芯片光伏半导体之间的关系 [复制链接]

（一）芯片是用啥东西做的，“沙子”。芯片还有光伏的电池片，一般都是硅片，而硅片是由硅棒切割出来的。硅棒又是由硅料组成的，硅料的基本元素就是硅，而硅一般在地球上是以二氧化硅的不同形态存在的。比如石英，还有沙子，还有玻璃，水晶之类的也是二氧化硅。为什么在众多的元素里面选择用硅呢？因为硅是一种很好的半导体材料。今天主要就讲一下这个“半导体”。金属一般都是导电的，也就是导体，所以电线一般选择铝线或者铜线，还有一些东西平时是不导电的，也就是绝缘体。铜原子的外层只有一个电子，

很容易受到外力的影响就跑了，变成自由电子，也是铜导电的主要原因。

而绝缘体的外层一般有8个电子，

比较稳定，不容易受到外力的影响。而导体和绝缘体中间的就是这个“半导体”，半导体可以应用到不同的需求上，可以做到不用的时候就不导电，要用的时候才导电。芯片、集成电路、二极管、三极管、光伏电池片都是一种半导体。至于刚刚发现的“纽结半金属”。

这就是一种更炫酷的材料了，它本身既是导体，又是绝缘体。就像是“光”本身，它既是一种波，又是一个一个的粒子。这些都属于量子力学的范畴，这里就不多说了，说回半导体。根据“泡利不相容原理”，原子核周围的电子都是按照不同的能及逐层向外排列的。说到这个泡利也是一个很神奇的人，

他去到哪个实验室，哪个实验室的设备就出问题，就是著名的“泡利效应”，有一次他去普林斯顿大学访问，去之前人们就担心说别出现泡利效应。结果他刚到，实验室的设备就莫名其妙的起火了，还有参加学术会议的时候，有些人开玩笑做了一些设备，想恶搞一下泡利，结果泡利来了啥也没发生，因为恶搞他的这些设备莫名其妙都坏了。还有一个物理学家，有一次做实验的时候设备坏了，专门写信给泡利说这次肯定不怪你，因为我们都不在一个城市，肯定不是因为泡利效应。结果，泡利给他回信说，我回想了一下，你说你设备坏的时候，我刚好坐火车路过你那里。后来有些实验室甚至明确规定，泡利是不允许进入的，这又扯远了。

说回“泡利不相容原理”。也就是原子的能级逐层排布，原子和周围的电子住在一个叫“价带”的地方，“价带”的上方是“禁带”，“禁带”的上方就是“导带”。原子最外层的电子，居住在“价带”的边缘，容易受到外力的诱惑，如果穿过了“禁带”到了“导带”。

那它就开始导电了，就像刚才说的铜元素，最外层的一个电子一样。金属物质的这个“禁带”比较短，甚至是没有，所以电子就很容易跑到“导带”，它就是导体。半导体中间的这个“禁带”要稍微宽一点，所以电子也不容易穿过去，但是如果受到了外力的影响，一般就是温度或者光照，如果达到2-4个电子伏特的能量，电子也可以穿过“禁带”到达“导带”就变成了导体。而绝缘体中间的这个“禁带”就非常的宽了，电子就很难穿过去到达“导带”，除非受到更强的外力的影响。一般要超过10电子伏特，而这么大的能量的话，电子穿过“禁带”也不再“导带”停留了，而是直接被击飞了，也就是电离辐射里面的电离。知道了半导体的这些特性，就可以应用了。比如有些半导体的这个“禁带”是根据温度来变化它的宽窄的，这就可以做成“温度传感器”。通过“禁带”的宽窄变化来感知温度，还有一些半导体受光线的影响比较大。比如说楼道里的声光控灯，白天光线比较强，它就是绝缘体灯是不亮的，到了晚上光线很暗，它就很接近导体，再受到声音的影响，就变成了导体，灯就亮了。再比如，光伏电站是由P型半导体和N型半导体组合的。太阳光照射到“PN结”就可以发电，光照越好，发电越多。半导体的应用真的非常非常广泛的。（二）爱因斯坦自己发现的东西，自己却无法接受。提起爱因斯坦最有名的当然还是他的广义相对论，以及狭义相对论。但是他唯一一次获得诺贝尔物理学奖却是因为这个，“光电效应”。

简单来说就是他提出了“光量子”这个概念，开启了量子力学的大门，但是他本人终其一生都是不相信量子力学的。还有这个人：普朗克，

也就是普朗克常数的那个普朗克，他也是因为这方面的研究，拿到了诺贝尔物理学奖，但是他致死都不能接受这个事实。量子力学确实是太反常了，很多物理学家都接受不了，甚至有些推论，最终得出的结论是，我们其实都生活在一个“虚拟世界”当中。说回爱因斯坦的光电效应。主要是分了三个部分，外部光电效应，内部光电效应以及光伏效应。前面的都涉及到了量子力学，爱因斯坦本人都无法接受，这里就不多说了，今天重点说一下这个“光伏效应”。年法国物理学家贝克勒尔，

最早发现了液体当中的光生伏特效应，伏特就是电压的单位。光生伏特就是光照生成了电压，由于产生了电势差造成了电子的流动，就产生了电流。这个发现对人类的贡献真的非常巨大，二极管、三极管、光敏材料、传感器、半导体、芯片都是在这个基础上，逐步发展起来的。今天说一下光生伏特效应最直接的应用，“光声伏特”我们应该简称为什么？对、就是光伏。光伏为什么晒一晒太阳就可以发电，光伏发电的原理到底是什么？这就要说到另外一个重要的概念“PN结”。每一个硅原子最外层都有四个电子，而硅晶体里面的硅原子。

又是像这样，手拉着手，整齐的排列着的，每一个硅原子都可以和他上下左右四个邻居共享最外层的一个电子。这样每个硅原子最外增，就会形成8个电子的稳定结构。这个由单一元素组成的半导体，叫做元素半导体（本征半导体），而为了让里面的电子更活跃起来，加一些其他元素，叫做杂质半导体。我们在整齐排列的硅原子里加入一个磷原子，由于磷原子最外层有5个电子，它们之间共享之后会多出一个自由电子。这就叫做N型半导体，

N就是这个（Negatine/负的）代表负的。同样道理，在硅原子中加入一个硼原子，由于硼只有三个电子，和硅结合之后就会少一个电子，形成一个空穴。这就叫做P型半导体，

P就是这个（Positive/正的）代表正的。好了，现在我们把P型半导体和N型半导体结合到一起，就会形成这个PN结。

当太阳光照射到PN结时，由于有了额外的能量，就会有更多的自由电子以及空穴往两侧移动，当有导线接入时，就能产生源源不断的电流了，这就是光伏发电的原理了。更重要的是，整个发电的过程自由流动的只有电子，流完之后，又回到了源头，整个过程是没有任何的磨损和消耗的。所以，光伏电站非常的稳定，可以发电30年以上。光伏就是光生伏特效应最直接的应用，它是直接把太阳能转化成电能，没有二次转化，效率最高。无论爱因斯坦和普朗克是否接受，量子力学是真的；无论我们生活在虚拟世界还是现实世界，能量守恒也是真的，所以少一次转化，就多一份效率。光生伏特效应最直接的应用“光伏”。（三）工业化时代比的是“碳”，电气化时代拼的是“硅”，煤炭和石油的主要成分就是碳，很快会被淘汰。而钻石的主要成分其实也是碳，并且储量非常大，一点都不值钱的。光伏主要用的是硅，未来会成为主流能源，而更重要的是在电气时代，通讯、计算、电器设备用到的集成电路、半导、体芯片主要成分也都是“硅”。地球上元素排第二的就是“硅”。它的原材料沙子，岩石到处都是，成本很低用处却很大，硅以前叫做“矽”，现在好像在港台地区还是叫“矽”，并且有一些地区把硅谷叫做矽谷，其实都一样，矽就是硅是同一种元素。有一种职业病叫做“矽肺病”，现在我们知道其实也就是“硅肺病”，但绝不是说硅有毒（二氧化硅无毒），而是吸入了微小的二氧化硅的漂浮物到肺里，沉积在肺部才引发的。之所以叫职业病，是因为只有在矿场采矿的过程中才有可能吸入，在日常生活中是没有这种几微米的二氧化硅颗粒的，所以都没有任何问题。光伏电池片里硅的纯度一般要达到6个9（99.），多晶硅和单晶硅都可以。而发电效率上来看，单晶硅还是要更高一些。电子级的多晶硅一般需要达到9个9（99.999），而现在芯片主要用的都是高纯度的单晶硅，也是人类目前为止能做到纯度最高的晶体，可以达到12个9（99.99）。也就是说，在一万亿个硅原子里，才有可能混入一个其他的原子。而最早晶体管上用的不是硅，而是“锗”。说到晶体管就要说到这个人。威廉·肖克利，

他在年因为晶体管的研究获得了诺贝尔物理学奖，后来在美国加州成立了一家公司，招募了大量的人才。但是由于不善管理，其中的八个人离他而去，就是著名的“八叛徒”。这八个人出来后，找到了一个有钱人费尔柴尔德来投资他们，成立了一家后来被誉为全世界最伟大的公司，仙童半导体。费尔柴尔德的名字翻译成中文就是（Fairchild）仙童。他们开始用硅替换易碎的锗来做晶体管，后来逐步演化做出了集成电路。帮公司赚了很多钱，但是也是因为公司内部的原因，八个人相继离开，成立了不同的公司。其中的两个人，诺伊斯和摩尔（集成电路之父：诺伊斯），摩尔就是提出芯片行业摩尔定律的那个摩尔（摩尔定律提出者：戈登·摩尔）。他们两个人成立了一家公司，后来非常有名，就是“英特尔”，而在加州这个小地方慢慢出现了很多关于硅的公司。从此，这个地方就被叫做“硅谷”。硅的发展确实是源于美国，源于硅谷。但是这几十年过去了，谁能想到现在全球硅发展的最好，却是我们中国。在芯片领域我们确实还是有点受制于人，但并不是因为硅，而是因为软件和光科技术。在硅的领域中国还是很有优势的，全球排名前十的硅料企业，中国占了其中的7家，都很厉害。（四）我们来凭感觉猜测一下，像这样指甲盖大小的一个芯片上会有多少个晶体管。

如果说是几万个，会不会觉得已经很夸张了，这么小的空间怎么可能放得下。如果是几十万个呢，不光是放得下而已，还要用线路准确的连接起来，一步错就会步步错，而正确的答案是“上百亿个”。芯片就是这么难，主要有两个难点，设计芯片的EDA软件和制造芯片的光刻机。在某一小片区域实现某个功能的晶体管数量并不是确定的，就看怎么设计了。有些人设计出来可能需要几万个，有些人几千个就可以。就像程序员写代码一样，高手可以写的简洁并且实用，所以前期的设计环节就需要有高手，需要有人才，这方面我们中国肯定是不缺的。但是光有人才还不够，还要有专业的EDA软件，上百亿个晶体管如何排布，如何准确的连接，之间有什么逻辑关联？如何避免bug。显然已经是远远的超出人脑可计算的范围了，所以专业的EDA软件的算法，就决定了芯片的好坏。

全球排名前三的EDA软件公司。是这三个（1.Cadence/2.Synopsys/3.MentorGraphics），前两家都是美国公司，第三个是被德国的西门子收购了，但是也有很深的美国背景。他们占了全球市场份额的70%，占了中国高端芯片市场的95%，而就算有了软件，距离制作出芯片还差一个关键的设备，就是光刻机。普通的光刻机可以做到纳米左右的尺度，已经非常厉害了。但是现在的顶级芯片已经做到了5纳米、3纳米甚至2纳米的极限值。这就必须要用到这个极紫外线光刻机，但这种光刻机全世界有几家公司可以做出来呢？只有一家，就是荷兰的ASML公司。他一年的年产量也就二三十台，售价高达1.2亿美元，并且还不是有钱就能买得到，说不卖就不卖，没有任何办法。ASML光刻机的光源是13.5纳米，

并且他和德国蔡司合作，做出了高反射率的镜子，精度达到了皮米级别，1皮米是一千分之一纳米。所以这个精度要求是非常非常高的，全世界就只有这一家公司能做出来。所以芯片就是这么难，短时间内或者现有的技术路径上，很难突破了，那我们中国这么多年芯片技术难道没有发展吗？其实不是。前面说的这种芯片主要是用在手机和电脑上的特殊芯片，它必须做的很小，并且还要处理大量的数据，还要兼顾很多的功能，所以才这么难。而在日常生活中，更多的，更广泛的应用领域，实际上是用不到这种芯片的，它在整个芯片世界里的占比是很小的。更多的芯片其实是用在其他地方的，小到我们的身份证、银行卡、家里的家用电器，大到国家的电网系统，通讯系统，甚至是国防安全系统，这些新片都是我们中国自己做出来的。（五）全球有五大手机芯片公司。高通，

绝大多数的安卓手机都用的是高通的芯片。联发科，

其实手机芯片做的也不错的，只是以前主要用在山寨手机上，而现在更多的用在中低端的手机上。苹果、华为、三星，作为手机厂商，

自己也做芯片用在自家的手机上。其中苹果的A系列确实是挺厉害的，比如说最新的苹果A14，,5纳米的制程，

集成了亿个晶体管，每秒最高处理11万亿次的操作。华为麒麟芯片，

是华为旗下的海思半导体的产品，其中华为麒麟也是5纳米的制程，集成了亿个晶体管，已经和高通的骁龙系列不相上下了。华为的麒麟芯片，是华为自主研发的，品牌也是华为自己的，但是就像是一个服装品牌一样。你可以自己进行设计，甚至也可以注册一些品牌专利，但是生产的工厂。不一定是自己的，原材料里的纽扣、拉链、针线或者布料，也不一定是自己的，这就是所谓的“生态”。

华为被掐脖子，最主要的就是生产环节。ASML的光刻机不卖给我们，台积电有生产能力，但是被美国要求，不允许生产芯片给华为，华为的麒麟芯片就没办法生产出来。高通做芯片但是自己不做手机，他做的芯片都是出手给全世界的，不过也被限制不允许出售给华为。这些公司都是在这样的一个生态圈里的，都是有很深的美国背景，所以美国才能限制住华为。但从手机芯片的性能上来说，目前却是苹果做的最好，而且它很有钱，也有很多人才还在美国本土，但是实际上他自己也做不出一片芯片。他可以自己研发设计，设计好之后，也要送到中国台湾的台积电，用荷兰ASML的光刻机制作出来。然后再送到马来西亚进行封装测试，最后再送到中国的富士康，才能把芯片和其他部件组装起来。而就这个研发设计环节的前提，也是要先购买ARM公司底层架构的知识产权，才能够进行的。这个底层架构差不多就是设计芯片的一个规范和标准，目前全世界最优的就是英特尔架构和ARM架构。英特尔的底层架构更适合电脑芯片，而ARM架构才更适合手机芯片，目前几乎所有的手机芯片都是ARM架构。而这家源于英国的ARM公司，已经被软银收购，目前属于软银集团。软银也投资了很多中国公司，是阿里巴巴的大股东，也是滴滴的大股东。而软银自己的最大股东又是南非标准银行，南非标准银行的最大股东又是我们的中国工商银行，这种错综复杂的关系可能就是全球化。

而手机芯片又是全球化最典型的一个行业，没有任何一家公司或者一个国家能够独立做出一片芯片。有时候竞争对手可能也适合做伙伴，大家分工协作，共同进步，才能提高社会的总体收益。（六）亿美元。中国每年进口芯片需要花的钱。2纳米现有技术路径下可以量产芯片的理论极限，芯片技术能不能突破？中国芯片能否弯道超车。答案是，年有一位芯片领域的大神预测，50纳米将会是摩尔定律的终点。结果这么多年下来，从50纳米一路走到了28纳米、14纳米、7纳米、5纳米、3纳米，而这位被打脸的大神就是摩尔本人。技术的发展永远是超出预期的，没有终点。未来芯片发展有可能的几个方向，第一个，盖楼。现在芯片里的晶体管都是住在平房，只有一层扁扁的，而未来芯片里的晶体管有可能住进楼房，也就是把它做成立体的，这样就可以继承更多的模块，晶体管之间的距离也就更近，传输速度更快。第二，碳纳米管或者石墨烯，这都是二维材料，并不是三维的东西。传输速度会更快，提升芯片的性能。第三，自旋器件，每一个电子天生都会旋转的，要么左旋要么右旋，而芯片就是由无数个零和一组成的二进制的开关，是要靠电子的流动来运行的，如果我们用电子的左旋或者右旋来代表零合一那电子就根本不用流动了，原地旋转就可以了。说到自旋，顺便提一句，在量子力学的世界里，如果通过镜子来观察量子的旋转方向，得出的结论可能有点颠覆认知，就是镜子里的世界可能并不是现实世界的映射，而是另外一个世界。第四，可重构芯片，大概意思就是可以重新编程、重复使用，根据不同的硬件需求，随时变身，变成另外一个全新的芯片。第五，类脑芯片，现在的芯片运行都是遵照冯诺依曼体系的，也就是存储和计算是分开的，如果要进行计算，就需要把存储的信息，调取并运送过来。而如果仿照人类大脑的神经源的话，就不需要这个环节。第六，二维二硫化钼，这也是一个二维材料，对比它的竞争对手单晶硅，做的再小，也不会发生量子隧穿，在量子力学的世界里，量子是会“穿墙术”的。而由量子组成的人，其实也是可以穿墙的，能否穿过，这是概率的问题而已。另外，以前说过硅原子最外层有4个电子，它和剩下左右的4个邻居可以共享最外层电子，就可以组成8个电子的稳定结构，但是住在最边缘的硅原子旁边已经没有邻居了，就不够稳定，而二流化钼就没有这个问题。还有用单晶硅做的芯片是必须用光刻机刻出来的，而用二流化钼做芯片可能只需要一个化学沉淀过程，类似于生长出来的，完全可以绕过光刻机。第七，云芯片，比如说手机芯片，其实不一定非要做的都这么高大上，差不多就可以了，需要计算或者存储的时候，交给云端的要超级芯片，而手机端就负责输入和输出就可以了。说了大概有可能的七个方向，当然并不是说只有七个而已，只是我有点瞌睡了，明天还要继续上班，这里就不多说了。芯片领域发展的机会很多，中国芯片的弯道超车的机会也很多，方向多的是。