读懂芯片：一本书、一棵树、一部史

最近几年，有关芯片的新闻频频引起关注，从2022年美国签署《芯片和科学法案》到2023年欧盟批准《芯片法案》，从ChatGPT、Sora等生成式人工智能持续火爆到英伟达2024年股价3个月翻番，桩桩件件都与芯片有关。芯片究竟是怎样诞生的？它又将怎样影响我们的生活？

一本书

某种意义上说，芯片与书籍很相似。

书是由很多书页构成的，每张书页上又有很多文字。同样道理，如果将一片硅晶圆比作一本书，那么其中的芯片就是纸张；每个芯片上又有很多晶体管，每个晶体管代表一个字。

晶体管只有两项基本功能，一个是作为开关表示0和1，可用于计算；另一个是作为信号放大器，可用于通信。可以说，正是因为有了晶体管，才有了我们信息时代的计算机、互联网和无线通信等。

更进一步说，如果晶体管代表字，晶体管尺寸就对应字号，标准单元库就相当于字体库，版图校验对应校对，线间距有点像行距，版图布局相当于页面布局，掩膜制版对应激光制版，光刻就像印刷，封装就像装订，外壳相当于封面，芯片型号对应书名。

芯片和书籍的相似之处还在于，它们都需要先把一个想法变成版式或版图，然后用光照的方式“印刷”出来。所以，光刻机也可以看作是一种精密的“化学印刷”设备。

除了以上这些，芯片和书籍还有一大相似点，那就是可以通过缩小“字号”，也即缩小晶体管的尺寸，让书籍或芯片承载更多内容。

事实上，晶体管自诞生之日起就一直在缩小。最初的晶体管有几十微米大，今天已经可以缩小到3纳米。这意味着，人们可以在一颗芯片上塞进更多晶体管，就像书页上写满密密麻麻的小字。举例来说，1971年发明的第一颗CPU芯片上只有2250个晶体管，晶体管的最小尺寸是10微米，也即1万纳米。而2024年3月，英伟达发布B200 GPU芯片，上面有2080亿个晶体管，晶体管的特征尺寸是4纳米。10微米和4纳米中间的差距有多大？如果前者是一头亚洲象，那么后者只有蚂蚁那么小。

这就是为什么最初的真空管电子计算机有房子那么大，而后来用芯片制成的笔记本电脑、智能手机，功能越来越强，但个头却越来越小。

一棵树

1965年，美国科学家、企业家、后来创办了英特尔公司的戈登·摩尔研究了过去几年芯片发展的规律后发现，集成电路上可容纳的晶体管数量每年翻一番，后来修订为每两年翻一番——这就是“摩尔定律”。其特点在于指数型增长，它的发展速度不是呈线性增长的，而是呈指数级攀升，越到后期增长曲线越陡峭。而且，直到半个多世纪之后的今天，这一规律尽管有所放缓，但依旧没有被打破。

至此，芯片的发展脉络逐渐清晰起来。它就像一棵树:

——根是基础学科，更准确地说是量子力学。

——在其之上诞生了晶体管，然后又诞生了芯片。芯片按照摩尔定律不断发展，其中一个典型的代表就是CPU或者处理器芯片，这样才有了后来的台式机和笔记本电脑等。这些是树的主干。

——有了半导体芯片技术，信息技术开始开枝散叶，出现了Flash、无线通信芯片、传感芯片、功率芯片以及光电类芯片等。

一部史

透过芯片的过去，才能看到芯片的未来。

芯片的发展史就是一部创新史。而今天，我们又面临新的挑战。

一方面，芯片里面晶体管的尺寸已经逼近了物理极限。如今，3纳米芯片已经量产，未来还会有1纳米、0.5纳米芯片。这么小的尺寸意味着要用极短波长的光刻机才能制造，光刻技术将面临严峻挑战。

另一方面，即便我们能制造出尺寸极小的晶体管，它也很可能无法正常工作，因为它还受到另外一个物理极限的影响，即“隧穿效应”。“隧穿效应”是指当晶体管只有原子尺寸的时候，电子就能从晶体管中逃逸出来，让晶体管失效。

目前，科学家们正在想尽办法来解决这些问题，包括使用新材料，比如研究碳基晶体管；也包括采用新原理，比如发明模拟人脑神经元的新器件等。

除了芯片本身必须面对的挑战，人类还面临更大的挑战。有机构测算，训练一次人工智能大模型，需要消耗2亿千瓦时电。由此，业界有了一种说法，“所有的transformer将要消耗掉所有的transformer”，其中第一个transformer指的是大模型；第二个transformer指的是变压器，代表电力。

但无论如何，芯片都是值得期待的。也许我们很难预测奇点何时会来临，但正如《芯片简史》所言:“预测未来最好的方式，就是把它发明出来。”