沙子是如何制成芯片的?5分钟告诉你为何国产CPU如此艰难?

2021-10-22 10:57:52 世界有秘密

在现代信息社会中,电子产品已经成为支撑社会运行的一条“腿”,而在主宰着电子王国的“国王”是CPU,别看它只有几公分、几微米,但确实是它管理者手机、电脑中上千万指令。老话说,“蛇无头而不行,鸟无翅而不飞”,没有带头大哥,做事只会变成一锅粥,可见CPU的重要性。

CPU

CPU虽然看起来小,但最少都要经过成千上百道工序才完工。而且制造它的原料是大家绝对想不到的一件东西,那就是沙子。不过,CPU的沙子可不是一般的沙子而是万里挑一的硅砂。而这还是开头第一难,要制作CPU还有八十难等在后头呢!那么,国产CPU究竟有哪些难题?我国的芯片事业如今的状况又是如何?

CPU的原材料是什么?

CPU,也就是我们常说的中央处理器,是电子设备中的核心元件,也可以说是电子设备的“大脑”,处理并执行一切的信息以及指令。从上世纪中期,第一台电脑ENIAC面世之后,类似CPU的执行指令的设备也随之诞生,并且随着集成电路技术的成熟化,CPU的体型越来越缩水,而运行速度也一日千里。

第一台电脑ENIAC

别看CPU只有大拇指大小,但事实上这个小东西却是包罗万象,在显微镜下里可以看见上面星罗棋布的电路网络,令人渍渍称奇。这些网络上遍布着数以万计的晶体管,这些晶体管虽然如尘埃般大小,但决定CPU运行速度以及处理效率的重要“功臣”,CPU上的晶体管越多,其处理效率、运算速度也越快。

CPU上的晶体管

那么这个装载有上百万个晶体管的CPU是如何产生的呢?大家都知道制造CPU的原料是单质硅,但很少人知道硅是从哪里来的?硅,这种元素在地壳中的含量排第二,储量巨大,但是它们并不像碳或者铜那样在自然界中存在单质,由于硅的化学性质比较活泼,因此它极少以单质的形态出现,基本上都是氧化硅或者硅酸盐形式存在。

因此,单质硅需要经过提取,那么单质硅是从哪儿提取的呢?答案是沙子,想不到吧,一文不值的沙子居然是昂贵的电子元件的原料来源地。

沙子到CPU,经过了多少“劫难”?

当然,要使大街货的沙子变成充满科技感的CPU其中必然会经历一系列复杂的过程。首先,就要对沙子进行提纯,在亿万颗砂砾中选择出最纯净的单质硅原料,这个过程也存在较大的难度。需要将天然沙子放在专门的高温处理仪器上进行高温熔化,而后冶炼出精度高达99.99%的单质硅晶体,这才算是走完了“万里长城第一步”,接下来还有重重关卡在等候。

硅晶体原子排列

第二步,将仪器中拉伸成圆柱体的单质硅进行切割,就像是切黄瓜一样切成薄片,于是我们就得到了一个薄薄的圆片,也就是晶圆。晶圆切割完成之后,还需要进行离子注入、抛光等一系列的过程才到下一步,即制造芯片。在晶圆到芯片的过程虽然要历经千难万险,但是其中最紧要的只有两个部分,光刻以及蚀刻。

晶圆

在光刻之前,机器会先在晶圆上涂上一层光刻胶,然后光刻机会投下带有电路图的光,晶圆就会像照片“曝光”一样带有相应的电路。被光照射到的光刻胶会发生化学反应,被找到的地方会变得容易洗掉,而没找到的地方则维持原样,于是一个晶体管就做好了,接下来只需重复以上操作就完成了光刻。接下来将晶圆放进专门的蚀刻槽内,用特殊的化学药剂蚀刻掉没有光刻胶保护的部分,蚀刻完成之后就能看到晶圆上的第一层电路图。

在晶圆上进行光刻

然后,光刻胶的光荣使命结束,我们要用专门的清理材料将晶圆表面的光刻胶清除,再经过离子注入、电镀、抛光等一系列工序一个芯片才算完成。不过,在出厂前我们还需要多次的检验芯片是否合格,其中的电路有无故障等等。以上就是平平无奇的沙子华丽转身为CPU的全过程。一个小小的芯片就像是一个宇宙一样,包含着数以万计的电子元件,堪称是“一沙一世界”。

为何国产 CPU产业如此艰难?

通过芯片诞生的“九九八十一难”,可以看出芯片制造是一个高精尖的制造领域,其中需要大量的高科技设备,而我国在集成电路高科技领域的技术几乎是一片空白。别的不说,就拿光刻机来说,这个行业的最尖端技术掌握在荷兰ASML公司手上,占据了几乎全球八成以上的市场份额,堪称是光刻机行业的“龙头老大”,而反观我国在光刻机行业完全就是个小学童,还处于学习中。为什么我国的国产芯片产业发展如此艰难呢?

光刻技术

首先,我们的发展相对落后。我国的计算机产业一直到本世纪初才开始有所发展,并且由于电脑太贵、成本太高,我们对于电脑的作用比较忽视,国家并没有大力发展电子产业,而是顺着潮流发展经济,积极对外开放,因此起点太晚导致发展落后。

其次,我们的对手太过强大,由于从1950年代国外的计算机事业就起航,导致他们的发展比我们快了近半个世纪,巨大的时间差使国外芯片企业占据了全球市场、同时也垄断了相关技术。

集成电路

因此导致国内的集成电路产业发展时,国内的市场已经被外国的Windows以及英特尔完全占据了,这导致国内芯片的上下游产业都被控制,失去了自主竞争力,毕竟只要每做一份订单就能拿钱,比自己花心思去开发划算得多。此外,国内高端集成电路技术的人才极度稀缺也是导致我们的芯片产业发展艰难的一个方面。

龙芯芯片

不过,随着国家对芯片产业的扶持力度加大,民族企业意识的觉醒,国内的芯片产业已经开始生根发芽,长花骨朵了。其中,中科院领导制造的龙芯芯片已经在国际上小有名声,后续的华为、小米等公司也开始发力,投入到芯片制造业。

结语

道路是曲折的,但是前途是光明的。随着我国的国力提升,我国的芯片产业将会迎来一个质的提升,在未来赶上西方国家,在世界贸易中分得一蛋份糕。

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