ESS:礦機芯片的秘密：從原子結構說起的精彩故事

芯片的秘密：從原子結構說起的精彩故事

本文講一下一個神奇的小部件：芯片

你用過芯片嗎？

什么是文化，如果說文化就是“日用而不知”的習慣，那么，芯片就是當代人類的文化。

無論是冰箱、彩電、汽車、計算機、手機，都需要大量的芯片進行運算，發出指令信號，可以說只要有電的地方就有芯片。

只是芯片隱藏在機器之中，我們看不見，體現給我們的是外部的功能實現，所以大家也就看不到芯片。比特幣礦機的發展，讓人們注意到算力芯片，9nm、7nm、5nm的詞匯也開始傳入大家的耳朵里，感覺很厲害，至于怎么厲害，多數人也只能說出，數字越小越厲害，挖比特幣的效率越高。

這種回答，顯得有些單薄，如果是從業者，這樣的回答就顯得缺乏職業素養，但是，也不怪人們的認知問題，因為本來沒有幾個人說得清楚，今天我就嘗試以一篇文章，把這塊骨頭啃下來，建立知識框架，讓我們明白，美國人的芯片封鎖是怎么回事？礦機芯片是怎么回事？芯片的本質到底是什么？

Fortress Technologies宣布購買4,500臺Bitmain Antminer S19j Pro比特幣礦機:11月1日消息，Fortress Technologies Inc.是一家開發和運營比特幣挖礦基礎設施的比特幣公司，宣布將購買4,500 臺Bitmain Antminer S19j Pro比特幣礦機。這些機器預計將于2022年4月至9月按月等額分期交付。此次收購使公司的總合同哈希率增加了450 PH/s，是其先前合同哈希率195 PH/s的三倍多。部署所有 4,500臺機器后，Fortress的哈希率預計將達到645 PH/s。此次收購是在公司宣布購買180臺Whatsminer M30S機器并在其與Great American Mining的戰略合作中部署三個額外集裝箱之后不到兩周的時間。自9月份任命新領導以來，Fortress的合約算力增長了260%以上。（businesswire）[2021/11/1 21:15:56]

隨著美國對中國芯片技術的封鎖，芯片這個名詞，又一次成為全球熱點，那么為了理解芯片，我們從最基礎的原子結構講起。

比特幣礦機公司Blockware Solutions宣布達成出售20萬臺礦機紀錄:比特幣礦機公司Blockware Solutions宣布達成出售20萬臺比特幣礦機的紀錄。（金十）[2021/6/25 0:04:32]

你沒有聽錯，就是原子結構，不過我會講得非常輕松愉快，會將閱讀流程近似于看電影的體驗。好了，系好安全帶，準備發車。

上圖類似飛鏢靶子的圖形，就是碳原子的原子結構，中間一個電子核，最外邊有四個電子，總共六個電子。

硅原子的核外電子層數比碳原子多了一層，多了四個原子，最外層的電子是元素最體現化學性質的地方。也就是說，硅原子會比碳原子更加活潑，因為最外層的電子距離原子核比較遠，電子核的正電對電子的負電荷吸引力就較弱。

宏觀上表現為容易失去電子，除了氫和氦之外，其他原子，和別的元素結合達到8電子后就會形成穩定狀態。比如大家天天吃的食鹽的主要組成是NaCl，Na失去一個電子，Cl得到一個電子，各自都是8電子結構。這種就是離子鍵。另外一種是共價鍵，不同原子核可以共用電子形成共價鍵，比如兩個碳原子，放到一起，每個原子外邊有穩定的八電子結構。

Hive Blockchain購買并部署1240臺比特幣礦機:金色財經報道，Hive Blockchain購買并部署了1240臺MicroBT WhatsMiner M30S比特幣礦機。這使其算力幾乎翻倍，達到229 PH/s。臨時執行董事長Frank Holmes表示，該公司的目標是在未來12個月內達到1000 PH/s的總操作算力。[2020/11/7 11:53:30]

碳族元素最外層是4個電子，處于中間位置。如果最外層是1個電子，就容易失去電子，最外層是7個電子就容易得到電子。中間位置的碳族元素，處于中間態，所以可以失去也可以得到，這就出現了最重要的一個詞：半導體。

Si下面的Ge、Sn，Pb則直接成為了金屬元素直接就可以導電。Si上面的元素C是構成地球上有機生命體的基礎，而Si硅本身就成為完美的半導體材料，硅谷的名字也是這么來的，所以，很多科幻小說，說碳基生命和硅基生命的根據也是源于此處，但是硅基生命和碳基生命的生成原理是不同的，前者是邏輯電路導通，后者是共價鍵有機物化合。直白一點就是硅基生命是變形金剛那一類，碳基生命是我們人類這一類，扯遠了。

動態 | 動力源：在數字貨幣礦機電源產品上具有研發、生產、銷售的能力:動力源(600405.SH)在互動平臺上表示，公司工業電源品類中的礦機電源適用在數字貨幣挖礦機上，公司在數字貨幣礦機電源產品上具有研發、生產、銷售的能力。[2019/11/13]

現在已經找到了好的材料，怎么實現邏輯電路呢？

一邊放硼元素B，一邊放磷元素P，特殊光線一照射，B和Si生成共價鍵，P和Si也形成共價鍵。

所以，對于8電子穩定結構，B和Si只有7個電子，少了一個電子；而P和Si有9個電子，多了一個電子。這就出現了一個趨勢，雖然大家都不是金屬，但是有了金屬的性質，多的一個電子，就有跑到少一個電子地方的趨勢。因為中間部分是半導體Si所以電子不會跑來跑去，而是就呆在那里待命。

等待什么命令呢？加上電壓。如果電壓從B到P，也就是B這邊是正極，P那邊是負極，電子就會在電壓作用下，從右邊跑到左邊。電壓反過來，就導不通。這就是二極管單向導通的原理。

分析 | 相較于售價較高的高算力礦機，低算力礦機的回本周期反而更短:以螞蟻S17、芯動T20T、螞蟻S9k為代表，一本區塊鏈分別計算了當前高、中、低算力礦機的回本周期。可以看出，相較于售價較高的高算力礦機，低算力礦機的回本周期，反而更短。但其中也潛伏著風險。低算力的礦機回本周期短，但抗風險能力差，幣價一旦大跌，它們會最先關機。高算力的礦機雖然回本周期長，但抗風險能力高，在去年的熊市中，依然能有收益。[2019/7/26]

根據二極管原理就形成了上圖所示的邏輯門。“與門”“或門”“非門”，然后這些邏輯門進行拼接就形成了邏輯更加復雜的電路，計算機的世界就此打開。0和1在機器里有規律地蹦來跳去。

簡單的邏輯算法，經常億萬次的計算就可以集成為復雜的電路實現功能。

電路材料從真空管變成晶體管，從20世紀八九十年代，計算機的大發展，導致了對運算能力的需求不斷提高，很多發達國家開始大力投入芯片的研究，那時候我國經濟建設剛剛有些起色，自然沒有能夠全力投入研發。

電腦的CUP發展迅速，于是英特爾公司的創始人之一戈登摩爾，提出了摩爾定律，也就是18個月芯片性能增加一倍。這個定律基本上是拍腦門說出來的，因為這只是一個觀測規律沒有什么真正的理論支撐。

下面看一下，芯片的制作流程。

首先從沙子里高溫提取出單質硅，這里的硅是穩定的晶體結構，做成一個硅柱。

然后把切成很薄的圓片。

然后，光刻。在圓片上面涂上感光材料，然后在強光的照射下性質會改變，從不溶于水變成溶于水。控制光線，去照射不同的位置后，用水一沖，得到了凹槽。

凹槽中是露出硅單質的，然后對不同的部位摻入上文說的硼和磷，邏輯電路就在凹槽中形成，多余的硅也可以用腐蝕液給弄掉。這樣就形成了一個一個的晶體管，當然，凹槽中也可以參與金屬材料，這樣形成電容電阻等電子元器件。

開個腦洞，人類幾十億人如果每個人在高等文明的眼里只是一個晶體管的話，那么，地球的運算能力對于高等文明也就是一個指甲蓋。

光刻的精度決定了芯片的質量，晶體管的尺寸已經小到指甲蓋大小的面積上，能集成10億個以上的晶體管。光刻機很重要。設計環節非常關鍵，核心價值幾乎都牢牢掌握在美國手里。

現在的問題是，為什么中國能干出格力、小米、海爾這樣的企業卻做不出來芯片呢？

手機、家電可以用中國的人口紅利和廉價勞動力，我的東西做得多做得好，又非常便宜，我直接打開銷路去打低端市場，然后走到中高端，高端，賺了錢不斷迭代到最好就好了，別的國家很難和我們競爭了。

那么，芯片為什么不可以從低端市場做起慢慢發展？

網上都在說國家投入不夠，資源錯配，起步晚等等問題，其實這些都不是根本的問題，其他行業也有同樣的問題，照樣克服。

因為芯片行業幾乎沒有廉價低端市場，也就是說你做了芯片必須是頂級的，一般般的芯片根本沒人用，不只是因為性能，因為你的爛芯片比人家的好芯片還貴！連價格優勢都沒有。

芯片行業更新速度快，市場永遠最需要最高性能的芯片。設計、流片、生產等等環節，都需要大量資金投入，但這個不是問題，因為新一代芯片需求量巨大，直接把成本攤薄了，利潤可觀的情況下，沒有必要賣到客戶承受不起。其實芯片的價格從一定程度來說已經是非常便宜了。所以市場上，全部都是最高等級的芯片，芯片業幾乎沒有低端市場。

那為什么中國礦機廠商的芯片為什么可以領先？

有幾個原因：

第一，ASIC算力芯片本身的邏輯電路極為簡單，不需要完成復雜的運算，只是哈希碰撞找數而已，功能非常單一，容易設計出來。這一點要承認，不信你去設計生產出來英特爾芯片試試，世界上第一臺ASIC礦機也是美國搞出來的，不過我國人民的勤勞智慧以及資本的涌入讓這個產業迭代非常快，巨頭還沒反應過來，咱們的貨都賣到他們家門口了；

第二，礦機還有很多別的供應鏈因素，中國有最好的電子產業供應鏈，就像手機、無人機廠商需要把廠安在珠三角地區；

第三，亞洲的數字貨幣市場又大發展又快，一旦形成規模效應，后面的追趕都不是很容易，這和手機的邏輯是一樣的。

芯片是工業制成的皇冠，復雜程度絕不是一篇文章能夠完全說明白的。

本文從原子結構引到硅材料，從半導體二極管講到光刻機以及芯片制造流程，統籌分析了目前的芯片及礦機芯片的發展，相信會為有志于礦機和數字貨幣行業的人開啟一扇小小的窗戶。

區塊鏈投資本質就是金融投資，金融投資是一項非常綜合復雜的活動，要搜集和了解很多方面的信息，才能做出可能有效的判斷，對礦機的基本了解，對算力的增減，礦機廠商的動作分析都是必備的要素。如果只是非常單純的看別人炒幣賺錢，覺得自己就能賺錢，是非常淺薄的認識，因為市場上賺錢的永遠是少數人，那些用心用腦并且有點運氣的少數人。

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