当你给手机充好电，将它轻轻拿起或双击它的屏幕时，它随即回应你的呼唤。屏幕亮起来的一瞬间，电能神奇地转化成了光，它的功能正式显现在你眼前。
这一气呵成的秒级动作，牵动了半导体世界的四大家族。
那个提供动力的手机快充头里，有着把电能进行变压、变流、变频的功率器件，它属于半导体四大家族之一的“分立器件”；触控屏里的压力传感组件，来自“传感器”家族；之后，“集成电路”家族里的中央处理器（CPU）接收来自传感器的信号，并发出指令；最终响应的手机屏幕是“光电子元器件”家族的成员，负责发光，显示界面。
半导体四大家族里，最人多势众的是集成电路，也就是人们常说的“芯片”，它占据了半导体世界八成以上的地盘，又因为另外三个家族往往也需要多个器件重复组合，以至于人们通常笼统地把“芯片”和“半导体”画上等号。但集成电路永远需要和另外三个家族合作，否则后果严重。
如果没有了功率器件，那么高铁、地铁、新能源汽车就动不了，太阳能发电机没法并网供电，空调、冰箱不会制冷，医院不间断的电源就会失效。如果没有了传感器，汽车的安全气囊、公共场所的烟雾警报器不会工作，实验室里没法做DNA测序，病毒核酸检测也无从谈起。如果没有了光电子元器件，就没有光伏发电，也不会有激光雷达，建立在光纤基础上的现代通信将失去它的内核。
你大概已经意识到，这两成半导体疆域尚且寸土不可失，那占了八成体量，和我们捆绑更深，复杂程度也更高的集成电路（下称芯片）领域，更是高科技发展的必争之地。
芯片有着庞大的体系，它和人体细胞一样神秘，我们极少看见它的真面目，但它无处不在。小到身份证、银行卡、交通信号灯、家电、智能手机，大到超级计算机、汽车、高铁、大飞机、人工智能，不同的应用场景，让芯片显得更加眼花缭乱。
理解信息化社会的基底，就要回到起点，从认识这些芯片开始。
芯片在工作
芯片离我们很近，近到就内置在二代身份证的正中央，近到银行卡上的那个金色片片，近到那张让你能够接打电话的SIM卡——这些是我们见到它的最直观的场景。
它们的重要性显而易见，你的身份信息、资产信息、头像指纹、通讯录就存储在其中，当你搭乘高铁、飞机，去银行取钱或获得上网资格，就是通过对比处理这些信息，来识别“你是你本人”。
这三张芯片算不上复杂和尖端，但正因为它们相对简单，用来帮助我们理解芯片再好不过，因为它们已经包含芯片最核心、最基本的构件：处理器和存储器。
这两个小东西是人类发明史上的绝配。尽管处理器被认为是芯片王冠上最宝贵的明珠，但任何时候，都应当将它俩放在一起来理解计算机的工作。就像人类大脑思考的过程都建立在信息记忆的基础上，无论那些记忆是临时的，还是永久的。
有了这个前提，我们再来认识处理器，它是所有芯片中设计和制造难度最大的一类构件。今天，最常见的处理器是中央处理器，即CPU。虽说处理器并非只有CPU，但取名的艺术表明，CPU的中枢地位非其他器件所能比拟。
这个中枢地位有两层含义。一方面，CPU像司令一样，听取来自诸如传感器的各种报告，并指挥其他芯片部件工作。另一方面，CPU是一片土壤，各种软件、应用程序就是土壤里长出来的花草树木。CPU负责调用和运行程序，程序的每一条指令都要经过它的解析和执行，可以说，它是整个软件生态的起点。
存储芯片的身价虽比不上处理器，但只要想到计算机死机时，文档没来得及保存，以及它是所有机密、隐私数据的载体，你就不会轻视它了。
存储芯片的门类也不少，大体上和人一样，有短期记忆、长期记忆两种存储模式。当你实时玩起手游《王者荣耀》，要想玩得丝滑，除了CPU给力，负责短期记忆的内存芯片也在为你的即时体验服务；至于存在你手机里的照片，闪存让这些回忆刻骨铭“芯”，关机后它也不会消失，你不删，它就在，即使删了它，也有办法找回来。
存储器件分出两条路径，主要是提供便利、节省成本的需要，不过倒也契合着一个朴素的规律：有价值的信息才值得留存，冗余的信息阅后即焚，别来占位置。
认识了处理器和存储器这对搭档，你还需要留意另一个重量级角色。你想过吗，有线电话是怎么变成移动手机的，网速又是怎么变快的呢？这是射频芯片的功劳。
当你和千里之外的朋友通话，你们的手机各自接收来自基站的信号，同时也都在把新的信号发射给基站。但发射时，信号要足够强，得做放大处理，才能避免在传输过程中因损耗而消失殆尽；接收时，也要处理变得微弱的信号，降低噪声干扰，让信息更纯净——射频芯片就在做这些工作。
射频芯片的功能越强大，能够处理的频谱范围越广，信号传输的速度就越快。就像同样一分钟，八车道的通车量比四车道更大一样，信息传输的效率也和带宽有关。手机之所以从最开始的只能打电话，到后来既能发短信又能上网，就是因为带宽变大了。
这得益于构成芯片的晶体管变小，电子开关的反应速度加快，信号来回奔跑的频率（车道）更高，同时容纳的“车”也变多了，也就能更多更快地传输信息——这也解释了为什么5G的核心之一是射频芯片，以及为什么需要更精细、更先进的7纳米芯片提供硬件支撑。
以CPU、存储、射频芯片为代表，它们呼应着90年前提出的计算机通用结构——冯·诺伊曼结构。这一结构呈现出一种简洁的美，也勾勒出传输、处理、存储三个基本单元，而信息社会的大厦，就建立在这三块基石之上。
娇滴滴的宝
一颗指甲盖大小的手机芯片由几百万甚至上百亿个比细胞还小的电子开关组成，人们叫它“晶体管”。它们不知疲倦地把守着各自负责的要塞，负责开关闸门，控制着电子流动的方向，以此传达不同的讯息。
这些晶体管非常娇贵，还有重度洁癖。制造芯片的原材料之一叫“晶圆”，它长得像一张比萨饼，但厚度不超过1毫米。其主要成分是硅，硅和沙子是近亲，但沙子里有非常多的杂质，这是晶圆不能容忍的。纯度为98%的硅，听起来纯度已经够高了，但这只能达到冶金工业的要求，要制造芯片，硅的纯度必须达到99.999999999%。
芯片的生产车间属于无尘车间，与其说它像工厂，不如说像手术室。这个高标准从最早生产芯片的IBM公司那里就有了雏形。具体有多严苛，上海华虹NEC电子有限公司的管理人员曾透露他们在20世纪末建芯片厂的要求：为了防止尘埃降低芯片生产质量，尘埃微粒的粒径不能超过芯片电路线宽的三分之一。这里的线宽为微米甚至纳米级别，如果要将线宽做到0.25微米，无尘车间就必须对粒径0.09微米以上的尘埃进行控制，而肉眼可见的最小尘埃，粒径大约是50微米。