半导体魔法：从沙子到芯片
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半导体魔法：从沙子到芯片的艺术
32纳米处理器已出现在主流市场，这应该归功于Intel。在过去的三十多年里，Intel始终在半导体工艺方面保持领先地位，并精确地沿着摩尔定律前行。那么，半导体工艺是如何实现从沙子到芯片的魔法呢？
在某种意义上说，半导体制造工艺决定了IT业界的走向，它是我们所知一切计算设备最基础的元素，倘若没有半导体工艺的出现，就不会有像样的计算机，当然就更别指望互联网了。同样，半导体工艺也决定着芯片的计算性能：今天的芯片设计师可以毫无困难地设计出包含100亿个晶体管的CPU或GPU芯片，但现在的半导体工艺还无法承担这个任务，即便是刚登场的32纳米工艺，理论上它也是最多可制造出50亿晶体管的芯片，当然现在还没有集成度这么高的。
出于对提升竞争力的渴求，芯片厂商总是对半导体工艺孜孜以求，新工艺可以带来更小的线宽，这就意味着芯片可以具有更低的发热量、更高的工作频率、更小的芯片尺寸、更高的集成度以及更低的制造成本，我们可以看到，在架构升级的同时，半导体厂商总是在制造工艺领域进行激烈竞争，譬如CPU领域的Intel与AMD，GPU领域的NVIDIA与AMD，均是如此。
Intel拥有世界上最强大的半导体工厂和相应的研发能力，在很大程度上说，制造技术也是它一直能在CPU市场居于垄断地位的关键。AMD在拆分半导体业务后成为无工厂半导体企业，产品制造依赖代工，同样采取这种模式的还有NVIDIA。而在芯片制造领域，台湾的TSMC实力最强，新生的GlobalFoundries囊括原AMD的半导体工厂和新加坡特许半导体，实力也不容小视，不过这些厂商都聚拢在IBM周围，以联盟的形式共同承担高成本的技术研发。
伴随着Core i7/i5/i3的到来，Intel的半导体工艺正式进入到32纳米时代，TSMC、IBM、GlobalFoundries阵营则直接从45纳米向28纳米发起冲击，Intel的下一个目标直接锁定22纳米，与此对应，我们将会看到动辄包括几十亿晶体管的计算芯片寻常可见，而在32纳米工艺下，一个晶体管的大小只相当于一个感冒病毒。
半导体工艺的发明与摩尔定律
我们都熟知，半导体芯片所用的制造材料都是二氧化硅，而二氧化硅的来源基本上就是遍布河滩、海滩的沙子。大众很难将沙子与高科技的芯片划上等号，但事实就是如此。
现代半导体制造技术可以追溯到1959年，当时的仙童公司和德州仪器同时发明了集成电路：通过一种特殊的平面处理技术让硅晶体管大批量集中在同一块芯片上，而不是像从前那样只能一个个晶体管地生产组装，这也就是我们今天所说的半导体制造技术。这项技术使计算产业产生了深刻的改变，带动了计算机的运算性能和存储容量快速提升，为后来的发展奠定了基础。
1964年，作为仙童公司创始人之一的摩尔博士在作统计图表时发现一个奇特的规律：集成电路中的晶体管数目，每隔18个月都会往上翻一番。摩尔预言这种趋势在未来将一直持续，这也就是著名的“摩尔定律”。1968年，摩尔与诺依斯、葛罗夫一道离开了仙童公司，创办Intel公司，在Intel进军X86处理器领域后，摩尔定律被Intel奉为企业发展的灵魂，并严格按照这个规律对半导体技术进行升级。同样，秉承仙童血统的Intel一直都将半导体制造视为业务核心，奠定了它在芯片领域牢不可破的优势。
原理：从沙子到芯片的过程
以今天的目光来看，仙童时代的集成电路是非常简陋的，它只能在一枚芯片内容纳几百个晶体管，而今天的32纳米工艺将这个数量推高到几十亿。尽管数字如此悬殊，但它们的原理、设备与生产流程并没有本质性的不同。
制造晶圆是生产芯片的第一步，晶圆的成分就是纯度达99.99%以上的硅晶体，它的原始材料就是二氧化硅，经过提纯、拉晶等多道复杂的工序后成为超高纯度的晶圆棒，之后晶圆棒再被切割为一个个均匀的薄片，这些硅薄片就是我们所说的晶圆。
在接下来的工序中，这些硅晶圆会被划分为一个个矩形的区域，它们与一枚枚芯片相对应，逻辑电路便在这里生成。生成逻辑电路的工序与照相非常类似，它们都是将影像显示在底片上，对半导体生产来说，这个影像就是芯片逻辑的缩微电路图，具体地说，芯片的逻辑图会以电路磁带的方式提交给芯片工厂，工厂再利用电子束曝光系统将磁带上存储的电路图形以金属铬膜的形态制作在玻璃或石英上，这样就制造出了“光罩”。接下来，“光罩”被放置在硅晶圆表面，工程人员则操作光刻机，利用规定波长的紫外线照射硅片。有“光罩”金属铬膜的地方，光线被遮挡，而在没有金属铬膜的地方，紫外线就透过玻璃或石英到达硅片上，形成所需要的图形，这个过程也被称为“显影”。
“显影”工序只是将芯片的电路图形显示在硅片上，接下来要进行的就是电路图的永久固定生成，它主要包括蚀刻、离子植入和金属溅镀等几个步骤，蚀刻的任务是将硅片上不需要的部分去掉，形成容纳导线的凹槽，目前主流技术是采用电子束垂直轰击的方式进行。
蚀刻工作完成后，就产生了线路凹槽，电路图样被固化在硅片中，下一步工作就是进行离子植入和金属溅镀，构建出半导体组件和连接的线路。这样，芯片的关键制造工作就完成了。不过我们还需要将它封装起来。封装有两个作用，一是用坚硬的外壳来保护芯片；二就是建立信号引脚，使得芯片能够与主板通讯。
障碍：漏电流令摩尔定律一度停滞
从1956年一直到2003年，摩尔定律的运行没有遭遇任何强有力的挑战，半导体工业很精确地按照这个规律前进。但从2004年的90纳米工艺开始，摩尔定律就遇到麻烦，此时晶体管的一个关键部件即将达到极限，这个部件就是位于栅极、源极和漏极电子流通道之间的二氧化硅绝缘层。在采用90纳米工艺时，这个绝缘层的厚度仅有1.2纳米，相当于5个原子的厚度。
如此之薄的绝缘层让漏电流变得越来越严重，并成为一种灾难。此时为了保证信号的稳定性，制造商不得不通过提高门电压或增大驱动电流的方式加以补偿，而这就意味着发热量激增，芯片的稳定性也变差。显而易见，漏电流问题如果不得到妥善的解决，那么摩尔定律将不再有效，半导体工艺也会因此陷入停滞。
尽管加厚绝缘层可以缓解漏电流，但它会令芯片尺寸增大，几乎抵消了新工艺带来的好处。既然此路不通，而二氧化硅材料也达到了极限，那么采用新的材料就成为突破口。这种新材料要求具有更高的K值（介电常数值），在同样厚度下仍可起到良好的绝缘作用，避免漏电流的发生。Intel的工程人员成功地研发出可满足要求的高K材料，这种材料加入了铪基成分，同时为了解决工艺兼容问题，Intel还引入一种新的金属栅极。最终，新的晶体管技术使源极－漏极的漏电流降低5倍以上，栅极漏电流减少了10多倍，这相当于将传统绝缘层的厚度“增加”了10倍。
就这样，高K材料让摩尔定律可以继续前行，这项技术被Intel成功地应用于45纳米工艺中，新到来的32纳米工艺同样受益于此。如你所见，新一代芯片都具有优良的能耗特性，漏电流不再成为困扰。
在Intel之后，IBM与日本的一些半导体企业也先后披露了类似的成果，IBM同样将在新一代工艺中采用这项技术。
封装：芯片的保护与电气性能
半导体芯片都采用多层结构，不同的逻辑电路层再通过专门的线路连接在一起，早期半导体工业采用铝互联，大约在2000年前后改用电阻率更低的金属铜，目前Intel的处理器广泛采用9层铜互连结构。尽管铜互连技术能够一直满足到15纳米阶段的需要，但业界均认为光互连将成为铜互连技术的天然替代者。
封装是芯片生产中的最后一个制造工序，封装本身并不影响芯片的性能，但它依然十分重要，不仅起着安放、固定、密封、保持芯片和增强电热性能的作用，也对芯片的工作稳定性、安全性有着很大的影响。
首先，芯片的信号接触点必须用导线连接到封装外壳的引脚或触点上，这些引脚或触点又通过PCB板上的导线与其他器件建立连接，从而实现内部芯片与外部电路的连接。对于高频率的芯片来说，封装技术会影响到它们工作的稳定性。
芯片面积与封装面积的比值，是封装时主要考虑的因素。为提高封装的效率，二者要尽量接近1:1，同时引脚要尽量短以减少延迟，引脚间的距离则要求尽量远，以保证互不干扰、提高性能。基于散热的要求，封装越薄越好。不难看出，上述的若干要求之间是存在矛盾的，半导体厂商则会根据芯片的实际情况选择不同的封装方式。
Intel从Prescott时代引入的LGA封装曾备受争议，这种封装以信号触点代替传统的针脚，以提高信号质量、满足高频运作的要求。AMD的高端桌面和服务器芯片现在也都采用类似的技术。不过移动型计算芯片都还是沿用传统的针脚方式，这样做主要是考虑空间占用的因素。而在封装尺寸上，我们可以看到，桌面芯片总是比移动型芯片大得多，芯片表面也覆盖着具有保护作用的金属盖；移动芯片尺寸则小，同时也没有金属保护盖，原因在于桌面芯片经常拆换，必须有严密的保护；而移动芯片都是在笔记本电脑的内部，除非专业维修人员，其他人是不会轻易去动它们的。
未来：28纳米到光芯片
Intel Core i5和i3充分展现了32纳米的风采。作为主流定位的处理器，这两款产品都展现出了一流的性能，同时功耗和芯片尺寸控制得非常好，并在封装内集成了一枚GPU芯片。这两个系列的到来，也意味着Intel处理器将开始全部转入32纳米体系，这个过渡阶段将在2010年内宣告完成。
与Intel相比，作为竞争对手的AMD剥离了半导体业务而轻装上阵，但这也意味着AMD默认了在工艺上落后的事实。现在，AMD刚刚完成45纳米工艺的过渡，在未来一年它仍然是主角。不过到明年底，TSMC和GlobalFoundries就能够实现28纳米工艺的生产，届时AMD GPU与CPU都将开始直接跳到28纳米阶段，虽然此时45纳米产品还是市场主力，但这已经能够对Intel的32纳米工艺产品形成制衡。
这种错位发展的策略非常英明，不过它并非AMD的杰作，而是IBM芯片技术联盟的共识，几乎除Intel外的所有半导体厂商都聚拢在IBM周围，对未来的半导体工艺进行合作研发，以此实现分摊高昂研发成本。
按照Intel的路线图，32纳米工艺将一直活跃到2011年，之后更先进的22纳米技术便登台亮相，再往后的两年，便达到15纳米阶段，此时，半导体工艺也将迎来自己的极限，也许Intel还可以通过新技术延长它的寿命，但潜力已经越来越小。业界普遍认为，硅光技术将取代传统半导体芯片成为新的王者，以光信号为介质的计算芯片离我们越来越近。显然，在未来的光芯片时代，或许将有新的法则来取代摩尔定律。
在半导体工艺前进的同时，IC设计的思想也在不断地发生变化，从最早的频率至上，到现在已成标准的多核心设计，业界一致认为，拥有大量专用加速单元的多核心设计将成为未来，而CPU与GPU的结合趋势也初步显现。我们相信，在未来的十年，半导体工业将进入一个全新的阶段
在某种意义上说，半导体制造工艺决定了IT业界的走向，它是我们所知一切计算设备最基础的元素，倘若没有半导体工艺的出现，就不会有像样的计算机，当然就更别指望互联网了。同样，半导体工艺也决定着芯片的计算性能：今天的芯片设计师可以毫无困难地设计出包含100亿个晶体管的CPU或GPU芯片，但现在的半导体工艺还无法承担这个任务，即便是刚登场的32纳米工艺，理论上它也是最多可制造出50亿晶体管的芯片，当然现在还没有集成度这么高的。
出于对提升竞争力的渴求，芯片厂商总是对半导体工艺孜孜以求，新工艺可以带来更小的线宽，这就意味着芯片可以具有更低的发热量、更高的工作频率、更小的芯片尺寸、更高的集成度以及更低的制造成本，我们可以看到，在架构升级的同时，半导体厂商总是在制造工艺领域进行激烈竞争，譬如CPU领域的Intel与AMD，GPU领域的NVIDIA与AMD，均是如此。
Intel拥有世界上最强大的半导体工厂和相应的研发能力，在很大程度上说，制造技术也是它一直能在CPU市场居于垄断地位的关键。AMD在拆分半导体业务后成为无工厂半导体企业，产品制造依赖代工，同样采取这种模式的还有NVIDIA。而在芯片制造领域，台湾的TSMC实力最强，新生的GlobalFoundries囊括原AMD的半导体工厂和新加坡特许半导体，实力也不容小视，不过这些厂商都聚拢在IBM周围，以联盟的形式共同承担高成本的技术研发。
伴随着Core i7/i5/i3的到来，Intel的半导体工艺正式进入到32纳米时代，TSMC、IBM、GlobalFoundries阵营则直接从45纳米向28纳米发起冲击，Intel的下一个目标直接锁定22纳米，与此对应，我们将会看到动辄包括几十亿晶体管的计算芯片寻常可见，而在32纳米工艺下，一个晶体管的大小只相当于一个感冒病毒。
半导体工艺的发明与摩尔定律
我们都熟知，半导体芯片所用的制造材料都是二氧化硅，而二氧化硅的来源基本上就是遍布河滩、海滩的沙子。大众很难将沙子与高科技的芯片划上等号，但事实就是如此。
现代半导体制造技术可以追溯到1959年，当时的仙童公司和德州仪器同时发明了集成电路：通过一种特殊的平面处理技术让硅晶体管大批量集中在同一块芯片上，而不是像从前那样只能一个个晶体管地生产组装，这也就是我们今天所说的半导体制造技术。这项技术使计算产业产生了深刻的改变，带动了计算机的运算性能和存储容量快速提升，为后来的发展奠定了基础。
1964年，作为仙童公司创始人之一的摩尔博士在作统计图表时发现一个奇特的规律：集成电路中的晶体管数目，每隔18个月都会往上翻一番。摩尔预言这种趋势在未来将一直持续，这也就是著名的“摩尔定律”。1968年，摩尔与诺依斯、葛罗夫一道离开了仙童公司，创办Intel公司，在Intel进军X86处理器领域后，摩尔定律被Intel奉为企业发展的灵魂，并严格按照这个规律对半导体技术进行升级。同样，秉承仙童血统的Intel一直都将半导体制造视为业务核心，奠定了它在芯片领域牢不可破的优势。
原理：从沙子到芯片的过程
以今天的目光来看，仙童时代的集成电路是非常简陋的，它只能在一枚芯片内容纳几百个晶体管，而今天的32纳米工艺将这个数量推高到几十亿。尽管数字如此悬殊，但它们的原理、设备与生产流程并没有本质性的不同。
制造晶圆是生产芯片的第一步，晶圆的成分就是纯度达99.99%以上的硅晶体，它的原始材料就是二氧化硅，经过提纯、拉晶等多道复杂的工序后成为超高纯度的晶圆棒，之后晶圆棒再被切割为一个个均匀的薄片，这些硅薄片就是我们所说的晶圆。
在接下来的工序中，这些硅晶圆会被划分为一个个矩形的区域，它们与一枚枚芯片相对应，逻辑电路便在这里生成。生成逻辑电路的工序与照相非常类似，它们都是将影像显示在底片上，对半导体生产来说，这个影像就是芯片逻辑的缩微电路图，具体地说，芯片的逻辑图会以电路磁带的方式提交给芯片工厂，工厂再利用电子束曝光系统将磁带上存储的电路图形以金属铬膜的形态制作在玻璃或石英上，这样就制造出了“光罩”。接下来，“光罩”被放置在硅晶圆表面，工程人员则操作光刻机，利用规定波长的紫外线照射硅片。有“光罩”金属铬膜的地方，光线被遮挡，而在没有金属铬膜的地方，紫外线就透过玻璃或石英到达硅片上，形成所需要的图形，这个过程也被称为“显影”。
“显影”工序只是将芯片的电路图形显示在硅片上，接下来要进行的就是电路图的永久固定生成，它主要包括蚀刻、离子植入和金属溅镀等几个步骤，蚀刻的任务是将硅片上不需要的部分去掉，形成容纳导线的凹槽，目前主流技术是采用电子束垂直轰击的方式进行。
蚀刻工作完成后，就产生了线路凹槽，电路图样被固化在硅片中，下一步工作就是进行离子植入和金属溅镀，构建出半导体组件和连接的线路。这样，芯片的关键制造工作就完成了。不过我们还需要将它封装起来。封装有两个作用，一是用坚硬的外壳来保护芯片；二就是建立信号引脚，使得芯片能够与主板通讯。
障碍：漏电流令摩尔定律一度停滞
从1956年一直到2003年，摩尔定律的运行没有遭遇任何强有力的挑战，半导体工业很精确地按照这个规律前进。但从2004年的90纳米工艺开始，摩尔定律就遇到麻烦，此时晶体管的一个关键部件即将达到极限，这个部件就是位于栅极、源极和漏极电子流通道之间的二氧化硅绝缘层。在采用90纳米工艺时，这个绝缘层的厚度仅有1.2纳米，相当于5个原子的厚度。
如此之薄的绝缘层让漏电流变得越来越严重，并成为一种灾难。此时为了保证信号的稳定性，制造商不得不通过提高门电压或增大驱动电流的方式加以补偿，而这就意味着发热量激增，芯片的稳定性也变差。显而易见，漏电流问题如果不得到妥善的解决，那么摩尔定律将不再有效，半导体工艺也会因此陷入停滞。
尽管加厚绝缘层可以缓解漏电流，但它会令芯片尺寸增大，几乎抵消了新工艺带来的好处。既然此路不通，而二氧化硅材料也达到了极限，那么采用新的材料就成为突破口。这种新材料要求具有更高的K值（介电常数值），在同样厚度下仍可起到良好的绝缘作用，避免漏电流的发生。Intel的工程人员成功地研发出可满足要求的高K材料，这种材料加入了铪基成分，同时为了解决工艺兼容问题，Intel还引入一种新的金属栅极。最终，新的晶体管技术使源极－漏极的漏电流降低5倍以上，栅极漏电流减少了10多倍，这相当于将传统绝缘层的厚度“增加”了10倍。
就这样，高K材料让摩尔定律可以继续前行，这项技术被Intel成功地应用于45纳米工艺中，新到来的32纳米工艺同样受益于此。如你所见，新一代芯片都具有优良的能耗特性，漏电流不再成为困扰。
在Intel之后，IBM与日本的一些半导体企业也先后披露了类似的成果，IBM同样将在新一代工艺中采用这项技术。
封装：芯片的保护与电气性能
半导体芯片都采用多层结构，不同的逻辑电路层再通过专门的线路连接在一起，早期半导体工业采用铝互联，大约在2000年前后改用电阻率更低的金属铜，目前Intel的处理器广泛采用9层铜互连结构。尽管铜互连技术能够一直满足到15纳米阶段的需要，但业界均认为光互连将成为铜互连技术的天然替代者。
封装是芯片生产中的最后一个制造工序，封装本身并不影响芯片的性能，但它依然十分重要，不仅起着安放、固定、密封、保持芯片和增强电热性能的作用，也对芯片的工作稳定性、安全性有着很大的影响。
首先，芯片的信号接触点必须用导线连接到封装外壳的引脚或触点上，这些引脚或触点又通过PCB板上的导线与其他器件建立连接，从而实现内部芯片与外部电路的连接。对于高频率的芯片来说，封装技术会影响到它们工作的稳定性。
芯片面积与封装面积的比值，是封装时主要考虑的因素。为提高封装的效率，二者要尽量接近1:1，同时引脚要尽量短以减少延迟，引脚间的距离则要求尽量远，以保证互不干扰、提高性能。基于散热的要求，封装越薄越好。不难看出，上述的若干要求之间是存在矛盾的，半导体厂商则会根据芯片的实际情况选择不同的封装方式。
Intel从Prescott时代引入的LGA封装曾备受争议，这种封装以信号触点代替传统的针脚，以提高信号质量、满足高频运作的要求。AMD的高端桌面和服务器芯片现在也都采用类似的技术。不过移动型计算芯片都还是沿用传统的针脚方式，这样做主要是考虑空间占用的因素。而在封装尺寸上，我们可以看到，桌面芯片总是比移动型芯片大得多，芯片表面也覆盖着具有保护作用的金属盖；移动芯片尺寸则小，同时也没有金属保护盖，原因在于桌面芯片经常拆换，必须有严密的保护；而移动芯片都是在笔记本电脑的内部，除非专业维修人员，其他人是不会轻易去动它们的。
未来：28纳米到光芯片
Intel Core i5和i3充分展现了32纳米的风采。作为主流定位的处理器，这两款产品都展现出了一流的性能，同时功耗和芯片尺寸控制得非常好，并在封装内集成了一枚GPU芯片。这两个系列的到来，也意味着Intel处理器将开始全部转入32纳米体系，这个过渡阶段将在2010年内宣告完成。
与Intel相比，作为竞争对手的AMD剥离了半导体业务而轻装上阵，但这也意味着AMD默认了在工艺上落后的事实。现在，AMD刚刚完成45纳米工艺的过渡，在未来一年它仍然是主角。不过到明年底，TSMC和GlobalFoundries就能够实现28纳米工艺的生产，届时AMD GPU与CPU都将开始直接跳到28纳米阶段，虽然此时45纳米产品还是市场主力，但这已经能够对Intel的32纳米工艺产品形成制衡。
这种错位发展的策略非常英明，不过它并非AMD的杰作，而是IBM芯片技术联盟的共识，几乎除Intel外的所有半导体厂商都聚拢在IBM周围，对未来的半导体工艺进行合作研发，以此实现分摊高昂研发成本。
按照Intel的路线图，32纳米工艺将一直活跃到2011年，之后更先进的22纳米技术便登台亮相，再往后的两年，便达到15纳米阶段，此时，半导体工艺也将迎来自己的极限，也许Intel还可以通过新技术延长它的寿命，但潜力已经越来越小。业界普遍认为，硅光技术将取代传统半导体芯片成为新的王者，以光信号为介质的计算芯片离我们越来越近。显然，在未来的光芯片时代，或许将有新的法则来取代摩尔定律。
在半导体工艺前进的同时，IC设计的思想也在不断地发生变化，从最早的频率至上，到现在已成标准的多核心设计，业界一致认为，拥有大量专用加速单元的多核心设计将成为未来，而CPU与GPU的结合趋势也初步显现。我们相信，在未来的十年，半导体工业将进入一个全新的阶段
玻璃的历史：中国和西方差在哪儿
2015年12月28日 13:18 来源于 财新网
中国一向在材料的发明和使用上遥遥领先其它国家，同欧美国家相比，中国的落后是最近两百年的事。为什么会出现这一局面呢？一个主要原因是中国对一个材料的长期忽视，那就是玻璃
文 | 朱勇（美国南加州生物技术公司Vivoscript科研副总裁）
上初中时我最不喜欢历史课。上边老师在讲旧石器时代，下面我在偷看“射雕英雄传”。什么新石器时代，青铜时代，铁器时代……一个个名词从我耳边飘过，却没有在脑海里留下多少痕迹。数年以后，我才领悟到人类的历史也是材料进化的历史。特定的材料标志着一个时代，代表着一个文明。
使用何种材料，决定了一个国家或民族的经济实力，文化和命运。当欧洲探险者首次踏上美洲大陆时，发现可以强取豪夺，为所欲为，因为当地的印地安人不堪一击。双方的战斗力相差如此悬殊，除了欧洲人有枪炮外，还有一个重要的原因是美洲人没有带金属的武器。在他们的文化里，金属只被用来做装饰品。别说武器，他们连耕地都还在使用石犁。材料的落后导致他们毫无还手之力。
材料的选择也决定了一个新兴技术的命运。印刷术是我国的四大发明之一。宋朝的毕升发明了活字印刷，但该技术传到欧洲以后，却变成了古登堡印刷术。古登堡的一个主要改动，就是把毕升的胶泥字模变成了铅字模。由胶泥到铅，可以保证每个字模更经久耐用，而且大大提高了印刷的质量。经古登堡改进的印刷术迅速在欧洲推广起来，引发了书本的普及和知识的传播。
中国一向在材料的发明和使用上遥遥领先其它国家。瓷，纸，木，竹，合金，丝绸……这也是中华文明在几千年的人类历史中遥遥领先的一个重要原因。同欧美国家相比，中国的落后是最近两百年的事 （更准确地说，是最近两百年暴露出来的）。为什么会出现“领先数千年，落后两百年”的这一局面呢？我认为，一个主要罪魁祸首恰恰是中国对一个材料的长期忽视。那就是玻璃。您不信？有图有真相：
当然，近两百年欧美的发展超过中国有各种各样的复杂原因，但玻璃技术在两千多年来欧洲地区的不断推广和改进是其中一个主要原因。玻璃制造虽然起源于埃及和希腊，但是罗马人改进和推广了这一技术。玻璃不但塑造了欧洲的文化（建筑风格、葡萄酒文化和啤酒文化），更是其近代科学技术的进步的一个必要前提。眼镜、显微镜、望远镜、试管、照相机和电灯泡都是以玻璃为主要原料。近代光学、近代化学、现代生物学和医学及天文学的诞生也都离不开玻璃的作用。
相比之下，制造玻璃的技术一直在中国停滞不前。虽然早在战国时期就有玻璃珠，但大规模的玻璃生产直到清朝才出现。而清朝生产的玻璃主要用来做鼻烟壶，而不是面向窗户或镜子等实用市场。玻璃技术在中国古代没有真正建立起来，这不能不说是一个历史的遗憾。在今天流行的众多穿越小说中，从当代穿越到中国各个朝代的主人公们，用来发财致富而引进跨时代的物件很多也都与玻璃有关：玻璃工艺品、镜子、望远镜和显微镜等。
玻璃的生产和使用在西方虽然源远流长，但其生产技术的成熟、普及和成本的大幅下跌发生在16世纪，和文艺复兴时代重合。而玻璃的全面应用恰好发生在1600年以后。哈佛教授Niall Ferguson提出西方文明在近代的崛起是建立在六大理念基础上，而其中两个和玻璃有关：科学和现代医学。（他书中提出的另外四个理念分别为：竞争、法治、消费主义和职业道德。）
究竟是什么原因让我们的祖先们穿不破玻璃天花板？是他们掌握不了关键技术吗？其实与制造瓷相比，制造玻璃的技术壁垒只低不高。二者的制备过程相差不多。造瓷是将粘土捏成容器形状，加热到1300℃的高温，再逐渐冷却。而制备玻璃是将沙子（主要成分是石英或二氧化硅）加热到1200℃的高温，再逐渐冷却而成。
中国造瓷的秘诀是在东汉时期发现的。除了粘土外，还加了高岭土、石英和长石等成分。这样造出来的瓷光滑洁白，“白如玉、薄如纸、声如磬”，又不易产生裂纹。中国瓷器名扬天下，被运到欧洲的瓷器被誉为“白色黄金”，成为高贵豪华的象征，而盛产这些精美奢侈品的东方国家也因此被称为“瓷器”（China）。欧洲人花了上千年才于1708年破译其中的秘密，开始自己生产瓷器。
欧洲造玻璃也有秘诀。早在罗马帝国时代，工匠除了用沙子里的石英外，还加了泡碱（碳酸钠），这样不用加热到那么高的温度也可以造出透明的玻璃。另外，古罗马人也发明了吹玻璃技术，因此可以造出各种形状的玻璃器皿。
一天晚上我开车回家，突然听到正在播放的有声图书里宣称玻璃其实不是固态，而是液态。我的世界观瞬间轰然坍塌了。回到家后，我拿起一个玻璃杯，又摸又咬，怎么也不相信它是液态。原来在玻璃制备过程中，沙子的主要成分二氧化硅在高温的作用下，破坏了原来的晶体结构，在恢复到室温成为玻璃时，分子之间排列变成松散杂乱，就像液体里分子间的排列一样。一些年代久远的欧洲教堂的玻璃上薄下厚，就是因为玻璃在重力的作用下以很缓慢的速度流动而造成的。
咱们再接着回来找玻璃在中国受到冷遇的原因。下面是我的一家之言，纯属推测，没有什么证据，就算抛砖引玉吧，欢迎大家砸砖或者砸玉。我认为技术壁垒是可以克服的，而攻克这一壁垒的动力不足才是主要原因。进一步说，玻璃在古代的中国只有有限的市场需求。玻璃的很多用处是在1600年以后如井喷般地被开发出来，而在此之前生产成本较高，在西方还不能普及到普通家庭。
玻璃在很长的一段时间里主要的用途有三个，一是摆件和玩器，二是器皿，三是富人家或教堂的窗户。除了第一个用途外，玻璃在历代中国的市场潜力并不大。玻璃的酒杯或花瓶，与瓷器相比较，无论是从成本上讲还是从美观上看，并没有什么优势。瓷杯比玻璃杯更适合中国的茶文化和白酒文化。当然，反过来也成立：玻璃杯比瓷器更适合西方的葡萄酒文化和啤酒文化。
而用玻璃做窗则和中国文化有一定的冲突。中国文化讲究的是底蕴和内涵，含蓄和朦胧。中国人不喜欢透明和直白。一眼看到底，没遮没拦的，那就太没有层次了。很多事情都是心照不宣，隔层窗户纸，虽然一捅就破。但真的捅破了就大煞风景。
具体落实到建筑上，中西的风格大相径庭。西方崇尚玻璃洋楼，周围绿草茵茵，门前的大气花园和玻璃窗里的钢琴可以让所有的路人看见。而中国建筑讲究内敛，门脸要气派，但不能过了。就连王府四合院的门口也顶多摆俩石狮子，再铺张就算逾制了。而象内花园之类的好东西要藏起来，不能轻易给外人看。窗户用纸糊或用纱蒙，用料既便宜，又符合了中国的建筑文化。屋里人无论在做什么，屋外都无法瞧个透儿亮。再说了，纱窗、纸窗所带来的文学意境可是玻璃窗无法达到的。您想想，无论是“別愁深夜雨，孤影小窗灯”还是“何当共剪西窗烛，却话巴山夜雨时”中，如果把纸窗变成玻璃窗，是不是意境逊色不少？
没有玻璃反过来对中国建筑也有着深远的影响。我们看重采光，是因为传统的纸窗挡住了太多的阳光。没有只挡风沙不挡阳光的玻璃窗，中国的建筑要“坐北朝南”，门窗朝南，这样日照时间长，北侧背面不设大的门窗，可以避开北方风沙。
也许由于文化的冲突，也许因为瓷的统治地位，也许还有其它原因，玻璃在现代历史之前没有在中国推广。而在西方，经过数世纪的技术潜伏期，玻璃终于在各个领域大放异彩，成为近代西方在科技和国力上超过中国的主要原因之一。
记得大学期间看过一个电影“古今大战秦俑情”，由张艺谋和巩俐主演。影片前半段讲的是一个发生在秦朝的凄美动人的爱情故事，而后半段跨越到民国时代，风格变得滑稽搞笑。由张艺谋扮演的秦朝大将军蒙天放被做成兵马俑守护秦陵，在民国时苏醒过来，进入了一个陌生的世界，闹出了很多笑话。
影片中令全场观众哄然大笑的三个片段竟然都跟玻璃有关。片段1：穿越后的他用手指蘸蘸吐沫，沾湿玻璃窗，用劲捅却捅不破，还把手弄疼了。片段2：蒙天放依旧穿着秦朝的衣服，却带着一副太阳镜。在跟对手激烈厮杀一击得手后，摆出很酷的一个造型，并用单掌向上一推从鼻梁滑落的墨镜。片段3：蒙在室内为了掩蔽自己的行踪，对着桌上的台灯使劲儿一吹。灯光依旧，他满脸迷惑。
也许蒙大将军没有意识到，从两千年的混混沌沌中醒来，他已跨入了玻璃时代
上初中时我最不喜欢历史课。上边老师在讲旧石器时代，下面我在偷看“射雕英雄传”。什么新石器时代，青铜时代，铁器时代……一个个名词从我耳边飘过，却没有在脑海里留下多少痕迹。数年以后，我才领悟到人类的历史也是材料进化的历史。特定的材料标志着一个时代，代表着一个文明。
使用何种材料，决定了一个国家或民族的经济实力，文化和命运。当欧洲探险者首次踏上美洲大陆时，发现可以强取豪夺，为所欲为，因为当地的印地安人不堪一击。双方的战斗力相差如此悬殊，除了欧洲人有枪炮外，还有一个重要的原因是美洲人没有带金属的武器。在他们的文化里，金属只被用来做装饰品。别说武器，他们连耕地都还在使用石犁。材料的落后导致他们毫无还手之力。
材料的选择也决定了一个新兴技术的命运。印刷术是我国的四大发明之一。宋朝的毕升发明了活字印刷，但该技术传到欧洲以后，却变成了古登堡印刷术。古登堡的一个主要改动，就是把毕升的胶泥字模变成了铅字模。由胶泥到铅，可以保证每个字模更经久耐用，而且大大提高了印刷的质量。经古登堡改进的印刷术迅速在欧洲推广起来，引发了书本的普及和知识的传播。
中国一向在材料的发明和使用上遥遥领先其它国家。瓷，纸，木，竹，合金，丝绸……这也是中华文明在几千年的人类历史中遥遥领先的一个重要原因。同欧美国家相比，中国的落后是最近两百年的事 （更准确地说，是最近两百年暴露出来的）。为什么会出现“领先数千年，落后两百年”的这一局面呢？我认为，一个主要罪魁祸首恰恰是中国对一个材料的长期忽视。那就是玻璃。您不信？有图有真相：
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玻璃在西方生产和应用的历史。左轴为以公元年代为标记的时间轴，右轴标记了每个时间点所对应的中国历史朝代。每一事件或发明的时间均参考wikipedia。
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相比之下，制造玻璃的技术一直在中国停滞不前。虽然早在战国时期就有玻璃珠，但大规模的玻璃生产直到清朝才出现。而清朝生产的玻璃主要用来做鼻烟壶，而不是面向窗户或镜子等实用市场。玻璃技术在中国古代没有真正建立起来，这不能不说是一个历史的遗憾。在今天流行的众多穿越小说中，从当代穿越到中国各个朝代的主人公们，用来发财致富而引进跨时代的物件很多也都与玻璃有关：玻璃工艺品、镜子、望远镜和显微镜等。
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| 现代化学之父拉瓦锡和夫人（1788年）。我们不仅要关注拉瓦锡的美丽夫人，还要把更多目光投向他周围的玻璃实验器皿。 |
究竟是什么原因让我们的祖先们穿不破玻璃天花板？是他们掌握不了关键技术吗？其实与制造瓷相比，制造玻璃的技术壁垒只低不高。二者的制备过程相差不多。造瓷是将粘土捏成容器形状，加热到1300℃的高温，再逐渐冷却。而制备玻璃是将沙子（主要成分是石英或二氧化硅）加热到1200℃的高温，再逐渐冷却而成。
中国造瓷的秘诀是在东汉时期发现的。除了粘土外，还加了高岭土、石英和长石等成分。这样造出来的瓷光滑洁白，“白如玉、薄如纸、声如磬”，又不易产生裂纹。中国瓷器名扬天下，被运到欧洲的瓷器被誉为“白色黄金”，成为高贵豪华的象征，而盛产这些精美奢侈品的东方国家也因此被称为“瓷器”（China）。欧洲人花了上千年才于1708年破译其中的秘密，开始自己生产瓷器。
欧洲造玻璃也有秘诀。早在罗马帝国时代，工匠除了用沙子里的石英外，还加了泡碱（碳酸钠），这样不用加热到那么高的温度也可以造出透明的玻璃。另外，古罗马人也发明了吹玻璃技术，因此可以造出各种形状的玻璃器皿。
一天晚上我开车回家，突然听到正在播放的有声图书里宣称玻璃其实不是固态，而是液态。我的世界观瞬间轰然坍塌了。回到家后，我拿起一个玻璃杯，又摸又咬，怎么也不相信它是液态。原来在玻璃制备过程中，沙子的主要成分二氧化硅在高温的作用下，破坏了原来的晶体结构，在恢复到室温成为玻璃时，分子之间排列变成松散杂乱，就像液体里分子间的排列一样。一些年代久远的欧洲教堂的玻璃上薄下厚，就是因为玻璃在重力的作用下以很缓慢的速度流动而造成的。
咱们再接着回来找玻璃在中国受到冷遇的原因。下面是我的一家之言，纯属推测，没有什么证据，就算抛砖引玉吧，欢迎大家砸砖或者砸玉。我认为技术壁垒是可以克服的，而攻克这一壁垒的动力不足才是主要原因。进一步说，玻璃在古代的中国只有有限的市场需求。玻璃的很多用处是在1600年以后如井喷般地被开发出来，而在此之前生产成本较高，在西方还不能普及到普通家庭。
玻璃在很长的一段时间里主要的用途有三个，一是摆件和玩器，二是器皿，三是富人家或教堂的窗户。除了第一个用途外，玻璃在历代中国的市场潜力并不大。玻璃的酒杯或花瓶，与瓷器相比较，无论是从成本上讲还是从美观上看，并没有什么优势。瓷杯比玻璃杯更适合中国的茶文化和白酒文化。当然，反过来也成立：玻璃杯比瓷器更适合西方的葡萄酒文化和啤酒文化。
而用玻璃做窗则和中国文化有一定的冲突。中国文化讲究的是底蕴和内涵，含蓄和朦胧。中国人不喜欢透明和直白。一眼看到底，没遮没拦的，那就太没有层次了。很多事情都是心照不宣，隔层窗户纸，虽然一捅就破。但真的捅破了就大煞风景。
具体落实到建筑上，中西的风格大相径庭。西方崇尚玻璃洋楼，周围绿草茵茵，门前的大气花园和玻璃窗里的钢琴可以让所有的路人看见。而中国建筑讲究内敛，门脸要气派，但不能过了。就连王府四合院的门口也顶多摆俩石狮子，再铺张就算逾制了。而象内花园之类的好东西要藏起来，不能轻易给外人看。窗户用纸糊或用纱蒙，用料既便宜，又符合了中国的建筑文化。屋里人无论在做什么，屋外都无法瞧个透儿亮。再说了，纱窗、纸窗所带来的文学意境可是玻璃窗无法达到的。您想想，无论是“別愁深夜雨，孤影小窗灯”还是“何当共剪西窗烛，却话巴山夜雨时”中，如果把纸窗变成玻璃窗，是不是意境逊色不少？
没有玻璃反过来对中国建筑也有着深远的影响。我们看重采光，是因为传统的纸窗挡住了太多的阳光。没有只挡风沙不挡阳光的玻璃窗，中国的建筑要“坐北朝南”，门窗朝南，这样日照时间长，北侧背面不设大的门窗，可以避开北方风沙。
也许由于文化的冲突，也许因为瓷的统治地位，也许还有其它原因，玻璃在现代历史之前没有在中国推广。而在西方，经过数世纪的技术潜伏期，玻璃终于在各个领域大放异彩，成为近代西方在科技和国力上超过中国的主要原因之一。
记得大学期间看过一个电影“古今大战秦俑情”，由张艺谋和巩俐主演。影片前半段讲的是一个发生在秦朝的凄美动人的爱情故事，而后半段跨越到民国时代，风格变得滑稽搞笑。由张艺谋扮演的秦朝大将军蒙天放被做成兵马俑守护秦陵，在民国时苏醒过来，进入了一个陌生的世界，闹出了很多笑话。
影片中令全场观众哄然大笑的三个片段竟然都跟玻璃有关。片段1：穿越后的他用手指蘸蘸吐沫，沾湿玻璃窗，用劲捅却捅不破，还把手弄疼了。片段2：蒙天放依旧穿着秦朝的衣服，却带着一副太阳镜。在跟对手激烈厮杀一击得手后，摆出很酷的一个造型，并用单掌向上一推从鼻梁滑落的墨镜。片段3：蒙在室内为了掩蔽自己的行踪，对着桌上的台灯使劲儿一吹。灯光依旧，他满脸迷惑。
也许蒙大将军没有意识到，从两千年的混混沌沌中醒来，他已跨入了玻璃时代
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