最近老是弹出美国今天制裁那个国家的贸易，明天制裁这个国家的经济，后天制裁某跨国公司的技术，看得最多、也是听得最多的热门话题就是“华为无芯可用”……一向对电子产品不怎么深入的我，顿时陷入了很长一段时间的深度探究，最终我发现：任何电子产品的核心关键部位就是芯片，它如同人的大脑一样，控制着任何躯体的“一举一动”。
后来才得知，原来不光只是计算机，其他任何电子产品的核心部件也是芯片，一块小小的芯片刻录了成亿上兆的，比大脑神经网络更复杂的电路，而这些复杂的电路聚集了成亿上兆种不同的开关组合；在通电的情况下，通过不同的开关组合之下，许多复杂的工作，比如音频、视频、图片、存储、计算等工作，就能以“神奇”的“智能”展现在人类面前。
自然界虽然只有两种不同的形式普遍存在于地球上，比如一正一反、一开一关等两级的存在形式；但是人类很聪明，可以利用自然界这种普遍存在的“二进制”现象，通过不同的、复杂的组合，就可以编制出各种各样的代表符号，最终人类发明了计算机这样的超级机器来代替人力。换言之，芯片的出现，是人类利用自然规律征服自然的人类文明的最浓缩的革命体现，它的诀窍就是“极度简单的事情，极度复杂化”……
那么问题来了，像芯片这种东西，它的原材料无非就是沙子（其主要成分就是硅元素，二氧化硅或者是硅单质），为啥就那么难造、那么难生产、那么难制作？要知道，一个以非常简单的形式，比如一开一关这种最原始简单形式存在的东西，要让它完成一系列可以代替人力的任何一件小小的工作，它都要用成亿上兆种不同的组合，才能完成。
而芯片就是这样的一个东西，但是体积还不能太大，还要浓缩到肉眼所不能看得见的纳米级那么小的体积。因为，芯片你只有把刻录在硅晶片里面的电路只有做成纳米级那么小，你才有可能把十分复杂的极度庞大的电路组合“装在”只有指甲那么小的硅晶片上，而且也只有做得更小，通电后能完成复杂的计算运转时所发生的功耗才会最大限度地减少，运算的速度才会快。
而至于人们质问“芯片，它的原材料就是沙子，为啥就那么难造”的问题，就迎刃而解了，这就好比等于问“像上海东方之珠这么复杂的建筑楼，它的原材料无非就是钢筋水泥而已，为啥那么难造”这种非常无聊和十分幼稚的道理一样。是的，芯片的原材料实际上就是沙子，可问题是你怎么才能做到在这些“沙子”上面刻录出超级复杂的电路，而且还要越小越好，同时还不能有任何差错（或者说是误差）问题，这里面就涉及到一个非常精细的生产工艺问题了。
所以说，芯片它的制造原材料的确就是沙子，可就是那么难造，因为生产的要求太精细了，因此很难造。这就好比一栋高楼大厦，看着好像它的原材料就是钢筋水泥，实际上它涉及了很多方面的复杂设计，所以要造它就是这么、如此、这般、十分的难！
当然，有很多人肯定会抬杠说，既然芯片制造那么难，为什么人家国外的就可以造，而我们号称几千年来无比勤劳智慧的人类，却连一个小小的芯片都造不出来？这话说得倒是轻巧，什么叫“小小的芯片”，你知道这“小小的芯片”承载了多大体量且极度复杂的电路吗？如果能无限放大，你会发现这“小小的芯片”比在太空看地球的山川河流“线路图”还要复杂N倍，反正就是复杂程度“无穷大”，体积“无穷小”。
而且，很多人根本就不知道，生产一个“小小的芯片”它需要多么复杂的工艺程序。其中生产的最核心部分就是“光刻”程序，而它的生产设备就是“光刻机”。很多人也不理解，更不清楚这个“光刻机”这种设备也不是一个国家或者是一个团队就能完成的，它是聚集了许多国家技术的结晶。比如在“光刻”的时候需要非常准确无误地进行“刻录”就需要稳定的电压电流，这里就要有日本电子技术的参与；而“光刻”过程中不允许出现任何一点偏差，所需要的精准刻录程序，就有德国先进制工技术；而“光刻”所需的任何要求极度精密的光感材料，就要美国来提供……
生产芯片所需的这个“光刻机”这样的设备，光是一个这样的设备就凝聚了许多工业发达先进的技术，而且这些技术还要有全世界许多发达国家的参与，才能生产出一台“光刻机”。从计算机问世以来，这几十年的光景里，生产芯片的这“光刻机”也是在数十个发达国家共同努力下，在日积月累地不断修正完善进行中，生产出来的“光刻机”。
你真的以为一个“光刻机”就像生产一把菜刀那么容易啊？而且再加上许多参与到生产“光刻机”这项工作的许多国家，他们之间也有某种技术垄断在里面，谁会愿意，随随便便把这种“光刻机”出售给你啊？甚至可以说，你再有钱也买不到一台“光刻机”，更夸张的说法可以直接说成“就算你准备用一个国家来换一台光刻机，人家也不会理你！”可想而知，生产一个“小小的芯片”，有多难！
讲到这里，可能有人又会抬杠说“既然芯片那么难造，咱不要了，行吗？”那么问题又来了，没有芯片真的能行吗？我就非常深沉地问你：这个社会，这个世界，没有芯片真的能行吗？
过去，第一台电脑在1946年2月14日诞生的时候，就和现在170多平方米的房间一样大，里面有18000个电子管（不同的开关组合），全部设备加起来，如果要拿一把秤来称的话，就有30多吨重，功耗15万瓦（折算一小时就要耗掉150度电量）；而且那时候的速度还只是每秒计算5000次，换句通俗的话来说：也就只能是做一些简单的加法计算，而且时间还要比人算的速度还要慢上一半有余；就效率而言，它几乎没什么用，“智商”还不如一个6岁的小孩！
但现在你可以把它放在口袋里（比如平板电脑或者是手机），或者戴在手腕上（比如智能电子手表），甚至可以把它植入身体（智能器官小机器人）。你看，这是一项多么伟大的人类创造！但是，你知道吗？所有这些都是由于晶体管的小型化发展所带来的伟大成果，晶体管是电路中的N多个小开关的各种复杂组合，这些数不尽的小开关就位于计算机的核心区域，而你现在看起来的就只有手指甲那么一丁点大，人称“芯片”。
经过几十年的研发、科学和工程上的突破以及在无数个发达国家共同努力参与数十亿美元的投资下，晶体管才在不断地“微小化”的进程上取得了今天所谓的“小有成功”，因为这种“小有成功”的芯片在应对“人工智能”的硬件支持下还远远不够，即使是勉强能做到对人工智能的满足下，也只能是那种“机械性的”、“毫无自然可言的”机械智能，根本称不上“人工智能”。但是，由此可知芯片的重要性，尤其是芯片微小化的重要性，它赋予了我们一直想要的强大的计算能力、海量的存储能量和我们梦寐以求的理想的“智能数字革命”。
但有一个令人费解、苦恼、烦躁不安的事实是，随着晶体管微小型化率的持续下降，我们在芯片的制造工艺上，即将面临所谓的“数字瓶颈”，即使是耗尽了全世界所有国家的人力、智力、财力、物力，芯片也只能做到7纳米左右了，已经不能再小了，这已经是目前的极限了。同时，随着社会的不断向前发展，人们日益所需的生活需求的标准越来越高，这迫使我们要不断创新，不断地在软件上提出更高的要求，这就好比人不断地发出各种高要求的指令，而机器的运行速度却跟不上人所发出的各种复杂的指令，但是人工智能和大数据是目前迫切需要蓬勃发展的呀。
甚至说，我们现在的设备现在已经勉强可以用于人脸识别的实际用途上，并且有一些已经可以在危险、混乱的道路上实现无人驾驶的人工智能。是不是觉得太不可思议了？但是，如果芯片硬件的发展速度不能跟上软件开发的速度时，这就可能真的是达到了科技发展的瓶颈期（而现在已经是这样了）；那么，软件的发展就会受到硬件发展的制约。
我们都经历过老式智能手机和平板电脑的“实际使用失落感”，在软件更新和新功能不断增加的重重压力下，这些软件即使是设计得再怎么“先进复杂”，但是它的加载速度极度缓慢甚至停滞。也许大家现在都有同样的感同身受，那就是：当我们第一次买这些新的电子设备时（比如手机），它们一开始可以工作得很好。但是随着软件的更新，硬件的运载速度已经跟不上了。其实，半导体行业早就意识到这一点了，而且很多这方面的专家也在致力于消除这种硬件上的障碍。
例如，有些专家甚至提出使用超越传统半导体晶体管的超导体，可问题是超导体的材料使用环境要求很高啊，地球上任何的物体只有在“-273.15℃（绝对零度）”以下的温度条件下，才能做出超导体，这很显然是不切实际的；再到后来，科学家也提出了“量子计算”概念，但这毕竟是一种理论，它离现实的距离还很长很长；又或者是有人提出了一个相对可行的概念，那就是：在替代结构（如神经网络）中使用晶体管来创建更健壮和高效的电路。
但这些方法都很耗时、成本巨大，整个地球几十亿人啊，怎么来满足这么庞大的消费群体的需求啊？所以，现在我们的许多国家的科学家们，也正在寻找解决这个问题的捷径。
超导体的实验动态GIF图
随着制造工艺的日益复杂，和晶体管微小型化率的降低，在面对“芯片制造难度大”的问题上也非常“纠结”、“苦恼”、“无奈”，也只能是这样“无可奈何”，换成老百姓的话来说，这就真的只能是这样了，已经尽力了呀，不是我造不出，而是到瓶颈了，“拉不出屎，如果不抱怨马桶硬，你还能抱怨谁？”在过去，晶体管是非常庞大和笨重的设备，在基于纯硅的集成电路出现之前，晶体管一直在变得越来越小。
经过几十年的发展，我们现在才勉强可以制造出尺寸小于10纳米的晶体管，你可以在一个1平方毫米面积的硅芯片上放置超过10亿个晶体管，能做到今天这个样子，已经是相当了不起了，当然这也是需要付出超级昂贵的成本代价……所以说，芯片，它的原材料就是沙子，为啥就那么难造？这已经不是说中国或者是华为造不造得出芯片的问题，而是“谁家都难造得出”！
为了更生动地描述这一点，我们还可以再看一些数据：人类头发的直径是100微米，头发里面藏着一个个肉眼几乎看不见的直径为8微米的红血球细胞，而头发的宽度几乎是红血球细胞的12倍；但相比之下，晶体管可以比这个头发的红血球细胞体积更小，直径甚至是可以远小于一微米。晶体管的宽度是红血球的1/260，是头发丝宽度的三分之一。
别觉得这样的对比很奇怪，这种不可思议的纳米技术现在就在你口袋里装着的手机里面。除了可以在芯片中放置越来越多更小的晶体管这一明显的好处外，更小的芯片意味着更快的转换速度和更高的转换效率。这种更小的复杂组合，使我们的电子设备成本更低、性能更高、效率更高，这是可以给我们带来了极大的方便。
为了制造这些集成电路，我们需要在一个纯硅芯片上逐层堆叠成亿上兆的小到不能再小的“小小晶体管”。简言之，目前制造芯片的原理就是，我们程序员所设计的底层电路的每一个微小特征都被“光刻机”投射在硅片表面，并且把这些电路记录在非常精密的感光材料上，然后通过“光刻技术”蚀刻在感光材料上，最终形成的电路纹路就被留硅片上，就像我们现在所看到的那样子。
多年来，这这种不断缩小芯片体积的生产技术，得到了极大的改进，这也使现在的所有电子设备都具有了今天所体现的那种性能。但是随着人们生活水平的日益提高，对各种高科技的智能要求越来越高，同时也不得不迫使我们的芯片能不能小点，能不能再小一点，继续再小一点，再小一点……
这也迫使晶体管越来越小，最好是“无穷小”下去；但是，你知道吗？我们已经达到了制造技术的物理极限啦！最新的基础样品制造系统已经变得非常复杂，每件设备的成本高达1亿美元。每个半导体工厂都需要购买大量的这些设备。于是人们开始面临这样一个问题：从长远来看，这种方法是否真的可行？那得要拿多大的地球资源来耗掉作为最终的代价啊？
但是我们相信我们可以改变我们制造芯片的方式，并且以一种新的，成本更低，更具高效益的制造方式，利用分子工程技术模仿自然，并能将这种模拟应用在我们晶体管的纳米尺度级别之上。正如前面所说的那样，传统的制造方法将电路的每一个微小特征投射到芯片上，这一制造芯片的工序，是目前生产芯片的最大难点之所在。但是如果你看一个集成电路的结构，仔细观察它晶体管的排列结构，你会发现这些微小的特征被重复了数百万（亿）次。
这是一个高度周期性重复的结构，所以我们的科学家能不能在我们的替代生产技术中利用这种周期性，来改良我们把电路“刻”在小小的硅片上的制造工艺？我们能不能用一种自组装材料，来自然地制造周期性结构的方式来制造我们所需要的“无穷小”的晶体管？我们不应该老是试图在“光刻”投影技术上找到什么更大的突破，因为这已经是极限了，根据爱因斯坦的说法，这个宇宙上没有任何一种速度是可以超越光速的，而我们制造芯片所需要的“光刻”技术已经是到达极限了，所以已经不可能在这一点上还能祈求有多大的技术突破。
我们中国人不是号称很聪明吗？既然已经无法做到小到再小，为何我们不能从整体的概念去出发，努力去发现一些我们用科学所不能解释的现象，来自然地去组合这些结构？所以，现在有一些科学家已经提出一种全新的概念，那就是：在制造芯片的技术上，可以模仿一下生物结构的组合模式。自组装原理在自然生物界中随处可见，从脂膜到细胞结构无不都是这样，因此可以这么大胆地认为，这将是一个有效解决生产芯片瓶颈的解决方案。
我们可以换个角度去思考，如果这种自组装的方法既然都能够存在于自然界，甚至是已经在应用于现在的自然生物界，那么是不是也意味着：这也是可以应用于芯片工业上呢？所以我们可以想象一下，能不能运用水和油不能相溶的特点，在生物上这种叫做亲水基团和斥水基团互不相容的自然现象，运用这种类似固体自组装的方法来生产出我们想要的半导体芯片，也是一个可行有效的办法。很显然，这些像生物界的这种共聚物无疑是自组装的聚合物，它们彼此之间只有几十个长度单位，到底有多小，甚至可以小到你无法想象。而且，它们就像油和水一样互相排斥，就像男女阴阳那样，正符合电子工业上的“二进制”原理。
这种生物界的“二进制”现象，就好像但我们要强迫它们在一起，在系统中造成一个根深蒂固的看似密不可分的组合，即使它们想彼此分离，但又可以利用外界的手段来强迫它们聚在一起，但实际上它们又是互不相容，也就是互相排斥的那样，而这种现象就完全可以满足芯片中，那些电路与电路之间不能交错在一起的高度严格要求的标准条件。这种含有数十亿个这样的聚合物链的巨大材料，类似的化合物将结合在一起，而相互排斥的化合物又会将彼此分离，这是一种嵌入的有机组合，而且这种类似生物分子这样的材料，又可以做得再小一点、更小一点，又何必苦苦挣扎在芯片制造过程中的“光刻”技术上呢？
所以这些化合物会慢慢移动，或者是蠕动，直到形成你想要各种形状为止，甚至能做成像生物体蛋白质的那种螺旋体都可以。而且更重要的是，这种自然的自组装形状是纳米级的，它可以很小很小，比如细菌病毒里面的细胞结构就非常小。最关键的是，它的这种形状是有规律和周期性的，而且它仍然延伸到很长很长，这完全是可以满足芯片里面所刻录的电路精密要求的水准，而这就是我们在晶体管阵列中所需要的最基本的条件。
因此，我们可以利用分子工程来设计不同大小、不同周期的不同形状。例如，如果我们选择一个具有两个相似长度的聚合物链的对称分子，那么自然的自组装结构将是一条很长很长的曲线，就像指纹一样。指纹线的宽度和距离不仅取决于聚合物链的长度，还取决于嵌入式系统的水平，我们也可以利用它来创造更复杂的结构。如果我们使用不对称分子，一个聚合物链明显比另一个短。
这种情况下的自组装结构是这样的：短链在中间形成一个实心球，并被一个较长的相互排斥的聚合物链包围，形成一个天然的圆柱体。柱体的尺寸、柱间距和周期性取决于我们选择的聚合物链的长度和嵌入基团的水平。换句话说，我们甚至可以使用分子工程来获得自组装的纳米结构，这些结构可以是线形或圆柱形，但也符合我们芯片设计中那些电路结构的周期性要求。
我们利用生物和化学工程，来制造出晶体管所需的纳米级特性，那就是小了再小点，小了还可以更小一点。但是自组装这些结构的能力只能解决制造芯片所遇到的问题的一半，因为我们仍然需要精密地安排这些结构该怎么组合，以便晶体管能够形成我们所需要的那种集成电路。但是这些东西相对于“光刻”技术来讲，还是比较简单的，使用一个宽的引导结构来固定自组装结构，将它们固定在适当的位置，这样剩下的自组装结构就可以与我们的引导结构平行排列。
例如，如果我们想制作一个精细的，小到只有40nm长的线性结构，这对于传统的“光刻”投影技术来说是非常困难的，我们可以先制作一个120nm的引导结构，使用普通的“光刻”投影技术来引导，那么这个结构将三个40nm长的直线就能很轻松、很整齐地排列在一起，而且这样既精细又能实现更微小型化，而且它们之间的排列误差几乎没有。
但是，这种模拟生物结构体的制造芯片的方法的挑战，在于整个生产系统都需要它们完全对齐，因为结构中的任何微小缺陷都可能导致晶体管失效。因为我们的电路中有数十亿个晶体管以相当复杂的结果组合在一起，所以我们需要一个非常复杂的分子排列系统。虽然，目前我们在这方面的研究也走得很艰难，但是在这方面的努力，远比还幻想能在“光刻”技术上“白费功夫”来得更加有价值。
所以说，也在此期待华为可以很清晰地看到，制造芯片的确很难，但不光只是我们自己难，而是全世界都是这么难，与其还在苦苦地挣扎在“光刻”这种无法再有什么突破的技术瓶颈上“纠结”，不如放弃这种“突破瓶颈”的念头，另辟新的路径，走我们自己的“芯片之路”！再一次祝愿华为在“芯片”技术上，更上一层楼，精益求精，迎领世界，再创辉煌！
因为，我们是中国人！再说了，在古代那么恶劣的科技环境背景下，我们的古代科学家祖冲之都能把一个正方形进行无限切割，逐步接近成为一个圆形，而最终把“圆周率（π）”的这个无限不循环小数精准到3.1415926到3.1415927之间，直接站在当时“世界第一”的数学科技巅峰之上，更何况是科技环境这么美好的今天！所以啊，一片小小的“芯片”难不倒我泱泱中华之神州大地！华为加油！中国加油！共勉之！
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