比特币:矿机芯片的秘密：从原子结构说起的精彩故事_数字货币

本文讲一下一个神奇的小部件：芯片。

你用过芯片吗？

什么是文化，如果说文化就是“日用而不知”的习惯，那么，芯片就是当代人类的文化。

无论是冰箱、彩电、汽车、计算机、手机，都需要大量的芯片进行运算，发出指令信号，可以说只要有电的地方就有芯片。

只是芯片隐藏在机器之中，我们看不见，体现给我们的是外部的功能实现，所以大家也就看不到芯片。比特币矿机的发展，让人们注意到算力芯片，9nm、7nm、5nm的词汇也开始传入大家的耳朵里，感觉很厉害，至于怎么厉害，多数人也只能说出，数字越小越厉害，挖比特币的效率越高。

这种回答，显得有些单薄，如果是从业者，这样的回答就显得缺乏职业素养，但是，也不怪人们的认知问题，因为本来没有几个人说得清楚，今天我就尝试以一篇文章，把这块骨头啃下来，建立知识框架，让我们明白，美国人的芯片封锁是怎么回事？矿机芯片是怎么回事？芯片的本质到底是什么？

随着美国对中国芯片技术的封锁，芯片这个名词，又一次成为全球热点，那么为了理解芯片，我们从最基础的原子结构讲起。

你没有听错，就是原子结构，不过我会讲得非常轻松愉快，会将阅读流程近似于看电影的体验。好了，系好安全带，准备发车。

比特大陆为其最新的比特币矿机增加液体冷却技术:金色财经报道，全球最大的比特币矿机制造商之一比特大陆推出了Antminer S19 Pro+ Hyd.，这是该公司首款将液体冷却技术与更高算力相结合的产品。该矿机的哈希率为 198 TH/s，功率效率（@35°C）为 27.5 焦耳/太赫（J/TH），耗电量为 5445 瓦。相比之下，之前的顶级蚂蚁矿机S19 XP的算力为 140 TH/s，功率效率（@25°C）为 21.5 J/TH，功耗约为 3010 瓦。（coindesk）[2022/1/18 8:55:19]

上图类似飞镖靶子的图形，就是碳原子的原子结构，中间一个电子核，最外边有四个电子，总共六个电子。

硅原子的核外电子层数比碳原子多了一层，多了四个原子，最外层的电子是元素最体现化学性质的地方。也就是说，硅原子会比碳原子更加活泼，因为最外层的电子距离原子核比较远，电子核的正电对电子的负电荷吸引力就较弱。

宏观上表现为容易失去电子，除了氢和氦之外，其他原子，和别的元素结合达到8电子后就会形成稳定状态。比如大家天天吃的食盐的主要组成是NaCl，Na失去一个电子，Cl得到一个电子，各自都是8电子结构。这种就是离子键。另外一种是共价键，不同原子核可以共用电子形成共价键，比如两个碳原子，放到一起，每个原子外边有稳定的八电子结构。

分析师：旧矿工应寻求廉价电力使矿机保持盈利:研究公司TokenInsight的首席分析师Johnson Xu表示，比特币减半最终将消灭所有低效率的矿工；但是，在比特币减半之后，有一种方法可以使这些高能耗矿机保持盈利，即找到更便宜的电力。 如果矿工无法使用最高效的矿机，那么矿工就必须考虑降低电力和运营成本，以便与其他矿工竞争，并弥补拥有过时硬件的弊端。（Decrypt）[2020/5/11]

碳族元素最外层是4个电子，处于中间位置。如果最外层是1个电子，就容易失去电子，最外层是7个电子就容易得到电子。中间位置的碳族元素，处于中间态，所以可以失去也可以得到，这就出现了最重要的一个词：半导体。

Si下面的Ge、Sn，Pb则直接成为了金属元素直接就可以导电。Si上面的元素C是构成地球上有机生命体的基础，而Si硅本身就成为完美的半导体材料，硅谷的名字也是这么来的，所以，很多科幻小说，说碳基生命和硅基生命的根据也是源于此处，但是硅基生命和碳基生命的生成原理是不同的，前者是逻辑电路导通，后者是共价键有机物化合。直白一点就是硅基生命是变形金刚那一类，碳基生命是我们人类这一类，扯远了。

上海对外经贸大学刘峰：建议比特币矿机商扩展多元收入业务结构:上海对外经贸大学人工智能与变革管理研究院区块链技术与应用研究中心主任刘峰表示，当前，比特币矿机商发展的痛点还是在于贡献收入的业务太单一，如果仅靠矿机及零部件销售作为唯一的收入来源，就会受限于剧烈波动的虚拟货币市场，带来利润的不稳定性。对于比特币矿机商后续发展，刘峰建议，一方面还是需发展自身核心技术，提高算力，降低成本，打造自身技术壁垒。另一方面可扩展多元收入业务结构，如矿机不仅只提供区块链算力，同时也能分流出一部分算力来支撑人工智能、大数据、云计算，通过多元化业务，才能提高公司核心竞争力。（北京商报）[2020/4/27]

现在已经找到了好的材料，怎么实现逻辑电路呢？

一边放硼元素B，一边放磷元素P，特殊光线一照射，B和Si生成共价键，P和Si也形成共价键。

马来西亚男子矿机交易时被:据马来西亚《中国报》报道，近日，某华裔男子在进行矿机交易时被矿工诓近百万令吉(约200万元)。马来西亚表示，由于目前矿机供不应求，请投资者在购买矿机和与矿工交易时，仔细甄别，避免上当。[2018/3/27]

所以，对于8电子稳定结构，B和Si只有7个电子，少了一个电子；而P和Si有9个电子，多了一个电子。这就出现了一个趋势，虽然大家都不是金属，但是有了金属的性质，多的一个电子，就有跑到少一个电子地方的趋势。因为中间部分是半导体Si所以电子不会跑来跑去，而是就呆在那里待命。

等待什么命令呢？加上电压。如果电压从B到P，也就是B这边是正极，P那边是负极，电子就会在电压作用下，从右边跑到左边。电压反过来，就导不通。这就是二极管单向导通的原理。

比特币挖矿与可持续发展：加拿大农场用矿机热量来养鱼:据悉，加拿大有一个温室和一个养鱼场都在用比特币挖矿产生的热量实现其运作，这证明了未来比特币挖矿将成为可持续发展的模式，引领了发展可持续能源的新方向。渔场的主人布鲁斯·哈代（Bruce Hardy）希望能创造可持续的食品系统。矿机产生的热量能够为温室里的植物还有鱼塘里的鱼保暖，而鱼塘产生的废水因富含硝酸盐是植物和农作物生长的理想选择。[2018/1/7]

根据二极管原理就形成了上图所示的逻辑门。“与门”“或门”“非门”，然后这些逻辑门进行拼接就形成了逻辑更加复杂的电路，计算机的世界就此打开。0和1在机器里有规律地蹦来跳去。

简单的逻辑算法，经常亿万次的计算就可以集成为复杂的电路实现功能。

电路材料从真空管变成晶体管，从20世纪八九十年代，计算机的大发展，导致了对运算能力的需求不断提高，很多发达国家开始大力投入芯片的研究，那时候我国经济建设刚刚有些起色，自然没有能够全力投入研发。

电脑的CUP发展迅速，于是英特尔公司的创始人之一戈登摩尔，提出了摩尔定律，也就是18个月芯片性能增加一倍。这个定律基本上是拍脑门说出来的，因为这只是一个观测规律没有什么真正的理论支撑。

下面看一下，芯片的制作流程。

首先从沙子里高温提取出单质硅，这里的硅是稳定的晶体结构，做成一个硅柱。

然后把切成很薄的圆片。

然后，光刻。在圆片上面涂上感光材料，然后在强光的照射下性质会改变，从不溶于水变成溶于水。控制光线，去照射不同的位置后，用水一冲，得到了凹槽。

凹槽中是露出硅单质的，然后对不同的部位掺入上文说的硼和磷，逻辑电路就在凹槽中形成，多余的硅也可以用腐蚀液给弄掉。这样就形成了一个一个的晶体管，当然，凹槽中也可以参与金属材料，这样形成电容电阻等电子元器件。

开个脑洞，人类几十亿人如果每个人在高等文明的眼里只是一个晶体管的话，那么，地球的运算能力对于高等文明也就是一个指甲盖。

光刻的精度决定了芯片的质量，晶体管的尺寸已经小到指甲盖大小的面积上，能集成10亿个以上的晶体管。光刻机很重要。设计环节非常关键，核心价值几乎都牢牢掌握在美国手里。

现在的问题是，为什么中国能干出格力、小米、海尔这样的企业却做不出来芯片呢？

手机、家电可以用中国的人口红利和廉价劳动力，我的东西做得多做得好，又非常便宜，我直接打开销路去打低端市场，然后走到中高端，高端，赚了钱不断迭代到最好就好了，别的国家很难和我们竞争了。

那么，芯片为什么不可以从低端市场做起慢慢发展？

网上都在说国家投入不够，资源错配，起步晚等等问题，其实这些都不是根本的问题，其他行业也有同样的问题，照样克服。

因为芯片行业几乎没有廉价低端市场，也就是说你做了芯片必须是顶级的，一般般的芯片根本没人用，不只是因为性能，因为你的烂芯片比人家的好芯片还贵！连价格优势都没有。

芯片行业更新速度快，市场永远最需要最高性能的芯片。设计、流片、生产等等环节，都需要大量资金投入，但这个不是问题，因为新一代芯片需求量巨大，直接把成本摊薄了，利润可观的情况下，没有必要卖到客户承受不起。其实芯片的价格从一定程度来说已经是非常便宜了。所以市场上，全部都是最高等级的芯片，芯片业几乎没有低端市场。

那为什么中国矿机厂商的芯片为什么可以领先？

有几个原因：

第一，ASIC算力芯片本身的逻辑电路极为简单，不需要完成复杂的运算，只是哈希碰撞找数而已，功能非常单一，容易设计出来。这一点要承认，不信你去设计生产出来英特尔芯片试试，世界上第一台ASIC矿机也是美国搞出来的，不过我国人民的勤劳智慧以及资本的涌入让这个产业迭代非常快，巨头还没反应过来，咱们的货都卖到他们家门口了；

第二，矿机还有很多别的供应链因素，中国有最好的电子产业供应链，就像手机、无人机厂商需要把厂安在珠三角地区；

第三，亚洲的数字货币市场又大发展又快，一旦形成规模效应，后面的追赶都不是很容易，这和手机的逻辑是一样的。

芯片是工业制成的皇冠，复杂程度绝不是一篇文章能够完全说明白的。

本文从原子结构引到硅材料，从半导体二极管讲到光刻机以及芯片制造流程，统筹分析了目前的芯片及矿机芯片的发展，相信会为有志于矿机和数字货币行业的人开启一扇小小的窗户。

区块链投资本质就是金融投资，金融投资是一项非常综合复杂的活动，要搜集和了解很多方面的信息，才能做出可能有效的判断，对矿机的基本了解，对算力的增减，矿机厂商的动作分析都是必备的要素。如果只是非常单纯的看别人炒币赚钱，觉得自己就能赚钱，是非常浅薄的认识，因为市场上赚钱的永远是少数人，那些用心用脑并且有点运气的少数人。

作者：村头二旧

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