說到芯片，你腦子里是不是立刻浮現(xiàn)出“硅”、“納米”、“光刻機(jī)”這些詞？

正常工作，背后需要的稀有金屬，可能比你想的要復(fù)雜得多，也脆弱得多。

2023年那波鎵和鍺的出口管制，只是揭開了這個隱秘角落的一角。

一、芯片里到底藏著哪些“稀有金屬”？

很多人以為芯片就是一塊刻了電路的硅片。實際上，它的微觀世界復(fù)雜得像一座城市。

鎵：自然界幾乎沒有獨立礦藏，超90%產(chǎn)自中國。沒有它，你的5G手機(jī)就沒法打電話。氮化鎵（GaN）是5G基站、快充頭的核心。

鍺：70%以上也來自中國。光纖通信里的光電轉(zhuǎn)換芯片，沒了鍺，光信號變不成電信號。

銦：預(yù)計全球儲量只夠再用幾十年。觸摸屏、液晶面板離不開它，回收率還極低。

鉭：每部智能手機(jī)里都有幾十顆鉭電容，負(fù)責(zé)穩(wěn)定電源、濾除噪聲。供應(yīng)鏈涉及沖突礦產(chǎn)。

鉑、鈀：某些存儲芯片和傳感器的關(guān)鍵電極材料。主要產(chǎn)自南非和俄羅斯，供應(yīng)極其不穩(wěn)定。

最要命的是，這些金屬幾乎都是“副產(chǎn)品”——沒有獨立礦山。你要先開采鋁礦、鋅礦，再從廢渣里提取它們。這種依賴關(guān)系，讓整個供應(yīng)鏈極其脆弱。

二、模擬芯片的制造難度，是另一種“天花板”

一提到芯片，大家總盯著CPU、GPU看，覺得制程越先進(jìn)越牛。但模擬芯片的難度，完全是另一套邏輯。

數(shù)字芯片追求“小”和“快”，模擬芯片追求“準(zhǔn)”和“穩(wěn)”。

很多高性能模擬芯片到現(xiàn)在還在用180納米、90納米這些“老古董”制程。為什么？因為模擬芯片處理的是連續(xù)變化的物理信號——聲音、溫度、電壓。晶體管越小，漏電、噪聲、匹配性問題就越嚴(yán)重，這對數(shù)字電路問題不大，但對模擬電路是致命的。

具體難在哪？

1. 器件模型極復(fù)雜
模擬設(shè)計師需要知道晶體管在每一個工作點的狀態(tài)，模型參數(shù)多達(dá)幾百個，還要考慮溫度、工藝波動的影響。這不是簡單的“開”和“關(guān)”。

2. 匹配和對稱性要求苛刻
一個差分放大器，兩個晶體管必須幾乎一模一樣。差1毫伏，整個芯片就廢了。為了做到這點，版圖設(shè)計要搞“共質(zhì)心布局”，工藝要反復(fù)優(yōu)化。

3. 噪聲控制難上加難
所有元件都有噪聲。在模擬芯片里，噪聲直接疊加在信號上，無法分離。高保真音頻芯片的噪聲要求低至幾個納伏每根號赫茲。每個環(huán)節(jié)稍有偏差，信噪比就崩了。

4. 溫度穩(wěn)定性考驗工藝
芯片要在-40℃到125℃范圍內(nèi)性能穩(wěn)定。設(shè)計上要用“帶隙基準(zhǔn)源”互相補償，制造上工藝參數(shù)必須控制得極其精準(zhǔn)。

5. 特殊工藝模塊多
要做高精度電阻，就得額外沉積氮化鉭或硅鉻合金。要做高Q值電感，得把硅襯底挖掉一塊。每多一個工藝步驟，成本和難度就翻倍。

6. 測試和校準(zhǔn)極其繁瑣
增益、帶寬、噪聲、失真、電源抑制比……幾十個參數(shù)要測，而且相互制約。出廠前還得用激光修調(diào)、熔絲修調(diào)等手段校準(zhǔn)，占用芯片面積，增加測試時間。

三、稀有金屬 + 模擬芯片 = 雙重脆弱

現(xiàn)在把兩個話題串起來。那些稀有金屬，正是解決模擬芯片制造難點的關(guān)鍵。

鉭做的電容，低漏電、低等效串聯(lián)電阻，是模擬芯片純凈電源的保障，很難被替代。

鉑的化學(xué)惰性，讓它成為高精度溫度、壓力傳感器電極的不二之選。

氮化鎵（需要鎵）在快充、5G基站上的性能，傳統(tǒng)硅根本達(dá)不到。

鍺硅異質(zhì)結(jié)晶體管（需要鍺）的截止頻率極高，是高速射頻和模擬電路的關(guān)鍵。

如果某種金屬斷供，不是隨便找個替代品就能解決的。替代研發(fā)以年為單位，還往往伴隨性能妥協(xié)。

四、產(chǎn)業(yè)鏈比你想的更脆弱

鎵、鍺、銦這些金屬，中國產(chǎn)量占比極高，而且也是主要消費國。這種格局有歷史和成本原因。

一旦供應(yīng)中斷，芯片廠要么提前囤貨（推高價格），要么花數(shù)年時間找替代材料。在消費電子領(lǐng)域，成本壓力會被放大，利潤被壓縮，研發(fā)投入減少。而在工業(yè)和汽車領(lǐng)域，即使愿意出高價，也未必買得到，只能重新設(shè)計整個產(chǎn)品——周期也是以年為單位。

寫在最后

有人說：數(shù)字芯片決定計算的上限，模擬芯片決定感知的下限。

我們身邊的物理世界是連續(xù)的、嘈雜的、不完美的。要把這個真實世界的信息精準(zhǔn)地轉(zhuǎn)換成數(shù)字世界能處理的形式，需要的不是最先進(jìn)的幾納米制程，而是最扎實的工藝和最穩(wěn)定的材料。

而那些最稀缺的金屬，正是支撐這份扎實與穩(wěn)定的基石。

沒有它們，再好的設(shè)計，也只是紙上談兵。

審核編輯 黃宇