我们为何会“芯”痛？一文详解芯片基本概念

硅基光电子芯片是目前半导体芯片发展的最高级阶段。本图由作者提供。

电子和光子在半导体中独立运作或者相互作用奠定了不同芯片的基础。芯片不仅扮演了现代产业心脏的角色，也给人类社会带来了各种各样的机会。对这些芯片的了解程度决定了把握这些机会的能力。心痛可能导致休克，甚至死亡；“芯” 痛则可能导致产业停滞，甚至消亡。

本文通过四个简单的概念，介绍四种不同的芯片。希望这些基本知识能够被引伸到对芯片技术以及与之相关的社会发展问题的一个全新了解。以便从基础创新，人才培养，到产业布局，都能够尊重科技发展的自然规律，依靠扎扎实实地耕耘和适当的资源配置，高效率地获得核心芯片，不再 “芯” 痛。

撰文 | 周治平

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芯片是一个既熟悉又生疏的话题。我们每个人都听说过芯片，而且每天都要跟芯片打交道。特别是最近，除了科研院所，政府机关，资本市场在认真对待以外，在商店里，火车上，猪肉店，水泥厂也有人在讨论芯片，有的还打算去创业造芯片。然而，绝大多数人都没有真正见过芯片长什么样，更不用说了解它们的工作原理并区分不同的芯片了。

大约在60多年前，人们就开始在硅片上进行芯片加工了。当时的芯片非常简单，有的只有一个晶体管，但是已经展现出在尺寸、能耗、和价格方面超越电子管的巨大优势。那个时代叫晶体管时代。

然后到了大家熟悉的集成电路时代，经过光电子时代，又到了现在这个大家生疏的硅基光电子时代。这些不同的时代实际上是借助了半导体芯片的发展而实现更迭的。

正如人体心脏的主要功能是推动血液流动，向其他器官、组织提供充足的血流量，以维持它们正常的代谢和功能一样，在今天的信息社会里，半导体芯片担负着处理信息，并且向各行各业各个角落传递信息的功能。芯片功能的强弱决定了信息社会的强弱。缺乏核心芯片引起的“芯”痛则可能导致信息社会停滞，甚至消亡。

01 四个概念

要想真正地了解芯片，第一步就是把下面的四个基本概念弄清楚。什么是电子？什么是光子？什么是光谱？什么是半导体？这些名词听起来好像非常的玄，但实际上非常好理解。

电子和光子都是构成物质的基本粒子。大量电子形成的电流，通过金属导线传输；大量光子形成光束通过光波导传播。不同的是，电子和电子之间可以相互作用：两束电流相交将形成短路，合为一体；光子之间的相互作用就不那么容易了：两束光相交叉以后，仍然各走各的路。

光谱是光子的特征，表达光子的不同频率分布。可以分别携带不同的信息。因此，在一根电线里只可以传输一路信号；而在一根光波导里则可以同时传输许多路不同的信号，使通信容量和速度大大地增加。

半导体指常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料。常见的半导体有硅、锗、砷化镓、磷化铟等，硅是各种半导体中，在商业应用上最为成功的一种。

在半导体晶体中，人为地掺入特定的杂质元素，使其导电性能可控，这一特性使半导体成为制造电子芯片的最佳材料。

半导体中电子和光子拥有强烈的相互作用：加电可以发光；光照可以发电。它们是光电子芯片的基础。

02 四种芯片

迄今为止，四种不同的芯片都是在半导体材料上发展起来的，也可以被叫做半导体芯片。它们是依赖电子、光子、或者光电相互作用，决定了它们的特征和用途。

自从1897年汤姆森证实电子的存在以来, 电子经历了电真空时代（1905），晶体管时代（1947），来到了集成电路（1958）时代。所谓的集成电路也就是电子芯片的一种，就是我们大家每天都听说的，每天都在用的IC芯片。集成电路主要以硅为材料，它的一个重要特征就是仅仅只利用电子来作为信息载体。

借助于摩尔定律的推动以及芯片公司和仪器设备公司的努力，电子产业目前已经成为了全球经济不可分割的一部分。

光子这个名称是在1927年才被人们所认可。经历了空间光学时代和集成光学时代，专家学者们在30多年以后，借用了电子学发展的路径，利用类似的技术和方法，将大型的光学元器件集成到了一个小小的基片上，形成了光子芯片。光子芯片的重要特征就是仅仅利用光子作为信息载体，不需要电子的参与。

由于光子之间的相互作用非常微弱，无法形成低成本、低能耗的功能器件，产业规模受限到基本上没有。因此，目前光子芯片的研发重点主要聚焦在基础研究，而不是产业发展。

前面讲到的两个芯片，都有自己非常严重的局限性。比如电子芯片，由于受到电子本身在半导体内运动速度的限制，它的主频只有几个GHz。而光子芯片，由于光子本身的弱相互作用，基本上也就是一个无源器件，功能非常受限。

为了解决上述问题，人们自然而然地就想到了将光子和电子结合起来。实际上正是人们在研究光子的过程中，发现它与电子有密不可分的关系：半导体材料可以通过吸收光子而产生电子，也可以通过电子的湮灭而发射光子。由此开启了光电子学的研究，并发明了激光器和光探测器——最简单的光电子芯片。光电子芯片的时代始于上世纪70年代。为了获得更强的光电效应，早期的光电子芯片基本上都是在砷化镓、磷化铟材料上制作的。但是，这些材料既难于加工，也很难做成像硅单晶那么大的尺寸。因此用它来制作的光电子芯片成本很高，且由于集成度不高，功能非常单一。

光电子芯片的出现，给了通信行业，特别是光通信行业，一个高速发展的机会。由于高性能激光器、掺铒光放大器、波分复用器的出现，通信系统不仅由电缆传输切换到光纤传输，而且从单线单路发展到单线多路，大大地提升了通信系统的传输速率和通量，降低了成本，使许多家庭感受到了光纤到户的好处，为即将到来的大数据时代奠定了基础。

通过对上述三种芯片的介绍可以发现：由于电子和光子的固有特性不一样，他们在产业应用方面的发展也是完全不同的。

电子之间有强相互作用，因此形成了 “电子产业”；光子之间基本上没有互动，也就无法形成自己的产业。

而目前与光子相关的产品，除了光波导，基本上都是光电共同作用的产物。“光电产业” 也已经广泛进入消费市场。

“光子产业” 只是个概念，根本无法进入消费市场，除非把“光电产业”改名为 “光子产业”。

纵观半导体芯片的发展历史，电子芯片/集成电路、光子芯片、光电子芯片都仅仅只是其中的一个特殊阶段。而半导体芯片目前的发展趋势就是将它们有机地统一集成到硅衬底上，形成一个崭新的 “硅基光电子芯片”。

众所周知，指导微电子发展的 “摩尔定律” 基本失效，集成电路芯片的发展趋于饱和。在另一方面，由于大数据、云计算、物联网的发展，信息高速公路体系中各层分支线路上的数据流量也大大增加。为了提高芯片的速度，美国等发达国家和地区的科学家在90年代中期就提出了光互连的概念，使 “光进铜退” 延伸到了芯片内部。他们使用与硅基集成电路技术兼容的技术和方法，将微纳米级的光子、电子、及光电子器件集成在同一硅衬底上，形成硅基光电子芯片。

说的通俗一点，就是为了应对人们对数据流量需求的不断增长，而电子芯片无能为力的情况下，将光子加入到目前的硅基集成电路中间去，形成一个既快速又便宜的新型大规模光电集成芯片。

IBM、英特尔、台积电、格罗方德、思科、Acacia等多家大型公司已经对硅基光电子芯片进行了商业化的批量生产，而且以硅基光电子芯片为核心的光模块也在数据中心和通信系统中获得了大量应用，硅基光电子产业链已经形成。

硅基光电子芯片可以在算力、能耗、成本、尺寸方面带来极大的优势。人们预期，它不仅可以支撑大数据时代的通信设备、数据中心、超级计算、物联传感、人工智能等产业，更有可能在不久的将来进入消费市场。

03 如何不再 “芯” 痛？

人们对电子、光子的了解，对由此产生的技术时代的更迭，导致了信息社会的出现及发展。而信息社会对小巧、廉价、低能耗器件和系统的偏爱催生了各种各样的半导体芯片。

最早出现的电子芯片，或者说，集成电路得益于硅材料和CMOS器件的完美结合，具有尺寸小，成本低，集成度高的优点，目前已经是全球经济不可分割的一部分，也已经成为传统产业，其发展速度也饱和趋缓。

光子芯片利用光子作为信息载体。由于光子之间的相互作用非常微弱，无法形成低成本、低能耗的功能器件，也就无法形成自己的产业。

光电子芯片注重光子与电子之间的相互作用，拥有多通道，大带宽，高速率的特点，是支撑高速通信的关键技术。但由于是在砷化镓、磷化铟材料上制作，因此，很难做到低成本和高集成度。

硅基光电子芯片是目前半导体芯片发展的最高级阶段。是将上述三种芯片中的基本元素在硅衬底上异质集成而获得的一款大规模光电集成芯片。被公认为是后摩尔时代的核心技术，大数据时代的基石。

作为宇宙万物中的一员，芯片也是遵循着自然规律、分阶段、循序渐进地形成和发展的。特别地，芯片乃人智精气之汇聚，是人们对前沿科学技术进行长期研究与开发而凝练出来的一件艺术品，不是利用大量的金钱就能在短时间内获得的低门栏产品。

特定阶段的芯片都会扮演特定的角色，都有它的优点和不足。

在当今这个以大数据、人工智能为特点的信息社会，单纯的电子芯片/集成电路已经不能够满足在数据传输和处理方面的需要，更不能带来更上一层楼的时代更迭。

单纯地强调光子的多路传输特点、光子芯片的概念，不仅不会做大光子产业，还有可能把 “强化国家战略科技力量” 的努力引入歧途。

脱离电子芯片的基础，忽略光子与电子之间的相互作用，而把硅基光电子芯片当作光子芯片来研究，那是想要建造空中楼阁；而没有一定的电子芯片制造条件和产业积累，那也是造不出先进的硅基光电子芯片的。

硅基光电子芯片是建立在电子芯片的基础上的。它不仅可以替代部分的高端集成电路，而且可以开辟一些新的应用领域，正在形成一个比集成电路产业更大的硅基光电子产业。

唯有真正了解芯片，了解芯片的发展过程，了解芯片发展的不同阶段，从基础创新、人才培养、到产业布局，都尊重芯片发展的自然规律，依靠扎扎实实地耕耘和适当的资源配置，才能高效率地获得核心芯片，不再 “芯” 痛。

2020.12.22 于北京中关园

本文由知识分子和中国激光微信公众号联合发布。

作者简介

周治平，乔治亚理工学院博士，北京大学教授。OSA Fellow, SPIE Fellow, IET Fellow；中国光学学会荣誉理事，中国光学工程学会常务理事；Photonics Research创刊主编。亲身参与、见证了中国微电子产业的早期发展、中期努力、以及目前的缺“芯”之痛；深入研究过光电子技术在加工、娱乐、传感、通信、计算、人工智能等领域的应用；针对微纳光电子集成技术，发表论文、书籍章节、专利、特邀报告600余篇/次，指导中外学生逾百名。编著国内第一本《硅基光电子学》，定义它为利用硅基集成电路工艺和方法，将光子、电子、及光电子器件大规模异质集成在同一硅基芯片上的一项崭新技术，是将光子学、电子学、光电子学、通信技术统一在硅衬底上的一门交叉学科。

芯片=电脑 CPU？打住！它远没有你想象的简单

如果提到芯片，很多人第一反应可能就只有电脑里的 CPU。那么芯片到底是什么？在网络中进行搜索，芯片指的是一种集成电路，在电子学中是一种将电路（主要包括半导体设备，也包括被动组件等）小型化的方式，并时常制造在半导体晶圆表面上。简单来说，芯片就是半导体上单种或多种集成电路形成的产品 ，而集成电路并不像我们中学学到的电线电路，而是一些微型电路。

由集成电路和芯片构成的主板。图库版权图片，不授权转载

“芯片”的“芯”指的是它的重要性。在现代社会中，很多芯片扮演着“大脑”的作用，作为设备的核心，芯片的使用让设备变得“智能”。而“芯片”的“片”则代表它的形态，芯片大部分都是片型，这种高度集成的形态便于将其放入各种设备中。

芯片的应用非常广泛，因此其分类也十分复杂。提及芯片，大部分人可能会单纯将芯片和电脑 CPU 划上等号。然而，芯片所涵盖的范围远不及此，电脑 CPU 只是芯片所发挥的各种功能中的一种。

01

芯片的分类

按照功能分类，芯片可以分为 4 种，分别是：

可以这么说，人们日常生活的方方面面都离不开芯片。

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按照不同应用场景分类，芯片还可以分为消费级、工业级、汽车级和军工级芯片。除性能外，它们的主要区别在于工作温度及环境承受能力。

比如，我国嫦娥四号的 CPU 的运算速度只有你手机芯片的几十分之一，可能你会感到奇怪，为什么如此先进的登月技术却用这么“慢”的 CPU 呢？这是因为二者的工作环境存在差异 。

手机芯片安稳“躺”在主板上，室温稳定，远离水、磁，还有散热片防止它“发烧”，这样的工作环境，完全可以用“舒适”来形容。我们好吃好喝的照顾，它还偶尔会抽风死机。而嫦娥四号的 CPU 所处的太空环境温差达到 300℃，而且时时刻刻都暴露在致命的宇宙辐射下。因此，嫦娥四号的 CPU 需要从材料、系统、结构等各个方面进行特殊设计，从而使其能够与宇宙环境作“对抗”。

因此，对于军工产品或航天设备来说，保证芯片在不同复杂环境条件下的工作稳定性和可靠性才是最重要的考虑因素。

嫦娥四号，图片来源：中华人民共和国中央人民政府官网

如今，芯片的制程工艺 越来越受到到人们的重视。所谓的“几纳米工艺”，以前通常指的是芯片中晶体管的栅极长度，数字越小就代表着单位面积芯片的晶体管集成度越高，其性能也越强。然而，随着芯片的晶体管数量越来越多，人类在 CPU 上的工艺进步逐渐放缓，现在的制程和栅极长度已无法匹配 。

02

从模拟信号到数字信号

开启自然界的数字化篇章

自然界的事物都是连续的，如连续的时间，连续的水流，“连续”的长度。最初科学家的发明也是“连续的”，例如，有线电话和无线广播都是直接传送和源头一模一样的声音波形，早期的胶片摄影依靠化学材料感光，类似于人眼的频谱映射，从而产生图像。这种“连续”信号我们将其称为“模拟信号 ”。模拟信号完整捕捉或还原了自然，其看似是一个很完美的技术。然而，现实情况果真如此吗？

信号在传输过程中要经过许多环节的处理和转送，在这些过程中，模拟信号会受到干扰 ；同时，如果是有线传输，其线路附近的电气设备也会产生电磁干扰。如果是人类所追求的无线传输，开放环境由于存在更多的不可抗力因素，使得模拟信号几乎无法使用，严重影响通讯质量。为此，人们想了许多办法努力恢复模拟信号，但都无法从根本上解决干扰的问题。

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不过，后来人类发现，如果将连续的模拟信号转化成离散的数字信号 ，问题就会迎刃而解。虽然相较模拟信号而言，离散的数字信号天生就存在误差和分辨率，但由于数字信号在运输过程中具有天生的优势，它可以大大缓解信号的干扰与噪声。因此，困扰人们多年的问题得到了解决。

从发明数字信号这一刻开始，自然界的数字化进程便开始了。想要得到连续的图像？可以！将图片拆解为一块一块像素，再将每个像素的颜色分为红绿蓝不同亮度的组合，图像就可以变成无数二进制数字。想要得到连续的声音？也可以！先将连续信号离散化，然后将每部分用二进制表示，二进制的位数反映了声音波形的精度，最后再进行编码即可变成数字。

模拟信号（上）和数字信号（下）

几乎自然界所有物体都可以被我们在数字世界模拟出来，最终世界“归于”1 和 0 两个数字。所以那句“世界是你们的，也是我们的，但终究是程序员的”很有道理。

03

半导体

芯片“挥洒文采”的“白纸”

正如诗人满腹经纶的文采需要挥洒在白纸上，芯片上的逻辑电路也需要这样一张“白纸”，去展现它的“实力”。而半导体——主要是由高纯度硅制作的硅片，就可以作为“白纸”，让电路设计师在上面肆意挥洒智慧，制作出各种功能的高性能芯片。因此，在芯片中，半导体和集成电路同样重要。但你有没有想过，为什么人们会选择半导体作为“白纸”呢？为什么人们在众多半导体中又选择了“硅”这种元素呢？

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半导体有很多神奇的性质，它区别于容易导电的导体和几乎无法导电的绝缘体。从字面意思而言，可以将半导体理解为一种导电性介于导体和绝缘体之间的物质。然而，半导体远没有这么简单，“半”更体现在“变”，它的导电性可以随条件变化而发生剧烈的转化 。

首先是掺杂 。纯净的半导体接近绝缘体，几乎无法导电。但如果在半导体中掺杂，它的导电性会急剧增加，如果掺杂过多，甚至会像导体那样非常容易导电。此外，掺杂不同的原子，可以让半导体呈现或正或负的电性，分别称为 P 型半导体 和 N 型半导体 。根据这两种半导体，科学家们制作出了二极管、三极管等设备，这些设备可以用来制作能够加减乘除的运算器、实现与或非的逻辑电路、完成复杂的运算。

其次是电压 。如果将P型和N型半导体碰在一起，它们内部的电子在电场或扩散等的作用下，会在两种半导体间形成一个“耗尽层”。当施加不同方向的电压时，增厚或减薄耗尽层，同样可以实现电路的通或断。而这种电压控制下的通断转化，是迅速的、可逆的、可反复进行的。

如果将电路的通看作“1”，断看作“0”，就会发现芯片的通断居然和数字信号如此融洽。如果自然界可以由0和1组成，那么半导体就是构建世界的画笔。依据半导体神奇的特性，以它为原材制备的芯片可以实现你能想象到的所有功能。无论是在游戏中模拟出无法分辨的真实世界，还是打造极像人类思维的人工智能，芯片最终可以将人类送入数字的时代。

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04

半导体中的“佼佼者”——硅

硅并不是天生的宠儿。最初，人类选择锗作为芯片材料，并且此后整个行业也一直试图找出可以替代硅的其他半导体，砷化镓、氮化镓等半导体也随之应运而生，但它们都无法取代硅在芯片行业中统治般的地位。这是由于硅有如下几个巨大的优势：

1. 首先，硅在自然界中极其丰富 。硅在地壳中的含量达到 28.6%，广泛存在于岩石、砂砾、尘土之中，仅次于氧，甚至硅在宇宙中的储量排在第八位。

2. 掺杂性好。半导体的优势之一就是掺杂性，而硅正是最适合掺杂的材料之一 。

3. 此外，硅的物理和化学性质相对更稳定 ，做出的芯片不容易损坏。

4. 硅还具有极好的电子迁移率 。迁移率指的是载流子（电子和空穴）在单位电场作用下的平均漂移速度，即载流子在电场作用下运动速度的快慢程度。迁移率是材料的电导率的决定性因素之一，迁移率越大，电阻率越小，通过相同电流时，功耗越小，产生的热量少，因此电流承载能力就越大。除功耗小以外，高迁移率还会影响到器件的工作频率。例如，晶体管的截止频率和载流子迁移率成正比，因此，提高载流子迁移率，就能够提升晶体管的开关速度，从而提升芯片的性能。

5. 此外，硅有着致密氧化物 ——氧化硅。氧化硅不溶于水也不溶于大部分酸，这和印刷电路板技术“一拍即合”，结合的产物就是现在的集成电路平面工艺。

6. 最后，硅容易提纯 。经过数十年的研究，现在我们已经能够生产纯度高达99.999999999%的硅，这几乎是自然界中最纯净的物质。提纯对于芯片制作而言非常重要，随着一枚芯片中所包含的晶体管数量越来越多，芯片结构长度达到纳米级别，在这种情况下，制作如此精密的结构所需要的“白纸”就需要尽可能平整，洁白，即硅片需要具有高纯净度 、高平整度 、高清洁度 和低杂质污染度 的属性，才能完美保持芯片设计的功能。

硅片，图库版权图片，不授权转载

看到这里，或许可能有人想知道，既然硅片的作用如此重要，想必它的制作过程一定很困难。其实，制作硅片的过程并不难，但如何才能制作出这么纯净的硅片呢？请听下回分解。

出品｜科普中国

作者｜王智豪（中国科学院长春光学精密机械与物理研究所）

监制｜中国科普博览

选送单位：中国科学院计算机信息网络中心

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