現代計算機變得越來越小巧也越來越便宜。你一定還記得最早的通用計算機ENIAC有一間房間那麼大，並且成本高昂，只有財力雄厚的政府才能支付得起。那時的人們一定不會想到計算機的個頭會變得如此之小，小到人們可以把它放到桌子上，塞進揹包甚至褲口袋裡。人們也不會想到計算機會變得如此便宜與普遍，很多個人，家庭或著企業都有很多臺計算機。一臺智能手機其實也是一臺計算機，一臺可以打電話的計算機，它小巧便攜，功能強大，幾乎人人都有一部。現代人常用的路由器其實也是一臺迷你計算機，它可以執行各種程序，比如一個http服務器——好讓你可以通過網頁對路由器進行設置，而它大概只有幾百元錢。究竟是什麼樣的魔法把巨人般難以接近的計算機變得如此小巧可愛平易近人？這一偉大的革新離不開兩項重要的發明——晶體管和集成電路。
萬能的晶體管
一切都要從晶體管說起，它是集成電路的基本構件，同時也是現代計算機偉大創新的起點。首先，晶體管是一種電子開關，可以用電控制的開關。電子開關在計算機中佔有重要地位，偉大的信息論創始人香農在1930年的一篇論文中展示瞭如何使用電子開關實現布爾邏輯，而各種數學運算完全可以基於布爾邏輯實現。晶體管與它的前輩電子管相比有很多優點，能耗更低，體積更小，同時更加可靠。另外，使用晶體管可以實現常見的電路元件——電容,晶體管還可以用於實現存儲器，寄存器和內存都是用晶體管實現的。於是，堪稱多面手的晶體管成為了現代計算機的關鍵組件。
第一個晶體管
沙子鍊金術
硅，地球上第三大豐富的元素，沙子的主要成分，同時也是製造集成電路的主要原材料。製造集成電路需要超高純度的硅晶體。這裡的純度既是指硅本身的純度非常高，只含有極少的雜質，同時也是指硅晶體的晶體缺陷也微乎其微。典型的晶體缺陷包括“間隙原子”（多出原子），“空位”（缺少原子）。
如何生產符合要求的硅晶體呢？首先在熔爐中加熱二氧化硅和碳，通過還原反應得到了純度不高的硅單質。接著，將硅氯化，得到硅的鹵化物，這種物質在室溫下是一種液體。我們將其多次蒸餾最終可以得到超純狀態。最後將鹵化物放在氫氣中加熱，即可生產出高純硅。
接著我們要把高純度的硅變成硅晶體。將硅融化，放進一個巨大的石英熔爐。放入一個晶種，硅晶體將圍繞著它生長，形成一個近乎完美的硅晶體。
得到了超高純度的硅晶體後，要把它切割成非常薄的晶片（厚度大概800微米）。接受打磨和化學清洗的晶片表面將會呈現原子級的光滑，接著我們將在晶片的光滑表面上製造集成電路。
集成電路印刷術
集成電路是一種集成在一小片半導體材料（通常是硅）上的電路。通過把大量的微小的晶體管集成在一塊硅片上，人們可以把電路造的更便宜，更小，同時這種電路運行的也更快。一塊指甲蓋大小的集成電路可能有數十億個晶體管。這些集成電路就像是一個小小城市，無數的電訊號在其中飛奔。在集成電路出現之前，人們手動的把晶體管焊接到電路上，這種方式繁瑣耗時同時容易出錯。可以說，集成電路的出現是計算機小型化和普及的重要里程碑。
如何製造集成電路？首先要利用低壓化學氣相沉積系統（LPCVD）在晶盤上放置一層硅氧化物（薄膜）。硅的氧化物，就好像是鐵鏽，但同時它也是最好的絕緣體之一。低壓化學氣相沉積系統將晶片放入可控的加熱爐內（大約900攝氏度），然後流入適當的化學蒸汽（二氯甲硅烷），這種氣體被用來製造那一層硅氧化物。這種方法的好處是它不會消耗晶片內的硅，同時生成的硅氧化物既可以覆蓋晶片表面的臺階，也可以填充晶片表面的空位。化學氣相沉積系統（CVD）不僅可以幫助我們放置硅的氧化物，還可以放置其他的層，比如用以導電的金屬層。
製造集成電路需要將各種不同材料的薄膜沉積在晶片上，為了能允許摻雜劑通過薄膜或使兩個不同層之間形成電觸點，我們利用光刻技術在薄膜上刻出不同的形狀。光刻的過程類似攝影：將光刻膠均勻的塗抹在晶盤上（高速旋轉晶片，液態光刻膠滴落其上，離心力會使光刻膠均勻分佈），類似於底片。光線透過光刻板（石英板上鍍上某種圖案的鉻金屬，石英透光，鉻不透光）中的透光部分，投射到光刻膠上，被光線照射過的光刻膠會變得容易溶解，這個過程類似於攝影中的曝光。然後用刻蝕技術去掉被光線照射過的光刻膠和它下面的薄膜層。這個過程類似於攝影中的顯影。
常用的刻蝕技術包括等離子刻蝕。等離子體是物質的第四種狀態，它的本質是一種電離（最外層價電子被剝奪）的氣體，擁有很強的化學活性。等離子刻蝕系統把適當的刻蝕氣體引入密室，然後在高頻電磁輻射下電離，產生的高能等離子體轟擊光刻膠，那些被光線照射過的光刻膠和它下面的氧化物薄膜層被等離子轟擊出目標區域。等離子刻蝕技術的優點是容易控制方向，可以產生清晰的刻蝕剖面。
光刻系統使用的光是紫外線，因為紫外線的波長非常短，波長越短，越可以刻出非常清晰的圖案。典型的光源是氪氟準分子激光器，它可以產生波長193納米的純淨深紫外線。在曝光的過程中還需要透鏡，因為我們的光刻版通常較大，需要透鏡將投影到光刻膠上的圖形縮小。
有時紫外線的波長也不能滿足我們對精度的要求，這時候就需要電子束光刻出場了。電子是一種波長極短的波，所以它的精度很高。另外它不需要光刻版，它使用電場和電子透鏡把電子投射到需要曝光的區域，這是一個巨大的成本優勢。它的缺點是相比於光刻技術它的速度過於緩慢。
光刻的過程似乎和攝影高度相似，其實光刻技術就是受到攝影技術的啟發才被髮明出來的。晶體管的發明人，諾貝爾獎的獲得者肖克利想把膠片中的光刻膠用於晶體管上的刻蝕圖形，他派人去柯達公司實地調查，之後光刻技術很快成型，並且應用於晶體管的製造。
肖克利
在光刻結束後，我們要進行離子注入，在那些未被光刻膠和薄膜覆蓋的地方注入離子來改變它們的電氣特性（光刻的意義）。離子注入需要一個小型的粒子加速器，將摻雜劑原子加速到光速的幾分之一，然後將它們猛擊到晶體表面。在高速的情況下，原子將透過表面，嵌入晶體中。可是，在離子注入的過程中，晶體表面遭到破壞，變得非晶化，於是我們將晶體放置在高溫的退火爐中，使晶體表面的注入損傷得以修復。但我們要注意放置的時間，過長的時間會使注入的原子移動。
通過以上步驟，我們製造出了很多的晶體管。但現在需要把它們用金屬導線連接起來。首先將導電的種子層沉積，刻蝕出連接圖形。然後將晶片浸入銅電鍍液中，在銅電鍍液和種子層之間施加電壓，即可僅在覆蓋有種子層的地方形成銅的沉積物。這一過程被稱為電鍍。
結語
本篇文章介紹的製造流程是被大幅簡化的，實際上製造集成電路還有很多繁複的細節，並且製造時間要持續數週。我可以謹慎的認為，在所有的人類工程中，製造集成電路是最為複雜的。集成電路是我們人類智慧的結晶，是人類的智慧把一粒粒的沙子變成了一種強有力的工具。
