零差评!BBC神作:半导体如何转折世界
发布时间:2020-05-07

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  编 辑

  作 者|芯师爷

  来 源|芯师爷

  在纪录片周围

   BBC一向是打遍天下无敌手的存在

  行为纪录片王牌制作方

  近期,BBC与FedEx说相符推出了神作

   Made on Earth系列

  《The humble mineral that transformed the world》

  行为零差评的主要一集

  用叹为不悦目止的拙劣画面

  为不悦目多讲述了半导体常用材料——硅的故事

  ▲晶圆制造流程

  视频来源:BBC

  半导体芯片在连接世界方面

  已经比其它任何技术都强

  芯片是如何到达吾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下,一项技术正在转折吾们的生活和做事手段。

  从口袋里的智能手机到为互联网“供电”的壮大数据中心,从电动踏板车到超音速飞机,从首搏器到天气预报超级计算机——在这其中的每一个设备内部,不论是看不见的照样鲜为人知的,都是这项微弱的技术使之成为能够,它叫半导体。

  半导体器件是当代计算的基本构成片面。被称为晶体管的半导体设备是在计算机内部运走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善的,该真空管体积大,速度慢。直至后来,硅转折了一致。

  ▲电子制造流水线上的女工

  硅掀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幼,这种变化逐年发生,半导体元器件变得越来越幼的同时,也在变得越来越智能。

  半导体工业协会首席实走官约翰.诺弗(John Neuffer)外示:“这些晶体管的幼型化,使吾们能够进走前几代人无法想象的做事。”“由于吾们能够将大型运算设备安置在微型芯片上了。”

  创新的速度是空前的。芯片最先以安详的速度被幼型化,就相通该技术在按照某种法律相通。

  约50年前,芯片巨头英特尔的说相符创首人戈登.摩尔(Gordon Moore)最先挑出摩尔定律展望,即芯片上可原谅的晶体管数目每两年就会翻一番。

  直到近几年,摩尔定律仍被表明是正确的。只是到了现在,当缩短的晶体管尺寸到物理极限时,芯片的微型化步伐才最先放慢了,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,一个很幼的芯片能够原谅数十亿个晶体管。最主要的是,半导体制造业的这种指数级改进推动了数字革命。

  但是,硅行为这场革命的核心元素,却有些“谦卑”得令人惊讶,它分布得太普及了。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及的一种物质制成的。

  硅为5000亿美元(相符4100亿英镑)的芯片产业挑供了动力,这逆过来又为价值约30亿美元的全球科技经济挑供动力。

  半导体业务也已成为历史上有关最严密的业务之一,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,制成的芯片将运物化界各地,终极安置在电子设备中,销物化界各国的人们手上。

  纳弗说:“从原材料到销去终端,硅能够要活着界周围内传播两到三次。”但是,这个壮大的全球网络能够将其首源追溯到幼批几个专门特定的地方,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

  ▲硅的挑炼过程

  视频来源:BBC

  高端电子产品必要高质量的材料。后来有人在石英岩中发现了最雪白的硅,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雪白的石英石。

  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线的笔记本电脑-都将北卡罗来纳州这座幼镇的一片面带入其中。

   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能够找到Spruce Pine的石英石,这实在让吾有些诧异。”

  ▲硅的原材料:石英石

  云杉松周围的岩石专门稀奇。二氧化硅含量高,是一种含硅化相符物,污浊物含量矮,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,随之出土的石英被屏舍了。直到后来1980年代半导体工业的崛首,石英石才变成了白金般珍异的物质。

  现在,它的售价为每吨10,000美元(8,250英镑),以此为主交易务的Spruce Pine矿的年交易额为3亿美元。用机器和炸药从地面挑取的岩石放入破碎机中,该破碎机吐出石英砾石。然后将其送至添工厂,将石英研磨成细砂。增补水和化学药品可将硅与其他矿物别离。硅经过末了的研磨,然后装袋并以粉末现象送到精炼厂。

  世界上每年生产数十亿个芯片,但对答的每年仅开采约30,000吨硅。这比美国每幼时生产的修建用砂量还少。“在云杉松地区,这边的储量专门大,”皮珀特说。“吾们现在拥有数十年的芯片制造材料。而且在吾们用尽石英石之前,该走业能够会发生变化。”

  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,终极得到的产品称为晶圆,晶圆切割的过程就像切碎黄瓜相通。终极,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,芯片最先辈入地球之旅。

  ▲芯片制造过程

  “吾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)的雪白室工程师Chris Belfi说。

  芯片体型很幼,即便是灰尘或毛发等微弱物质都会损坏其复杂的电路。

  为了避免污浊微电子产品,汜博的晶圆工厂车间必须是无菌的。六个足球场大幼的芯片生产区域比手术室还要洁净数千倍,昏黑的黄光照明能防止紫外线辐射损坏生产过程中行使的某些化学药品。实验室做事人员和工厂技术人员从头到脚穿上了白色防护服,戴着口罩和护现在镜,就在这看首来有些令人战战兢兢的照明色调中开展做事。

  ▲芯片生产环境

  在雪白室内,大无数操作都是由真空密封的机器人自动实走,它们之间的零件在吊装的单轨上运动。按照设计的分歧,每个芯片能够必要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。当它们脱离晶圆厂时,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制造的大无数芯片终极都用于手机或称为GPU的专科硬件中,这些硬件为视频游玩,AI和添密货币发掘挑供动力。

  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)是另一个一连添长的终端设备系列。贝尔菲说:“人们总是期待和更多的东西有关在一首。”

  ▲经过层层改造,硅进入电子设备中

  硅旅程的下一个阶段清淡是运送到在其它国家的电子制造商手中。Global Foundries中心工程总监Isabelle Ferain说:“吾为成为半导体走业的一员感到自夸,该走业为强化世界各地人们之间的有关做出了贡献。”“当吾不悦目察每天行使的电子设备时,都能从中看到吾们正在钻研的技术。”

  半导体是仅次于飞机,汽车和石油的第四大出口商品。半导体走业的大片面收好都用于开发新产品。

  钻研周围中投入最高的走业有两个,一个是制药业,另一个就是半导体。Ferain说:“吾们正身处转折着转折世界的走业。”

  云云说来,芯片制造商亲昵珍惜本身的技术隐秘也就不及为奇了。“知识产权是半导体走业的命脉,”半导体走业协会的约翰.诺弗说。

  但是很多国家正在全力发展半导体技术。中国是世界上最大的半导体消耗国,但行使的芯片中只有一幼片面是自制的。

  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。中国半导体异日的现在的是更添自给自足,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%。所以,越来越多的中国公司正在生产本身设计的芯片。

  硅引发的互联网革命

  ▲互联网的价值

  视频来源:BBC

  随着时间的发展,半导体变得越来越幼,价格却越来越益处,现在几乎每幼吾都能够行使它们。据推想,超过50亿人拥有移动电子设备,其中一半以上是智能手机。发展中国家还在全力挑高清淡民多的电子设备行使率。

  按照凝神于技术政策钻研的Research ICT Africa进走的调查表现,非洲15岁及15岁以上行使互联网的人数从2007年的15%增补到2017年的28%。

  现在已经有相等之二的非洲人拥有智能手机。“这主要归功于半导体的挺进快捷打造了更廉价的互联网电子设备,”非洲钻研ICT钻研所的Anri van der Spuy外示。

  更廉价的电子设备意味着即使是在大无数乡下地区生活的民多,也能最先感受到半导体技术挺进的影响。

  以肯尼亚集镇纳努基(Nanyuki)的农民道格拉斯.旺添拉(Douglas Wanjala)为例,他会行使智能手机来配相符追求农作物的购买者。他说:“手机使吾的做事专门轻盈。”

  旺添拉(Wanjala)和他的妻子格拉迪斯(Gladys)经营着一家幼型农场企业,在他们家附近的一条河附近的一块土地上种培玉米和土豆。

  在他拥有智能手机之前,Wanjala出售农作物的唯一手段就是将农作物推到市场卖。到了收获季节,倘若他们不及及时出售农作物,就会由于农产品变质而折本。

  互联网技术大大降矮了这种风险。Wanjala说,在拥有智能手机之前,本身倾销农作物专门难得。现在议定手机,Wanjala可随时与湮没买家分享本身的农作物照片和新闻,在玉米或土豆出土之前就与意向买家达成出售制定。买主们还会在农作物最稀奇的状态下,亲自来收割农作物,而不再必要期待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)。除了有关买家外,他还能议定手机来掌握对经营农场至关主要的新闻,例如最新天气预报和分歧农作物的市场价格。

  按照全球天气构造Weather Impact的Fiona van der Burgt的钻研,农场主们获取实在天气新闻使农民在决定种培什么和何时种培农作物时比以前更具上风,是保障肯尼亚和埃塞俄比亚等国家永远粮食坦然的有效途径。

  为了顺当上网,Wanjala必要访问一个经过转换的运输容器附近Wifi热点。在远隔城市的地方,这种信号枢纽为当地社区数据访问挑供了生命线。在很多国家,城市和乡下地区的互联网访问体验仍存在很大差距。

  但是,按照波恩大学HeikeBaumüller的钻研,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的数据表现,肯尼亚有24%的人上网,是非洲互联网行使量排名第三的国家。其异国家的互联网行使量被远远抛在后面。例如,在卢旺达,只有9%的人能够访问互联网,这是非洲大陆上访问量最矮的国家,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,吾们必要警惕这种数字鸿沟能够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,申请做事或为孩子上学注册之类的事情越来越多地在网上完善。

  这种鸿沟不光存在于城乡人口之间,富人比穷人更能够行使互联网,须眉比女人更能够行使互联网,年轻人比晚年人更能够行使互联网。“倘若您无法行使互联网,则能够会被甩在后面。”

  安慰的是,随着半导体技术的一连发展和更多人学习数字技能,这些差距能够在缩短。

  智能手机甚至能够促进一个国家的集体经济。按照一项推想,发展中国家倘若每100人中有10部移动电话可促进集体GDP添长0.5%。

  很稀奇一项技术能够转折这么多人的生活。“将浅易的物质变成纯石英砂,然后将其变化为现在连接吾们生活所需的,看首来无限复杂的半导体技术,这是一个相等了不首的思想。”Neuffer认为。

  本文由芯师爷翻译自英国广播公司(BBC)与FedEx说相符制作的《The humble mineral that transformed the world》,作者:DOUGLAS HEAVEN,图片来源:Lion TV,Getty Images,绘图来源:Observatory of Economic Complexity,Pew Research Center。

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