走進“芯”里
1
人沒有了心，就無法活著。
人類沒有了“芯”，大概率也會活得特別累、特別無能。現在中國人幾乎每個人都有一部手機，一個人擁有三四部手機也不為奇。有的人一天吃一頓飯甚至一頓都不吃也沒有多大問題，但假如突然間沒了手機，哪怕是一小時、幾十分鐘，可能也會像丟了魂似地慌張。因為手機的用處太多、太大，現在的人已經很難離開手機。
據說一部手機大大小小有上百個芯片，它牽動著整個世界的每一天，也牽動著每一個現代人的神經末梢以及情感和價值取向……總之，誰今天離開了“芯”，誰就可能寸步難行。
芯，何止在手機上，它還在你駕駛的汽車上，在你住宅中的冰箱與電視上，在廚房煮飯的電飯煲上，當然，電腦和游戲機更少不了芯。就算你是一個文盲，一個從沒有出過大山、出過遠門的大叔，你也離不開芯，因為你到醫院看病，去儲蓄所存錢取錢，你沒有那張裝著芯的卡，也會舉步維艱。在江浙，養魚的農民給池塘里的魚都嵌上了芯，一條魚從何處來、到何處去，甚至消費者吃了它覺得味道如何，芯都可以向農家反饋。
芯，無處不在。芯，伴著我們的心一起跳動，一起興奮與感慨，一起歡樂與傷感，一起動蕩與緊張，一起走向明天和未來。
有科學家預測，21世紀末，因為芯，地球將發生有史以來最大的轉變，出現例如人類與地球分化、生物生命被機械式智能生命所替代的問題。盡管這樣的“未來”聽上去很危險，但可能誰也無法阻擋芯的“摩爾”生長率。“摩爾定律”告訴我們：它前進一代所需的時間大約是18個月，未來的幾十年里有多少個“18個月”？想一想這個，我們就會十分恐懼了，從“BP機”、大哥大，到現在的手機、衛星電話、北斗定位、無人戰斗機、太空艙……我們才用了多少個“18個月”，就已經讓我們的生活和國家發生了天翻地覆的滄桑巨變。何況“摩爾定律”還告訴我們：芯片技術的代際發展除了約18個月一代之外，它還是疊加式進步，即它是以二次方式地飛躍迭進的。
其勢不可擋，其威宛若滾滾驚雷。
有專家認為，未來二三十年間，“芯”的發展會徹底改變人與人、國與國之間的傳統交往與力量平衡，甚至可能讓人失去原有的生物天性與自然屬性，從而導致人類被智能人主宰，國家的發展命運不再被制度和意識形態決定，地球的毀滅或再生也成為可能……一切或可怕或驚喜的可能性，都是因為“芯”的存在和發展而突然呈現在我們面前的，其節奏之飛速讓我們有些無法適應。
芯，代表著人類迄今為止最前沿的科學水平，其廣度和深度非常人能想象——以往的哲學家都十分自信地以為自己的思維是宇宙級的，以往的文學家同樣一直驕傲地認為只有自己的靈感才能達到“日行千里”，然而我們的半導體專家如今已經把整個微觀世界和宏觀世界的所有可能盡收于微米納米級的一塊芯片上，甚至將其嵌在人的頭腦內，控制和分離著人的思想與情感的走向。今后，我們每一個人可能都要接受這樣的現實……
芯，你太神奇！太偉大！也實在可怕。
是的，芯已經不單是科學與物理問題，也不單是專業與成果問題，而是世界強國與弱國、強者與弱者之間進行生死較量的終極武器——也就是說，人類幾千年的文明史都不曾解決的勝負，在今天，或將成為可能，誰掌握了芯的最前沿的超級技術，誰就可以輕易地卡住他人的脖子并制裁其呼吸和自由。
如今，中國人民已走向全面小康、走向繁榮與富強，也有了完全獨立于他人控制的屬于國家背景的造芯企業——那片閃著銀光，浩如海洋，貼著大江，納著清風，被工人與科學家們團團圍著的“芯”世界。
2
已經說了很多關于芯的事，現在我想揭開芯和制造芯的秘密，以及它所披戴的神秘面紗。
芯片廠核心的制造車間通常是不允許任何外人進入的，即使是本廠員工和工程師，每一次進入，也必須記錄與備案，并且從你從業的那天開始到離職后的若干年內，你都有承擔保密義務的法律約束，否則將受到嚴厲制裁。
21世紀以來的芯片制造業，已經超現代化地在朝前發展，廠房內的核心制芯車間，它專業的叫法是“潔凈室”——空氣經過特殊過濾，除雜后十分干凈，空氣里的粉塵粒子是最低限度的，環境還必須十分安靜。有專家這樣比喻：“制芯之地”要比生嬰兒的產房還要講究十倍。
“所以，我換穿好特制的防護服后，需要經過一道道程序，如風淋、靜電過濾，之后才會被允許進入制芯的核心車間——潔凈室。”“001號”工程師這樣講述。
“001號”工程師是整個制芯車間的生產部長，他所在的部門歸屬芯片廠的生產工藝部門，是這個部門的制造部負責人，他們稱他是“部長”。
我發現他穿的防護工作服與我穿的不一樣。“這是連體式的工作服，可以連續在車間待24小時，但一般不超過8小時，而你穿的普通防護服最多只能在車間待2個小時……”他說。
“有什么差別呢？”我好奇地問。
“材質一樣但密封性能不一樣。”“001號”說，“臨時進車間的防護工作服一般為臨時進入人員使用，如果超過了2個小時，那時就只能‘請’你出去。出于對員工身體考慮，里面工作的技術人員也不能待超過8小時，在潔凈服管理方面，使用一周就要進行專業清洗，所以要求特別嚴……”
“001號”說這些都是基本工作要求，精密程度越高的制芯廠對環境的要求越高。“我們這個廠屬于世界先進的芯片制造廠，跟同類廠的設置一樣，實現了全自動化。也就是說，所有制芯的生產與技術環節都是不用人工的智能自動化，里面很少有人，一般是負責管理及檢查設備的技術人員。”“001號”介紹道。
在此說明：先進的芯片制造廠里的一個“潔凈室”，可不是我們概念中的一二十平方米，或者大一點的五六十平方米的房間，而是一個占地3萬平方米的超大型廠子（僅是一個制造芯片車間）。3萬平方米大約是45畝，一個足球場接近11畝地，那么一個現代化的制造芯片車間約有4個足球場大……閉上眼想一下它有多大吧！
單體3萬平方米的車間，就是當今芯片制造車間標準樣板。建這樣一個車間生產12英寸的芯片，需要近400億元人民幣，而且你的廠尚在建設之中，世界的芯片技術，就已經翻跟頭似地躍上另一層更高的臺階，而你設計建造的生產線所能制造的產品可能已經落后幾代而只能賣個白菜價。難怪有位很著名的國際經濟學家說道：“想讓一個世界級富翁破產，就鼓勵他去搞芯片。”這意思是，那些瘋狂撲向現代半導體制造業——芯片生產的企業，最后的命運，不是落荒而逃，便是無法出頭……
3
中國在芯片制造業方面，除了像華為、中芯國際等民間或混合資本的企業外，自然還有非民間、混合資本背景的“華虹集團”（全稱“上海華虹［集團］有限公司”）等制芯企業。
現在，我進的這個“芯”廠房，就是華虹集團數條生產線中的其中一條，一間與世界先進制芯廠具有同等水平的全自動設備的超級廠房（潔凈室）。
其實走進“芯”里的目的，是想看看那個影響和攪動全世界的芯到底“長”啥樣？它是怎么被造出來的？還有另一個特別的奢望：認識一下那個被全世界捧到天上而且也是當代制造業技術上具有天花板意義的光刻機……
洗手、更衣、風淋除塵之后，我們走進與核心潔凈室之間的一條長長的密封通道。“001號”向我科普了一下光刻機：
世界上最好的光刻機就是荷蘭的ASML公司生產的。現在美國用制裁大棒命令ASML公司不賣給我們先進光刻機，一旦發現違背者，美國還要將光刻機制造的連帶企業一起制裁。荷蘭產的光刻機，美國憑什么可以蠻橫制裁光刻設備的生產與使用廠家呢？
因為光刻機是用來制造芯片的核心設備，而芯片設計是芯片的整個靈魂，某一芯片的功能完全取決于芯片最初的整體設計。也就是說，這個時候的芯片設計已經將系統、邏輯與性能的設計轉化為具體的物理版圖，其中芯片的規格制定、邏輯設計、布局規劃、性能設計、電路模擬、布局布線、版圖驗證等等都設計在其中。由此可以看出芯片的設計何等重要！這還是其中一個方面的問題，更重要的是芯片設計的軟件，我們簡稱它是EDA軟件（電子設計自動化）。沒有這個軟件，芯片設計基本上是寸步難行。EDA軟件在全球不過100億美元的產值，然而它卻控制和主宰著全球6000多億美元的半導體芯片市場。那么誰控制了EDA軟件呢？美國！三家EDA軟件巨頭都在美國，所以美國可以為所欲為地制裁全世界的芯片產業鏈，包括生產光刻機的荷蘭公司，你沒有了前端的芯片工藝設計，不同要求的光刻機怎么可能造得出來呢？即使造得出來，低端光刻機在國際市場上并不具有經濟優勢。包括中國在內的許多國家都能造出低端光刻機，所以美國借著EDA軟件這卡脖子的武器，不僅卡我們中國華為海思、紫光展銳、寒武紀、地平線等芯片頂級設計公司，還霸道地干預世界其他國家的半導體設計公司。
但技術就在人家手里，在科技主宰世界的今天，國際游戲規則本來便是如此。1995年，時任國家主席的江澤民同志考察韓國三星后，真真切切地看到了我國半導體事業與世界先進水平之間的巨大差距，發出了“砸鍋賣鐵”也要把我國半導體搞上去的警世之言，開啟了追趕世界芯片業的偉業。然而，芯片——這科學+實力+恒心+市場的“摩爾”之路有多難啊！
4
還是先來現場聽一聽、看一看通向“摩爾”之路上最重要、最核心的科學技術這一程吧。
“其實我們普通人說的芯片，在專業上是半導體元件產品的統稱，它由半導體、集成電路和芯片三個載體組成。它的基礎材料是從沙子里‘淘’出來的硅。美國的芯片產業發達，就是因為它有個‘硅谷’。簡單地說，從硅到成品的芯片，整個工藝過程約有1000多道，每一道工藝就是科技上的一座珠穆朗瑪峰。而這些核心工藝的尖端人才基本上在美國，雖然美國的硅谷有極多的中國留學畢業生，但他們努力攻克工藝的最終成果與專利，則是由美國公司牢牢控制著。”“001號”說到這兒，指指龐大而現代化的、花費了幾百億元投資的制造芯片廠說，“我們這樣的廠，是整個芯片制造工藝中的核心部分，即通過不斷的技術工藝，按設計的集成電路要求完成硅片，最終通過光刻機等制造出市場上所要用的芯片產品。在行業中，我們這樣的廠不叫芯片制造廠，而叫半導體晶圓代工廠，即芯片的最后工藝加工生產線。著名的臺積電也是這樣的晶圓代工廠，只是臺積電是世界上最大的晶圓代工廠，而它現在也被美國嚴密地控制著。”
尖端的光刻機之所以昂貴、在技術上受到極其苛刻的保護，實在是因為它的核心技術幾乎是集合了當代全世界最尖端的半導體領域的頂級專家們的智慧，某種意義上，只有一個超強大的技術體系才可能對其產生某些左右的威勢。即使荷蘭ASML公司，也并不是這10多萬光刻機零部件的制造者，其制造者遍及全世界，比如它所用的照相鏡頭，是德國制造的，因為德國的光學鏡技術最高；它裝配的磨具等零件，用的也是德國的，德國的工藝勝人一籌。荷蘭ASML公司的工藝設計師們就是將全世界這10萬多個零部件最先進的技術匯集到他們那里，然后由核心的那幾個專家設計出工藝，進行最終的安裝與制造，最后出來一臺臺制造芯片的光刻機。
“他們在制造中的最終技術是無法學習到的，因為不是采用常規設計思想和工業工藝弄出來的，據說為了保密和阻止別人模仿與抄襲，最后幾道工藝技術是由一兩位工程師完全依靠手工完成的……”“001號”說。
10萬多個零部件，分布在全世界各地的不同企業或研究制造機構，你半秘密半公開地將其匯聚到一起，本身就是一項浩繁無比的工程，且每一個零部件的制造與安裝過程的工藝，全部被注冊過專利，誰都不可侵犯。更可怕的是，這些設計的工藝，其思維過程中的邏輯方式與邏輯方向，也是不可靠近和越界的知識產權，牢牢地掌握在ASML公司手里。他們設定了一個法律“規矩”：比如他們成功地發現了向東的方向是美麗的大海，再有人想到大海去，就不能再走他們已經走過的方向了，甚至你想從東的反向——西或與東相近的南、北，都不能走！你只有可能從天上或地底下走才被允許，而他們明明知道，那天上和地底下是根本走不通的。天下哪有這般邏輯！但芯路歷程中，有個知識產權就叫“邏輯設計”工藝，它就是具有“獨我”的知識保護范疇，你繞不過去。
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走進芯制造車間，“001號”說：“這個地面，還有上面的頂子……”他指指上面的頂子，“僅它的裝修費用，包括其他配套在內，每平方米就在20萬元左右。”
裝修費20萬元！是宮殿還是黃金打造的呀？我不由地看了看腳底，又抬頭仰望了一下，只見地面和房頂上的板面，盡是密密麻麻的小洞，這是啥“暗道機關”？
“與靜電吸塵差不多功能吧！”“001號”用最直接的話一帶而過。接著他說，“制造芯片需要比生孩子更高級的環境，所以其車間的地面和房頂都必須用特殊材料，既保證整個車間的潔凈度，還要對所有工作著的設備起到保護作用”。現在，我踩在芯片車間的地板上，像踩在黃金上，這種感覺既有點興奮，又有點玄乎。
潔凈車間太大了，一眼望不到頭。更了不得的是，眼前的種種機器設備之豪華程度前所未見，其復雜與神秘狀，不可思議！前年我去成都雙流機場參觀大飛機的發動機修理廠時，就被飛機發動機的復雜性震撼過。然而看了芯片制造車間的機器設備，就覺得原來飛機上的發動機跟制造芯片的機器比，簡直就是小巫見大巫。可不嘛，世界上第一臺大飛機的發動機制造至今也快有一百年了吧！一百年后世界最尖端機械制造就是芯片，二者之間差了一百年。這一百年間，全世界的科學家、工程師們攀登科學高峰的步伐從未停止……
走進“華虹”的那一刻，在每一個人的臉上，我又一次看到了錢學森、王淦昌那一代人的自信與堅韌……
潔凈車間之大已經說過，其“內容”則更是一部浩瀚的史書——作為工科較弱的作家，我想要對眼前的這些繁雜無比的精密制造做歷史的追溯，估計需要將整個世界的制造業翻個底兒才能有點頭緒，所以只能對我的直觀感受作一番描述：
3萬平方米的單體大車間里，除了人能行走的幾條走廊外，擺滿了密密麻麻的精密機器設備，有的看上去是統一格式的機械，但“001號”告訴我，其實在芯片制造車間里，每一臺機器的角度都不一樣，它們排列在一起才能完成1000多道工藝的“芯”制造任務。
它們也有可能執行著同一個技術指令，進行著無差別的技術工藝任務——“001號”指著另一條排列整齊得像閱兵式的鋼鐵隊伍，步伐一致地、每分每秒做著共同的、同一標準的、絲毫不差的動作，在納米和微納米的世界里找準定位，銜接線路、嵌入電極、啟動閘門、轉換基線……蕓蕓萬千步驟。
它們又有一些像廣袤的油田上那些單純得不能再單純的“磕頭機”一樣，全天候地、一年365天地、年復一年地做著同樣的一個動作——為的是在讓每一個微納米狀態下的“芯”與其他千萬顆“芯”完完全全的一致……
它們甚至還有瞬間更換材料與本體的功能，因為打開一個“邏輯門”就需要封閉另一個“邏輯門”，而每一個“邏輯門”就像人類母親的肚子，同一個母親肚子里誕生出的孩子，他們基因相似，成人后的人生則完全不同——“芯”也同樣，它們雖然未來執行相同的任務，但它們的獨立性、個體性的功能足以讓整個人類世界為它們瘋狂。
除了它們，當然還有很多很多甚至連給我介紹的“001號”專家也無法解釋的神秘世界……用肉眼只能看到一小部分外觀形態下的自動化機械操作，而自動化本身就告訴我們：在機械內部的所有操作形態是封閉的，因為半導體芯片的許多核心制造技術本身就是光學高科技。高端的光技術是不能在我們眼睛所能看見的環境下制造與生成的，密封技術是芯制造的一個主要特征，故而即使站在被機械重重包圍的世界里，我們也能看到錯綜復雜、眼花繚亂的現象，但在整個制芯環節里，這些可能只是微不足道的“表面現象”而已。
微觀世界里的納米技術，是很難被描述準確的。呵，穿梭在制芯世界里，我只能一次次地嘆為觀止，一次次地目瞪口呆，一次次地進入癡迷狀態……
但我還是被頭頂世界的宛若中國高鐵式的空中“運輸線”的工作狀態所震撼：龐大潔凈車間，竟然還需要在“天”上構建另一條通道——我稱之為制芯車間的“空中高鐵”，其實是全自動制芯環節的重要組成部分，“001號”告訴我，由于龐大的潔凈車間也無法滿足整個生產線的要求，設備太多，所以只能開辟天花板上的空間來搭建空中運輸線。什么叫自動化？你站在制芯車間昂首望去，所看到的在頭頂上“嘶嘶”溜溜奔跑飛馳的那些載片盒，它們時而直線飛步，時而在某一機械處迅速穩升著（因為有時必須快速進入機械內進行加工，在完成加工程序后，又不能有絲毫的震蕩等外部因素的破壞，所以速降穩升在這里非常必要，就像高鐵在啟動和到站時需要穩而慢些，一旦出站進入正常道路，便可馬力開足）……我已經觀得癡迷。
我無法不為如此強大而絕妙的科學技術世界所激動！
什么叫自動化，大概進入制芯車間就能真正感受到。什么叫現代化制造業，大概你到了制芯車間便能領略并深受震撼……
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在這樣的地方，偶爾見到一兩個穿著與“001號”一樣工作服的工作人員在一排排自動化機器中間認真地巡察，顯然是在檢查某一設備和上面的數據——“一些設備還是需要人為指揮和操縱的，而有些數據與工藝也需要及時調整……”“001號”解釋。
“它在哪兒？我主要想見見它……”我說的它就是光刻機。
“在最中間的地方！”“001號”踮起腳，向一片機器的“海洋”中間指去。
于是我們兩人在幾條通道間穿梭，向“海洋”的中央走去……
“這就是！”在一排廂盒式的機器走道的中間，“001號”突然指著兩邊的那一片像集裝箱似的“盒子”——高出我們人頭一米左右的龐然大物說道。
“它就是呀！”我既驚喜又有些失望，原來神乎其神的光刻機就這么個“愣大個”呵！我甚至沒覺得有一絲壯觀與美觀！
“001號”顯然看出我的小心思，道：“它的里面可是一個神妙無比的精彩世界呵！可惜我們看不到……”
“微納米狀態下光學技術制造，絕對不允許外界有絲毫的干擾與影響，而且它的復雜性遠比我們肉眼能看到的萬千世界要奇妙而精致得多！我們只能看到它的一個巨型外殼……”這時，“001號”俯下身子，打開一扇小小的“觀察窗”，讓我湊近往光刻機的“心臟”一角瞅一眼：哇，那真是一個魔幻的世界，那斑斑星光下各種我們根本不認識的器具在高速而有序地運轉著、奔騰著，仿佛都在爭搶著萬分之一秒的速度，并為了億萬分之一的精確度而競相爭輝。
“其實，我們在這扇小孔窗所看到的，只占整個光刻機工作狀態的萬分之一還不到，整部機器的運行和芯片封裝過程復雜無比，非肉眼和人腦所及……”反正“001號”說的，在我聽起來就是一個神話般的世界，用簡單的一句話說就是，嘆為觀止，難以描述。
站在一個龐大的“盒子”（光刻機外形）面前，除了驚嘆人類的智慧和科學先進的水平外，我的腦子里閃出的另一個概念是，原來這個家伙值10億元！
10億元換這一樣東西，不知世界上是否還有比這更昂貴的——我指在機械設備上。而它現在就在我身邊：一個看得見、摸得著的東西，它所生產與制造出的東西將能夠“指揮”我們上天入地、探究星球上的任何秘密，主宰人類社會的未來。
這就是決定芯片等級與命運的光刻機。
機械物體本來是沒有自然生命的。但光刻機似乎除外，“001號”告訴我：光刻機一旦安裝到生產線上開始運行，每天24小時在工作，而且它從不停機……
“一直這樣轉下去？”我感覺有些不可思議。
“一直轉下去！”“001號”十分肯定地回答我。
“那它就沒有壽命？”
“自然也會有的，機械嘛，運行太久也會不行、會被淘汰的……”
“那像這樣一臺先進的頂級光刻機，一般會有多少年壽命呢？”我想了解。
“歐美是20世紀80年代末進入高端芯片制造業的，如果從那個時候算起，現在也有近30年了……我知道頂級芯片制造廠家的高端光刻機現在還在生產線上運行，那證明它至少應該可以不間斷工作30年吧！”“001號”認為。
也就是說，一臺先進的光刻機，它可以連續不間斷地高速運行工作至少30年……僅這一點，我們就不得不對研發和制造這樣的高端科技設備的發明人、工程師們表示崇高敬意。
經過光刻機之后的芯片，實際上叫作封裝好的高性能集成電路硅片。在整個潔凈車間里，所有機械設備的作用就是實現對一盒盒外形看上去40厘米左右見方的、內嵌25塊硅片的東西進行芯片的封裝，我們俗稱這個過程為芯片制造。在潔凈的車間內，從頭到尾，無論是我們能看到的一盒盒處在自動化的高速運行線上奔跑著的，還是在各種設備上正進行著測試與封裝的硅片傳送盒（英文名為“FOUP”），我都分不出是候補產品還是正式產品，所以“001號”為了讓我見到芯片的正式產品，將我領到一臺機器前，指著正在自動流水生產線上有一定時間間隔的硅片傳送盒，說要讓我感受一下芯片的實際“分量”……
“你將雙手伸進去，抓住兩端的小把柄，然后慢慢往外移出……”“001號”這樣教我。隨即，我按他的指令將成為芯片的傳送盒用雙手移出，這個時候裝有25片成品芯片的盒子就在我手中，我頓時覺得壓力巨大，因為“001號”在旁邊說了句：“小心呵，你現在手里是一臺‘奔馳車’呵！”
我一下后背冒出了冷汗，因為“萬一”失誤就慘了……當然后來沒有“萬一”。
但就是這不到一小時地走進“芯”里的經歷，讓我心潮澎湃、感嘆不已：“芯”路復雜異常，“芯”事何其重也！而中國追趕世界“芯”事的道路毫無疑問也是極其艱難的事，然而我們已經突破并取得巨大的進步。
【作者簡介：何建明：著名作家。中國作家協會第七、八、九屆副主席，中國作家協會報告文學委員會主任，茅盾文學院院長。系全國勞動模范，國務院政府特殊津貼專家，中宣部“四個一批人才”，當代中國報告文學領軍人物。40余年創作出版60余部作品，在國內外產生重大影響。曾三次獲魯迅文學獎、六次獲中宣部“五個一工程”獎等。】
