原子大小的晶体管是什么样的？

全世界都在不停地谈论芯片，但令人兴奋的是配料——原子大小的晶体管，当它被雕刻、分层和格子化成半导体纳米宇宙时，赋予微芯片深不可测的精湛技艺。相比之下，芯片只是从硅片上雕刻出来的清晰可见的小块。

诚然，这不仅仅是任何硅。硅晶圆是世界上最平坦的物体。这些圆盘直径在 6 英寸到 1 英尺之间，是闪亮的扁平飞盘，厚度为半毫米，闪烁着彩虹般的光芒，就像拉长的肥皂泡。半导体制造厂或晶圆厂以其加工成芯片的晶圆尺寸而闻名。晶圆越大，运输量就越大，因此台积电 (TSMC)、三星和英特尔等公司都以拥有最大的 12 英寸晶圆厂而自豪。

完美抛光的硅片表面是摸不着的。我们含盐指尖的皮肤是自然界中最敏感的皮肤之一，仅次于鳄鱼和短吻鳄的脸，我们手指末端的机械感受器对小至 13 纳米的不连续性有反应。但硅片经过抛光后没有任何瑕疵，包括亚纳米瑕疵。因此，如果没有晶体管，晶圆感觉就像一块毫无特征的空白，即使对于人类拥有的如此精致的传感器也是如此。这种超自然的平滑度是一项工程壮举的起点，该工程涉及数以百万计的人类无法通过视觉或触觉或两者感知的其他物体。

那么，如何操纵没有纹理的表面和几个原子厚的晶体管呢？工厂里的宏伟软件给出了答案：“If the doors of perception were cleansed every thing would appear to man as it is, infinite”正如英国诗人William Blake所写。人工智能的感知之门已经被清理干净，并且经过训练，除其他外，可以扫描芯片中的缺陷，对于地球上的人类来说，这些缺陷就像月球上的半美元一样。在晶圆厂中，人工智能可以看到紫外线并触摸到不可触摸的东西。

但让我们倒转供应链——将光滑的晶圆分解一分钟，然后将其原材料返回地球。要制作芯片，您需要从沙子开始。各地都开采硅砂。它以惊人的盈余存在于我们的星球上。在自然状态下，它是介电的或绝缘的，但如果经过精心设计，它就可以导电——比如，如果人类通过一种被亲切地称为掺杂的过程来净化它。它用途广泛且可控，因此非常适合想要控制电流的人类。

你可以明白为什么强大的台积电董事长刘德音认为硅是上帝的礼物。硅是地球上仅次于氧的第二常见元素。我是这样看待它的：硅对于建筑世界来说就像氧气对于建造它的人类一样。这是动画师。

硅可能更多的是被挖取而不是开采，但制造晶圆的过程仍然需要人类标志性的暴力：用环保主义者Bill McKibben的话说，“挖东西然后烧掉它”。采出的硅砂在坩埚中加热至约 2,000 摄氏度，熔化后进行旋转。然后，将单独生长的小晶种浸入热泡中，并由机械臂费力地将其取出。这种制造由单晶组成的萨拉米形状锭的方法以其波兰发明家扬·乔克拉斯基 (Jan Czochralski) 的名字命名。1916 年，他去给钢笔墨水，错过了墨水池，并将钢笔浸入熔化的锡中。当他拔出笔时，他得到了一根金属棒。

因此，当机器人拉出籽晶时，就会形成大晶体。这部分看起来有点像糖果制作。由此产生的单晶硅锭具有布拉维晶格（Bravais lattice）。什么是布拉维晶格？晶体学非常复杂，布拉维晶体学更是如此，所以我们只能说整个硅的结构就像宝石的结构一样——连续、边缘完整、晶体之间没有任何边界。系统中的任何杂质或空隙都不会干扰电子的流动。通过晶体管，电子只会在人类指定的地方流动。

我们很快就会解决这些问题。由实心金刚石制成的锯从锭上切出晶圆。然后用化学物质（包括金刚石液体浆料——仅限最细的——）对每块新鲜切片的晶圆进行去角质，以减少所有可能的峰、谷和损坏。整个晶圆被放入***中，事情变得更加精致。我们深入到原子。

***用光进行雕刻，为了保持摩尔定律的车轮转动，必须对光刻进行改进。提醒一下：摩尔定律不是定律。最好将其理解为英特尔联合创始人戈登·摩尔 (Gordon Moore) 在 1965 年做出的猜测。每年（或两年）——或者“法则”如此——工程师可能会将他们可以使用的晶体管数量增加一倍填充到硅芯片上。值得注意的是，摩尔的预感得到了证实。台积电的刘德音告诉我，他认为摩尔定律是“共同的乐观主义”（shared optimism）。这就是希望本身。

平版印刷在芯片制造中的含义与在版画制作中的含义相同。该工艺由德国剧作家阿洛伊斯·塞内费尔德 (Alois Senefelder) 于 1796 年发明，他发现如果用油脂将剧本写在湿石灰石上，然后将墨水滚在蜡上，就可以复制剧本。直到 20 世纪 60 年代，工程师们仍然通过将蜡滴到金属上并蚀刻来制造芯片。这种方法可以在一个芯片上安装四到八个晶体管，但随着数量增加到数百万、数十亿，现在是数万亿，晶体管首先变得比蜡更隐形，然后比隐形小得多。工程师需要比蜡更精确的东西：光。波长短而精确的光，远远超出红色和黄色，向右经过蓝色、靛蓝和紫色，爆发出可见光谱。

对于世界上最复杂的芯片，荷兰公司 ASML 制造的机器可以完成 100% 的光刻工作。这需要扫描仪计量软件来测量和补偿生产过程中随着温度和大气压力波动而出现的亚纳米缺陷。机器学习工具通过处理计量系统发出的数 TB 数据来加速制造。

ASML 的下一代机器每台只有一个普通门厅那么大，成本约为 4 亿美元。他们自食其力。像台积电这样的公司，其估值令人瞠目结舌，因为它每年在硅芯片上蚀刻的晶体管数量比其竞争对手更多、更小。

对几个原子厚的材料进行蚀刻的过程是一种变体。它将沙子变成心灵。一台投影仪的镜头覆盖着一块水晶板，上面刻有芯片设计师设计的图案，其中包括苹果总部库比蒂诺的芯片设计师，它吊在晶圆上。极紫外光穿过金属板照射到晶圆上，在每个芯片段上刻录设计。然后将晶圆浸入化学品中以沿图案进行蚀刻。这种情况一次又一次地发生，直到蚀刻和印刷数十个格子层。然后像印章一样对晶圆进行刻划，以便将其分成芯片。最后，芯片从晶圆上冲压出来。每个芯片上堆叠有数十亿个晶体管和电线，相当于一个具有数十亿（甚至数万亿）方格的原子多维棋盘。

有一些坏消息，微芯片上的晶体管就像斯坦福大学和第三帝国一样，是优生学家的创意。20 世纪 40 年代，物理学家 William Shockley 在贝尔实验室负责半导体研究。1956 年，他和两位同事因发现晶体管效应而获得诺贝尔物理学奖，即连接到半导体材料的开关可以取代昂贵且易碎的真空管。肖克利随后成立了仙童半导体公司。原仙童团队的成员都已成为家喻户晓的人物，其中包括英特尔联合创始人摩尔和罗伯特·诺伊斯。诺伊斯不是优生学家，但如今被认为是名副其实的“微芯片之父”。但我们不应该忘记，晶体管、配料都是肖克利的遗产，储存他的精子，他认为这些精子是种族纯正且智商高的。

微芯片厌恶线性。这些开关以一种洛可可式的方式打开、关闭、曲折，因此，如果发现这些东西有一些不道德的作者，并且可以——比如以高超音速导弹的形式——被用于不道德的用途，那就不足为奇了。但如果肖克利是一个种族主义疯子，那么台积电（台积电生产了全球 92% 的最前卫芯片）的董事长，一定是有史以来管理一家跨国公司中最正派、最人道、最有成就的科学家。

“我们正在做原子结构，”去年，当我问他有关制造微芯片的问题时，刘德音告诉我。“我告诉我的工程师，‘像原子大小的人一样思考。’”他还引用了《箴言》中的一段话，有时人们会用这句话来使采矿业变得高贵：“隐藏物质是上帝的荣耀。但查明此事是人类的荣耀。” 

编辑：黄飞