1947年12月23日，美国贝尔实验室3位科学家约翰·巴登、威廉·肖克利和瓦尔特·布拉顿创造晰锗晶体三极管，电子国际进入半导体年代。晶体三极管的3位创造人取得1956年诺贝尔物理学奖。

　　20世纪50年代是半导体的黄金时期，简直一切的半导体资料和根本工艺都是在这一时期研制出来的。

　　1954年10月18日，美国德州仪器公司创造晰晶体管收音机，这个有4只晶体三极管的收音机小到能够装到口袋里。

　　1958年9月12日，德州仪器公司电子工程师杰克·基尔比（1923年-2005年）创造晰集成电路，并在1959年成功制作出国际上第一块集成电路，即芯片。该集成电路便是在一块锗片上蚀刻出PNP型晶体管（三极管）、电阻和电容，用外部导线把它们衔接成电路。这块粗陋的集成电路拉开了芯片工业的前奏，也把人类科技水平面向一个新的顶峰，并彻底改变了人类的日子方式。

　　芯片制作技能的不断进步让单个晶体管价格大降。1959年，一块芯片上有6个晶体管，折合每个晶体管10美元；1971年，一块芯片上有2000个晶体管，折合每个晶体管0.3美元；2004年，一块芯片上有上百亿个晶体管，单个晶体管价格跌至十亿分之一美元。芯片性价比的进步，让芯片进入普通大众家庭成为可能。

　　芯片可谓20世纪最巨大的创造，其他许多创造也建立在芯片的根底上。今日，旗帜日子在一个被芯片围住的国际里，没有芯片步履维艰。

　　大众日常日子离不开芯片，手机、电脑、智能手表等智能设备有芯片，光猫、路由器、U盘、储存卡、移动硬盘等网络设备和电脑外设有芯片，身份证、护照、银行卡、购物卡、消费卡等随身证件有芯片，电视、音响、投影仪、充电器、LED灯、电子秤、空调、冰箱、微波炉、电磁炉、热水器等家用电器也有芯片，门禁、监控、太阳能电池等也需求芯片。假如谁创造一种代码让国际上一切的芯片失效，那人类日子将会阻滞。

　　杰克·基尔比因创造芯片取得2000年诺贝尔物理学奖。他也是手持计算器和热感打印机的创造人。基尔比被人称作科学家时，他谦善地说：“科学家是解说事物的人，要有巨大的思维；而我是解决问题的人，便是个工程师，责任便是创造新工艺，制作新产品，并且还要从创造创造中挣钱。”

　　从上文可知，在半导体资料上制作出二极管、三极管、电阻、电容等电子元件，再用导线把它们衔接起来，这便是集成电路，也叫芯片。要想知道芯片，有必要首要了解“PN结”，它是半导体技能的中心。

　　半导体资料掺入五价元素，电子浓度增大，构成N型半导体；半导体资料掺入三价元素，空穴浓度增大，构成P型半导体。“空穴”指的是共价键上的电子取得能量后脱节共价键的捆绑成为自由电子后，在共价键上留下的空位。

　　P型半导体与N型半导体严密触摸后，带负电的电子和带正电的空穴便向对方分散；电子和空穴在分散中导致触摸面构成内电场，内电场又阻挠这种分散，让电子和空穴向回漂移。当电子和空穴的分散速度和漂移速度到达动态平衡时，P型半导体与N型半导体的触摸面便构成“PN结”。

　　“PN结”的首要功用便是“单项导电性”。假如把P型半导体端作正极，N型半导体端作负极，电流便可通过PN结；假如把N型半导体端作正极、P型半导体端作负极，电流则不能通过PN结。计算机用二进位便是由“PN结”的功用决议的，电流通过“PN结”代表“1”，电流不能通过“PN结”代表“0”。

　　“PN结”便是二极管。假如让两块P型半导体中心夹着一块N型半导体,就构成三极管，也便是上文说到的PNP型三极管。当然，假如让两块N型半导体中心夹着一块P型半导体，这就成了NPN型三极管。

　　普通人是看不到芯片“真身”的，芯片小如人的头皮屑，大的也就像人的指甲盖，由于它太单薄，有必要封装在密封的壳中才干衔接到外部电路上。翻开电脑、电视等电器，能够看到一块很大的电路板，电路板上有许多电子元件，那些有多个引脚的电子元件便是芯片，这些引脚衔接着芯片的输入输出端，有的在芯片封装体的两边，有的在四个面上，有的则是在底部成矩阵摆放，鳞次栉比，有1000多个引脚。

　　这儿需求提及一个概念，那便是“摩尔定律”。1965年，国际闻名芯片制作商美国英特尔公司的创始人之一戈登·摩尔提出，单片芯片上的晶体管数量会每年翻一番。后来他更正为每两年翻一番。这一判别通过实践验证根本正确。2011年，英特尔酷睿i7芯片上有22.7亿个晶体管。现在，一些高端芯片上的晶体管数量超越数百亿个。几年前，半导体厂商CerebrasSystems用台积电16纳米制程工艺出产的AI芯片WSE，则集成了1.2万亿个晶体管！

　　“制程”指的是芯片上晶体管栅极宽度，旗帜能够把它浅显地了解成晶体管的巨细。制程越小，在一块芯片上制作的晶体管就越多，集成电路的规划就越大。

　　芯片运算速度不断进步，得益于芯片的集成度越来越高。芯片的集成度越高，上面的电子元件就越小，各电子元件之间的导线也就越短，电流通过期用的时刻随之缩短，能耗削减，处理速度加速。

　　让一块芯片承载更多的晶体管，有三种办法，一是添加芯片面积，二是缩小晶体管体积，三是让集成电路立体化。增大芯片面积一般不被考虑，由于这会添加能耗，下降芯片的功率。现在，人们首要采纳后两种办法添加芯片上的晶体管数量。

　　芯片制作归于微观国际，上面的电子元件小到只要几个原子或几个分子大，要用更小的度量衡单位纳米和埃来衡量。一般尺子上的最小刻度是毫米，1毫米等于1000微米，1微米等于1000纳米，1纳米等于10埃。人的头发直径是7万纳米，周长是22万纳米。用制程5纳米工艺制作芯片，就比如沿着一根头发修建4.4万条公路。

　　缩小电子元件体积是有极限的，人们便考虑在一块芯片上建立多层集成电路来添加晶体管数量。这就比如是建居民住所，平房包容的居民数少，盖成几十层高的高楼包容的居民数就多。集成电路的叠加要比盖高楼杂乱得多。高楼各层布局是相同的，而芯片各层电路是不同的，层与层之间的衔接反常杂乱。

　　旗帜再进一步比如，制作芯片就像在一颗米粒上雕琢出一个完好的地球，并且还要把地球上一切的路途和修建都要雕琢出来。路途便是芯片上的导线，修建便是芯片上的电子元件。通过这个比如，读者便可幻想，制作芯片该有多杂乱，难度该有多大。

　　半导体资料许多，但在实践运用中，九成以上都选用硅，由于硅的熔点是1415摄氏度，可在芯片加工中答应高温工艺。

　　硅是从沙子锻炼来的，但要把沙子锻炼成能制作芯片的硅，需求极高的纯度。旗帜把纯度是99.99%的金叫纯金（4个9），但制作芯片的硅的纯度至少要到达11个9，即每10亿个硅原子里的杂质原子不得超越1个，这一纯度的硅1955年美国贝尔实验室就提炼出来了。现在一块芯片上有数以千亿计的电子元件，对硅的纯度要求更高，至少为13个9，这是芯片制作的根底，不把握硅的提纯技能，是不可能造出芯片来的！

　　读者会问，为什么制作芯片的硅要求纯度这么高?芯片上的电子元件十分细小，假如用5纳米制程工艺制作芯片，上面有1纳米的杂质就会把整块芯片废掉。旗帜无妨打个比如。假如一条公路40米宽，公路中心有块1米宽的大石头，轿车可避开这块石头走，不会构成交通拥堵。可是，假如一条公路只要5米宽，公路中心有块1米宽的大石头，轿车就避不开这块石头了，这条公路就堵死了。

　　所以，制作芯片不光要求硅的纯度高，还要求制作工艺的各个环节是无尘的，其纯净度是医院外科手术室的10万倍，乃至有一半的工艺是在真空环境下进行的。正由于如此，新冠肺炎疫情下芯片制作厂无需罢工抗疫，由于工作人员从头到脚全身防护，有的防护服乃至自带呼吸系统，以防人体推陈出新的掉落物和呼出的气体污染芯片。

　　“光刻机”这个姓名翻译不精确，很有误导性，许多人误认为光刻机通过物理触摸在晶体硅外表上“刻”出集成电路来，就像电脑刻字起死回生。其实，芯片不是“刻”出来的，而是“照”出来的。所以，光刻机叫“集成电路投影仪”更恰当。

　　当制作芯片的晶圆进入光刻工艺阶段时，光刻机通过掩模版把集成电路图投影到晶圆外表的光刻胶上，光刻胶曝光后，通过化学药液把曝光区域蚀刻，然后清洗，这样，集成电路的图形就出来了。光刻进程和传统照相的相片冲印是一个道理，光线通过底片让相纸感光，然后把感光的相纸放在药液里显影、定影。

　　一块芯片要通过数十次乃至数百次光刻，光刻后的若干工艺还需求几个星期，然后才干进入封装阶段。

　　芯片制作技能一日千里，但芯片制作的大多数中心技能出自贝尔实验室，贝尔实验室为信息技能革命所做的奉献永垂青史。

　　许多读者对光刻机很感兴趣，认为有了光刻机就能造出芯片来。其实不然，尽管光刻机在芯片制作中占重要位置，但它仅是芯片制作1000多道工艺中的一道罢了，有了光刻机但假如没能把握其他工艺，照样造不出芯片来。

　　1961年，美国GCA公司制作出国际上第一台光刻机。现在，国际上有4个国家的7家公司能够制作光刻机，即荷兰的阿斯麦尔，美国的英特尔、超科技半导体、鲁道夫，日本的尼康、佳能，德国的速思微科。

　　上文已述，芯片工业的根底是资料，也便是硅的提纯，不把握硅的提纯技能，出产不出芯片级纯度的晶体硅，造芯片就无从谈起。

　　再有，芯片上有数以千亿计的电子元件，这么巨大的电路靠人工是画不出来的，有必要运用电子设计自动化软件EDA。EDA是许多天然学科的归纳运用，由美国凯登、新思科技和明导三家公司独占。

　　EDA在芯片制作进程中起着决议性效果，芯片的功用和集成度，彻底取决于EDA的设计能力。有了高纯度硅和光刻机，却没有EDA或不会运用EDA，照样造不出芯片来。

　　1947年12月23日，美国贝尔实验室3位科学家约翰·巴登、威廉·肖克利和瓦尔特·布拉顿创造晰锗晶体三极管，电子国际进入半导体年代。晶体三极管的3位创造人取得1956年诺贝尔物理学奖。

　　20世纪50年代是半导体的黄金时期，简直一切的半导体资料和根本工艺都是在这一时期研制出来的。

　　1954年10月18日，美国德州仪器公司创造晰晶体管收音机，这个有4只晶体三极管的收音机小到能够装到口袋里。

　　1958年9月12日，德州仪器公司电子工程师杰克·基尔比（1923年-2005年）创造晰集成电路，并在1959年成功制作出国际上第一块集成电路，即芯片。该集成电路便是在一块锗片上蚀刻出PNP型晶体管（三极管）、电阻和电容，用外部导线把它们衔接成电路。这块粗陋的集成电路拉开了芯片工业的前奏，也把人类科技水平面向一个新的顶峰，并彻底改变了人类的日子方式。

　　芯片制作技能的不断进步让单个晶体管价格大降。1959年，一块芯片上有6个晶体管，折合每个晶体管10美元；1971年，一块芯片上有2000个晶体管，折合每个晶体管0.3美元；2004年，一块芯片上有上百亿个晶体管，单个晶体管价格跌至十亿分之一美元。芯片性价比的进步，让芯片进入普通大众家庭成为可能。

　　芯片可谓20世纪最巨大的创造，其他许多创造也建立在芯片的根底上。今日，旗帜日子在一个被芯片围住的国际里，没有芯片步履维艰。

　　大众日常日子离不开芯片，手机、电脑、智能手表等智能设备有芯片，光猫、路由器、U盘、储存卡、移动硬盘等网络设备和电脑外设有芯片，身份证、护照、银行卡、购物卡、消费卡等随身证件有芯片，电视、音响、投影仪、充电器、LED灯、电子秤、空调、冰箱、微波炉、电磁炉、热水器等家用电器也有芯片，门禁、监控、太阳能电池等也需求芯片。假如谁创造一种代码让国际上一切的芯片失效，那人类日子将会阻滞。

　　杰克·基尔比因创造芯片取得2000年诺贝尔物理学奖。他也是手持计算器和热感打印机的创造人。基尔比被人称作科学家时，他谦善地说：“科学家是解说事物的人，要有巨大的思维；而我是解决问题的人，便是个工程师，责任便是创造新工艺，制作新产品，并且还要从创造创造中挣钱。”

　　从上文可知，在半导体资料上制作出二极管、三极管、电阻、电容等电子元件，再用导线把它们衔接起来，这便是集成电路，也叫芯片。要想知道芯片，有必要首要了解“PN结”，它是半导体技能的中心。

　　半导体资料掺入五价元素，电子浓度增大，构成N型半导体；半导体资料掺入三价元素，空穴浓度增大，构成P型半导体。“空穴”指的是共价键上的电子取得能量后脱节共价键的捆绑成为自由电子后，在共价键上留下的空位。

　　P型半导体与N型半导体严密触摸后，带负电的电子和带正电的空穴便向对方分散；电子和空穴在分散中导致触摸面构成内电场，内电场又阻挠这种分散，让电子和空穴向回漂移。当电子和空穴的分散速度和漂移速度到达动态平衡时，P型半导体与N型半导体的触摸面便构成“PN结”。

　　“PN结”的首要功用便是“单项导电性”。假如把P型半导体端作正极，N型半导体端作负极，电流便可通过PN结；假如把N型半导体端作正极、P型半导体端作负极，电流则不能通过PN结。计算机用二进位便是由“PN结”的功用决议的，电流通过“PN结”代表“1”，电流不能通过“PN结”代表“0”。

　　“PN结”便是二极管。假如让两块P型半导体中心夹着一块N型半导体,就构成三极管，也便是上文说到的PNP型三极管。当然，假如让两块N型半导体中心夹着一块P型半导体，这就成了NPN型三极管。

　　普通人是看不到芯片“真身”的，芯片小如人的头皮屑，大的也就像人的指甲盖，由于它太单薄，有必要封装在密封的壳中才干衔接到外部电路上。翻开电脑、电视等电器，能够看到一块很大的电路板，电路板上有许多电子元件，那些有多个引脚的电子元件便是芯片，这些引脚衔接着芯片的输入输出端，有的在芯片封装体的两边，有的在四个面上，有的则是在底部成矩阵摆放，鳞次栉比，有1000多个引脚。

　　这儿需求提及一个概念，那便是“摩尔定律”。1965年，国际闻名芯片制作商美国英特尔公司的创始人之一戈登·摩尔提出，单片芯片上的晶体管数量会每年翻一番。后来他更正为每两年翻一番。这一判别通过实践验证根本正确。2011年，英特尔酷睿i7芯片上有22.7亿个晶体管。现在，一些高端芯片上的晶体管数量超越数百亿个。几年前，半导体厂商CerebrasSystems用台积电16纳米制程工艺出产的AI芯片WSE，则集成了1.2万亿个晶体管！

　　“制程”指的是芯片上晶体管栅极宽度，旗帜能够把它浅显地了解成晶体管的巨细。制程越小，在一块芯片上制作的晶体管就越多，集成电路的规划就越大。

　　芯片运算速度不断进步，得益于芯片的集成度越来越高。芯片的集成度越高，上面的电子元件就越小，各电子元件之间的导线也就越短，电流通过期用的时刻随之缩短，能耗削减，处理速度加速。

　　让一块芯片承载更多的晶体管，有三种办法，一是添加芯片面积，二是缩小晶体管体积，三是让集成电路立体化。增大芯片面积一般不被考虑，由于这会添加能耗，下降芯片的功率。现在，人们首要采纳后两种办法添加芯片上的晶体管数量。

　　芯片制作归于微观国际，上面的电子元件小到只要几个原子或几个分子大，要用更小的度量衡单位纳米和埃来衡量。一般尺子上的最小刻度是毫米，1毫米等于1000微米，1微米等于1000纳米，1纳米等于10埃。人的头发直径是7万纳米，周长是22万纳米。用制程5纳米工艺制作芯片，就比如沿着一根头发修建4.4万条公路。

　　缩小电子元件体积是有极限的，人们便考虑在一块芯片上建立多层集成电路来添加晶体管数量。这就比如是建居民住所，平房包容的居民数少，盖成几十层高的高楼包容的居民数就多。集成电路的叠加要比盖高楼杂乱得多。高楼各层布局是相同的，而芯片各层电路是不同的，层与层之间的衔接反常杂乱。

　　旗帜再进一步比如，制作芯片就像在一颗米粒上雕琢出一个完好的地球，并且还要把地球上一切的路途和修建都要雕琢出来。路途便是芯片上的导线，修建便是芯片上的电子元件。通过这个比如，读者便可幻想，制作芯片该有多杂乱，难度该有多大。

　　半导体资料许多，但在实践运用中，九成以上都选用硅，由于硅的熔点是1415摄氏度，可在芯片加工中答应高温工艺。

　　硅是从沙子锻炼来的，但要把沙子锻炼成能制作芯片的硅，需求极高的纯度。旗帜把纯度是99.99%的金叫纯金（4个9），但制作芯片的硅的纯度至少要到达11个9，即每10亿个硅原子里的杂质原子不得超越1个，这一纯度的硅1955年美国贝尔实验室就提炼出来了。现在一块芯片上有数以千亿计的电子元件，对硅的纯度要求更高，至少为13个9，这是芯片制作的根底，不把握硅的提纯技能，是不可能造出芯片来的！

　　读者会问，为什么制作芯片的硅要求纯度这么高?芯片上的电子元件十分细小，假如用5纳米制程工艺制作芯片，上面有1纳米的杂质就会把整块芯片废掉。旗帜无妨打个比如。假如一条公路40米宽，公路中心有块1米宽的大石头，轿车可避开这块石头走，不会构成交通拥堵。可是，假如一条公路只要5米宽，公路中心有块1米宽的大石头，轿车就避不开这块石头了，这条公路就堵死了。

　　所以，制作芯片不光要求硅的纯度高，还要求制作工艺的各个环节是无尘的，其纯净度是医院外科手术室的10万倍，乃至有一半的工艺是在真空环境下进行的。正由于如此，新冠肺炎疫情下芯片制作厂无需罢工抗疫，由于工作人员从头到脚全身防护，有的防护服乃至自带呼吸系统，以防人体推陈出新的掉落物和呼出的气体污染芯片。

　　“光刻机”这个姓名翻译不精确，很有误导性，许多人误认为光刻机通过物理触摸在晶体硅外表上“刻”出集成电路来，就像电脑刻字起死回生。其实，芯片不是“刻”出来的，而是“照”出来的。所以，光刻机叫“集成电路投影仪”更恰当。

　　当制作芯片的晶圆进入光刻工艺阶段时，光刻机通过掩模版把集成电路图投影到晶圆外表的光刻胶上，光刻胶曝光后，通过化学药液把曝光区域蚀刻，然后清洗，这样，集成电路的图形就出来了。光刻进程和传统照相的相片冲印是一个道理，光线通过底片让相纸感光，然后把感光的相纸放在药液里显影、定影。

　　一块芯片要通过数十次乃至数百次光刻，光刻后的若干工艺还需求几个星期，然后才干进入封装阶段。

　　芯片制作技能一日千里，但芯片制作的大多数中心技能出自贝尔实验室，贝尔实验室为信息技能革命所做的奉献永垂青史。

　　许多读者对光刻机很感兴趣，认为有了光刻机就能造出芯片来。其实不然，尽管光刻机在芯片制作中占重要位置，但它仅是芯片制作1000多道工艺中的一道罢了，有了光刻机但假如没能把握其他工艺，照样造不出芯片来。

　　1961年，美国GCA公司制作出国际上第一台光刻机。现在，国际上有4个国家的7家公司能够制作光刻机，即荷兰的阿斯麦尔，美国的英特尔、超科技半导体、鲁道夫，日本的尼康、佳能，德国的速思微科。

　　上文已述，芯片工业的根底是资料，也便是硅的提纯，不把握硅的提纯技能，出产不出芯片级纯度的晶体硅，造芯片就无从谈起。

　　再有，芯片上有数以千亿计的电子元件，这么巨大的电路靠人工是画不出来的，有必要运用电子设计自动化软件EDA。EDA是许多天然学科的归纳运用，由美国凯登、新思科技和明导三家公司独占。

　　EDA在芯片制作进程中起着决议性效果，芯片的功用和集成度，彻底取决于EDA的设计能力。有了高纯度硅和光刻机，却没有EDA或不会运用EDA，照样造不出芯片来。