从每天陪伴我们的手机、电脑，到衣食住行、各行各业的高效运转，背后都离不开一个“神秘力量”——芯片。它和我们每个人的日常生活紧密相连，是现代科技的心脏，无处不在，也日益成为我国经济社会发展的核心引擎之一。

11月10日，西湖大学西小理科普团成员、工学院博士生胡家鸣和袁誉博前往宁波镇海中学，给镇中学生带来《与芯片“亲密接触”》的主题科普课程。他们讲解集成电路的基本特点和发展历程，同时把课堂化作“集成电路生产线”，同学们在课堂上分组担负设计、测试、蚀刻、焊接等不同工序，互相配合“手搓”电路板。

“看到自己的实验成果十分喜悦，它非常有收藏价值。对于连接电路制作门铃，即使失败了多次，当铃声响起的那一刻，都觉得很值得。”镇海中学学生王宸义这样说。

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让我们一起回到这堂科普课，去和芯片“亲密接触”。

芯片的另一个名字，集成电路（integrated circuit, IC），更能反映其内涵。电路，就是用导线将电子元件连接起来构成的电流通路。不论任何复杂的功能，都能够由最基本的电路元件组合实现。其中的一类元件，是我们中学所熟知的电阻、电容和电感等，它们发挥作用的方式通常是“以身入局”，当电流流过、存贮或变化时，成比例地“扛起”相当的电压。另一类是半导体器件，例如像电阻一样有两个引脚的二极管，它能够“睁一只眼闭一只眼”，只允许电流从一个方向流过；还有三个引脚的三极管(bipolar junction transistor, BJT)、场效应管(field-effect transistor, FET)，它们能实现“四两拨千斤”的开关、放大作用。

虽然单个元件的功能很简单，但通过千变万化的排列组合，就能巧妙实现各种功能。例如电感搭配电容可以将“波澜不惊”的直流电转化为“波涛汹涌”的交流电，二极管组成的“立交桥”又能将交流电转化为直流电；三极管、场效应管搭配电阻可以进行电压的加减乘除运算；进一步搭配对光照、温度等敏感的元件，还能实现对周围环境的探测。

通过这些例子我们也能看到，虽然电路元件是构建电路的最小单元，却往往不是功能层面的最小单元。如果将实现某个功能的电路整合成一个整体，批量制造，则制作其他电路时只需直接使用这个整体，而不必每次从最基本的元件开始搭建，这就是所谓（广义上的）“集成”。基于集成化的功能电路进行开发，不仅省时省力、功能可靠，还能够降低电路开发的难度，因此成为了电路发展的自然趋势。

图1. 导线+元件的电路连接方式

随着所需结构和功能更加复杂，电路的连接面临越来越大的挑战。早期人们普遍单独制造电路元件和导线，这些单独制造的元件叫做分立元件，它们只有和导线相连才能发挥作用。就拿点灯来说，如果只点一盏灯，直接找两根回形针将电源两头与电灯相连即可（有风险，勿轻易尝试哦）；而如果给一整栋楼的房间点上百盏灯，则需要使用大量电线，并尽量紧凑的排列在一起；若想进一步加入光、声感应、智能语音控制、远程开关等功能，则需要更复杂的电路连接更多的元件。为了制造维护方便、质量可靠，人们将分立元件按照一定布局紧密的焊接在绝缘的板材上，并用金属导线按照电路结构相互连接，就构成了最基础的(跳线)电路板。

然而，电路越复杂，导线越繁多杂乱。为此，人们又在绝缘板材内部预留了一些金属条用做导线，从而减少了外部导线的数量，但预留导线限制了电路连接灵活度，工艺上也无显著优势。后来人们另辟蹊径，干脆从“导线+元件”的“加法”改为“减法”，在绝缘板上整个覆盖金属导电层，再按照电路结构去除不需要的部分，留下的金属层就成了能够完成电路连接的“导线”；随后只需焊接上元器件，整个电路板就制作完成。这种电路板叫做印刷电路板(printed circuit board, PCB)，它通过将导线“印刷”在电路板上，不仅降低导线体积、提升了电路连接的可靠性，还省去连接一根根导线的工序，提升制造速度。

图2. 印刷电路板，浅蓝色部分就是导线区域

图3. 焊接在印刷电路板上的芯片，它用于检测计算机鼠标的运动

值得注意的是，如今芯片的内部结构早已不是真正意义上的“片”状，而是可以多达上百层的复杂堆叠结构，就像纳米世界的摩天大楼。位于相同层内的半导体元件一般由填充着金属铜的沟槽结构连接，就像大楼内的一间间公寓由走廊连接一样；层与层之间也不是独立的，不同层间的元件依然可以靠在层上开拓通孔、填充金属来连接，就像楼层之间的楼梯。从结构的角度，也许就像此前海曙中学王辰彦同学在科普课堂上所说的那样，这样有着立体结构的集成电路叫做“芯块”更为形象。当然从制造工艺的角度说，现在依然是以“片”为单位的，即依次进行每一层的制造，还没有看到以真正三维的方式制造装配的“芯块工艺”投入生产。

事实上，从二维到三维的发展思路在芯片发展上有着重要意义。例如，随着场效应管尺寸越来越小，门电极与导电通道的接触面积也不断减小，削弱了其通过电场控制电流的作用，造成场效应管作为“电子开关”的性能有所下降。为了解决这一问题，人们发明了鳍式场效应晶体管（FinFET），通过将门电极由单面接触“升级”为三面环绕以增大其与导电通道的接触面积，使FinFET的开关性能得到显著提升。这样看来，如王同学设想的“芯块工艺”真的实现，也许有望显著提高制造速度和对复杂结构的支持，会是芯片工艺的一大进步。

既然集成电路有这么多优点，是不是应该放弃分立元件和跳线电路板，而全面使用集成电路来制造电子产品呢？其实不然，“集成”是一把双刃剑。首先，集成电路发生故障时通常需要整个更换，而不是像分立元件那样只更换损坏的部分，这增加了维护成本。其次，集成电路虽然利于大规模生产，但尺寸的不断减小，对设计和制造工艺的要求越来越高，散热问题亦更加突出，这增加了研发和生产的难度和成本。而随着其内部元件越来越小、接近物理极限，未来进一步发展也受到限制。最后在国家社会层面，集成电路天生的封闭属性，使其对特定材料、设备和工艺的供应链形成深度依赖，特别是一些国家和地区对集成电路产业的高端装备实施封锁，形成新的产业壁垒，影响产业的全球合作与发展。

当然，不可否认的是，集成电路依然是瑕不掩瑜的革命性技术。它的发展不是凭空产生、一蹴而就，而是电路结构与功能需求不断推动的自然结果。其核心特点就是小而强大，可以在很小的面积内集成大量的电路元件，从而在极小的空间内实现大量的功能，包括算术和逻辑运算，接收、放大、转换和过滤信号，传输、存储数据和程序，控制其他电子设备等。这就像是在一个小小的舞台上，上演着一场场精彩的电子大戏。

芯片种类众多，按照不同的划分标准，包括逻辑芯片、存储芯片、微处理器（central processing unit，CPU）、图形处理器（graph processing unit，GPU）、模拟芯片、射频芯片、电源管理芯片和传感器芯片等。由于集成度高，芯片的可靠性通常比传统电路更高。随着生产规模的增加，单个芯片的成本也可以显著降低。如果没有集成电路，我们的电子设备可能会笨重、昂贵、低效，还经常故障。随着技术的不断进步，芯片的设计和制造工艺也在不断发展，以满足更高的性能和更低的功耗需求。这个过程，就像是电子世界的进化论，不断适应环境，不断进化升级。

正如当年秦始皇推动“车同轨、书同文”，标准化的电路元件就像工业界人人能读懂的“文字”，电路就是将文字排列组合成诗词篇章，而芯片就是成语、歇后语、典故等高频使用而约定俗成的表达。有了这些集成的词句，一语“火烧眉毛”就能言简意赅道出所急，一句“月是故乡明”就使思乡之情跃然纸上，让普通人即使没有大文学家的文采，也能高效表达，通过共享的用语习惯建立起文化认同，并在前人的基础上继续创新。同样地，有了集成电路，开发者可以从大部分底层电路的搭建中解放出来，直接调用他人开发的成熟芯片产品，避免了重复“造轮子”，更推动整个行业内统一标准、整合资源、共享成果，实现“站在巨人的肩膀上”的指数级发展模式。

图4. 单片机开发版