美国为什么不用芯片技术卡俄罗斯的脖子？
来源:嵌入式专栏发布时间:2022-09-30470浏览
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芯片对现代社会的发展至关重要，不仅是手机电脑，汽车、家用电器也开始搭载芯片，向智慧化时代发展。因此芯片制程的重要性不言而喻，但如今，先进的技术却被西方垄断，无论加工厂还是光刻机，都被西方企业牢牢把握在手中。而最近，这些企业几乎同时宣布对俄罗斯断供，英特尔、ARM、高通、三星等巨头都决定停止对俄供货，这背后显然是美国的授意。
所以说，其实早已对俄罗斯下手了。但是民用市场需求没有中国旺盛。
与中国相比，俄罗斯在微电子产业的发展速度上要远远逊色于中国，源于双方消费市场的差异，中国形成了庞大的消费电子产业，在与美国的多个高科技产业的合作过程中，掌握了基本的芯片前端开发到生产的环节，这也让越来越多的中国高科技企业发展了起来，并发展出了自身的半导体工业，虽然在尖端民用消费电子芯片上还没有达到极高的水准，但也可以凭借相对完善的供应体系为全球市场提供足够多的产品，俄罗斯目前在消费电子领域的主要供应国家就是美国与中国。
虽然俄罗斯的民用芯片市场处于劣势，但好在其需求总量较少，大部分也可以找到替代方案，如果美国单方面对俄罗斯芯片需求者进行制裁反而会影响自身的出口额，这对于美国来说是毫无利益的事情，同样俄罗斯在安全性极高的部门中也不会轻易使用美国的芯片。
对于中国而言，由于芯片市场需求庞大，尤其是对高端消费电子产品需求旺盛，加上本身具备一定的产品研发能力，让美国感到了紧张，才会毫不顾忌后果地打压相关企业。
对于俄罗斯的芯片和光刻机发展，俄罗斯也曾做出过努力，但由于没有任何技术积累，市场又小，实施起来的难度相当大，最终俄罗斯直接选择放弃了芯片领域的发展。因此即便俄罗斯没有光刻机，使用的大量芯片都是依赖进口，但仍旧不惧怕美国的制裁。据统计，俄罗斯国内的芯片市场非常小，甚至连全球的2%都不到，因此美国虽然动不动就对俄罗斯进行制裁，但在芯片领域却拿俄罗斯没办法。由于使用量少，所以随便下个单就够用很久了。而且没有在产业链全面铺开，所以在生产、设计等环节对美国的依赖度不存在。
俄罗斯在民用市场确实被卡脖子，但是军用技术领域有自己的路线。
虽然俄罗斯在普通民用消费电子产品上的工艺水平和产量不高，但在军用技术领域与核心设备上具备自足供应的能力，加上俄罗斯微电子工业也有诸多的创新，例如激晶体振荡器以及无掩膜电子束光刻机的生产，这些技术可以在关键场合为俄罗斯提供其需要的芯片制造能力，尤其是在军事领域中，而美国几乎无法在这些方面对于俄罗斯形成扼制，毕竟这些技术都是俄罗斯自研或者合理取得授权的框架，总体上而言芯片本土市场较小。
俄罗斯与电子管
不过俄罗斯没有先进芯片已不是一天半天，过去靠着苏联时期的“电子管”技术，将导弹核心技术牢牢掌握在自己手中，那么未来“电子管”能否顶上？只能说其能满足部分需求，但对于手机、汽车等现代产品来说，却可能起不到任何作用。
俄罗斯电子工业落后的问题，主要和前苏联有关，前苏联曾经是电子管时代世界电子技术的领头羊，前苏联初期的工业基础为电子技术崛起打下了坚实基础
俄罗斯电子工业落后的问题，其实是一个很复杂的话题，完全认定俄罗斯电子工业落后，其实也不恰当，俄罗斯从前苏联继承的电子管时代的电子技术，还是很强大的，完全不影响俄罗斯先进雷达和防空反导系统研发制造。以现今的眼光看，电子管自然是落后的，但是如果加上核战争的因素，电子管技术的优势却非常大。
实际上，俄罗斯电子工业落后的问题，就和核战争有关，和前苏联当初的选择有关。
苏俄电子技术，要分为两个时期，电子管时期和集成电路时期。
首先，电子管时期，前苏联的电子技术实力世界第一
前苏联在电子管时代的电子技术实力是非常强大的，前苏联在此领域的崛起分为两部分，基础时期和崛起时期。
基础时期主要是一战结束到二战结束初期，此时也是前苏联建国的初期。在这个阶段主要是打基础，前苏联在建国初期，借助当时复杂的国际政治关系，通过国内努力、国外引进技术两条路，迅速建立了世界级的工业基础，到了二战时期，电子技术兴起前夜，前苏联已经拥有了成为电子技术强国必需的工业基础。
二战胜利在很大程度上帮助了前苏联，借助对二战德国的技术掠夺，前苏联工业迅速崛起，比如喷气式发动机、火箭导弹等等，其中自然也包括二战德国的电子技术。
而这些，都为前苏联电子技术崛起打下了坚实的基础。
直到上世纪八十年代，前苏联的电子技术实力还很强大，上图为1981-1983，前苏联第一台8位机的个人电脑，一直生产到94年。
战后年代，随着美苏冷战来临，前苏联开始在高端技术领域发力，其中就包括电子技术。借助此前打下的基础，依靠前苏联从上到下的大力支持和扶持，前苏联的工业科技在当时就达到相当高的水平，包括电子技术。
根据公开的资料显示，到上世纪六七十年代，前苏联电子技术达到鼎盛时期，当时前苏联的电子技术实力绝不低于美欧，称之为当时的世界第一，完全合适。实际上直到上世纪八十年代，前苏联电子技术实力还很强大。
这个时期，前苏联电子技术达到巅峰。
上世纪七十年代，前苏联在电子管技术巅峰时期实现地真正的电子技术突破，洗衣机"尤里卡"自动排水计时器第一次出现。
借助电子管时期形成的强大电子技术实力，前苏联完全可以继续在电子技术领域保持优势，但是，前苏联在这个过程中，却走上“邪路”，这个过程就是电子管到集成电路时期。
在集成电路成为电子技术发展新的思路之后，前苏联也对其进行了研究，但是在研究之后前苏联认为，集成电路在核战争情况下的抗干扰能力和可靠性都不好，不如电子管。
以此为基础，在集成电路技术崛起前夜，前苏联走上了电子管小型化的邪路。
在电子技术发展过渡的关键阶段，前苏联放弃了集成电路思路，选择了电子管小型化路线。更关键的是，到了上世纪九十年代前后，在集成电路思路已经越来越受推崇的情况下，前苏联解体，而初生的俄罗斯则面临一系列复杂的难题，尤其是经济问题。原本可以凭借前苏联电子管时期积累的工业基础迅速调整思路，转向集成电路的关键阶段，俄罗斯"休克"了十年时间，十年之后，俄罗斯失去了调整思路赶上美欧电子技术水平的机会。至此，俄罗斯电子技术，开始全面落后。
因此来看，俄罗斯如今电子技术落后的问题，其实是受历史原因影响，但是要说俄罗斯电子技术完全落后，也不客观。在电子管小型化方面，俄罗斯的实力在目前世界还是没有对手的。俄罗斯S300/400等防空导弹系统极强的抗干扰能力，其实就来源于前苏联/俄罗斯的电子管小型化技术。而且，前苏联当时对集成电路在核战争情况下的考虑，也并非完全没有道理。但是很明显，集成电路思路已经是电子技术发展的大势，而俄罗斯显然也需要跟进。电子管仅仅在军事等一些对集成度要求没有那么高的一些电子设备中有一席之地。
俄罗斯利用电子管进行反制裁
由于受到俄罗斯出口禁令的影响，美国 Electro-Harmonix 公司麾下的世界最大的电子管工厂就一度面临着无法供货的困境。虽然经过一番周折后再次宣布可以重新接收订单，但由于受到诸多因素的影响，又不得不通过提高批发价格来解决当下出现的危机。
不过目前最大的问题其实是俄乌冲突陷入僵局之后所导致的不确定性，而世界上绝大多数用于吉他放大器的电子管供应，其实都来自于 Electro-Harmonix 位于俄罗斯的工厂， 这令许多依靠该厂供货的音频设备制造商深深感到了忧虑。
电子管的历史
在当今的生产、生活中，电源处于不可或缺的地位。生产电子产品用的光刻机、贴片机必须使用电源，生活中用的空调、电脑、手机也必须使用电源。
在真空管统治电子线路的时代，大多数的电子线路并不需要供电电源十分稳定，那时的电源无非是整流滤波。通常只需要将交流市电经过变压器转换到合适的电压值后，通过电子管（可以是真空管、汞整流管、充气闸流管等）的整流变成脉动直流电，最后经过电容输入式滤波或电感输入式滤波将脉动直流电转换成为需要的平滑直流电。为了携带方便，也可以用电池供电，这时的真空管是专用于电池供电的节电型的，也就是当年的电池式收音机、收发报机以及电台。由于电子管的电路设计，不太关心供电段输出电压值是否稳定，。所以在当时的背景下并没有大力发展稳压电源的电路设计，真空电子管如图所示。
真空电子管图由于晶体管的发展替代了电子管，现在仍然使用电子管的电路非常少了，仅仅在一些音箱里面还能见到，其他场景几乎很难碰到。因此关于电子管工作原理，现在硬件工程师应该很少有了解。
如今海量的计算机、手机改变了我们的生活。处理着几十年前人类无法想象的事情。但几乎所有技术都基于一个划时代的发明——晶体管。最初人类历史上计算都是用手工计算，比如：算盘。后来最原始的计算机里面使用了机械部件进行计算，计算机的特点就是用特定方式表示数字，并运用系统自动化的处理数字。后来有了电子计算机，使用和机械计算机相同的运算方式。但是电子计算机不适用物理排列数字，而选择“电压”代表数字。大部分计算机使用布尔数学体系。它只有两种可能的值：“True”、“False”，并且用二进制数值“1”和“0”表示。在计算机内部通过各种逻辑门电路执行着。常见的门电路图如图所示。
常见的门电路图
基于某一个输入或者一些输入的计算结果是否满足某一个逻辑陈述，即：我们编程时使用的“if……else……”这种逻辑判断结构。这些电路处理三种基本逻辑运算：与、或、非；其他运算方法都是通过组合这三种最基本的运算逻辑实现复杂运算，比如加法和减法；更多位的运算，就是使用更多单位计算单元的幅值；计算机这样就需要通过程序操作“指令”和“数据”。
这样计算机就需要电的物理量来表示“0”和“1”，比如电压、电流。一般“有电”表示“1”、“没电”表示“0”。世界上第一台数字式电子计算机诞生于1946年2月，如图所示，它是美国宾夕法尼亚大学物理学家莫克利（J.Mauchly）和工程师埃克特（J.P.Eckert）等人共同开发的电子数值积分计算机（Electronic Numerical Integrator And Calculator，简称ENIAC）。电子数字积分式计算机内部的逻辑单元都是用的“真空管”做设备。
1946年2月，世界上第一台通用电子数字计算机“埃尼阿克”（ENIAC）在美国研制成功。它当时由1.8万个电子管组成，是一台又大又笨重的机器，体重达30多吨，占地有两三间教室般大。它当时的运算速度为每秒5000次加法运算。这在当时是相当了不起的成就。
真空管（Vacuum tube）是一种电子管，在电路中控制电子的流动。参与工作的电极被封装在一个真空的容器内（管壁大多为玻璃），因而得名。也有些地方称之为“胆管”。真空管如图所示。
真空管在真空玻璃管内部放两个电极，并且给阴极（如同电阻丝一样）接上电压，使其温度上升，释放电子。同时，在阴极和阳极之间加一个电势差，则由于阳极有正电位，阴极释放的电子就会被吸引过去。这样就形成一种类似二极管的单向导通性。真空管单向导通性示意图如图所示。
真空管单向导通性图为了可以控制是否导通，在真空管的中间位置增加一个电极。这是在两个电极之间增加一个网络状的电路，可以控制电子是否通过。通过控制栅极的电压可以控制是否允许电子通过：当栅极接一个负压，则对阴极的电子排斥，阻止电子通过；当栅极接一个正压，则对阴极的电子进行吸引，加速电子通过。从而真空管得以实现快速电流开关。通过栅极加压，对电子可以加速，所以就实现了三极管的信号放大特性。具有信号放大特性的真空管如图所示。
具有信号放大特性的真空管虽然真空管可以实现控制通断，信号放大的特性，但是不稳定、功耗高且笨重。刚刚提到的电子数字积分计算机使用了18000个真空管，三十吨重，一个网球场那么大，每天都有真空管损坏，功耗也非常大。
1947年，美国物理学家肖克利、巴丁和布拉顿三人合作发明了晶体管——一种三个支点的半导体固体元件。晶体管问世后，由于晶体管具有功耗低、体积小、价格相对便宜、连接方式灵活等特点，使很多真空管不能实现的功能在电子线路中得以实现，特别是脉冲电路、数字电路。使晶体管微型计算机的运算速度、可靠性、功耗等远优于真空管微型计算机。
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