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最近幾年，有關芯片的新聞頻頻引起關注，從2022年美國簽署《芯片和科學法案》到2023年歐盟批準《芯片法案》，從ChatGPT、Sora等生成式人工智能持續火爆到英偉達2024年股價3個月翻番，樁樁件件都與芯片有關。芯片究竟是怎樣誕生的？它又將怎樣影響我們的生活？
一本書
某種意義上說，芯片與書籍很相似。
書是由很多書頁構成的，每張書頁上又有很多文字。同樣道理，如果將一片硅晶圓比作一本書，那么其中的芯片就是紙張；每個芯片上又有很多晶體管，每個晶體管代表一個字。
晶體管只有兩項基本功能，一個是作為開關表示0和1，可用于計算；另一個是作為信號放大器，可用于通信。可以說，正是因為有了晶體管，才有了我們信息時代的計算機、互聯網和無線通信等。
更進一步說，如果晶體管代表字，晶體管尺寸就對應字號，標準單元庫就相當于字體庫，版圖校驗對應校對，線間距有點像行距，版圖布局相當于頁面布局，掩膜制版對應激光制版，光刻就像印刷，封裝就像裝訂，外殼相當于封面，芯片型號對應書名。
芯片和書籍的相似之處還在于，它們都需要先把一個想法變成版式或版圖，然后用光照的方式“印刷”出來。所以，光刻機也可以看作是一種精密的“化學印刷”設備。
除了以上這些，芯片和書籍還有一大相似點，那就是可以通過縮小“字號”，也即縮小晶體管的尺寸，讓書籍或芯片承載更多內容。
事實上，晶體管自誕生之日起就一直在縮小。最初的晶體管有幾十微米大，今天已經可以縮小到3納米。這意味著，人們可以在一顆芯片上塞進更多晶體管，就像書頁上寫滿密密麻麻的小字。舉例來說，1971年發明的第一顆CPU芯片上只有2250個晶體管，晶體管的最小尺寸是10微米，也即1萬納米。而2024年3月，英偉達發布B200 GPU芯片，上面有2080億個晶體管，晶體管的特征尺寸是4納米。10微米和4納米中間的差距有多大？如果前者是一頭亞洲象，那么后者只有螞蟻那么小。
這就是為什么最初的真空管電子計算機有房子那么大，而后來用芯片制成的筆記本電腦、智能手機，功能越來越強，但個頭卻越來越小。
一棵樹
1965年，美國科學家、企業家、后來創辦了英特爾公司的戈登·摩爾（Gordon Moore）研究了過去幾年芯片發展的規律后發現，集成電路上可容納的晶體管數量每年翻一番，后來修訂為每兩年翻一番——這就是“摩爾定律”。其特點在于指數型增長，它的發展速度不是呈線性增長的，而是呈指數級攀升，越到后期增長曲線越陡峭。而且，直到半個多世紀之后的今天，這一規律盡管有所放緩，但依舊沒有被打破。
至此，芯片的發展脈絡逐漸清晰起來。它就像一棵樹：
——根是基礎學科，更準確地說是量子力學。
——在其之上誕生了晶體管，然后又誕生了芯片。芯片按照摩爾定律不斷發展，其中一個典型的代表就是CPU或者處理器芯片，這樣才有了后來的臺式機和筆記本電腦等。這些是樹的主干。
——有了半導體芯片技術，信息技術開始開枝散葉，出現了Flash（閃存）、無線通信芯片、傳感芯片、功率芯片以及光電類芯片等。
一部史
透過芯片的過去，才能看到芯片的未來。
芯片的發展史就是一部創新史。而今天，我們又面臨新的挑戰。
一方面，芯片里面晶體管的尺寸已經逼近了物理極限。如今，3納米芯片已經量產，未來還會有1納米、0.5納米芯片。這么小的尺寸意味著要用極短波長的光刻機才能制造，光刻技術將面臨嚴峻挑戰。
另一方面，即便我們能制造出尺寸極小的晶體管，它也很可能無法正常工作，因為它還受到另外一個物理極限的影響，即“隧穿效應”。“隧穿效應”是指當晶體管只有原子尺寸的時候，電子就能從晶體管中逃逸出來，讓晶體管失效。
目前，科學家們正在想盡辦法來解決這些問題，包括使用新材料，比如研究碳基晶體管；也包括采用新原理，比如發明模擬人腦神經元的新器件等。
除了芯片本身必須面對的挑戰，人類還面臨更大的挑戰。有機構測算，訓練一次人工智能（AI）大模型，需要消耗2億千瓦時電。由此，業界有了一種說法，“所有的transformer將要消耗掉所有的transformer”，其中第一個transformer指的是大模型；第二個transformer指的是變壓器，代表電力。
但無論如何，芯片都是值得期待的。也許我們很難預測奇點何時會來臨，但正如《芯片簡史》所言：“預測未來最好的方式，就是把它發明出來。”
原標題：讀懂芯片：一本書、一棵樹、一部史
文章來源：http://www.ce.cn/cysc/tech/gd2012/202404/27/t20240427_38985345.shtml
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