全世界都在不停地談?wù)?a target="_blank">芯片，但令人興奮的是配料——原子大小的晶體管，當(dāng)它被雕刻、分層和格子化成半導(dǎo)體納米宇宙時(shí)，賦予微芯片深不可測(cè)的精湛技藝。相比之下，芯片只是從硅片上雕刻出來(lái)的清晰可見(jiàn)的小塊。

誠(chéng)然，這不僅僅是任何硅。硅晶圓是世界上最平坦的物體。這些圓盤(pán)直徑在 6 英寸到 1 英尺之間，是閃亮的扁平飛盤(pán)，厚度為半毫米，閃爍著彩虹般的光芒，就像拉長(zhǎng)的肥皂泡。半導(dǎo)體制造廠或晶圓廠以其加工成芯片的晶圓尺寸而聞名。晶圓越大，運(yùn)輸量就越大，因此臺(tái)積電 (TSMC)、三星和英特爾等公司都以擁有最大的 12 英寸晶圓廠而自豪。

完美拋光的硅片表面是摸不著的。我們含鹽指尖的皮膚是自然界中最敏感的皮膚之一，僅次于鱷魚(yú)和短吻鱷的臉，我們手指末端的機(jī)械感受器對(duì)小至 13 納米的不連續(xù)性有反應(yīng)。但硅片經(jīng)過(guò)拋光后沒(méi)有任何瑕疵，包括亞納米瑕疵。因此，如果沒(méi)有晶體管，晶圓感覺(jué)就像一塊毫無(wú)特征的空白，即使對(duì)于人類擁有的如此精致的傳感器也是如此。這種超自然的平滑度是一項(xiàng)工程壯舉的起點(diǎn)，該工程涉及數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的人類無(wú)法通過(guò)視覺(jué)或觸覺(jué)或兩者感知的其他物體。

那么，如何操縱沒(méi)有紋理的表面和幾個(gè)原子厚的晶體管呢？工廠里的宏偉軟件給出了答案：“If the doors of perception were cleansed every thing would appear to man as it is, infinite”正如英國(guó)詩(shī)人William Blake所寫(xiě)。人工智能的感知之門已經(jīng)被清理干凈，并且經(jīng)過(guò)訓(xùn)練，除其他外，可以掃描芯片中的缺陷，對(duì)于地球上的人類來(lái)說(shuō)，這些缺陷就像月球上的半美元一樣。在晶圓廠中，人工智能可以看到紫外線并觸摸到不可觸摸的東西。

但讓我們倒轉(zhuǎn)供應(yīng)鏈——將光滑的晶圓分解一分鐘，然后將其原材料返回地球。要制作芯片，您需要從沙子開(kāi)始。各地都開(kāi)采硅砂。它以驚人的盈余存在于我們的星球上。在自然狀態(tài)下，它是介電的或絕緣的，但如果經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)，它就可以導(dǎo)電——比如，如果人類通過(guò)一種被親切地稱為摻雜的過(guò)程來(lái)凈化它。它用途廣泛且可控，因此非常適合想要控制電流的人類。

你可以明白為什么強(qiáng)大的臺(tái)積電董事長(zhǎng)劉德音認(rèn)為硅是上帝的禮物。硅是地球上僅次于氧的第二常見(jiàn)元素。我是這樣看待它的：硅對(duì)于建筑世界來(lái)說(shuō)就像氧氣對(duì)于建造它的人類一樣。這是動(dòng)畫(huà)師。

硅可能更多的是被挖取而不是開(kāi)采，但制造晶圓的過(guò)程仍然需要人類標(biāo)志性的暴力：用環(huán)保主義者Bill McKibben的話說(shuō)，“挖東西然后燒掉它”。采出的硅砂在坩堝中加熱至約 2,000 攝氏度，熔化后進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。然后，將單獨(dú)生長(zhǎng)的小晶種浸入熱泡中，并由機(jī)械臂費(fèi)力地將其取出。這種制造由單晶組成的薩拉米形狀錠的方法以其波蘭發(fā)明家揚(yáng)·喬克拉斯基 (Jan Czochralski) 的名字命名。1916 年，他去給鋼筆墨水，錯(cuò)過(guò)了墨水池，并將鋼筆浸入熔化的錫中。當(dāng)他拔出筆時(shí)，他得到了一根金屬棒。

因此，當(dāng)機(jī)器人拉出籽晶時(shí)，就會(huì)形成大晶體。這部分看起來(lái)有點(diǎn)像糖果制作。由此產(chǎn)生的單晶硅錠具有布拉維晶格（Bravais lattice）。什么是布拉維晶格？晶體學(xué)非常復(fù)雜，布拉維晶體學(xué)更是如此，所以我們只能說(shuō)整個(gè)硅的結(jié)構(gòu)就像寶石的結(jié)構(gòu)一樣——連續(xù)、邊緣完整、晶體之間沒(méi)有任何邊界。系統(tǒng)中的任何雜質(zhì)或空隙都不會(huì)干擾電子的流動(dòng)。通過(guò)晶體管，電子只會(huì)在人類指定的地方流動(dòng)。

我們很快就會(huì)解決這些問(wèn)題。由實(shí)心金剛石制成的鋸從錠上切出晶圓。然后用化學(xué)物質(zhì)（包括金剛石液體漿料——僅限最細(xì)的——）對(duì)每塊新鮮切片的晶圓進(jìn)行去角質(zhì)，以減少所有可能的峰、谷和損壞。整個(gè)晶圓被放入***中，事情變得更加精致。我們深入到原子。

***用光進(jìn)行雕刻，為了保持摩爾定律的車輪轉(zhuǎn)動(dòng)，必須對(duì)光刻進(jìn)行改進(jìn)。提醒一下：摩爾定律不是定律。最好將其理解為英特爾聯(lián)合創(chuàng)始人戈登·摩爾 (Gordon Moore) 在 1965 年做出的猜測(cè)。每年（或兩年）——或者“法則”如此——工程師可能會(huì)將他們可以使用的晶體管數(shù)量增加一倍填充到硅芯片上。值得注意的是，摩爾的預(yù)感得到了證實(shí)。臺(tái)積電的劉德音告訴我，他認(rèn)為摩爾定律是“共同的樂(lè)觀主義”（shared optimism）。這就是希望本身。

平版印刷在芯片制造中的含義與在版畫(huà)制作中的含義相同。該工藝由德國(guó)劇作家阿洛伊斯·塞內(nèi)費(fèi)爾德 (Alois Senefelder) 于 1796 年發(fā)明，他發(fā)現(xiàn)如果用油脂將劇本寫(xiě)在濕石灰石上，然后將墨水滾在蠟上，就可以復(fù)制劇本。直到 20 世紀(jì) 60 年代，工程師們?nèi)匀煌ㄟ^(guò)將蠟滴到金屬上并蝕刻來(lái)制造芯片。這種方法可以在一個(gè)芯片上安裝四到八個(gè)晶體管，但隨著數(shù)量增加到數(shù)百萬(wàn)、數(shù)十億，現(xiàn)在是數(shù)萬(wàn)億，晶體管首先變得比蠟更隱形，然后比隱形小得多。工程師需要比蠟更精確的東西：光。波長(zhǎng)短而精確的光，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出紅色和黃色，向右經(jīng)過(guò)藍(lán)色、靛藍(lán)和紫色，爆發(fā)出可見(jiàn)光譜。

對(duì)于世界上最復(fù)雜的芯片，荷蘭公司 ASML 制造的機(jī)器可以完成 100% 的光刻工作。這需要掃描儀計(jì)量軟件來(lái)測(cè)量和補(bǔ)償生產(chǎn)過(guò)程中隨著溫度和大氣壓力波動(dòng)而出現(xiàn)的亞納米缺陷。機(jī)器學(xué)習(xí)工具通過(guò)處理計(jì)量系統(tǒng)發(fā)出的數(shù) TB 數(shù)據(jù)來(lái)加速制造。

ASML 的下一代機(jī)器每臺(tái)只有一個(gè)普通門廳那么大，成本約為 4 億美元。他們自食其力。像臺(tái)積電這樣的公司，其估值令人瞠目結(jié)舌，因?yàn)樗磕暝诠栊酒衔g刻的晶體管數(shù)量比其競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手更多、更小。

對(duì)幾個(gè)原子厚的材料進(jìn)行蝕刻的過(guò)程是一種變體。它將沙子變成心靈。一臺(tái)投影儀的鏡頭覆蓋著一塊水晶板，上面刻有芯片設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)的圖案，其中包括蘋(píng)果總部庫(kù)比蒂諾的芯片設(shè)計(jì)師，它吊在晶圓上。極紫外光穿過(guò)金屬板照射到晶圓上，在每個(gè)芯片段上刻錄設(shè)計(jì)。然后將晶圓浸入化學(xué)品中以沿圖案進(jìn)行蝕刻。這種情況一次又一次地發(fā)生，直到蝕刻和印刷數(shù)十個(gè)格子層。然后像印章一樣對(duì)晶圓進(jìn)行刻劃，以便將其分成芯片。最后，芯片從晶圓上沖壓出來(lái)。每個(gè)芯片上堆疊有數(shù)十億個(gè)晶體管和電線，相當(dāng)于一個(gè)具有數(shù)十億（甚至數(shù)萬(wàn)億）方格的原子多維棋盤(pán)。

有一些壞消息，微芯片上的晶體管就像斯坦福大學(xué)和第三帝國(guó)一樣，是優(yōu)生學(xué)家的創(chuàng)意。20 世紀(jì) 40 年代，物理學(xué)家 William Shockley 在貝爾實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)半導(dǎo)體研究。1956 年，他和兩位同事因發(fā)現(xiàn)晶體管效應(yīng)而獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，即連接到半導(dǎo)體材料的開(kāi)關(guān)可以取代昂貴且易碎的真空管。肖克利隨后成立了仙童半導(dǎo)體公司。原仙童團(tuán)隊(duì)的成員都已成為家喻戶曉的人物，其中包括英特爾聯(lián)合創(chuàng)始人摩爾和羅伯特·諾伊斯。諾伊斯不是優(yōu)生學(xué)家，但如今被認(rèn)為是名副其實(shí)的“微芯片之父”。但我們不應(yīng)該忘記，晶體管、配料都是肖克利的遺產(chǎn)，儲(chǔ)存他的精子，他認(rèn)為這些精子是種族純正且智商高的。

微芯片厭惡線性。這些開(kāi)關(guān)以一種洛可可式的方式打開(kāi)、關(guān)閉、曲折，因此，如果發(fā)現(xiàn)這些東西有一些不道德的作者，并且可以——比如以高超音速導(dǎo)彈的形式——被用于不道德的用途，那就不足為奇了。但如果肖克利是一個(gè)種族主義瘋子，那么臺(tái)積電（臺(tái)積電生產(chǎn)了全球 92% 的最前衛(wèi)芯片）的董事長(zhǎng)，一定是有史以來(lái)管理一家跨國(guó)公司中最正派、最人道、最有成就的科學(xué)家。

“我們正在做原子結(jié)構(gòu)，”去年，當(dāng)我問(wèn)他有關(guān)制造微芯片的問(wèn)題時(shí)，劉德音告訴我。“我告訴我的工程師，‘像原子大小的人一樣思考。’”他還引用了《箴言》中的一段話，有時(shí)人們會(huì)用這句話來(lái)使采礦業(yè)變得高貴：“隱藏物質(zhì)是上帝的榮耀。但查明此事是人類的榮耀。”

編輯：黃飛