芯片之谜为什么它们必须是半导体

芯片之谜：为什么它们必须是半导体？

在当今的科技世界中，芯片是电子设备运行的核心，它们无处不在，从手机到电脑，从智能家居到汽车控制系统，都离不开这些微小而强大的电路板。然而，当我们深入探讨芯片的构成时，我们会发现它们竟然必须由半导体材料制成，这种命名听起来似乎有些神秘和复杂。那么，为什么芯片非要是半导体呢？让我们一起揭开这个谜题。

首先，让我们来理解什么是半导体。半导体是一种介于金属与绝缘材料之间的物质，它具有良好的导电性，但比金属更难以导电。这一特性使得它成为制造集成电路（IC）所必需的关键材料。在集成电路中，信息通过极细微的小孔洞——晶闸管（MOSFETs），或者称为门控场效应晶闸管——传递，每一个这样的晶闸管都可以被认为是一个开关，可以用来控制电子流量。

现在，让我们回到“芯片为什么是半导子”这个问题上。答案很简单：因为只有通过精确控制和调节电子流动才能实现高密度、低功耗、高速度且可靠性的集成电路设计。而这一切都建立在对电子行为有着极端精细化管理基础之上，这正是在现代物理学领域所谓的量子力学下完成的事业。

考虑到这点，我们就能明白为什么不能使用其他类型的材料了。如果使用金刚石或钻石这样的硬质物质，那么它们过于坚硬，不仅无法加工出足够薄弱以进行微型化处理，而且即便能够做到，也会导致成本飞涨，因为这些资源非常稀缺。此外，这些硬质物料通常不会产生所需的一般带隙能量，因此对于高性能计算来说并不合适。

同样地，如果采用普通金属，那么由于其过于好conductivity，他们将无法提供需要的精确操纵功能。这也意味着他们不是为了提高速度，而是在利用每个带宽单元上的所有可能性，以最大程度地减少热生成并降低功耗。当你想要每秒钟处理数十亿次操作时，你需要的是一种能够维持稳定状态并且只允许必要数量进入或离开信号流的人工制品，而不是像金字塔那样巨大的建筑物。

因此，基于以上原因，对于任何想要创造出高性能、紧凑型和经济实惠产品的人来说，只有选择那些既足够脆弱又足够灵活以至于能够被直接编程用于特定任务，并且拥有调整自身工作模式能力的人工制品—即硅基半導體—才是不二之选。这就是为何，在整个技术发展史上，硅一直作为最受欢迎和广泛应用的心智扩展媒体（MEMS）的主要组分而存在，即使今天仍然如此，无论是在数据存储器还是中央处理单元(CPU)方面都不例外。

最后，但绝非最不重要的一点，是成本因素。虽然开发新技术总会涉及大量资金投入，但是市场驱动力的压力迫使公司寻找既有效率又经济实惠方法来生产商品。一旦某种新的原料出现并证明自己能够胜任要求，就很可能迅速取代旧有的竞争者。不幸的是，对人类目前掌握的大多数其他天然元素来说，由他们制造出来的话，将无法满足当前需求，使得工程师不得不寻求更好的解决方案，即使用已知可行性的硅基材料制作出了最佳结果。

综上所述，一系列不可避免的情况促成了人们选择将自己投资在硅作为主要心智扩展媒体的心理过程。在没有更多选择的情况下，他们把重心放在了一种已经证明自己的耐用性、可靠性以及与众不同的物理属性，使其成为一种完美的手段去执行复杂任务，同时保持能源消耗尽可能低，同时保持价格相对较低，这些都是为了保证长期成功和持续增长唯一可行策略之一。但如果有一天科学家们发明了一种全新的类似硅但更好的材质，那么我们的观念也许将改变；但是直到那一刻，世界依旧围绕着这样一个事实转——至少目前看来，“chip”必须是一个“semi-conductor”。