晶片世界：集成電路探秘（簡體書）

中國科學院院士積體電路專家鄒世昌講述自身成長的小故事，回答孩子們最感興趣的問題，講述了晶片的小知識，更重要的是聯繫我國積體電路產業的現狀，讓科普同實際密切相連。

鄒世昌 中國科學院院士，著名的材料學家，“兩彈一星”研製的核心成員，國內離子注入技術和上海集成電路產業的奠基人之一。
海波 SMG東方廣播中心首席節目主持人。主持《海上暢談》《海波熱線》等節目。獲得全國金話筒稱號、上海長江韜奮獎，蟬聯三屆上海廣播電視臺名主持人稱號。
秦暢 SMG東方廣播中心首席節目主持人。主持《海上暢談》、《市民與社會》等節目。獲得全國新聞界最高獎項：全國第八屆長江韜奮獎（長江獎），全國廣播電視主持人金話筒獎、中國新聞作品一等獎。
武愛民 中國科學院上海微系統所副研究員，加州大學伯克利分校訪問學者，主持國家科技重大專項和中科院先導計劃等集成電路相關重大科技項目。

大院士為中小學生講科普。
這套書是特別為孩子們準備的。九位中國院士從芯片、太陽能、基因、有機化學、風雲衛星、紅外遙感、北斗定位系統、天文、腦科學九個方面與孩子們進行了對話，回答了他們天馬行空的問題，為他們講解了基礎的科學知識。
這套書適合9-14歲的孩子自主閱讀，也適合教師和家長陪伴閱讀。書中的“聚焦產業”“聚焦專業”兩個小欄目講述了我國相關領域的發展現狀和前景，以及涉及到的相關專業，幫助教師和家長引導大一點的孩子進行生涯規劃，設立人生的小目標，讓夢想飛得更高！

目錄
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命運同中國科學事業緊緊相連

在戰火中出生，小時候依靠助學金才能繼續求學 的鄒世昌院士，是我國極少數同時參加“兩彈一星” 與“集成電路”研製項目的科研人員之一，來看看他 的科研之路吧。

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包羅萬象的芯片

把一個複雜的電子系統放到一個指甲蓋 大小的集成電路芯片裡，這張小小的芯片可 能記錄你乘坐公交車的信息，也可能記錄你 參加一次大會的信息，甚至可能記錄你所有 的身份信息。很神奇吧，來看看包羅萬象的 芯片吧。

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有個性的半導體

半導體是一種導電性可受控制，可以從 絕緣體至導體之間變化的材料。半導體最大 的價值是其導電性能夠通過外部條件的改變 而改變。

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芯片的生產線

芯片在我們生活中的方方面面都能用 到，那麼我們怎麼樣才能製造出芯片來呢？ 芯片的生產線到底是什麼樣子的呢？

我生在1931年，在我懂事的時候，抗日戰爭就爆發了。當時的上海，有幾塊地方是租界。現在大家熟悉的市中心、南京路這些地方，那是英租界，淮海路是法租界，四川北路虹口那一帶是日本租界，外圍那一圈才是中國人自己的地盤。日本人就在郊區，閘北那個地方打響了。到了1941年，太平洋戰爭爆發，租界也被日本人佔領了。老百姓受盡了苦難，吃的米都是碎米，或是發黴的米。日本人有個封鎖區，你要買點糧食就必須經過日本人的封鎖區，經過封鎖區的時候，日本人都要搜查。有個孕婦經過封鎖區，日本兵就用刺刀去捅，我們的同胞，母親和孩子的兩條命就被捅死在刺刀之下。親眼目睹這些情況，在我幼小的心靈上就埋下了受壓迫、受欺淩的仇恨。
可以說，我小時候正值國難，大環境很動盪，再加上家庭經濟狀況本來就不是很好，所以那個時候我要念書，就很困難。想讀書靠什麼呢？當時上海有兩張最大的報紙，一張是《申報》，一張是《新聞報》，這兩張報紙用有錢人捐助的錢設立助學金，也有一些有錢的資本家設的獎學金，要得到這些資助，得憑你的成績，書要讀得很好。我就是靠社會上方方面面的支持，才完成了我的中學學業。不靠這樣的幫助，像我這樣的家庭，根本不可能到初中畢業，更不用說高中畢業。我家庭比較清苦，不指望我讀大學，我就上了一個中華職業學校，想畢業以後就去做工。中華職業學校的校舍就在陸家浜，靠近江南造船廠那個地方。
抗日戰爭爆發後，日本人徵用這個學校，把這個學校的人趕到市中心浦東同鄉會。抗戰後期，美軍開始轟炸江南造船廠，日本人又要佔領浦東同鄉會，再把我們趕回去。我們學生當時每個人搬一條椅子一張桌子，就這樣步行搬回到原來的校址。每天中午在教室裡上課的時候，B―29轟炸機的炸彈就扔在我們旁邊的江南造船廠。上課的老師講，不能下課，如果現在下課把學生放出去，在路上被炸了，學校對家長就解釋不清楚了，要炸死的話就大家一起死。處在當時那樣一個環境裡，我就經常會想，為什麼我們中國人就這麼窮？為什麼我們中國人要這樣受日本人欺負？1945年8月，美國在廣島和長崎扔了兩顆原子彈，日本就投降了。我也從中懂得了國家經濟實力強大與科學技術進步是取得戰爭主動權的重要因素，中國之所以受侵略與壓迫，國力不強與技術落後是一個很重要的原因。我們當時對抗戰勝利抱有很大的希望，覺得抗戰勝利了，用老百姓的話說就是“天亮了”。想不到抗戰勝利以後，國民黨接管上海，並沒有給老百姓的生活帶來多大變化。無非是日本人走了，換來了美國人，美國兵在上海街道上橫行霸道，社會秩序一塌糊塗。國民黨派來的接收大員貪污腐敗，物價飛漲，老百姓的生活還是處在水深火熱之中。於是，我又從中悟出一個道理：國家要富強，單有經濟實力恐怕還不行，還要有一個為老百姓服務的政府。我青少年時代對好多問題的認識，都是在反面的環境裡慢慢地悟出來的。
1949年解放前夕我剛好高中畢業，畢業後還想繼續求學，非常想上大學。當時的社會環境，除非能考上國立大學，家裡是沒有錢支持我上私立大學學習的。我考了好幾所大學。那時考大學和現在不一樣，一所一所地考，一個夏天可能要趕十幾場考試，每所大學考一場。成績好的學生，好幾個大學都會爭著錄取，在報上發榜，排在前面的是正取生的名單，後面的是備取生的名單。我考進好幾所大學，交大考上了，同濟考上了，北大也考上了。家裡父母反復斟酌，還是叫我去讀中國紡織工學院。中國紡織工學院是榮家申新集團所辦，這個學校給出的條件是免學費、住宿費、膳食費，還給衣服穿，畢業後直接進申新紗廠工作。那時我們念大學，最要緊的畢業後要找一份工作，因為以前大學一畢業就失業是常有的事。為了減輕家裡負擔並在大學畢業後能找個安穩的工作，及早挑起家庭負擔並幫助弟弟和妹妹們，出自這樣的考慮就進了中國紡織工學院。
進中國紡織工學院後不久，國家開始搞建設，建設的重點是重工業。當時我想為國家建設出力，覺得學紡織好像不行。我就想放棄一年，再考大學，考到北方去。後來我到了北京以後，一看唐山交大招轉學生，可以插班讀二年級，就直接從北京到了唐山，考上了唐山交大。
我大學畢業的時候，趕上國家第一個五年計劃開始，急需人才。我們這批大學生是提前一年畢業分配工作的。我被分配到中國科學院，從這開始，我的命運就和中國的科學事業聯繫起來了。
第一年做的工作是什麼呢？當時長春正在建設國家第一汽車廠，首先要造的汽車是載重五噸的卡車，相當於現在解放牌的載重車。那時候蘇聯造汽車用的鋼是蘇聯產的系列鋼，後軸用的是含有鎳和鉻的低合金鋼。當時在我國這兩種元素十分奇缺。我到了研究所報到後，第一項科研工作，就是要製造出用我們國家富有的元素錳、鉬取代鎳鉻的低合金鋼，確保我國的第一個汽車廠能順利地啟動生產。這也可以說是20世紀五十年代初建立我國低合金鋼系統的開創性工作。
工作一年以後，國家要派一批年輕人去蘇聯學習，我很幸運，我以前連做夢也想不到可以出國留學。到了蘇聯以後，我把全部精力放在學習上。蘇聯的基礎教育還是挺強的，好多教材，像高等數學、理論物理、都有比較經典。我在莫斯科拿了學位，就是當時蘇聯的副博士。
同學們，在20世紀60年代，我國還有一個至關重要的國防任務，就是要造兩彈一星，即是原子彈、氫彈和人造衛星。
濃縮鈾是造原子彈的關鍵所在。什麼叫濃縮鈾？采出鈾礦提煉成金屬鈾，鈾有兩個同位素，鈾238和鈾235。鈾235可以產生裂變反應，所以要製造原子彈，鈾238是沒用的，只有鈾235才有用。但是，在天然鈾中，鈾235的含量只有0.7﹪，也就是7‰，其餘的99.3﹪都是鈾238。要造原子彈，就要把濃度為7‰的鈾235濃縮到90﹪以上，這就叫濃縮鈾。

我前幾年到日本，專門去看了美國在廣島扔的原子彈，這個原子彈名叫“小男孩”，因為它的大小跟小孩子一般大。它的核心部分是兩塊放在兩邊的濃縮鈾，兩塊濃縮鈾中間有個引擎，是一個爆炸裝置。原子彈升到一定高度後，這個引擎就起爆，隨後，兩塊濃縮鈾碰在一起，超過臨界體積，就產生了鏈式裂變反應。
要造原子彈的關鍵就是要有濃縮鈾。當時世界上會做高濃縮鈾的只有兩個國家，一是美國，二是蘇聯。在20世紀四十年代，美國有個曼哈頓工程，是由當時美國總統羅斯福批准的。羅斯福批這個工程的時候，還聽過科學家的意見。美國到底要不要造原子彈，羅斯福問過愛因斯坦，愛因斯坦說可以，羅斯福就批了。

怎麼生產濃縮鈾？在過去，技術不是很先進的時候，從天然鈾中提純濃縮鈾是非常不容易的事情，當時主要採取氣體擴散法。

把鈾轉化成六氟化鈾。六氟化鈾中的“鈾”，既可能是鈾238，也可能是鈾235，但我們現在已經清楚，99%的可能是鈾238。製成六氟化鈾後，接著把六氟化鈾加熱使它變成氣體，然後在這些氣體中把鈾235分離出來，怎麼做呢？
我先舉個例子，在一撮麵粉裡混點沙子，使勁一吹，先揚起來的是什麼？是麵粉，對不對？因為麵粉的顆粒比沙子輕一點，吹口氣，質量輕的，先被吹起來。在當時，技術條件有限的情況下，要想分離鈾235和鈾238，就是利用了它們之間這一點點質量差，畢竟，鈾235比鈾238少了3個中子。
從分子動力學的觀點來講，我們用一個多孔薄膜，薄膜裡有很多分佈均勻且尺寸細小的微孔，薄膜的兩邊有壓差，氣體從壓力大處流向壓力小處，六氟化鈾分子和薄膜微孔的孔壁發生碰撞並通過薄膜，輕分子鈾235六氟化鈾走得快一點，鈾238六氟化鈾走得慢一點。這樣，經過一次擴散，鈾235比鈾238要多一點點，再來一次，再多一點點，經過無數次級連的薄膜擴散，就可以把鈾235濃度增加到90％以上。當時世界上生產濃縮鈾用的就是這種技術。

這種分離法的效率比較低，耗能非常大。圖片中是早期美國橡樹嶺的氣體擴散工廠，這個工廠裡的機器是一個壓縮機接一個壓縮機，整個工廠大概要幾公里長，不斷地運作，一刻也不能停，用的電力大概等於一個中等城市的電力。基於同樣的原理，後來又使用離心機來分離鈾235，離心機分離法的效率要高於氣體擴散法。



我那三四年白天晚上都在實驗室裡奮鬥，完全是一種獻身精神，為的就是為國家爭一口氣。直到20世紀八十年代，國家給我們這個研發項目獎勵了發明一等獎，這是很高的一個獎。還給了幾萬塊錢的獎金，不管是所長室主任還是輔助技術人員，大家平分，每人都拿一份，又給每一個參與過這個工作的有關科技人員每人發一張獲獎證明。1999年，國家在人民大會堂舉行兩彈一星的授獎典禮，全國獲獎者只有23人，上海只一個，就是我的老師，老主任吳自良先生。參加兩彈一星工程的全國可能有幾萬個人，獎授給誰好？當時也是一個很大的爭議，中央為這件事開了幾次會。最後定下來的名單中只有23個名額，甲種分離膜的代表人物，就是我們的代表人物室主任吳自良，我也有幸參加了人民大會堂的授獎典禮。
20世紀70年代以後，我進入了另外一個科研領域，就是半導體材料領域。我國的半導體研究，1965年就開始了。我搞了幾十年的半導體科研，我的夢想就是想看到中國集成電路作為一個規模產業被建立起來。集成電路的研究與製造水平，綜合反映了一個國家的科技和經濟實力。如果沒有掌握這種技術，說明我們還沒有掌握信息產業的核心技術。
一個電子系統的核心是什麼？就是兩樣東西，一個是硬件即集成電路，一個就是軟件。而現在，集成電路的關鍵部分都不是中國製造的，而是從國外進口的。我們做的是把國外的組件組合裝配，有的產品說得難聽一點，是貼個牌子就完事了。這種狀態是很危險的。
我們的目的決不是在國內建立一批外國設計公司的加工點，而是希望建立我國自主知識產權的半導體工業。這件事是幾代科技人員的願望，也包括我的前輩，如已故的復旦大學前校長謝希德，她是我國著名的女科學家，也是半導體專家，建立我國自主知識產權的半導體工業也是謝校長這一輩人的夢想。
我們這一輩人趁現在還做得動要為年輕人做鋪路石子、打好基礎，希望年輕人繼續攀登，經過幾代人的努力和奮鬥，這個夢想一定會實現。只有這樣，我們國家才是一個真正的經濟科技大國。

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