中国芯怎样才能不受制于人？

时代发展到今天，人们无时无刻不在享受科技进步的成果。面对人类越点越大的科技树，如果要问最顶端的是什么，估计很多人都会给出一个相同的答案：芯片！

半导体芯片，被誉为现代工业“皇冠上的明珠”。你正在看这篇文章用的手机或电脑，你出行用到的汽车、高铁或飞机等交通工具，你家里的空调、冰箱和电视等，方方面面都有芯片技术的支撑。除此之外，通信、工业、国防等都属于芯片的终端用途。没有任何一个行业像芯片这样影响众多的下游产业，可以说没有芯片，你会突然之间寸步难行。

一、芯片法案，制裁华为

前不久，米国正式签署《芯片与科学法案》。法案的本意旨在提高欧盟芯片产能，计划从目前10%的全球市场份额提升到2030年的20%。但是该法案具有严重的排他性，法案对米国本土芯片产业提供巨额补贴，而且要求任何接受米国政府资金的芯片企业必须在米国本土应用他们研发的技术。十年之内，获得补贴的公司禁止在我国大幅增产高端芯片制程，如有违规，企业可能被要求全额退还补助款。

这种做法令米国的英特尔、美光和韩国的三星、SK海力士等半导体企业陷入两难境地。因为上述企业均在我国设有芯片制造、封装或测试工厂。 这种说是发展实则限制的举动，简直是司马昭之心——路人皆知。实际上米国一直在干预别国特别是我国企业的商业发展。

以华为为例，早在2010年前后，华为就有多次的设备销售合同和并购要约遭到失败，背后就是因为米国政府干预。2018年时，米国对华为的打压骤然升级，各种政策出台不断，除了干预华为的商业合作以及销售订单之外，竟然还有米国政府出面呼吁西方不要购买华为设备。2019年特朗普直接出台了一项国家安全命令，禁止使用华为和中兴等我国公司的设备，理由是威胁米国国家安全。

二、台积电断供

昨天的文章我们聊过台湾前些年经济的辉煌，而台积电就是台湾经济的核心。台积电是一家半导体制造公司，但是它却是全球最大的芯片制造商。在全球晶圆代工领域，台积电一家就占据了55%的市场份额，排名第二的韩国三星电子则只有17%的占比。而在28nm芯片领域，台积电的营收更是夸张，直接垄断了全球75%的市场份额。凭借先进芯片制程工艺、超高良品率垄断，台积电在全球芯片市场拥有举足轻重的地位，独占全球70％以上高端芯片代工市场份额。很多科技企业都不得不仰台积电的鼻息。

当年米国对华为发布禁令之后，很多企业也终止了和华为的合作，其中就包括台积电，不再给华为代工芯片。华为是台积电的全球第二大客户，每年为台积电创造千亿级别的营收，停止代工可谓是双输的局面。很多人认为台积电是因为人在屋檐下，不得不低头，因为台积电使用了大量的米国半导体技术，在米国政府的号召下很可能缺少话语权。但老太婆访台的前一天，台积电董事长刘德音却放出狠话：明确表示没有人可以武器控制台积电，一旦台积电无法运转，我国企业可能无法获得高精尖零部件。此举彻底表明了停止为华为代工可能并不是被迫，而是顺势的主动行为。

其实对我们而言，停止代工是已经存在的事实，至于是主动还是被动于结果无异，刘德音跳出来表态只是让我们认清了他的真面目。事实证明跪舔的人一般也没什么好结果。芯片法案目的是吸引芯片企业到米国发展，试图集中全球芯片产业链放在米国，而台积电响应后立即投资了120亿美元到米国建厂，完了之后发现自己不在美财政补贴范围之内，白忙活一场。

三、自己拥有，才能不受制于人

国内对于芯片的市场需求是非常庞大，但是国内的芯片供给远远满足不了市场需求。而且在芯片领域我国的技术水平完全占不上优势，特别是在高端芯片方面，常年依赖于国外的几大巨头企业。虽然我们也在研发，但科技的进步不是一蹴而就的，所以受制于人也是没办法。世贸组织规定，为维护全球产业链和供应链安全稳定，贸易应当符合公开透明且非歧视原则。而实际上你看，米国这尿性总是在破坏规则。

突然的技术封锁，造成全球半导体供应链扭曲，想买得买不到，搞生产的销量下滑，国际贸易形势混乱。不过这也提醒了我们必须加快芯片技术突破，科学技术是第一生产力，而核心技术没有国家会轻易转让，买不来，换不来，求不来。米国的技术政策限制就不说了，台积电刘德音的话说明也不是什么好东西。我们必须要加快自主研发，建立独立自主的芯片架构体系，早日实现芯片技术上的突破。自己拥有，才能不受制于人，才能将主动权掌握在自己手里。

TEC-东芝品牌系列打印机TOSHIBA-TEC是日本东芝集团所属公司日本零售业POS之领导厂商，亦为国际条码打印机行业之权威性公司。主要产品：POS产品，条码打印机及打印系统，扫描器，印表机等。TEC条码打印机具有高品质、高稳定性、使用容易、功能齐全的特性，TEC标签机发展具前瞻性，健全的售后服务网络 TEC--电子总含量（Total Electron Content）的简称Tec(Thermoelectric Cooler)即半导体致冷器。 半导体致冷器是利用半导体材料的珀尔帖效应制成的。所谓珀尔帖效应，是指当直流电流通过两种半导体材料组成的电偶时，其一端吸热，一端放热的现象。重掺杂的N型和P型的碲化铋主要用作TEC的半导体材料，碲化铋元件采用电串联，并且是并行发热。TEC包括一些P型和N型对（组），它们通过电极连在一起，并且夹在两个陶瓷电极之间；当有电流从TEC流过时，电流产生的热量会从TEC的一侧传到另一侧，在TEC上产生〃热〃侧和〃冷〃侧，这就是TEC的加热与致冷原理。 是致冷还是加热，以及致冷、加热的速率，由通过它的电流方向和大小来决定。一对电偶产生的热电效应很小，故在实际中都将上百对热电偶串联在一起，所有的冷端集中在一边，热端集中在另一边，这样生产出用于实际的致冷器。如果在应用中需要的制冷或加热量较大，可以使用多级半导体致冷器，对于常年运行的设备，增大致冷元件的对数，尽管增加了一些初成本，但可以获得较高的制冷系数。 TEC的用途非常广泛，最典型的应用是激光器的温控和PCR的温控。众所周知，激光器对于温度是非常敏感的，因此对TEC的要求非常高。有些甚至要求将TEC和激光器同时采用TO封装，这就要求TEC的体积非常小。能满足此要求的公司也不多，德国的Micropelt公司是一个代表。其采用最先进的薄膜技术，并使用MEMS（微电机系统）进行加工，从而得到体积非常小的TEC。 TEC 指的是东芝一个下属公司 叫东芝泰格信息系统有限公司 主要经营彩色复印机 条码打印机 POS机等产品 补充：Tec即技术学院的英文名称。比如浙江经济职业技术学院的英文名称为：Zhejiang economy occupation Tec。 柠檬酸三乙酯(TEC) 英文名：triethyl citrate；TECCAS No：77-93-0分子式：C12H20O7 分子量：276.28性状：熔点（℃）：-55气味"有果香，味苦沸点（常压）：294℃粘度“3.52×10 -2帕·秒（25 ℃）闪点（开杯）：155～160℃技术指标： 外观无色透明液体水份（wt）％：≤0.25色泽（Pt-Co）：≤50＃相对密度（25／25 ℃）：1.135～1.139总酯含量％：≥99.0重金属（以Pb计）：≤10ppm酸度（以柠檬酸计）％：≤0.1砷（As）：≤3ppm用途： 本品为无毒增塑剂，溶解能力强与许多树脂有良好的相容性，广泛用作乙烯基树脂和纤维素树脂的增塑剂。用它增塑的制品有良好的耐油性、耐光性和抗霉性。适用于无毒 PVC 造粒，油墨涂料，儿童软质玩具，医用制品等行业。溶于大多数有机溶剂。难溶于油类。微溶于水。与乙酰柠檬酸三丁酯、三醋酸甘油酯、 氯化石蜡、邻苯二甲酸二甲酯、邻苯二甲酸二乙酯、邻苯二甲酸二丁酯、邻苯二甲酸二异丁酯、邻苯二甲酸二辛酯、己二甲酸二辛酯、癸二酸二辛酯等增塑剂互溶。可替代三醋酸甘油酯，在烟草工业用作醋纤滤棒增塑剂。可替代邻苯二甲酸二甲酯、邻苯二甲酸二乙酯用于醋酸纤维素薄膜、清漆及农药溶剂等。在聚氯乙烯行业，可以部分或全部替代邻苯二甲酸二异丁酯、邻苯二甲酸二丁酯、邻苯二甲酸二辛酯。由于挥发性高，建议与低挥发性增塑剂并用。TEC（Total Electron Content）（电离层）电子总含量 电离层电子总含量TEC及其变化不但是电离层形态学研究的重要资料，也是精密定位、导航和电波科学中电离层修正的重要参数。它是描述电离层形态和结构的重要参量，有助于研究电离层对电磁波传播的影响。 电离层的预报目前有Klobuchar模型、Bent模型、IRI模型、ICED模型、FAIM模型等，GPS 是主要的测量工具。在实际应用中，电离层预报是对未来时刻地面上空一定高度的网格点的电 子含量预报。目前国际上通常是每两小时给出经度方向间隔5°、纬度方向间隔2.5°的电子含量， 这样每两小时全球共有5184 (72×72)个网格点，使用最小二乘法拟合得出网格的TEC及GPS测 量的硬件误差。 TEC 国际油轮等价期租水平（Time Charter Equivalent) TEC=(Voyage Revenues-Expenses)/available days in charter time period 即（程租总运费-燃油费-港口急其他费用)/实际程租航次天数 是反映国际海运费价格水平的一个参数。也用于参考确定Dem/Des费率。可以理解成船东在轮船正常出租的情况下赚取的日平均租金。 意大利EB公司旗下顶级HI-END汽车音响品牌——TEC EB公司由博纳菲德家族创立于1968年（EB意思为“Elettronica Bonafede”，也就是“博纳菲德电子” ）。在最初，EB主要从事针对意大利国内市场的音响产品设计及加工，经过几年的发展，逐渐发展为一 间在意大利国内享誉盛名的专业汽车HI-FI音响机构。 时至今日，EB公司通过旗下经受多年市场考验并且一直卓有成效的销售网络，将产品遍布意大利本土及 众多海外市场，并由此而取得了商业上的极大成功。 为求在原有辉煌之上再创佳绩，EB公司一直坚持在固有（通过在国内市场和国际市场的成功探索而）积 累的电声学研发经验上力图创新，与时俱进地将各种最新科技应用到自身的设计及生产工作之中，从而 为产品不断注入最尖端的技术与品质。 TEC - 历经岁月洗礼的经典传承 TEC品牌创立于1968年创立，发展至今，品牌历史已经超过四十年。从成立伊始，TEC便一直以“just the best”（只为最好）的信念作为品牌宗旨，致力于创造最优质的音响科技艺术结晶；而亦正是由于四十余年来一直贯彻这一种坚持，使得TEC尽管经过漫长的岁月磨砺，却至今仍然历久如新，保持着旺盛的生机与蓬勃的生命力。 时至今日，TEC品牌已经成为汽车音响领域内公认的传世经典，聆听TEC，不但能够令人感受到传神音乐的艺术之美，更能够品味到一份经历岁月流金的雍容韵味。 TEC - 亚平宁艺术之邦的汽车音响始祖 意大利，文艺复兴发源地，在这个充满着艺术色彩的国度里，诞生过许许多多享誉盛名的汽车音响品牌。而在这些响亮的名字里面，TEC无疑是其中最为闪耀的“皇冠明珠”。作为意大利历史最为悠久的汽车音响品牌，多年来TEC一直引领着意大利汽车音响行业的发展，对意大利汽车音响业界影响至深；而许多现今同样闻名远近的意大利汽车音响品牌，在最早也是衍生于TEC旗下。 同时，TEC在意大利国内的权威地位，也同样得到来自市场的认可。在意大利国内，TEC长期以来一直是最受汽车音响爱好者所喜爱的汽车音响品牌，同时也深受专业人士的由衷信赖，在全国境内与过千家音响改装机结成合作伙伴；可以说，只要来到意大利，无论身处何地，总能轻易地与TEC甜蜜地邂逅。 TEC - 集举世音响科技之大成 “TEC for Technology”；顾名思义，TEC，即是寓意“Technology”，也即是寓意着这一个品牌，代表的不仅仅是一种艺术之美，同时更是音响科技的纯粹结晶。 作为一个由音响设计师所创立的品牌，TEC自诞生之日起，便对研发有着极致狂热的追求，同时更一直坚持将各种最新科技成果运用于汽车音响领域。 这一份对研发和科技由衷的执着，使得TEC被许多同样对技术和品质有着不倦追求的顶尖音响品牌视作知音、以及在尖端音响技术探索上的同路人——在民用音响领域深受推崇的Scanspeaker（绅士宝）、Seas（西雅仕）等品牌，都选择TEC作为自己在汽车音响技术研发方面的合作伙伴。 可以说，每一款的TEC作品，由里至外，无一不是音响科技集大成的结晶。 TEC-东芝品牌系列打印机TOSHIBA-TEC是日本东芝集团所属公司，日本零售业POS之领导厂商，亦为国际条码打印机行业之权威性公司。主要产品：POS产品，条码打印机及打印系统，扫描器，印表机等。TEC条码打印机具有高品质、高稳定性、使用容易、功能齐全的特性，TEC标签机发展具前瞻性，健全的售后服务网络

1879 年，美国物理学家霍尔在研究金属的导电机制时发现，带电粒子（例如电子）在磁场中运动时会受到洛伦兹力的作用发生偏转，那么在磁场中的电流也有可能发生偏转。当电流垂直于外磁场通过半导体时，载流子发生偏转，在导体两端堆积电荷从而在导体内部产生电场，其方向垂直于电流和磁场的方向。当电场力和洛伦兹力相平衡时，载流子不再偏转。而此时半导体的两端会形成电势差。

其中运动电荷在磁场中所受到的力称为洛伦兹力，即磁场对运动电荷的作用力。我们在中学都学习过左手定则的方法，将左手掌摊平，让磁感线穿过手掌心，四指表示正电荷运动方向，则和四指垂直的大拇指所指方向即为洛伦兹力的方向。但须注意，运动电荷是正的，大拇指的指向即为洛伦兹力的方向。反之，如果运动电荷是负的，仍用四指表示电荷运动方向，那么大拇指的指向的反方向为洛伦兹力方向。

而载流子指可以自由移动的带有电荷的物质微粒，如电子和离子。霍尔的发现后来被称为“霍尔效应”，这个电势差也被称为霍尔电势差。

简单来说，霍尔效应它定义了磁场和感应电压之间的关系。当电流通过一个位于磁场中的导体的时候，磁场会对导体中的电子产生一个横向的作用力，从而在导体的两端产生电压差

虽然这个效应多年前就已经被人们知道并理解，但基于霍尔效应的传感器在材料工艺获得重大进展前并不实用，直到出现了高强度的恒定磁体和工作于小电压输出的信号调节电路。根据设计和配置的不同，霍尔效应传感器可以作为开/关传感器或者线性传感器，广泛应用于电力系统中。

霍尔效应示意图，作者Peo

人们按照霍尔效应开发的各种霍尔元件被广泛应用于精密测磁、自动化控制、通信、计算机、航空航天等工业部门和国防领域。

按经典霍尔效应理论，霍尔电阻RH (RH=U/I=K. B/d= B/nqd) 应随B连续变化并随着n (载流子浓度)的增大而减小，但是到了 1980 年，著名物理学家冯·克里津从金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)发现了一种新的量子霍尔效应。他在硅MOSFET管上加两个电极，再把这个硅MOSFET管放到强磁场和极低温下，发现霍耳电阻随栅压变化的曲线上出现了一系列平台，与这些平台相应的霍尔电阻Rh=h/(ne2)，其中n是正整数1，2，3……。也就是说，这些平台是精确给定的，是不以材料、器件尺寸的变化而转移的。它们只是由基本物理常数h(普朗克常数)和e(电子电荷)来确定。

这被称为整数量子霍尔效应，后来科学家还发现了分数量子霍尔效应。

当时，物理学者认为除了夸克一类的粒子之外，宇宙中的基本粒子所带的电荷皆为一个电子所带的电荷-e（e=1.6×10-19库伦）的整数倍。而夸克依其类别可带有±1e/3或±2e/3电荷。夸克在一般状况下，只能存在于原子核中，它们不像电子可以自由流动。所以物理学者并不期待在普通凝体系统中，可以看到如夸克般带有分数电子电荷的粒子或激发态。

但是在1982年，华人科学家崔琦和史特莫在二维电子系统中现了分数化的霍尔电阻平台。一开始是发现了?和?两个平台。之后他们制造出了更纯的样品, 更低的温度, 更强的磁场. 85mK 和 280kG, 这是人类第一次在实验室中实现如此低的温度和如此强的磁场(地磁场是 mG 的量级). 这样的实验技术令人叹为观止，他们也因此观察到了更加丰富的结构: 他们也因此观察到了更加丰富的结构。他们的发现由此被称为分数量子霍尔效应。

冯·克里津获得1985年诺贝尔物理学奖，而崔琦和史特莫则获得了 1998 年诺贝尔奖。到了2005年，英国科学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫。他们俩在2005年发现了石墨烯中的半整数量子霍尔效应，斩获2010年的诺贝尔物理学奖。

简单来说，量子霍尔效应一般都是在超低温和强磁场等极端条件下出现。在极端条件下，电子的偏转不再像普通霍尔效应中一样，而是变得更加剧烈并且偏转半径变得很小，仿佛就在导体内部围绕着某点转圈圈。也就是说，导体中间的部分电子被“锁住了”，要想导通电流只能走导体的边缘。

量子霍尔效应与霍尔效应最大的不同之处在于横向电压对磁场的响应明显不同. 横向电阻是量子化的:

2018年12月18日，英国《自然》杂志刊登复旦大学物理学系修发贤课题组的最新研究成果《砷化镉中基于外尔轨道的量子霍尔效应》，这也是中国科学家首次在三维空间中发现量子霍尔效应。

后来，中国科技大学与其合作团队在《自然》刊登论文表示，他们通过实验验证了三维量子霍尔效应，并发现了金属-绝缘体的转换。他们发现，人们能够通过控制温度和外加磁场实现金属-绝缘体的转化。这种原理可以用来制造“量子磁控开关”等电子元器件。三维量子霍尔效应材料中的电子迁移率都很快，电子能快速传输和响应，在红外探测、电子自旋器件等方面拥有应用前景。再次，三维量子霍尔效应因具有量子化的导电特性，还能应用于特殊的载流子传输系统。

这个时候，就要讲到量子反常霍尔效应了，因为霍尔效应实现量子化，有着两个极端苛刻的前提条件：一是需要十几万高斯的强磁场，而地球的磁场强度才不过0.5高斯；二是需要接近于绝对零度的温度。

在此背景下，科学家们又提出了一个设想：普通状态下的霍尔现象会出现反常，那么，量子化的霍尔现象是否也能出现反常？如果有，不是就可以解决外加高磁场的先决条件了吗？

也就是说量子反常霍尔效应它不依赖于强磁场而由材料本身的自发磁化产生。在零磁场中就可以实现量子霍尔态，更容易应用到人们日常所需的电子器件中。自1988年开始，就不断有理论物理学家提出各种方案，然而在实验上没有取得任何进展。

我们可以用一个简单的比喻，来说明量子霍尔效应和量子反常霍尔效应之间的关系，我们使用计算机的时候，会遇到计算机发热、能量损耗、速度变慢等问题。这是因为常态下芯片中的电子运动没有特定的轨道、相互碰撞从而发生能量损耗。而量子霍尔效应则可以对电子的运动制定一个规则，让它们在各自的跑道上“一往无前”地前进。

然而，量子霍尔效应的产生需要非常强的磁场，“相当于外加10个计算机大的磁铁，这不但体积庞大，而且价格昂贵，不适合个人电脑和便携式计算机。”而量子反常霍尔效应的美妙之处是不需要任何外加磁场，在零磁场中就可以实现量子霍尔态，更容易应用到人们日常所需的电子器件中。

2006年, 美国斯坦福大学张首晟教授领导的理论组成功地预言了二维拓扑绝缘体中的量子自旋霍尔效应，并于2008年指出了在磁性掺杂的拓扑绝缘体中实现量子反常霍尔效应的新方向。2010年，我国理论物理学家方忠、戴希等与张首晟教授合作，提出磁性掺杂的三维拓扑绝缘体有可能是实现量子化反常霍尔效应的最佳体系。这个方案引起了国际学术界的广泛关注。德国、美国、日本等有多个世界一流的研究组沿着这个思路在实验上寻找量子反常霍尔效应，但一直没有取得突破。因此量子反常霍尔现象也被称为物理学研究皇冠上的明珠。

量子反常霍尔效应实现非常困难，需要精准的材料设计、制备与调控。尽管多年来各国科学家提出几种不同的实现途径，但所需的材料和结构非常难以制备，因此在实验上进展缓慢。

2009 年，薛其坤和他的团队也开始了对量子反常霍尔效应的攻坚之路，薛其坤在许多人的眼里，并不算是一个天才。

1963 年，薛其坤出生山东省沂蒙山区的一个小村庄，家里兄弟姐妹比较多。读小学、中学时，农村条件还相对落后，大人们都在为生计而努力。薛其坤也没有做什么物理学家的梦，只是有书读那就读。后来，国家恢复高考的消息传来，薛其坤觉得不能浪费这个机会，就开始用心备战高考。

1980 年，17岁的薛其坤考入山东大学光学系，之所以选择光学系也是因为老师推荐了这个专业，对什么专业都不懂的薛其坤依葫芦画瓢填了这个专业。1984年毕业的薛其坤开始边工作边考研，结果考了三次才考上中科院物理所。1990 年硕士毕业之后，结果又花了 7 年时间才拿到博士文凭。

薛其坤有个外号，叫“7-11院士”。熟悉他的人都知道，早上7点进实验室，一直干到晚上11点离开，这样的作息，薛其坤坚持了20年。薛其坤认为自己既然不是“天才”，那就做个“笨人”吧。做好一个“笨人”，才是不容易的。

从2009 年，薛其坤团队经过近5年的研究，从拓扑绝缘体材料生长初期的成功，再到后期克服实验中的重重难关，薛其坤团队付出了常人难以想象的努力。但实验最终的成功与否，还要看一个标志性实验数据——在零磁场中，能否让磁性拓扑绝缘体材料的霍尔电阻跳变到25813欧姆的量子电阻值。

他们生长测量了1000多个样品。最终，他们利用分子束外延方法，生长出了高质量的Cr掺杂（Bi，Sb）2Te3拓扑绝缘体磁性薄膜，并在极低温输运测量装置上成功观测到了量子反常霍尔效应。这是首次在实验上发现量子反常霍尔效应。

2010年，课题组完成了对1纳米到6纳米（头发丝粗细的万分之一）厚度薄膜的生长和输运测量，得到了系统的结果，从而使得准二维超薄膜的生长测量成为可能。

2011年，课题组实现了对拓扑绝缘体能带结构的精密调控，使得其体材料成为真正的绝缘体，去除了其对输运性质的影响。

2012年初，课题组在准二维、体绝缘的拓扑绝缘体中实现了自发长程铁磁性，并利用外加栅极电压对其电子结构进行原位精密调控。

2012年10月，课题组终于发现在一定的外加栅极电压范围内，此材料在零磁场中的反常霍尔电阻达到了量子霍尔效应的特征值h/e2—25800欧姆——世界难题得以攻克。

课题组克服薄膜生长、磁性掺杂、门电压控制、低温输运测量等多道难关，一步一步实现了对拓扑绝缘体的电子结构、长程铁磁序以及能带拓扑结构的精密调控，最终为这一物理现象的实现画上了完美的句号。

近5年艰苦卓绝的协同攻关，薛其坤团队克服薄膜生长、磁性掺杂、门电压控制、低温输运测量等多道难关，一步步实现了对拓扑绝缘体的电子结构、长程铁磁序以及能带拓扑结构的精密调控，最终为这一物理现象的实现画上了完美句号。

《科学》杂志的一位审稿人说：“这项工作毫无疑问地证实了与普通量子霍尔效应不同来源的单通道边缘态的存在。我认为这是凝聚态物理学一项非常重要的成就。”另一位审稿人说：“这篇文章结束了多年来对无朗道能级的量子霍尔效应的探寻。这是一篇里程碑式的文章。”

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