半导体：不起眼的矿物硅改变全体世界

　　说到互联环球的技能，半导体芯片居功至伟。
但是这小小的芯片，究竟是如何走进我们生活每一处的呢？

　　从不夜城到偏远村落庄，一项技能正在改变我们生活和事情的办法。

从口袋里的智好手机到支持互联网运作的弘大数据中央，从电动踏板车到超音速飞机，从起搏器到预测景象的超级打算机，不管是看不见的还是鲜为人知的，所有这些设备或举动步伐的内部，都包含一项使这统统成为可能的眇小技能：半导体。

　　半导体是当代打算的基本组成部分。
被称为晶体管的半导体设备是在打算机内部运行打算的微型电子开关。
1947年，美国科学家建造了天下上第一个晶体管。
在此之前，人们借助真空管完成打算机制。
但真空管打算机既慢又笨重。
直到硅的运用，改变了统统。

　　用硅制造的晶体管，体积足够小，可以安装在微芯片上，从而打开一扇新天下的大门：各种设备层出不穷。
每一年，这些设备都在变得更小更智能。
半导体工业协会首席实行官约翰诺弗说：“将晶体管微型化的能力，让我们得以开展古人无法想象的事情。
而这统统，皆因我们可以将大型打算机置于一枚小小的芯片上。
”

　　创新的节奏也亘古未有。
芯片开始以稳定的速率越变越小，仿佛这项技能有规律可循。
大约五十年前，芯片制造巨子英特尔的联合创始人戈登摩尔率先提出这个规律，即后来所说的摩尔定律。
摩尔定律预测，芯片上可容纳的晶体管数目，约每隔两年便会增加一倍。

　　事实证明，摩尔定律曾经是精确的。
直到最近，情形开始有变。
当几次再三缩小晶体管的努力越来越靠近物理极限时，芯片微型化的步伐才有所放缓。
早期的晶体管肉眼可见。
而如今，一枚微芯片上可容纳数十亿个微型晶体管。
最主要的是，这种制造业的指数级进步，推动了数字革命的发生。

　　但是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，带来了一项遍布环球的技能，其实有趣。

　　硅是5000亿美元芯片家当的根本。
而该家当则带动了环球科技经济的发展。
如今，环球科技经济代价约达3万亿美元。
半导体家当也已经成为历史上最环球化的家当之一：原材料来自日本和墨西哥，芯片在美国和中国制造。
然后，这些芯片被运送到天下各地，以安装在设备上。
末了，设备来到天下各个国家的人手中。

　　诺弗说：“作为芯片的根本，硅大概会在环球各地流转两到三次。
”但是，即便是如此弘大的环球网络，我们也可以追本溯源到少数几个主要的地方。

　　白色黄金

　　高端电子产品对材料品质的哀求也格外高。
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。
环球数百万的数字设备——乃至你手中的手机或桌上的条记本——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的采矿经历罗夫皮伯特说：“一想到你可以在险些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。
”

　　斯普鲁斯派恩附近的岩石十分特殊。
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。

　　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。
末了，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由末了一道研磨工序，然后才能以粉末的形式装袋送往精髓精辟厂。

　　只管环球有数十亿个微芯片，但每年开采的硅仅3万吨旁边，乃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，全体行业已经发生变革。
”

　　印刷机

　　把硅粉变成芯片，须要将硅材料投入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。
末了，在工厂里（比如纽约州的Global Foundries），十几个矩形电路——也便是芯片本身——被印刷到每一个晶圆上。
从这里开始，芯片将分散到天下的各个角落。

　　Global Foundries的无菌室工程师克里斯贝尔菲说：“我们实在便是一台印刷机，为公司印刷他们想要制造的任何电子设备。
”

　　由于芯片非常眇小，所有任何灰尘颗粒或头发丝都可能会毁坏芯片的繁芜电路。
为了防止污染微电子产品，全体车间必须是无菌无尘的。
大约六个足球场大小的区域，要比手术室还干净数千倍，并用阴暗的黄色灯光照明，以防止紫外线辐射毁坏生产过程中利用的一些化学药品。
实验室员工和工程技能职员穿着怪异的防护服，从头到脚包裹在白色安全服内，口罩和护目镜也戴得严严实实，然后才能开始事情。

　　在无菌室内，大多数操作由真空密封的机器人自动完成。
从屋顶上悬下来的单轨道在机器人之间运送着零部件。
根据设计的不同，每个芯片的制作可能须要1000到2000个步骤。

　　流进工厂车间的空缺晶圆，每个的本钱大约为数百美元。
从车间出来后，这些晶圆将被印刷上数十亿个晶体管。
这时候，它们的身价将是原来的一百多倍。
Global Foundries制造的芯片大多数用于智好手机或被称为GPU的硬件。
电子游戏、人工智能以及挖掘加密货币，都须要用到GPU。
互联设备，从健身跟踪器到智能冰箱和智能音箱等，也便是我们常说的“物联网”，则是另一个正在兴起的终端设备系列。
贝尔菲说：“人们希望将越来越多的东西时时刻刻互联在一起。
”

　　下一个阶段，这些制造好的晶圆将被送往常日是位于外洋的电子制造商。
“能够为促进环球公民之间的互联做出贡献，我感到非常自满。
”Global Foundries的中心工程总监伊莎贝尔弗雷恩说，“每当我看到我们每天利用的电子设备，我都会想到我们正在研究的技能。
”

　　半导体是美国的第四大出口商品，仅次于飞机、汽车和石油。
大部分收入都用于开拓新的产品，使得半导体行业与制药行业一样，成为顶级研究型行业。
弗雷恩说：“我们正在改变行业，而这个行业将改变天下。
”

　　硅革命

　　随着半导体越来越小、越来越便宜，现在险些大家都可以用上半导体产品。
据估计，环球有超过50亿人拥有移动设备，个中一半以上为智好手机。
发展中国家也正在奋起直追。

　　Research ICT Africa是一个聚焦技能政策的智库。
根据该智库的调查，在非洲，2007年，15岁及以上人口中，利用互联网的比例为15%；十年后的2017年，这个数字增长到了28%。
如今，十个非洲人中大约有两个人拥有智好手机。
Research ICT Africa的安里范德斯普伊说：“这紧张归功于廉价上网设备的迅速遍及。
”

　　这意味着，即便是在大多数的偏远屯子地区，人们也能感想熏染到这些技能带来的影响。
纳纽基是东非国家肯尼亚的一个集镇。
以小镇上的农人性格拉斯旺加拉为例，他现在会利用智好手机来探求农作物的买家。
他说：“手机让我的事情变得更加轻松。
”

　　在他们家边上，有一条河。
旺加拉和他的妻子格拉迪斯就在河附近的一片农田里栽种玉米和土豆，并以此为生。
在拥有智好手机之前，旺加拉出售他的农产品的唯一办法是将它们拿到商场上去卖。
如果卖不掉，农产品就会变质，他就会赔钱。
移动技能可以帮助他办理这种风险。
通过和潜在买家分享他的农作物照片，他可以在玉米或土豆成熟前就达成交易。
等到收成时节，买家会自己过来把农产品拉走，而不再须要等旺加拉把农产品运到商场去。
这样一来，买家就可以收成新鲜的农产品。
旺加拉说，在有智好手机之前，他很难推销自己的农作物。

　　旺加拉大约花15000肯尼亚先令，给自己买了一部手机，作为商业投资。
除了联系买家之外，他还利用手机来节制对经营农场至关主要的信息，比如最新的景象预报和不同农作物的市场价格。
根据环球景象组织Weather Impact的菲欧娜范德博格特进行的研究，更好地获取这类信息，是在肯尼亚和埃塞俄比亚等国家确保长期粮食安全的有效方法。
获取准确的景象信息，可以帮助农人判断该当栽种什么庄家，以及在何时栽种庄家。

　　但是，如果要获取移动数据的话，旺加拉须要前往附近的一个Wifi热点。
这个Wifi热点位于一个改装的集装箱内。
在城市之外，像这样的热点好似当地社区的命脉。
在很多国家，城市和屯子地区之间的互联网访问水平仍存在很大差距。
但德国波恩大学研究员所做的研究表明，撒哈拉以南非洲地区的发展轨迹令人欣喜，个中肯尼亚的农人正积极地走在利用移动技能促进生存的最前沿。

　　Research ICT Africa的数据显示，肯尼亚是非洲互联网利用率第三高的国家，24%的肯尼亚人口可以上网。
但是其他国家仍远远掉队。
比如，在卢旺达，仅9%的人口可以访问互联网，是非洲大陆上互联网利用率最低的国家。
而在这9%的上网人口中，77%的人口居住在城市。

　　范德斯普伊说，我们须要当心，这种数字鸿沟不会使得人们的生活变得更糟。
她说：“能否上网如今已成为参与社会的先决条件。
”比如领取社会福利、求职或孩子上学等等，越来越多的事情都在网上完成。
其余，这种数字鸿沟不仅存在于城乡之间。
富人比穷汉更有可能利用互联网，男人比女人也更有可能利用互联网，年轻人比老年人亦更有可能利用互联网。
“如果你无法上网，你就可能会被抛弃。
”

　　随着半导体技能的不断发展以及越来越多人开始学习数字技能，这些差距该当会逐渐缩小。
智好手机乃至也可以促进一个国家的整体经济。
根据一项研究估计，在发展中国家，每一百人中，每增加十部手机可以使GDP增长0.5%。

　　鲜有一项技能可以改变这么多人的生活。
诺弗说，我们将大略纯粹的石英砂变成险些无限繁芜的技能，又用这技能在本日让大家互联，光是想想，这就令人十分激动。
（匀琳）