芯片发展史是怎么样的？_芯片发展到头了

芯片借着一串0和1的代码来到这个世界，它以IV族中碳正下方的硅元素作为地基，在上面建造出各种晶体管。信息和它的载体（晶体管）是在同一个实验室、而且几乎同时被发明出来的，它们来自于贝尔实验室的两个研究小组，一个是威廉·肖克利领导的晶体管研究小组，另一个则是数学部单枪匹马的的克劳德·香农。

刚刚诞生的晶体管是弱小的，跟单细胞生物一样。过了许多亿年，单细胞们设法联合起来，组成了更加复杂的“多细胞生物”。晶体管发明仅仅11年后，多个晶体管就集成在一起，组成了“集成电路”或者“芯片”。晶体管的数量越是众多，就越强大。1958年一颗芯片上只有5个元器件，今天芯片上有超过100亿个晶体管。37亿年前第一个多细胞生物只包含几个细胞，今天人类大脑有大约860亿个神经元细胞。从南方古猿到智人和现代人，大脑容量像肥皂泡一样飞快膨胀起来，在两百万年间增加了一倍。而对于芯片来说，晶体管数量翻一番只需要短短两年。

芯片诞生后前十年，一直比较平静，就像生命在地球出现后一直非常缓慢地发展，而到了距今约5.4亿年，迎来了寒武纪大爆发，短时间内出现了无数新物种。芯片发展到了第二个十年，也突然涌现了许多新型芯片，我们熟知的中央处理器（CPU）、数码图像芯片（CCD）、FLASH芯片（构成了U盘和固态硬盘）都是那时出现的。晶体管和它构成的芯片像绿色植被那样遍及地球每个角落。如今，无论是智能手机、大屏显示器、LED照明、高铁、银行卡，还是卫星、冰箱、洗衣机、电动汽车、无人机、机器人，到处都离不开晶体管和芯片。它们释放出一种叫做信息的“气体”，供我们呼吸，否则我们的生活全部乱套；它们像肌肉一样为我们提供动力，否则我们只能龟速前行；入夜，它们照亮了街道和房间，消除了我们对黑暗的恐惧。

晶体管和芯片自从诞生之日起每十多年便经历一劫，而就像地球上的生命经历的几次大灭绝，每次只有极少数生命适应了环境的巨变，艰难地生存了下来并开始重新遍布地球。晶体管也类似，双极型晶体管替代了最早的点接触晶体管，而MOS晶体管又替代了双极型晶体管，接着鳍型MOS晶体管又替代了它的前任——平面MOS晶体管。每一次当一种技术被卡住无法继续前行，那些适应了新形势的技术才有幸存活了下来。在这个过程中，晶体管的最小尺寸从几十微米（一根头发丝的宽度）一直缩小到纳米级别（1纳米是1米的十亿分之一），比新冠病毒还小。顺便爆个料，晶体管工艺命名中的5纳米并不是晶体管的实际尺寸，而只是厂商的一个代号，你觉得受到了欺骗？详情将在后文中解释。最终，当晶体管中的线宽只有十多个硅原子并排在一起的宽度时，就将达到物理学极限，进入到量子定律的作用区域，而量子的不确定性将使晶体管无法正常开启和关断。我们已经越来越逼近那一天了。

随着晶体管的种类越来越多，发展出多种多样的功能，而每种晶体管专注于特定的功能。细胞也是类似，细胞分工之后，每种细胞专注于特定的功能。为了理解这一点，让我们设想一个情景，并对比细胞和晶体管在其中发挥的作用。假设傍晚你在河边散步，落日把云霞映照成橘红，和天空的蔚蓝形成的强烈反差，这美感令你沉醉，你心潮澎湃，举起手机拍摄了一幅照片，随手发在朋友圈里，并添加了一个位置标签。没过几分钟就引起了一片点赞，有的朋友还跟你互动点评了几句。

这个简单的活动离不开身体里的各种细胞：能让你看到美景的，是眼睛里的视杆和视锥细胞；能让你心脏加速搏动的，是心肌细胞；能让你举起手机的，是胳膊里的平滑肌细胞；能让你感到兴奋并产生想法的，是大脑里的神经元细胞。所有这些都是细胞。

同样，这些操作也离不开晶体管和芯片：那捕捉光线变成照片的，是手机里的图像传感芯片以及里面一种特殊的光电二极管；那确定你位置的用于定位的，是手机里的卫星定位芯片以及里面的用于产生周期节奏的晶体管；那上传照片到朋友圈的，是无线收发芯片以及里面负责功率放大的晶体管；那收到朋友评论和点赞的，是信息处理器芯片以及里面负责逻辑开关的晶体管。所有这些都是晶体管。

自从晶体管1947年诞生到2018年的71年间，全世界生产了1.3×1022个晶体管。这个数字很大，也很新，以至于中文还没有一个与之对应的词。哈勃深空望远镜在2018年估测整个宇宙约有2000亿个星系，如果每个星系和银河系一样有2000亿颗恒星，那么所有这些的星星数量才能和晶体管的数量相匹敌。如果将这些晶体管平均分配，地球上的每个人能分到将近两万亿个晶体管。如今，在一支小巧的闪存芯片中，就有至少几百亿个晶体管，更不用说这个数字还在以每两年翻一番的速度增加。

芯片的强大并不来自于它自身，而是来自于芯片以外：地壳中储量丰富的沙子，非常稳定纯净的硅晶体，波长越来越短的紫外光源，越来越敏感的光敏涂胶，越来越快的计算机和辅助设计软件，人们对微芯片近乎无止境的需求，当然还离不开一系列的人：科学家、芯片设计师、工艺工程师、制造工人，等等。

这种魔术般的晶体管，大多从沙子中提取的硅元素制造。考虑到一颗高端CPU芯片数千元的价格，这是名副其实的“点石成金”。芯片产业极大影响了世界经济，1980年芯片与GDP的关联度只有0.35，而到了2019-2024年，二者的关联度达到了0.9。2023年全球芯片的产值将达到5000亿美元，而它带动的经济增长将以万亿美元计。

早期设计芯片就像设计一栋楼房一样，从尺子和笔在纸上作图。现在一颗芯片上需要数以亿计的晶体管，根本无法手工完成。幸而计算机辅助设计软件能帮我们自动完成这么多晶体管的布局和互连。在一颗芯片里集成了放大信号的模拟电路、用于计算的数字电路、时钟电路、电源电路、高速接口电路、驱动电路等等，简直就像一座城市。

晶体管并不是一个个地生产，而是批量地在一大块硅上生产。将硅加热到1400多度融化，冷却后切成披萨大小的薄片，即晶圆片。这种纯净的硅比黄金还要纯百万倍，十亿个硅原子中不多于一个杂质。然后使用最尖端的光刻、气相沉积等几百道工序加工出晶体管和芯片来。接下来切割、测试、封装，才能安装到手机、电脑里的电路板上。

那么这一切复杂的芯片是如何起源的呢？据说，生命只诞生了一次，其后所有的生命都是那个最早细胞的后代，这唯一的一次诞生开启了如今这个包含植物、动物、真菌、原生生物、古菌及细菌等不同域、界、门、纲、目、科、属和种的琳琅满目的生命大家族。遗憾的是，我们不知道生命在哪里诞生、也不知道是哪一年哪一天的上午还是下午。

同样，晶体管也只诞生了一次，不过我们确实知道它诞生在哪一天以及在哪个国家的哪个地方的哪栋楼的哪个房间。那么晶体管到底为人类和地球带来了什么？让我们回到它问世那个时刻，从那开始讲起。

文/汪波，70后，早年留学法国，获得国立里昂应用科学院集成电路硕士和利摩日大学高频微电子博士学位，之后在里昂纳米国家实验室从事科研工作，现任教于北京大学深圳研究生院。已出版专著《时间之问》、《时间之问少儿版》，深受读者好评。

本文摘自汪波新作《芯片简史》（暂定名），该作品已由行距文化代理。

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