半导体常用材料——硅的故事

在纪录片领域 BBC一直是打遍天下无敌手的存在 作为纪录片王牌制作方 近期，BBC与FedEx联合推出了神作Made on Earth系列 《The humble mineral that transformed the world》 作为零差评的重要一集 用叹为观止的精良画面 为观众讲述了半导体常用材料——硅的故事

半导体芯片在连接世界方面

已经比其它任何技术都强

芯片是如何到达我们生活的每个角落的？

遍布世界的“硅”

从永不休眠的城市到偏远乡村，一项技术正在改变我们的生活和工作方式。

从口袋里的智能手机到为互联网“供电”的庞大数据中心，从电动踏板车到超音速飞机，从起搏器到天气预报超级计算机——在这其中的每一个设备内部，无论是看不见的还是鲜为人知的，都是这项微小的技术使之成为可能，它叫半导体。

半导体器件是现代计算的基本组成部分。被称为晶体管的半导体设备是在计算机内部运行计算的微型电子开关。

美国科学家于1947年建造了第一个硅晶体管。在此之前，计算机理是由真空管完成的，该真空管体积大，速度慢。直至后来，硅改变了一切。

▲电子制造流水线上的女工

硅打开了半导体材料的新大门，使一大批半导体元器件变得越来越小，这种变化逐年发生，半导体元器件变得越来越小的同时，也在变得越来越智能。

半导体工业协会首席执行官约翰·诺弗（John Neuffer）表示：“这些晶体管的小型化，使我们能够进行前几代人无法想象的工作。”“因为我们可以将大型运算设备安装在微型芯片上了。”

创新的速度是空前的。芯片开始以稳定的速度被小型化，就好像该技术在遵循某种法律一样。

约50年前，芯片巨头英特尔的联合创始人戈登·摩尔（Gordon Moore）首先提出摩尔定律预测，即芯片上可容纳的晶体管数量每两年就会翻一番。

直到近几年，摩尔定律仍被证明是正确的。只是到了现在，当缩小的晶体管尺寸到物理极限时，芯片的微型化步伐才开始放慢了，摩尔定律走向逐渐失效。

早期晶体管肉眼可见，但是到了现在，一个很小的芯片可以容纳数十亿个晶体管。最重要的是，半导体制造业的这种指数级改进推动了数字革命。

但是，硅作为这场革命的核心元素，却有些“谦虚”得令人惊讶，它分布得太广泛了。硅是地球上最常见的物质之一，存在于构成地壳90％的矿物中。一项遍布全球的技术是由地球上最普遍的一种物质制成的。

硅为5000亿美元（合4100亿英镑）的芯片产业提供了动力，这反过来又为价值约30亿美元的全球科技经济提供动力。

半导体业务也已成为历史上联系最紧密的业务之一，其原材料主要来自日本和墨西哥，而芯片制造则来自美国和中国，制成的芯片将运往世界各地，最终安装在电子设备中，销往世界各国的人们手上。

纳弗说：“从原材料到销往终端，硅可能要在世界范围内传播两到三次。”但是，这个庞大的全球网络可以将其起源追溯到少数几个非常特定的地方，其中美国、德国、韩国、日本是世界上排名前四的硅晶圆出口国。

从石英石到硅

高端电子产品需要高质量的原料。后来有人在石英岩中发现了最纯净的硅，其中美国北卡罗来纳州云杉松附近的一个采石场拥有世界上最纯净的石英石。

全球数以百万计的数字设备-甚至包括您手中的智能手机或您前面的笔记本电脑-都将北卡罗来纳州这座小镇的一部分带入其中。

Quartz公司的矿山经理Rolf Pippert说：“一想到几乎在每部手机和计算机芯片中都可以找到Spruce Pine的石英石，这确实让我有些诧异。”

▲硅的原材料：石英石

云杉松周围的岩石非常独特。二氧化硅含量高，是一种含硅化合物，污染物含量低，该地区已经开采了数百年，用于宝石和云母（一种用于油漆的硅酸盐）。但是，随之出土的石英被丢弃了。直到后来1980年代半导体工业的兴起，石英石才变成了白金般珍贵的物质。

现在，它的售价为每吨10,000美元（8,250英镑），以此为主营业务的Spruce Pine矿的年营业额为3亿美元。用机器和炸药从地面提取的岩石放入破碎机中，该破碎机吐出石英砾石。然后将其送至加工厂，将石英研磨成细砂。添加水和化学药品可将硅与其他矿物分离。硅经过最后的研磨，然后装袋并以粉末形式送到精炼厂。

世界上每年生产数十亿个芯片，但对应的每年仅开采约30,000吨硅。这比美国每小时生产的建筑用砂量还少。“在云杉松地区，这里的储量非常大，”皮珀特说。“我们现在拥有数十年的芯片制造材料。而且在我们用尽石英石之前，该行业可能会发生变化。”

从硅到芯片

将硅粉研磨成细末，将细末在1400℃的熔炉中熔化并制成圆柱形锭，然后将它们切成薄片，最终得到的产品称为晶圆，晶圆切割的过程就像切碎黄瓜一样。最终，几十个矩形电路被刻印在工厂流水线中的每个晶圆上，例如纽约州Global Foundries运营的晶圆厂。从晶圆厂，芯片开始进入地球之旅。

▲芯片制造过程

“我们拥有所有公司想要制造的任何[电子]设备的印刷机，” Global Foundries（格罗方德半导体）的洁净室工程师Chris Belfi说。

芯片体型很小，即便是灰尘或毛发等细微物质都会破坏其复杂的电路。

为了避免污染微电子产品，广阔的晶圆工厂车间必须是无菌的。六个足球场大小的芯片生产区域比手术室还要清洁数千倍，昏暗的黄光照明能防止紫外线辐射破坏生产过程中使用的某些化学药品。实验室工作人员和工厂技术人员从头到脚穿上了白色防护服，戴着口罩和护目镜，就在这看起来有些令人毛骨悚然的照明色调中开展工作。

▲芯片生产环境

在洁净室内，大多数操作都是由真空密封的机器人自动执行，它们之间的零件在吊装的单轨上活动。根据设计的不同，每个芯片可能需要1,000至2,000个步骤才能生产出来。

每个进入工厂车间的空白晶圆成本要几百美元。当它们离开晶圆厂时，身上已经印有数十亿个晶体管，身价已经涨了一百多倍。Global Foundries制造的大多数芯片最终都用于手机或称为GPU的专业硬件中，这些硬件为视频游戏，AI和加密货币挖掘提供动力。

健身追踪器、智能冰箱和智能扬声器等互联设备（统称为物联网）是另一个不断增长的终端设备系列。贝尔菲说：“人们总是希望和更多的东西联系在一起。”

▲经过层层改造，硅进入电子设备中

硅旅程的下一个阶段通常是运送到在其它国家的电子制造商手中。Global Foundries中央工程总监Isabelle Ferain说：“我为成为半导体行业的一员感到自豪，该行业为加强世界各地人们之间的联系做出了贡献。”“当我观察每天使用的电子设备时，都能从中看到我们正在研究的技术。”

半导体是仅次于飞机，汽车和石油的第四大出口商品。半导体行业的大部分收入都用于开发新产品。

研究领域中投入最高的行业有两个，一个是制药业，另一个就是半导体。Ferain说：“我们正身处改变着改变世界的行业。”

这样说来，芯片制造商密切保护自己的技术秘密也就不足为奇了。“知识产权是半导体行业的命脉，”半导体行业协会的约翰·诺弗说。

但是很多国家正在努力发展半导体技术。中国是世界上最大的半导体消费国，但使用的芯片中只有一小部分是自制的。

2017年，中国进口了价值2600亿美元的芯片，这是该国最大的单一进口商品。中国半导体未来的目标是更加自给自足，到2020年能生产40％的自研半导体器件，到2025年这一指数能达到70%。因此，越来越多的中国公司正在生产自己设计的芯片。

硅引发的互联网革命

随着时间的发展，半导体变得越来越小，价格却越来越便宜，现在几乎每个人都可以使用它们。据估计，超过50亿人拥有移动电子设备，其中一半以上是智能手机。发展中国家还在努力提高普通民众的电子设备使用率。

根据专注于技术政策研究的Research ICT Africa进行的调查显示，非洲 15岁及15岁以上使用互联网的人数从2007年的15％增加到2017年的28％。

现在已经有十分之二的非洲人拥有智能手机。“这主要归功于半导体的进步迅速打造了更廉价的互联网电子设备，”非洲研究ICT研究所的Anri van der Spuy表示。

更廉价的电子设备意味着即使是在大多数农村地区生活的民众，也能开始感受到半导体技术进步的影响。

以肯尼亚集镇纳努基（Nanyuki）的农民道格拉斯·旺加拉（Douglas Wanjala）为例，他会使用智能手机来协助寻找农作物的购买者。他说：“手机使我的工作非常轻松。”

旺加拉（Wanjala）和他的妻子格拉迪斯（Gladys）经营着一家小型农场企业，在他们家附近的一条河附近的一块土地上种植玉米和土豆。

在他拥有智能手机之前，Wanjala出售农作物的唯一方法就是将农作物推到市场卖。到了收获季节，如果他们不能及时出售农作物，就会因为农产品变质而亏本。

互联网技术大大降低了这种风险。Wanjala说，在拥有智能手机之前，自己推销农作物非常困难。现在通过手机，Wanjala可随时与潜在买家分享自己的农作物照片和信息，在玉米或土豆出土之前就与意向买家达成销售协议。买主们还会在农作物最新鲜的状态下，亲自来收割农作物，而不再需要等待Wanjala将农作物推向市场。

Wanjala认为购买手机是一项商业投资，他花了约15,000肯尼亚先令（120英镑）。除了联系买家外，他还能通过手机来掌握对经营农场至关重要的信息，例如最新天气预报和不同农作物的市场价格。

根据全球天气组织Weather Impact的Fiona van der Burgt的研究，农场主们获取准确天气信息使农民在决定种植什么和何时种植农作物时比以前更具优势，是保障肯尼亚和埃塞俄比亚等国家长期粮食安全的有效途径。

为了顺利上网，Wanjala需要访问一个经过转换的运输容器附近Wifi热点。在远离城市的地方，这种信号枢纽为当地社区数据访问提供了生命线。在许多国家，城市和农村地区的互联网访问体验仍存在很大差距。

但是，根据波恩大学HeikeBaumüller的研究，撒哈拉以南非洲地区的互联网发展前景令人鼓舞，肯尼亚农民已成为采用移动技术来促进业务发展的领先者。

Research ICT Africa的数据显示，肯尼亚有24％的人上网，是非洲互联网使用量排名第三的国家。其他国家的互联网使用量被远远抛在后面。例如，在卢旺达，只有9％的人可以访问互联网，这是非洲大陆上访问量最低的国家，而且，其中有77％的互联网用户生活在城市中。

范德斯普伊（van der Spuy）认为，我们需要警惕这种数字鸿沟可能会使人们之间的差距变得更大。她说：“现在，互联网接入已成为参与社会的先决条件。”索取社会福利，申请工作或为孩子上学注册之类的事情越来越多地在网上完成。

这种鸿沟不仅存在于城乡人口之间，富人比穷人更可能使用互联网，男人比女人更可能使用互联网，年轻人比老年人更可能使用互联网。“如果您无法使用互联网，则可能会被甩在后面。”

欣慰的是，随着半导体技术的不断发展和更多人学习数字技能，这些差距可能在缩小。

智能手机甚至可以促进一个国家的整体经济。根据一项估计，发展中国家如果每100人中有10部移动电话可促进整体GDP增长0.5％。

很少有一项技术能够改变这么多人的生活。“将简单的物质变成纯石英砂，然后将其转变为如今连接我们生活所需的，看起来无限复杂的半导体技术，这是一个相当了不起的想法。”Neuffer认为。