(shù)字設(shè)備-甚至包括您手中的智能手機(jī)或您前面的筆記本電腦-都將北卡羅來(lái)納州這座小鎮(zhèn)的一部分帶入其中。

Quartz公司的礦山經(jīng)理Rolf Pippert說(shuō)：“一想到幾乎在每部手機(jī)和計(jì)算機(jī)芯片中都可以找到Spruce Pine的石英石，這確實(shí)讓我有些詫異。”

▲硅的原材料：石英石

云杉松周?chē)膸r石非常獨(dú)特。二氧化硅含量高，是一種含硅化合物，污染物含量低，該地區(qū)已經(jīng)開(kāi)采了數(shù)百年，用于寶石和云母（一種用于油漆的硅酸鹽）。但是，隨之出土的石英被丟棄了。直到后來(lái)1980年代半導(dǎo)體工業(yè)的興起，石英石才變成了白金般珍貴的物質(zhì)。

現(xiàn)在，它的售價(jià)為每噸10,000美元（8,250英鎊），以此為主營(yíng)業(yè)務(wù)的Spruce Pine礦的年?duì)I業(yè)額為3億美元。用機(jī)器和炸藥從地面提取的巖石放入破碎機(jī)中，該破碎機(jī)吐出石英礫石。然后將其送至加工廠，將石英研磨成細(xì)砂。添加水和化學(xué)藥品可將硅與其他礦物分離。硅經(jīng)過(guò)最后的研磨，然后裝袋并以粉末形式送到精煉廠。

世界上每年生產(chǎn)數(shù)十億個(gè)芯片，但對(duì)應(yīng)的每年僅開(kāi)采約30,000噸硅。這比美國(guó)每小時(shí)生產(chǎn)的建筑用砂量還少。“在云杉松地區(qū)，這里的儲(chǔ)量非常大，”皮珀特說(shuō)。“我們現(xiàn)在擁有數(shù)十年的芯片制造材料。而且在我們用盡石英石之前，該行業(yè)可能會(huì)發(fā)生變化。”

從硅到芯片

將硅粉研磨成細(xì)末，將細(xì)末在1400℃的熔爐中熔化并制成圓柱形錠，然后將它們切成薄片，最終得到的產(chǎn)品稱為晶圓，晶圓切割的過(guò)程就像切碎黃瓜一樣。最終，幾十個(gè)矩形電路被刻印在工廠流水線中的每個(gè)晶圓上，例如紐約州Global Foundries運(yùn)營(yíng)的晶圓廠。從晶圓廠，芯片開(kāi)始進(jìn)入地球之旅。

▲芯片制造過(guò)程

“我們擁有所有公司想要制造的任何[電子]設(shè)備的印刷機(jī)，” Global Foundries（格羅方德半導(dǎo)體）的潔凈室工程師Chris Belfi說(shuō)。

芯片體型很小，即便是灰塵或毛發(fā)等細(xì)微物質(zhì)都會(huì)破壞其復(fù)雜的電路。

為了避免污染微電子產(chǎn)品，廣闊的晶圓工廠車(chē)間必須是無(wú)菌的。六個(gè)足球場(chǎng)大小的芯片生產(chǎn)區(qū)域比手術(shù)室還要清潔數(shù)千倍，昏暗的黃光照明能防止紫外線輻射破壞生產(chǎn)過(guò)程中使用的某些化學(xué)藥品。實(shí)驗(yàn)室工作人員和工廠技術(shù)人員從頭到腳穿上了白色防護(hù)服，戴著口罩和護(hù)目鏡，就在這看起來(lái)有些令人毛骨悚然的照明色調(diào)中開(kāi)展工作。

▲芯片生產(chǎn)環(huán)境

在潔凈室內(nèi)，大多數(shù)操作都是由真空密封的機(jī)器人自動(dòng)執(zhí)行，它們之間的零件在吊裝的單軌上活動(dòng)。根據(jù)設(shè)計(jì)的不同，每個(gè)芯片可能需要1,000至2,000個(gè)步驟才能生產(chǎn)出來(lái)。

每個(gè)進(jìn)入工廠車(chē)間的空白晶圓成本要幾百美元。當(dāng)它們離開(kāi)晶圓廠時(shí)，身上已經(jīng)印有數(shù)十億個(gè)晶體管，身價(jià)已經(jīng)漲了一百多倍。Global Foundries制造的大多數(shù)芯片最終都用于手機(jī)或稱為GPU的專業(yè)硬件中，這些硬件為視頻游戲，AI和加密貨幣挖掘提供動(dòng)力。

健身追蹤器、智能冰箱和智能揚(yáng)聲器等互聯(lián)設(shè)備（統(tǒng)稱為物聯(lián)網(wǎng)）是另一個(gè)不斷增長(zhǎng)的終端設(shè)備系列。貝爾菲說(shuō)：“人們總是希望和更多的東西聯(lián)系在一起。”

▲經(jīng)過(guò)層層改造，硅進(jìn)入電子設(shè)備中

硅旅程的下一個(gè)階段通常是運(yùn)送到在其它國(guó)家的電子制造商手中。Global Foundries中央工程總監(jiān)Isabelle Ferain說(shuō)：“我為成為半導(dǎo)體行業(yè)的一員感到自豪，該行業(yè)為加強(qiáng)世界各地人們之間的聯(lián)系做出了貢獻(xiàn)。”“當(dāng)我觀察每天使用的電子設(shè)備時(shí)，都能從中看到我們正在研究的技術(shù)。”

半導(dǎo)體是僅次于飛機(jī)，汽車(chē)和石油的第四大出口商品。半導(dǎo)體行業(yè)的大部分收入都用于開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品。

研究領(lǐng)域中投入最高的行業(yè)有兩個(gè)，一個(gè)是制藥業(yè)，另一個(gè)就是半導(dǎo)體。Ferain說(shuō)：“我們正身處改變著改變世界的行業(yè)。”

這樣說(shuō)來(lái)，芯片制造商密切保護(hù)自己的技術(shù)秘密也就不足為奇了。“知識(shí)產(chǎn)權(quán)是半導(dǎo)體行業(yè)的命脈，”半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)的約翰·諾弗說(shuō)。

但是很多國(guó)家正在努力發(fā)展半導(dǎo)體技術(shù)。中國(guó)是世界上最大的半導(dǎo)體消費(fèi)國(guó)，但使用的芯片中只有一小部分是自制的。

2017年，中國(guó)進(jìn)口了價(jià)值2600億美元的芯片，這是該國(guó)最大的單一進(jìn)口商品。中國(guó)半導(dǎo)體未來(lái)的目標(biāo)是更加自給自足，到2020年能生產(chǎn)40％的自研半導(dǎo)體器件，到2025年這一指數(shù)能達(dá)到70%。因此，越來(lái)越多的中國(guó)公司正在生產(chǎn)自己設(shè)計(jì)的芯片。

硅引發(fā)的互聯(lián)網(wǎng)革命

隨著時(shí)間的發(fā)展，半導(dǎo)體變得越來(lái)越小，價(jià)格卻越來(lái)越便宜，現(xiàn)在幾乎每個(gè)人都可以使用它們。據(jù)估計(jì)，超過(guò)50億人擁有移動(dòng)電子設(shè)備，其中一半以上是智能手機(jī)。發(fā)展中國(guó)家還在努力提高普通民眾的電子設(shè)備使用率。

根據(jù)專注于技術(shù)政策研究的Research ICT Africa進(jìn)行的調(diào)查顯示，非洲 15歲及15歲以上使用互聯(lián)網(wǎng)的人數(shù)從2007年的15％增加到2017年的28％。

現(xiàn)在已經(jīng)有十分之二的非洲人擁有智能手機(jī)。“這主要?dú)w功于半導(dǎo)體的進(jìn)步迅速打造了更廉價(jià)的互聯(lián)網(wǎng)電子設(shè)備，”非洲研究ICT研究所的Anri van der Spuy表示。

更廉價(jià)的電子設(shè)備意味著即使是在大多數(shù)農(nóng)村地區(qū)生活的民眾，也能開(kāi)始感受到半導(dǎo)體技術(shù)進(jìn)步的影響。

以肯尼亞集鎮(zhèn)納努基（Nanyuki）的農(nóng)民道格拉斯·旺加拉（Douglas Wanjala）為例，他會(huì)使用智能手機(jī)來(lái)協(xié)助尋找農(nóng)作物的購(gòu)買(mǎi)者。他說(shuō)：“手機(jī)使我的工作非常輕松。”

旺加拉（Wanjala）和他的妻子格拉迪斯（Gladys）經(jīng)營(yíng)著一家小型農(nóng)場(chǎng)企業(yè)，在他們家附近的一條河附近的一塊土地上種植玉米和土豆。

在他擁有智能手機(jī)之前，Wanjala出售農(nóng)作物的唯一方法就是將農(nóng)作物推到市場(chǎng)賣(mài)。到了收獲季節(jié)，如果他們不能及時(shí)出售農(nóng)作物，就會(huì)因?yàn)檗r(nóng)產(chǎn)品變質(zhì)而虧本。

互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)大大降低了這種風(fēng)險(xiǎn)。Wanjala說(shuō)，在擁有智能手機(jī)之前，自己推銷(xiāo)農(nóng)作物非常困難。現(xiàn)在通過(guò)手機(jī)，Wanjala可隨時(shí)與潛在買(mǎi)家分享自己的農(nóng)作物照片和信息，在玉米或土豆出土之前就與意向買(mǎi)家達(dá)成銷(xiāo)售協(xié)議。買(mǎi)主們還會(huì)在農(nóng)作物最新鮮的狀態(tài)下，親自來(lái)收割農(nóng)作物，而不再需要等待Wanjala將農(nóng)作物推向市場(chǎng)。

Wanjala認(rèn)為購(gòu)買(mǎi)手機(jī)是一項(xiàng)商業(yè)投資，他花了約15,000肯尼亞先令（120英鎊）。除了聯(lián)系買(mǎi)家外，他還能通過(guò)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，例如最新天氣預(yù)報(bào)和不同農(nóng)作物的市場(chǎng)價(jià)格。

根據(jù)全球天氣組織Weather Impact的Fiona van der Burgt的研究，農(nóng)場(chǎng)主們獲取準(zhǔn)確天氣信息使農(nóng)民在決定種植什么和何時(shí)種植農(nóng)作物時(shí)比以前更具優(yōu)勢(shì)，是保障肯尼亞和埃塞俄比亞等國(guó)家長(zhǎng)期糧食安全的有效途徑。

為了順利上網(wǎng)，Wanjala需要訪問(wèn)一個(gè)經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換的運(yùn)輸容器附近Wifi熱點(diǎn)。在遠(yuǎn)離城市的地方，這種信號(hào)樞紐為當(dāng)?shù)厣鐓^(qū)數(shù)據(jù)訪問(wèn)提供了生命線。在許多國(guó)家，城市和農(nóng)村地區(qū)的互聯(lián)網(wǎng)訪問(wèn)體驗(yàn)仍存在很大差距。

但是，根據(jù)波恩大學(xué)HeikeBaumüller的研究，撒哈拉以南非洲地區(qū)的互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展前景令人鼓舞，肯尼亞農(nóng)民已成為采用移動(dòng)技術(shù)來(lái)促進(jìn)業(yè)務(wù)發(fā)展的領(lǐng)先者。

Research ICT Africa的數(shù)據(jù)顯示，肯尼亞有24％的人上網(wǎng)，是非洲互聯(lián)網(wǎng)使用量排名第三的國(guó)家。其他國(guó)家的互聯(lián)網(wǎng)使用量被遠(yuǎn)遠(yuǎn)拋在后面。例如，在盧旺達(dá)，只有9％的人可以訪問(wèn)互聯(lián)網(wǎng)，這是非洲大陸上訪問(wèn)量最低的國(guó)家，而且，其中有77％的互聯(lián)網(wǎng)用戶生活在城市中。

范德斯普伊（van der Spuy）認(rèn)為，我們需要警惕這種數(shù)字鴻溝可能會(huì)使人們之間的差距變得更大。她說(shuō)：“現(xiàn)在，互聯(lián)網(wǎng)接入已成為參與社會(huì)的先決條件。”索取社會(huì)福利，申請(qǐng)工作或?yàn)楹⒆由蠈W(xué)注冊(cè)之類的事情越來(lái)越多地在網(wǎng)上完成。

這種鴻溝不僅存在于城鄉(xiāng)人口之間，富人比窮人更可能使用互聯(lián)網(wǎng)，男人比女人更可能使用互聯(lián)網(wǎng)，年輕人比老年人更可能使用互聯(lián)網(wǎng)。“如果您無(wú)法使用互聯(lián)網(wǎng)，則可能會(huì)被甩在后面。”

欣慰的是，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷發(fā)展和更多人學(xué)習(xí)數(shù)字技能，這些差距可能在縮小。

智能手機(jī)甚至可以促進(jìn)一個(gè)國(guó)家的整體經(jīng)濟(jì)。根據(jù)一項(xiàng)估計(jì)，發(fā)展中國(guó)家如果每100人中有10部移動(dòng)電話可促進(jìn)整體GDP增長(zhǎng)0.5％。

很少有一項(xiàng)技術(shù)能夠改變這么多人的生活。“將簡(jiǎn)單的物質(zhì)變成純石英砂，然后將其轉(zhuǎn)變?yōu)槿缃襁B接我們生活所需的，看起來(lái)無(wú)限復(fù)雜的半導(dǎo)體技術(shù)，這是一個(gè)相當(dāng)了不起的想法。”Neuffer認(rèn)為。