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淺談美國高科技核心的晶片

華為因為5G技術領先,被特朗普政府嚴歷打壓,強令美國的所有晶片供應商停止向華為供應晶片,並要求全球所有使用美國技術和裝置的公司也停止向華為供應晶片。這個晶片,到底是什麼東西呢?

過去所有的電子產品例如收音機內部的電路結構都是由成百上千個密密麻麻又分散佈置的電子零件(又叫電子元件)透過一定的電線連線構成的。由於這些成百上千的密密麻麻的電子零件數目繁多而且又是分散佈置的,就會佔用很大的面積空間,而且許多電子零件本身也有一定的體積,就進一步增加了佔用的體積空間。所以在晶片發明之前,早期的電子產品因為內部的電路結構都是由這些密密麻麻又分散佈置而佔用了很大面積和體積空間的電子零件連線組成,所以早期的電子產品體積都十分龐大。例如早期收音機的體積就和烤箱的大小差不多。

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後來人們發現了一種特殊的半導體材料叫做

“矽”

,還發現可以將電子產品中成千上萬個蜜蜜麻麻又分散佈置的電子零件(元件)及其連線電路都集中雕刻在一個小小的矽片上用來代替電子產品中的這些電子零件(元件)及其連線電路,而這個雕刻進了成千上萬個密密麻麻的電子零件及其連線電路的矽片就叫做

“晶片”

。這就相當於我們將一個大面積的國畫微雕到一個小小的米粒上。只是矽的神奇之處在於雕刻在小小矽片上的成千上萬個密密麻麻的電子零件及其連線電路是活的,是可以像真正的電路一樣工作的。就相當於我們將一個有山有水,有花有鳥的國畫雕刻在一個小小的米粒上之後,米粒上的鳥會叫、水會流、花飄香,全都變活了。

而將成千上萬個蜜蜜麻麻又分散佈置的電子零件(元件)及其連線電路都雕刻在一個小小的矽片上需要一種特殊的裝置,這個裝置就叫

光刻機

,目前全球生產光刻機最好的廠家是荷蘭的ASML公司,美國禁止向華為提供晶片就包括禁止荷蘭的ASML公司向中國提供高階的光刻機。

晶片由於是將成千上萬個密密麻麻又分散佈置的電子零件(元件)及其連線電路都集中雕刻在一個小小的矽片上使之集合成一個整體,所有晶片在早期的很長一段時間也叫

積體電路

,臺灣地區也將晶片叫晶圓、晶片,和大陸對晶圓、晶片的定義有所不同。

現在都知道晶片是將成千上萬個密密麻麻又分散佈置的電子零件(元件)及其連線電路都集中雕刻在一個小小的矽片上製成的。而晶片內部密集的電子零件(元件)越多,晶片的功能就越多,效能就越強大。而所有電子零件(元件)中使用最廣泛最重要的就是

電晶體

(又叫三極體)。所以人們常常將晶片內部密集了多少數量的電晶體(三極體)做為衡量晶片效能是否強大的重要指標。對於晶片內部密集的電晶體數量和晶片效能的發展關係,英特爾創始人之一戈登·摩爾(Gordon Moore)提出了一個重要的定律,定律的大致內容是:隨著晶片製造工藝水平的提高,晶片上可以容納的電晶體數目在大約每經過24個月便會增加一倍,晶片的效能也將每隔兩年翻一倍。這就是在電子行業裡盛行多年的

摩爾定理

。神奇的是,半個多世紀以來,電子行業裡晶片內部密集容納的電晶體(三極體)數量和晶片效能的關係一直遵循著

摩爾定理

發展變化。也有人認為

摩爾定理

最早並不是戈登·摩爾(Gordon Moore)提出來的,而是加州理工學院的卡沃·米德(Carver Mead)教授提出來的,這種說法沒有得到大多數人的認同。本人在這裡也不想去追究到底是誰最先提出了摩爾定理。至少戈登·摩爾(Gordon Moore)是提出摩爾定理的重要人物之一。

前而說過小小的晶片內部就能密集雕刻進成千上萬個密密麻麻的電子零件(元件)及其連線電路,其實這種說法已經遠遠不能形容晶片內部的電子零件(元件)的密集程度了。例如英特爾酷睿i7的CPU就是一個高效能的晶片,其核心面積才296平方毫米,比一個火柴盒的面積還小(火柴盒的面積大約在1500~1600平方毫米之間),但其內部卻密集雕刻了7。74億個電晶體。正是因為小小的高效能晶片內部都密集了數億個包括電晶體在內的電子零件(元件)及其連線線路,所以在設計這種高效能的晶片到了要繪製其內部數億個密集的電子零件(元件)及其連線線路時,就不能靠人工繪製的方式來完成這麼大的工作量了,只能藉助

電子設計自動化軟體

來繪製完成晶片內部數億個密集的電子零件(元件)及其連線線路。這種電子設計自動化軟體就叫做

EDA

。如果說前面提到的

光刻機

是用來製造晶片的,那麼

EDA

軟體就是用來設計晶片的。美國除了禁止華為獲得荷蘭ASML公司的光刻機,還禁止華為繼續使用美國的EDA軟體,等於是在晶片的設計環節和製造環節上都牢牢卡住了華為脖子。

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用EDA軟體繪製的晶片內部數以億計的電子零件及其連線線路

晶片從設計到製造完成的粗略流程(具體流程更復雜這裡不再敘述)是先用EDA軟體繪製好晶片內部數以億計的電子零件(元件)及其連線線路,然後再用光刻機將這些EDA軟體繪製好的數億個電子零件(元件)及其連線線路都集中雕刻在一個小小的矽片上,最後再將這個矽片封裝好製成晶片。

由於晶片是將電子產品內部的成千上萬個密密麻麻又分散佈置、佔用了很大面積和體積空間的電子零件(元件)及其連線電路都集中雕刻在一個小小的矽片上,所以它極大地縮小了電子產品的體積。前面說過在晶片發明之前,早期的收音機體積和烤箱的大小差不多,而現在用晶片製作的收音機只有香菸盒這麼大,甚至還可以做到比火柴盒還小。一些行業部門還做過一個粗略的估計:如果現在的家用電腦不用晶片而用老式的電子零件(元件)來組裝製造,由於組裝家用電腦需要的老式電子零件(元件)達到數以億計,而將數億個老式的電子零件(元件)連線組裝起來的構造和體積更是錯綜複雜,堆積成山。所以不用晶片、只用老式電子零件(元件)組裝製造出來的家用電腦體積龐大到可以和樓層比肩,所耗用的電量也是異常驚人的。如果現在的手機也不用晶片而用老式的電子零件(元件)來組裝製造,由於組裝手機需要的老式電子零件(元件)也有幾十萬個,這幾十萬個老式的電子零件(元件)組裝堆積起來的大小也使手機的體積超過一臺冰櫃。所以,晶片在減小電子產品的體積,使高效能的電子產品步入尋常百姓家發揮了不可替代的作用。

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