一、“秦一号”与ENIAC
“陛下，我们把这台计算机命名为‘秦一号’。请看，那里，中心部分，是CPU，是计算机的核心计算元件，由您最精锐的五个军团构成……”
——出自《三体I》
在《三体》中，刘慈欣构想了一台由3000万人组成的计算机，用秦帝国最精锐的5个团组成了CPU，希望能计算出恒纪元与乱纪元的交替规律，但漫长的运算和频繁的出错还是导致这台“人肉计算机”没能求解三体问题的答案。
这个构想显得很荒诞，同时也很大气。
但世界上第一台计算机ENIAC却和“秦一号”有着异曲同工之妙，它占地170平方米，主要由20,000个真空管、7,200个晶体管和其他电路元件构成，耗电量足足有150kW。在运行过程中，ENIAC的热量损耗也很大，导致脆弱的真空管损坏，整个机器很容易出故障。
（图片来源：维基百科）
今天的电脑无论是在体积、性能还是稳定性上都比“秦一号”和ENIAC强到不知哪里去了，这在很大程度上都要归功于晶体管和集成电路技术的发展。晶体管可以算是整个电路的细胞，而集成电路技术将这些“细胞”排布在芯片上。
（图片来源：图虫）
二、位置齐全，才能打赢团战
除了高大上的CPU，电脑主板上那些黑黑的方块也是芯片的一种，虽然其貌不扬，但少了它们，电脑同样会出各种各样的问题。对于不同的电子设备，芯片的架构和晶体管的类型也是不同的。
就拿MOS管和IGBT来说，如果把电路世界比作Moba游戏的战场，他们二位英雄定位就完全不同，看了下面这个视频，相信你会有更深的体会。
MOS管和IGBT都属于开关器件，他们就像两扇门，都有“开”和“关”两种状态。用足够大的力量（电压）推门，门就会开，让一批电子通过。但电子不懂得先来后到，它们会一拥而上，导致电子们通过的速度减慢（热损耗）。
这两扇门的大小和结构区别很大，MOS管门的尺寸比较小，更适合小规模的电子通过（小功率），但尺寸小的MOS管门可以更快的开和关（开关频率高），可以进行更加精确的功率变换。
(晶体管器件开关频率-功率分布图)
IGBT门的尺寸就很大，大规模的电子通过也不会造成严重的拥堵，所以它的热损耗比较小，更适合用在大功率设备上。但和MOS管相反，门的尺寸太大，无法做到很高的开关频率。
难道就不能设计出开关频率高、热损耗又小、大功率驱动的芯片么？鱼和熊掌不可兼得，在现有技术上，硅基芯片在多个性能无法做到兼顾。
(图片来源：图虫创意)
比如MOS管，虽然它的开关频率很高，但频繁的切换状态也会造成更多的热损耗。这种损耗在小功率情况下还能够接受，在大功率情况下就会造成严重的发热，甚至会烧毁芯片。
三、万级的数量，纳米级的操作
无论是电脑、手机这样的小功率电器，还是变频空调、电动汽车、高铁这样的大功率设备，要想正常工作都离不开芯片，但它的量产技术却十分复杂。
一枚指甲盖大小的芯片，内部往往集成了上万甚至上亿的晶体管，为了让这些纳米级的元件“安家落户”，芯片在投入使用前，要经历上百道工序的纳米级改造，如果其中有一步出了问题，芯片的良品率就很难保证。
(图片来源：图虫创意)
天将降大任与斯人也，必先苦其心志，劳其筋骨，饿其体肤……这段话来形容芯片生产应该再合适不过了。
生产芯片的原材石料是单晶硅，需要用石英砂通过复杂的化学反应制成纯度99.999%的硅锭，然后我们的芯片就正式开始“受苦”了。
首先就要“上刀山”，用刀具将硅锭切割成单晶硅的圆片——晶圆。接下来的步骤都是在它的基础上完成的。
（硅锭切割）
晶圆上的晶体管是怎么来的？先给晶圆涂上一层叫做光刻胶的“防晒霜”。然后，用紫外灯透过印有电路图的蒙版进行照射，有的光能透过蒙版抵达晶圆表面，这部分的“防晒霜”就被溶解了。
（光刻电路）
被溶解的区域会露出晶圆表面，然后就可以往晶圆的脸上泼硫酸，啊不，是用化学物质将暴露的晶圆腐蚀掉，而覆盖有光刻胶的区域则不会被腐蚀，这个过程被称作蚀刻。
蚀刻之后，晶圆表面就会呈现出复杂的“沟渠”。它们组成了晶体管的原型。 为了让晶体管发挥自身的电特性，还需要对晶圆进行原子掺杂，因为纯度过高的单晶硅是无法导电的。
光是掺杂还不够，因为这时候离子在晶格中是无序排列的，需要通过高温让这些掺杂的离子被激活，并将晶格中的硅原子踹下去，取而代之。
真正强大的芯片还要通过覆铜来穿上金属的“盔甲”，让晶体管彼此相连，将电信号输送到每一个角落。经过物理气相沉积进行覆铜后，晶圆的体内已经像金刚狼一样强大了。
（离子注入）
当然，复杂的芯片可不仅仅有一层电路，10层、甚至20层的结构，在微观世界下看起来就像是恢弘的立体迷宫。
（图片来源：图虫创意）
到此，晶圆的身上已经承载了许多的芯片，使命已经完成。经过献祭般的切割，它以芯片的姿态重生。
（晶圆切片）
重生的芯片经过性能检测、封装后，最终变成了我们生活中所使用的各种芯片。
（芯片封装）
四、IGBT芯片量产势在必行
IGBT芯片生产如此困难，能够实现量产的公司少之又少。但芯片应用范围非常广泛，重要性不言而喻。小到洗衣机、变频空调，大到飞机、云轨、航母弹射、电磁炮，IGBT可以说是当今不可或缺的芯片技术，影响到很多重要的技术领域。
今年，比亚迪终于实现了我国电动汽车的IGBT芯片技术高质量产零的突破。
这样的技术突破经历了近十年的摸索、研发、试错与优化，才最终在比亚迪自身的电动汽车上应用，进而惠及整个自主新能源产品市场。
虽然如此艰难，但芯片的自主研发和量产势在必行。一味的依靠进口，除了成本难以降低，在技术发展上也完全被限制，失去主动权。
当然，不只是芯片，所有的技术突破并非一蹴而就。它们就像芯片一样，从原理到应用，也是要经历刀山火海的重重考验啊！而突破之后，科技带来的曙光，将照耀整个神州大地。