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芯片的秘密：从原子结构说起的精彩故事

本文讲一下一个神奇的小部件：芯片

你用过芯片吗？

什么是文化，如果说文化就是“日用而不知”的习惯，那么，芯片就是当代人类的文化。

无论是冰箱、彩电、汽车、计算机、手机，都需要大量的芯片进行运算，发出指令信号，可以说只要有电的地方就有芯片。

只是芯片隐藏在机器之中，我们看不见，体现给我们的是外部的功能实现，所以大家也就看不到芯片。比特币矿机的发展，让人们注意到算力芯片，9nm、7nm、5nm的词汇也开始传入大家的耳朵里，感觉很厉害，至于怎么厉害，多数人也只能说出，数字越小越厉害，挖比特币的效率越高。

这种回答，显得有些单薄，如果是从业者，这样的回答就显得缺乏职业素养，但是，也不怪人们的认知问题，因为本来没有几个人说得清楚，今天我就尝试以一篇文章，把这块骨头啃下来，建立知识框架，让我们明白，美国人的芯片封锁是怎么回事？矿机芯片是怎么回事？芯片的本质到底是什么？

北美上市矿企Marathon?Patent Group完成2亿美元融资，将购买更多矿机:北美最大比特币挖矿公司之一?Marathon?Patent Group, Inc.宣布完成2亿美元的融资。Marathon?Patent Group在最新的报告中表示，继此前宣布的现货发行后，该公司已以2.176亿美元现金和74656549股流通股结束了2020财年。该公司计划用这笔资金向比特大陆购买大量比特币矿机，并进一步拓展业务。（Coindesk）[2021/1/4 16:25:53]

随着美国对中国芯片技术的封锁，芯片这个名词，又一次成为全球热点，那么为了理解芯片，我们从最基础的原子结构讲起。

你没有听错，就是原子结构，不过我会讲得非常轻松愉快，会将阅读流程近似于看电影的体验。好了，系好安全带，准备发车。

上图类似飞镖靶子的图形，就是碳原子的原子结构，中间一个电子核，最外边有四个电子，总共六个电子。

硅原子的核外电子层数比碳原子多了一层，多了四个原子，最外层的电子是元素最体现化学性质的地方。也就是说，硅原子会比碳原子更加活泼，因为最外层的电子距离原子核比较远，电子核的正电对电子的负电荷吸引力就较弱。

挖矿公司Marathon Patent新增部署1300台矿机:8月24日消息，纳斯达克上市挖矿公司Marathon Patent Group发布公告称，该公司已从MicroBT接收了700台神马M31S +矿机，从比特大陆接收了600台S19 Pro蚂蚁矿机。从而使得该公司挖矿算力从130 PH/s增加到了180 PH/s。而该公司预计今年9月至12月之间，还将部署1000多台S19 Pro 蚂蚁矿机。（CoinDesk）[2020/8/24]

宏观上表现为容易失去电子，除了氢和氦之外，其他原子，和别的元素结合达到8电子后就会形成稳定状态。比如大家天天吃的食盐的主要组成是NaCl，Na失去一个电子，Cl得到一个电子，各自都是8电子结构。这种就是离子键。另外一种是共价键，不同原子核可以共用电子形成共价键，比如两个碳原子，放到一起，每个原子外边有稳定的八电子结构。

碳族元素最外层是4个电子，处于中间位置。如果最外层是1个电子，就容易失去电子，最外层是7个电子就容易得到电子。中间位置的碳族元素，处于中间态，所以可以失去也可以得到，这就出现了最重要的一个词：半导体。

商务部区块链专委会副主任：平均每台矿机的出售价格较春节前下降30%-50%:商务部CECBC区块链专委会副主任、数字经济商学院院长吴桐在接受《证券日报》记者采访时表示，在疫情影响下，矿机的维护、更新和继续生产的难度进一步提高，而‘3·12’暴跌使很多矿场处于出售状态，矿机抛售潮已经出现，平均每台矿机的出售价格较春节前下降30%-50%。（证券日报）[2020/3/23]

Si下面的Ge、Sn，Pb则直接成为了金属元素直接就可以导电。Si上面的元素C是构成地球上有机生命体的基础，而Si硅本身就成为完美的半导体材料，硅谷的名字也是这么来的，所以，很多科幻小说，说碳基生命和硅基生命的根据也是源于此处，但是硅基生命和碳基生命的生成原理是不同的，前者是逻辑电路导通，后者是共价键有机物化合。直白一点就是硅基生命是变形金刚那一类，碳基生命是我们人类这一类，扯远了。

现在已经找到了好的材料，怎么实现逻辑电路呢？

一边放硼元素B，一边放磷元素P，特殊光线一照射，B和Si生成共价键，P和Si也形成共价键。

动态 | 黑龙江红岗破获一起盗窃油田电力案 捣毁\"比特币挖矿机\"窝点:据大庆网消息，近日，黑龙江大庆市红岗区分局破获了一起盗窃油田电力案，捣毁了一个“比特币挖矿机”窝点。11月22日民警获得线索，有人盗窃油田电力。民警到达现场抓获了嫌疑人崔某，查扣“比特币挖矿机”34台。目前，嫌疑人已被刑事拘留，案件正在进一步审理中。[2018/12/19]

所以，对于8电子稳定结构，B和Si只有7个电子，少了一个电子；而P和Si有9个电子，多了一个电子。这就出现了一个趋势，虽然大家都不是金属，但是有了金属的性质，多的一个电子，就有跑到少一个电子地方的趋势。因为中间部分是半导体Si所以电子不会跑来跑去，而是就呆在那里待命。

等待什么命令呢？加上电压。如果电压从B到P，也就是B这边是正极，P那边是负极，电子就会在电压作用下，从右边跑到左边。电压反过来，就导不通。这就是二极管单向导通的原理。

根据二极管原理就形成了上图所示的逻辑门。“与门”“或门”“非门”，然后这些逻辑门进行拼接就形成了逻辑更加复杂的电路，计算机的世界就此打开。0和1在机器里有规律地蹦来跳去。

全球首次爆发安卓挖矿蠕虫 智能电视变“矿机”:360网络安全研究院监测到全球首个安卓平台挖矿蠕虫ADB.Miner，该恶意程序影响多款“ADB调试”开关打开的智能电视、电视盒子、机顶盒等等。这组恶意程序并不是传统的安卓病，而是专门在安卓设备后台“挖矿”的新型恶意程序，24小时内就有5千部设备被感染，截止目前有超过七千部设备被感染，中国和韩国是本次蠕虫病的重灾区。[2018/2/6]

简单的逻辑算法，经常亿万次的计算就可以集成为复杂的电路实现功能。

电路材料从真空管变成晶体管，从20世纪八九十年代，计算机的大发展，导致了对运算能力的需求不断提高，很多发达国家开始大力投入芯片的研究，那时候我国经济建设刚刚有些起色，自然没有能够全力投入研发。

电脑的CUP发展迅速，于是英特尔公司的创始人之一戈登摩尔，提出了摩尔定律，也就是18个月芯片性能增加一倍。这个定律基本上是拍脑门说出来的，因为这只是一个观测规律没有什么真正的理论支撑。

下面看一下，芯片的制作流程。

首先从沙子里高温提取出单质硅，这里的硅是稳定的晶体结构，做成一个硅柱。

然后把切成很薄的圆片。

然后，光刻。在圆片上面涂上感光材料，然后在强光的照射下性质会改变，从不溶于水变成溶于水。控制光线，去照射不同的位置后，用水一冲，得到了凹槽。

凹槽中是露出硅单质的，然后对不同的部位掺入上文说的硼和磷，逻辑电路就在凹槽中形成，多余的硅也可以用腐蚀液给弄掉。这样就形成了一个一个的晶体管，当然，凹槽中也可以参与金属材料，这样形成电容电阻等电子元器件。

开个脑洞，人类几十亿人如果每个人在高等文明的眼里只是一个晶体管的话，那么，地球的运算能力对于高等文明也就是一个指甲盖。

光刻的精度决定了芯片的质量，晶体管的尺寸已经小到指甲盖大小的面积上，能集成10亿个以上的晶体管。光刻机很重要。设计环节非常关键，核心价值几乎都牢牢掌握在美国手里。

现在的问题是，为什么中国能干出格力、小米、海尔这样的企业却做不出来芯片呢？

手机、家电可以用中国的人口红利和廉价劳动力，我的东西做得多做得好，又非常便宜，我直接打开销路去打低端市场，然后走到中高端，高端，赚了钱不断迭代到最好就好了，别的国家很难和我们竞争了。

那么，芯片为什么不可以从低端市场做起慢慢发展？

网上都在说国家投入不够，资源错配，起步晚等等问题，其实这些都不是根本的问题，其他行业也有同样的问题，照样克服。

因为芯片行业几乎没有廉价低端市场，也就是说你做了芯片必须是顶级的，一般般的芯片根本没人用，不只是因为性能，因为你的烂芯片比人家的好芯片还贵！连价格优势都没有。

芯片行业更新速度快，市场永远最需要最高性能的芯片。设计、流片、生产等等环节，都需要大量资金投入，但这个不是问题，因为新一代芯片需求量巨大，直接把成本摊薄了，利润可观的情况下，没有必要卖到客户承受不起。其实芯片的价格从一定程度来说已经是非常便宜了。所以市场上，全部都是最高等级的芯片，芯片业几乎没有低端市场。

那为什么中国矿机厂商的芯片为什么可以领先？

有几个原因：

第一，ASIC算力芯片本身的逻辑电路极为简单，不需要完成复杂的运算，只是哈希碰撞找数而已，功能非常单一，容易设计出来。这一点要承认，不信你去设计生产出来英特尔芯片试试，世界上第一台ASIC矿机也是美国搞出来的，不过我国人民的勤劳智慧以及资本的涌入让这个产业迭代非常快，巨头还没反应过来，咱们的货都卖到他们家门口了；

第二，矿机还有很多别的供应链因素，中国有最好的电子产业供应链，就像手机、无人机厂商需要把厂安在珠三角地区；

第三，亚洲的数字货币市场又大发展又快，一旦形成规模效应，后面的追赶都不是很容易，这和手机的逻辑是一样的。

芯片是工业制成的皇冠，复杂程度绝不是一篇文章能够完全说明白的。

本文从原子结构引到硅材料，从半导体二极管讲到光刻机以及芯片制造流程，统筹分析了目前的芯片及矿机芯片的发展，相信会为有志于矿机和数字货币行业的人开启一扇小小的窗户。

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