1. 链一财经首页
  2. 资讯

矿机芯片的秘密:从原子结构说起的精彩故事 |

 作者:村头二旧 (加密二锅头)

矿机芯片的秘密: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?

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。 

矿机芯片的秘密:从原子结构说起的精彩故事 |

矿机芯片的秘密:从原子结构说起的精彩故事 |

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。

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(比如Na),最外层是7个电子就容易得到电子(比如Cl)。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

矿机芯片的秘密:从原子结构说起的精彩故事 |

Si下面的Ge(锗)、Sn(锡),Pb(铅)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?

矿机芯片的秘密:从原子结构说起的精彩故事 |

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。

矿机芯片的秘密:从原子结构说起的精彩故事 |

矿机芯片的秘密:从原子结构说起的精彩故事 |

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。

矿机芯片的秘密:从原子结构说起的精彩故事 |

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。 

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。

矿机芯片的秘密:从原子结构说起的精彩故事 |

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(硅锭)。

矿机芯片的秘密:从原子结构说起的精彩故事 |

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。

矿机芯片的秘密:从原子结构说起的精彩故事 |

矿机芯片的秘密:从原子结构说起的精彩故事 |

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(感光遮盖的方法)。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(包含软件设计环节)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(就是赚钱,赚大钱)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(深圳、东莞等)地区;

第三,亚洲的数字货币市场(中日韩等国)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。

区块链投资本质就是金融投资,金融投资是一项非常综合复杂的活动,要搜集和了解很多方面的信息,才能做出可能有效的判断,对矿机的基本了解,对算力的增减,矿机厂商的动作分析都是必备的要素。如果只是非常单纯的看别人炒币赚钱,觉得自己就能赚钱,是非常浅薄的认识,因为市场上赚钱的永远是少数人,那些用心用脑并且有点运气的少数人。

根据国家《关于防范代币发行融资风险的公告》,大家应警惕代币发行融资与交易的风险隐患。

本文来自LIANYI转载,不代表链一财经立场,转载请联系原作者。

发表评论

登录后才能评论

联系我们

微信:kkyves

邮件:kefu@lianyi.com

时间:7x24,节假日bu休息

QR code