芯 片 及 工 作 原 理

吴  志

 

【提要】我很少写科普文章，但现在芯片是全球焦点，而且无人能讲清芯片的工作原理，那么我就说一下了。这篇文章具有科学原创性，属于教育科学的创新。此文顺便谈了一下教育问题，提出了干货教育法、浓缩教育法和公共科技课教育法

经常有文章说，指甲大小的芯片，可以植入几十亿个晶体管，这就把人吓傻了，科技发展到了令人难以想象的地步。这么小的晶体管怎么做出来都是问题，别说密密麻麻种植了。其实，晶体管可以理解为线路或开关，一段线路可以开合，就是开关，也是晶体管。

从S到G是一条导线，中间断开了，要通过另一截导线D来控制开关，当在D施加一个电压，S与G之间的沟槽就导电了；施加的电压越大，导电就越多，这意味着能控制线路开合和电流大小，这就是晶体管了，由于有三个极，又叫三极管。很简单吧？三块积木。

S叫源极，G叫漏极，D叫栅极，这三个极是用紫外线在硅片上雕刻出来的，雕刻得越精细，意味着容纳的晶体管越多，也就越先进了。为什么用硅片？硅是半导体，是介于导体与绝缘体之间的物质，导电性可人工控制，需要的就是这种听指挥的材料。常说的多少纳米（nm）芯片，是指栅极的长度，目前商用极品是7nm，高通、三星和华为海思芯片都是这个级别。

芯片上除了晶体管，还有电阻、电容等，主要是材料不同和线路不同，这些元件说到底还是线路。在硅片上撒点导电不太好的物质，那就是电阻了。电容是正负两极相对，有绝缘膜分隔，也可以是空气分隔，正负电荷想拥抱，无奈过不去，电荷越积越多，就等于把电储存起来了。当电压上升时可以击穿空气，电流接通，还可以用开关把两极接通，电流也就流过去了。芯片上的线路由晶体管、电阻、电容、线路等组成，把许多复杂线路集合在一块或多块芯片上，就叫集成电路。

芯片是怎么研究的？就是研究如何规划、设计和利用硅片空间，使用什么元件、如何布线和设计电流走向。这叫芯片设计，也就是电路设计。由于元件很多，线路复杂，犬牙交错，要做到最合理、最快捷、最小型，还要在逻辑上能走得通，能发挥特定作用，这就有一定难度了。

7纳米不是雕刻出来的么？为什么是设计出来的？确切说是设计7纳米制程的芯片，即按7纳米的工艺标准来设计芯片。7纳米晶体管连接方法较特殊，会带来较长的节点，得把标准模块重新设计，把整个集成电路图梳理一遍，这就比较复杂了。若是按模块设计，什么模块管什么功能，就可以像搭积木那样，一块块嵌入芯片上就行了，这样就比较简单，但现在打乱一切或打乱很多。设计芯片类同设计和布置大楼，要设计每层楼、每间房的布局和间隔，然后再布置每层楼、每间房，陈设什么家具电器，发挥什么功能作用，都要一一规划和设计好。

我认为，要用最少的元件和最简单的电路实现特定功能，这样的芯片才具有最高的性能。只要设计得好，可以在7纳米芯片上做到3纳米芯片的功能。同一个故事，你用30万字写完，这样就可以印刷在300页的书上了；你写了40万字，这本书就装不下了，要多加100页。这意味着空间利用率不高，芯片功能下降。芯片设计成功后交给光刻厂，按设计蓝图生产出来，作为设计师，你还得事先知道光刻机是怎么制作芯片的。

芯片生产是按芯片设计图，在有涂层的硅片上把集成电路制作出来，主要工艺是紫外线雕刻，还有融蚀工艺等，在去掉什么和保留什么之间，完成集成电路的生产。未加工的硅片是圆形的，通常叫晶圆，是纯度接近100%的硅。

晶体管有两种状态，断开或接通，可以用0和1表示，但有时是半开半关状态，有电流，不太大，这还是处于接通状态，可以用电阻或电压来控制电流大小。所有灯珠都是默认最大的，可以用电阻和电压来调节亮度，让它没那么亮。

晶体管控制线路开合和电流大小，有什么作用呢？电视、电脑和手机屏幕可以看成一排排小灯，形成纵横交错的灯阵，就像阅兵时的方阵一样。LED显示器的灯珠就是发光二极管，通电就能发光，有各种颜色，看成一盏灯好了。

当晶体管关闭时，对应那个灯珠是不亮的；当晶体管接通时，对应那个灯珠是亮的。通过控制电流大小，可以调节明暗变化。许多个晶体管控制许多个灯珠，让它们发生明暗变化，就可以组成一幅图像了。在每个瞬间，每个灯珠只显示一种颜色，这样才能构成一幅图。可以是静画，也可以是动画，许多有微小差异的静画依次播放，看起来就是会动的了。这就是黑白电视机了。

想看彩色电视怎么办？把灯珠做成红、绿、蓝三种颜色，这叫三原色，可以“勾兑”成无数颜色，即每个灯珠由三种颜色的灯组成，可以理解为红、绿、蓝三块发光玻璃重叠在一起，分别由不同晶体管控制线路开合和电流大小，这样每个灯珠就能显示无数种颜色了。这就是彩色电视机了。

从原理上看，计算机不复杂，但芯片为什么要有那么多晶体管呢？因为屏幕灯珠有几万个、几十万个，甚至一百多万个，每个灯珠内还有三种颜色的灯，再乘以3就很多了。每一瞬间，每个灯珠只显示一种颜色，可显示256级灰度和65535种颜色，最高可显示1600多万种颜色，这就很复杂了，就要分别由不同的晶体管控制。在芯片上植入多少晶体管，视需要而定。

还有喇叭声音的控制；还有键盘每个键输入指令的接收和处理，鼠标每个动作输入指令的接收和处理，话筒输入指令的接收和处理；还有外接电流的输入与控制；还有电流的输出与控制，这是连接外部设备的，如机器人的动作和语音等。另外，晶体管还要控制内部电路和元件工作。这样需要的晶体管就很多了，芯片和电脑就很复杂了。但原理不复杂，就像人体有60万亿个细胞，比电脑还复杂，但每个细胞大同小异，只是分工做不同的工作，这样看就不复杂了。

屏幕有许多灯珠，灯珠又有许多变化，由谁来控制呢？由程序来控制，程序就是软件了。程序是用计算机能识别的语言来编写的，输入计算机后，随时可以让计算机来走这个程序，走程序时它会自动转化为0和1两种状态，即开关两种状态，这就是计算内部的动作了，很简单。只要你打开这个程序，它就从头走到尾了。不过，中途还可以用键盘或鼠标输入一些信号，控制这个程序的进程或演化。

想看电影，打开电影软件；想听歌，打开酷狗音乐；想写文章，打开Word；想聊天，打开微信；想上网，打开浏览器；想杀毒，打开360；想翻译，打开有道词典；想看地图，打开谷歌地图，等等，这些都叫程序或软件，安装在手机的软件叫APP。电脑和手机还有一个最大的软件，那就是操作系统，其他软件都要在它上面运行。

由此可见，计算机只是一台能自动控制显示灯的机器，没有什么特别之处。装上喇叭后还可以发出声音，有电流就有震动，有震动就有声音嘛，不同的震动形成不同的声音。以后说不定还能散发出香味，看到鲜花就有花香。

让计算机制作出一个北京烤鸭如何？也是可以的，计算机可以指挥自动化厨房工作，从冰箱取出一个北京鸭，装入烤箱中烤制，一个小时后就端到你面前了。这不算计算机做的吧？把自动化厨房视为计算机外置设备，就像计算机外置喇叭一样，就算是计算机做的了。这样的餐厅很快就有，进入家庭也不遥远。如果冰箱没有北京鸭呢？没关系，用各种蛋白质原料和香料3D打印出一个北京鸭，再放入烤箱烘烤。

把计算机与家庭物件联系在一起，就叫物联网，只要给这些物件装上芯片、电线，再接上电源就成，这些物件都成为智能电器了，每一个电器都能接收信息和指令，甚至能对外发出信息和指令。这个家庭物联网可以包括私家车，无论汽车跑到了哪里。家庭物联网还可以同外界物联网联接，如单位、公共设施、公共机构等，这就是社会物联网了。科技企业未来做什么？物联网是重点方向之一。现在华为在做车联网，这是物联网的一部分，让车辆通过网络与世界联系在一起，接收信息和指令，发出信息和指令。华为还是华为，什么都捷足先登。

物联网宣传几年了，绝大多数人都无动于衷，迷迷糊糊，莫名其妙，就是因为没能讲清原理和意义。现在明白了，这意味着自己下班前，可以用手机指挥家里的厨房做饭，包括烤制出一个自己喜欢吃的北京烤鸭。你还可以监测到驾驶汽车的儿子疲劳了、嗑睡了、醉酒了、迷路了，然后告诉他，由你接管汽车，你命令汽车强行转入自动驾驶模式，手动驾驶模式失效，把驾驶座放平让儿子睡觉，让车辆自动开回家中车库，到达后熄火、开窗，你再把儿子扶回家。如果你睡着了，儿子在车上睡一晚也没关系。如果怕他被蚊子咬，你预先对车发出指令，停车后自动打开车上的电蚊香。车辆也能监测到车主睡着了，还有蚊子叮咬他，自动打开电蚊香。当然，物联网还有很多作用。

绝大多数人不懂计算机工作原理，就把计算机神化了，认为是具有高超智慧的机器。若给计算机装上四肢和身躯，就变成机器人了，认为将来机器人会战胜、消灭和取代人类。其实，机器人不就是一台电脑么？计算机程序不就是人编的么？当然，机器人能做动作，这些动作就是机械原理了，计算机输出的电流可以控制这些动作。如果你想让机器人杀人，给它一把刀或一枝枪，再告诉他杀什么人，它是会杀人的。

看了这篇短文，就知道什么是芯片、晶体管、集成电路、计算机、电视和手机了。那么CPU、处理器、微处理器、中央处理器是什么呢？可以理解为核心电路或核心芯片。手机、电脑主板有不少芯片和电路，有几十至几百个，不重要的就裸露不管了，最重要的就用一个硬壳保护起来，这叫芯片封装，这块东西就相当于人的大脑了，叫CPU、处理器、微处理器或中央处理器。外部电路系统，相当等于人脑以外的神经系统，也发挥信息收集、信息处理和指令传达的功能。

其实CPU里面也没有什么，不就是电流在里面走迷宫么？就像人在故宫里面走，怎么走是有规矩的，从哪来，到哪去，走什么路线，明明白白。皇帝、大臣、将军、皇后、皇妃、宫女、太监、厨师、御医和卫士等，都有特定行走线路，不能走错路，进错门，当然路线有无数条，在不同时间走不同路线。还有一些随心所欲的路线，但也是在规定范围之内的，允许你走到哪你才能走到哪。

从处理器引出了很多线，这是输入电流和输出电流，输出电流主要是控制屏幕。有些引线是接到主板上的电容、电阻上的，或说是接到分电路上的，因为是这些东西占地面积太大，在处理器内装不下，就移到外面去了。好比手机是一个整体，如果觉得手机屏幕太小，想看22寸的，那就只能把屏幕移到手机外面了；如果觉得键盘太小，想用十个指头随意挥洒，那也只能移到手机外面了。这样手机就变成电脑了。

弄明白计算机原理后，就可以思考一下量子计算机了。计算机是靠电子工作的，所以叫电子计算机。量子不是粒子，只是最小能量单位，总得依附在某种粒子上，通常是依附在光子上，所以量子计算机就是光子计算机，是用光子代替电子做功。为什么不叫光子计算机呢？光子不是高科技，量子才是高科技，改一个名字就像高科技了。

有人做出了房间那么大的量子计算机，我估计只是摆设，不能使用。量子力学认为，光子具有叠加态，既可以是0，也可以是1，这样不就可以并行运算了吗？速度不就可以更快吗？开发人员是这么想的。问题是没人能搞清什么是叠加态，说来说去只是薛定谔那个不死不活，又死又活的猫，总不能把故事当饭吃吧？假如把0与1混淆了，还能叫计算机吗？

电流的速度是每秒30万公里，与光速相同，在速度上光没有优势。电线能做到7nm那么细，等于一根头发的万分之一，光纤能不能做到这么细？光纤里面的光导体叫光芯，相当电线中的铜线，目前最细光芯是8μm~10μm（微米），等于头发的十分之一，外面还有包层，以便让光保持在光芯之内，包层是玻璃，为了保护玻璃，还要再包一层塑料（涂覆层）。这么一来，直径加粗，工艺复杂，成本增大。

能不能不用光纤，靠点对点传送光线？这样CPU里面要有无数灯泡和电线，不然怎么发光呢？ 这样就多出两种东西了：灯炮和电线。这样电线、电子又回来了。成本上去了，体积增大了，计算机得像个柜子那么大吧？而且，CPU里面有无数个“探照灯”扫来扫去，也会相互干扰，若想不发生干扰，你得用不透明的胶管把光线罩住吧？这样光纤又回来了。

因此，量子计算机比较玄，一是原理上走不通，二是技术上走不通，三是成本上走不通，四是体积上走不通，估计失败的可能性是99%。有一群捣鼓量子力学的人在起哄，目的是从政府或企业拿经费，能不能搞得成就不管那么多了，估计他们不懂计算机，或对计算机一知半解，这样就比较难搞了。人的知识面越宽越好，只知其一，不知其二，做什么事都很难了。

财务要有总会计师，经济要有总经济师，设计要有总设计师，研发要有总研发师，工程要有总工程师，科学要有总科学家（科技一体），指引正确方向，策划科技项目，防止错误决策，制止错误计划，中止错误行为，充当决策顾问，做好日常工作，带领团队完成科技任务。一个单位、一个行业、一个国家都得有这几类人，不管他是否拥有这个头衔。

科研是深入，科普是浅出，把最深奥的问题，用最简单的语言表述，就是教育。这篇短文把高深莫测的芯片和计算机讲清楚了，让人对芯片和计算机有了一个清晰的认识。如果把这篇短文写成一本教材，在一个学期中灌输给学生，毕业后学生就云里雾中了，根本搞不清电脑与元件是怎么回事。本来一句话就能讲明白的事，你讲了一个小时，别人就不知你讲什么了。

你到大学里随便提溜100个人出来，无论教授还是学生，问他电脑工作原理，不知是否有一个人能讲明白。因为老师不教，教材没有，大家也就稀里糊涂了。当然，也有老师和教材，但老师没真正搞明白，教材则曲折迂回，万水千山，进山入水转几圈，就分不清东南西北了。突然芯片成为全世界焦点，大家就傻在那里了。听说华为海思何庭波带团队研发出7nm芯片，大家就把她看成女神了。

这是中国教育出了问题。内容越来越细，时间越拉越长，从来无人想过把教材压缩成干货。如果他是非电脑专业的，计算机只是公共课，学这篇短文就行了，时间一节课（电脑操作属另一门课），拉长到一天也行。这样的学习不是太简单了吗？ 这样可以增加知识面，一天或几天学一门，大学四年学几百门，比博士都厉害了。现在是知识爆炸时代，若不这样做，将来课程和内容增加后，需要读书到60岁才能拿到毕业证。社会需要全才，有全才有专，不然眼光狭窄，思路不宽，钻得不深，走得不远。

如果他是计算机专业的，也要先学这篇短文，再学细化内容，包括硬件、软件和计算机操作。这样，无论计算机专业或非计算机专业，对计算机及元器件就不感到陌生了。汽车原理是简单的，因为看得见摸得着；电脑和芯片是复杂的，因为看不见摸不着。老师的任务，就是把不可见的东西，形象化，可视化，简单化，画一张简图，解释几句，学生就会说“哦，原来这么简单。”

有了基本知识就好办了。发现中国被美国卡脖子，就会有很多人想，芯片设计不就是电路设计吗？我也可以做啊，于是组织一个团队或一个公司做。做成功当然好，做失败没关系，人人都成为专家了，可以整体投奔华为公司，把公司作价卖给华为，卖的是人才和研究成果，如果华为不买呢？那就去华为应聘好了，这些人比大毕业生好用。也许，华为已有庞大研发团队，不需要招人了。可以说服华为，因为华为的研发思路与你们的研发思路不同，华为很强大，你们有亮点，可以补长华为短板。

如果还是无门进入华为怎么办？中国研究芯片的公司有几千个或几万个，东方不亮西方亮；如果东方西方都不亮呢？那就回去重整旗鼓，调整思路，调整方向，继续攻关。芯片有无数种，手机和电脑除了中央处理器，还有几十个至几百个次要芯片；几乎所有机器、设备、仪器、电器也有芯片，大到卫星、飞船、火箭、导弹、雷达，小到复印机、扫描仪、电视机、洗衣机、电冰箱、微波炉，甚至电茶壶等小家电都有。你聚焦一点，专攻一项，几年后什么大公司都不如你了，也不用投靠华为了。这样，一个十四亿人口的大国，就不会像现在这样缺口30多万芯片人才了。芯片业包括设计、生产、封装、检测，以及雕刻机的研发和制造。每年进口三千多亿美元芯片，比进口石油还多，是一个大产业啊。发展芯片替代业，中国GDP增长可以提高一两个百分点。

作为中国的知识分了，不要等被美国卡脖子才想到做芯片，如果自己有基本知识，就可以随时介入，搞研究不是没有抓手吗？就从这个方向攻进去。只要你看到需求多，市场大，就可以去做了。

有时接到电话，对方喋喋不休，我总会说：“能不能一句话讲完。”一是没有时间听，二是讲多了我就被他搞糊涂了，要跟着他的思路绕圈，十秒钟后我已经心不在焉了，他再继续罗嗦，我只能把电话挂了。

有时拿到一本大部头教材，把干货提取出来，也就两三页纸，其他是废话、半废话或不重要的话。为什么要提取干货？你参加高考、考研就知道了，必须这么做，因为无法把一本书背下来。

达尔文《物种起源》五十万字，提取出来的干货就是“进化论”，比书名还少一个字。牛顿《自然哲学的数学原理》，书名肯定多写了几个字，读者糊涂了，把自然、哲学和数学一混淆，就莫名其妙了。这本书近五十万字，能提取出多少干货呢？运动三大定律，万有引力公式，差不多就这些了吧？

当我对某个学科感兴趣时，我就把大学教材、科普读物和原创著作买一堆回来，有空就随手翻翻，有兴趣之处就认真看看，两三个月后我就“本科毕业”了，真正花的时间也就十来天或二十来天，因为我是“提取干货，寻找真理”。这种学习是否扎实呢？当然扎实，因为是出于兴趣，是我要学，不是要我学，这样学习效果就大不相同了。所以我有能力在生物、天文、地理、物理、经济、医学、教育、军事、软件、航天和纯电动汽车等领域搞研究。为什么胆子那么大？我看什么都简单。

看到事物很简单才敢做，做的过程发现很复杂，于是继续学习，继续研究，能量累积到一定程度，某一天就突破了，你会激动得热泪盈眶。做事之前，会当凌绝顶；做事之后，一览众山小。你的目标有多大，你的成就就有多大。

无论在大学还是社会，对什么有兴趣，就把什么书抱过来，如此这般泡制，不断提取干货，不断采集真理，年复一年，几十年下来知识面就很宽了。可以没有什么目的性，对观世界有好奇心，感兴趣就成。

          

 

2019年5月30日