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硅:从矿山到芯片的成长之路

[2021-01-29 16:38:47] 来源: 编辑:wangjia 点击量:
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导读: 说到这互联网全球的技术,半导体居功至伟。这小小的芯片,究竟是如何走进我们生活每一处呢?从口袋里的智能手机再到支持互联网运作的庞大数据中心,从电动踏板车到超音速飞机,从起搏器到预测天气的超级计算机,不

硅:从矿山到芯片的成长之路


说到这互联网全球的技术,半导体居功至伟。这小小的芯片,究竟是如何走进我们生活每一处呢?

从口袋里的智能手机再到支持互联网运作的庞大数据中心,从电动踏板车到超音速飞机,从起搏器到预测天气的超级计算机,不管是看不见还是鲜为人知的,所有这些设备或设施的内部,都包含一项使这一切成为可能的微小技术:半导体。


硅:从矿山到芯片的成长之路


半导体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。1947年,美国科学家建造了世界上第一个晶体管。在此之前,人们借助真空管完成计算机制。但真空管计算机既慢又笨重。直到硅的应用,改变了一切。


硅:从矿山到芯片的成长之路


这场伟大革命中的核心元素——硅,却自始至终都是一个无比不显眼的物质,也是地球上最常见的物质之一。地壳中90%的矿物质含有硅。地球上最普遍存在的一种物质,带来了一项遍布全球的技术,着实有趣。


硅:从矿山到芯片的成长之路


硅是5000亿美元芯片产业的基础。而该产业则带动了全球科技经济的发展。如今,全球科技经济价值约达3万亿美元。半导体产业也已经成为历史上最全球化的产业之一:原材料来自日本和墨西哥,芯片在美国和中国制造。然后,这些芯片被运送到世界各地,以安装在设备上。最后,设备来到世界各个国家的人手中。

诺弗说:“作为芯片的基础,硅大概会在全球各地流转两到三次。”但是,即便是如此庞大的全球网络,我们也可以追本溯源到少数几个重要的地方。


硅:从矿山到芯片的成长之路


高端电子产品对材料品质的要求也格外高。最纯净的硅来自于石英岩,而最纯净的石英岩来自于美国北卡罗来纳州斯普鲁斯派恩附近的一个采石场。全球数百万的数字设备——甚至你手中的手机或桌上的笔记本——都与北卡罗来纳州的这个小镇有那么一丝一毫的联系。高品质石英供应商Quartz Corp的采矿经理罗夫·皮伯特说:“一想到你可以在几乎每一部手机和电脑的芯片上看到来自斯普鲁斯派恩的石英,这真的非常不可思议。”


硅:从矿山到芯片的成长之路


斯普鲁斯派恩附近的岩石十分特别。该地区二氧化硅(一种含硅化合物)含量高,而杂质少。人们在这里开采宝石和云母已有几个世纪。但曾经,挖出来的石英无人问津。等到上世纪八十年代,半导体行业兴起后,石英摇身一变,成了白色黄金。


硅:从矿山到芯片的成长之路


现在,每吨石英售价高达10000美元。斯普鲁斯派恩的采矿业每年收入可达3亿美元。用机器和炸药从地下提取的岩石被放入破碎机,以产出石英砂砾。随后,石英砂砾被送往加工厂,研磨成细砂。最后,细砂中再加入水和化学物质,将硅与其他矿物分离。提取出来的硅还要经过最后一道研磨工序,然后才能以粉末的形式装袋送往精炼厂。


硅:从矿山到芯片的成长之路


尽管全球有数十亿个微芯片,但每年开采的硅仅3万吨左右,甚至不及美国每小时生产的建筑用砂。皮伯特说:“斯普鲁斯派恩的硅储量非常大。这里可以持续开采数十年。可能,还没等我们用完石英,整个行业已经发生变革。”


硅:从矿山到芯片的成长之路


把硅粉变成芯片,需要将硅材料投入1400℃高温的熔炉进行融化,并制成圆柱形的晶棒。然后,像切黄瓜一样,将晶棒切成薄片,得到晶圆。最后,在工厂里(比如纽约州的Global Foundries),十几个矩形电路——也就是芯片本身——被印刷到每一个晶圆上。从这里开始,芯片将分散到世界的各个角落。

随着半导体越来越小、越来越便宜,现在几乎人人都可以用上半导体产品。据估计,全球有超过50亿人拥有移动设备,其中一半以上为智能手机,也造就了如今我们现在如此便利的生活。

令人感叹,一个不起眼的矿物可以改变这么多人的生活。诺弗说,我们将简单纯粹的石英砂变成几乎无限复杂的技术,又用这技术在今天让人人互联,光是想想,这就令人十分激动。


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