全世界都在不停地談論芯片，但令人興奮的是配料——原子大小的晶體管，當它被雕刻、分層和格子化成半導體納米宇宙時，賦予微芯片深不可測的精湛技藝。相比之下，芯片只是從硅片上雕刻出來的清晰可見的小塊。

誠然，這不僅僅是任何硅。硅晶圓是世界上最平坦的物體。這些圓盤直徑在 6 英寸到 1 英尺之間，是閃亮的扁平飛盤，厚度為半毫米，閃爍著彩虹般的光芒，就像拉長的肥皂泡。半導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，運輸量就越大，因此臺積電 (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，僅次于鱷魚和短吻鱷的臉，我們手指末端的機械感受器對小至 13 納米的不連續性有反應。但硅片經過拋光后沒有任何瑕疵，包括亞納米瑕疵。因此，如果沒有晶體管，晶圓感覺就像一塊毫無特征的空白，即使對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工程壯舉的起點，該工程涉及數以百萬計的人類無法通過視覺或觸覺或兩者感知的其他物體。

那么，如何操縱沒有紋理的表面和幾個原子厚的晶體管呢？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”正如英國詩人William Blake所寫。人工智能的感知之門已經被清理干凈，并且經過訓練，除其他外，可以掃描芯片中的缺陷，對于地球上的人類來說，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。

但讓我們倒轉供應鏈——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，您需要從沙子開始。各地都開采硅砂。它以驚人的盈余存在于我們的星球上。在自然狀態下，它是介電的或絕緣的，但如果經過精心設計，它就可以導電——比如，如果人類通過一種被親切地稱為摻雜的過程來凈化它。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大的臺積電董事長劉德音認為硅是上帝的禮物。硅是地球上僅次于氧的第二常見元素。我是這樣看待它的：硅對于建筑世界來說就像氧氣對于建造它的人類一樣。這是動畫師。

硅可能更多的是被挖取而不是開采，但制造晶圓的過程仍然需要人類標志性的暴力：用環保主義者Bill McKibben的話說，“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，熔化后進行旋轉。然后，將單獨生長的小晶種浸入熱泡中，并由機械臂費力地將其取出。這種制造由單晶組成的薩拉米形狀錠的方法以其波蘭發明家揚·喬克拉斯基 (Jan Czochralski) 的名字命名。1916 年，他去給鋼筆墨水，錯過了墨水池，并將鋼筆浸入熔化的錫中。當他拔出筆時，他得到了一根金屬棒。

因此，當機器人拉出籽晶時，就會形成大晶體。這部分看起來有點像糖果制作。由此產生的單晶硅錠具有布拉維晶格（Bravais lattice）。什么是布拉維晶格？晶體學非常復雜，布拉維晶體學更是如此，所以我們只能說整個硅的結構就像寶石的結構一樣——連續、邊緣完整、晶體之間沒有任何邊界。系統中的任何雜質或空隙都不會干擾電子的流動。通過晶體管，電子只會在人類指定的地方流動。

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

***用光進行雕刻，為了保持摩爾定律的車輪轉動，必須對光刻進行改進。提醒一下：摩爾定律不是定律。最好將其理解為英特爾聯合創始人戈登·摩爾 (Gordon Moore) 在 1965 年做出的猜測。每年（或兩年）——或者“法則”如此——工程師可能會將他們可以使用的晶體管數量增加一倍填充到硅芯片上。值得注意的是，摩爾的預感得到了證實。臺積電的劉德音告訴我，他認為摩爾定律是“共同的樂觀主義”（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制作中的含義相同。該工藝由德國劇作家阿洛伊斯·塞內費爾德 (Alois Senefelder) 于 1796 年發明，他發現如果用油脂將劇本寫在濕石灰石上，然后將墨水滾在蠟上，就可以復制劇本。直到 20 世紀 60 年代，工程師們仍然通過將蠟滴到金屬上并蝕刻來制造芯片。這種方法可以在一個芯片上安裝四到八個晶體管，但隨著數量增加到數百萬、數十億，現在是數萬億，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。波長短而精確的光，遠遠超出紅色和黃色，向右經過藍色、靛藍和紫色，爆發出可見光譜。

對于世界上最復雜的芯片，荷蘭公司 ASML 制造的機器可以完成 100% 的光刻工作。這需要掃描儀計量軟件來測量和補償生產過程中隨著溫度和大氣壓力波動而出現的亞納米缺陷。機器學習工具通過處理計量系統發出的數 TB 數據來加速制造。

ASML 的下一代機器每臺只有一個普通門廳那么大，成本約為 4 億美元。他們自食其力。像臺積電這樣的公司，其估值令人瞠目結舌，因為它每年在硅芯片上蝕刻的晶體管數量比其競爭對手更多、更小。

對幾個原子厚的材料進行蝕刻的過程是一種變體。它將沙子變成心靈。一臺投影儀的鏡頭覆蓋著一塊水晶板，上面刻有芯片設計師設計的圖案，其中包括蘋果總部庫比蒂諾的芯片設計師，它吊在晶圓上。極紫外光穿過金屬板照射到晶圓上，在每個芯片段上刻錄設計。然后將晶圓浸入化學品中以沿圖案進行蝕刻。這種情況一次又一次地發生，直到蝕刻和印刷數十個格子層。然后像印章一樣對晶圓進行刻劃，以便將其分成芯片。最后，芯片從晶圓上沖壓出來。每個芯片上堆疊有數十億個晶體管和電線，相當于一個具有數十億（甚至數萬億）方格的原子多維棋盤。

有一些壞消息，微芯片上的晶體管就像斯坦福大學和第三帝國一樣，是優生學家的創意。20 世紀 40 年代，物理學家 William Shockley 在貝爾實驗室負責半導體研究。1956 年，他和兩位同事因發現晶體管效應而獲得諾貝爾物理學獎，即連接到半導體材料的開關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體公司。原仙童團隊的成員都已成為家喻戶曉的人物，其中包括英特爾聯合創始人摩爾和羅伯特·諾伊斯。諾伊斯不是優生學家，但如今被認為是名副其實的“微芯片之父”。但我們不應該忘記，晶體管、配料都是肖克利的遺產，儲存他的精子，他認為這些精子是種族純正且智商高的。

微芯片厭惡線性。這些開關以一種洛可可式的方式打開、關閉、曲折，因此，如果發現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種族主義瘋子，那么臺積電（臺積電生產了全球 92% 的最前衛芯片）的董事長，一定是有史以來管理一家跨國公司中最正派、最人道、最有成就的科學家。

“我們正在做原子結構，”去年，當我問他有關制造微芯片的問題時，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，有時人們會用這句話來使采礦業變得高貴：“隱藏物質是上帝的榮耀。但查明此事是人類的榮耀。”

編輯：黃飛