如果說，一戰(zhàn)和二戰(zhàn)是鋼鐵和炮彈的角逐；美蘇冷戰(zhàn)是核武器的較量。那么，當今世界的大國之爭，則是由芯片所定義。

芯片作為智能、計算、航空、醫(yī)藥、電子產(chǎn)業(yè)的基石，它的先進程度正決定著未來科技發(fā)展的高度。

作為數(shù)字時代的原住民，芯片的發(fā)展值得我們每個人關(guān)注。沒有芯片，我們現(xiàn)在所擁有的一切數(shù)字化生活都無從談起。

想要窺見芯片行業(yè)的未來，我們需要誠摯地面對它的歷史，重走芯片的發(fā)展之路。正如丘吉爾所言：能看到多遠的過去，就能看到多遠的未來。

接下來，小編會透過7個關(guān)鍵節(jié)點和背后的精彩故事，帶你重走芯片發(fā)明之路，和開拓者的靈魂并肩踏上芯片之旅。

2015年，摩爾定律誕生50周年紀念活動上，86歲的戈登·摩爾受邀參加。主持人問摩爾：過去50年，你從摩爾定律中學到的最大價值是什么？

摩爾沉思了片刻說道：對我來說，最大的教訓就是，既然已經(jīng)做出了一個這么準的預測，那么我最好避免再做出第二個，觀眾席中爆發(fā)出一片笑聲。

早在1965年，摩爾就預測： 集成電路將為我們帶來各種奇跡，家用電腦、自動駕駛汽車、個人移動通信設(shè)備、以及帶有顯示屏的手表……

在那個年代，摩爾的想法簡直天方夜譚，一枚芯片上只包含64個晶體管，連基本的計算都無法完成，不過在幾十年間，同樣大小的芯片上，晶體管增加到了幾百萬、幾千萬個，甚至幾百億個，如果飛機的改進速度與芯片相同，那么它現(xiàn)在的飛行速度會提升到光速的好幾倍。

歷史上沒有任何技術(shù)能夠與芯片相媲美，這個奇跡的實現(xiàn)，始終繞不開這七個精彩的、有趣的、令人激動的關(guān)鍵節(jié)點。

節(jié)點一：

半導體的出現(xiàn)，源自一支變黑的燈泡

關(guān)鍵人物：愛迪生、約翰·弗萊明

 

時間：19世紀末

 

19世紀末期，愛迪生發(fā)明了電燈泡，徹底改變了這顆星球夜晚的面貌。

不過，這種燈泡還有一些惱人的缺陷：使用一段時間后，它的內(nèi)表面會變黑導致燈光暗淡。之所以會這樣，是因為在高溫下的碳纖維燈絲會釋放出一些黑色的碳微粒，附著在了燈泡玻璃內(nèi)表面。

愛迪生隨即想到了一個辦法——將一枚銅片放置在燈絲和玻璃泡之間，以阻擋碳微粒飛向玻璃。不過，這個方法并沒有奏效，接下來，他又在銅片上施加了一定的電壓，問題依然沒有解決。不過，這時竟然有電流從銅片流向了燈絲，而且，只在一個方向上有電流?？墒菬艚z和銅片并沒有任何接觸，兩者之間是真空的！

不過，愛迪生總是發(fā)明不斷，忙碌不停，他習慣性地為其申請了一個專利，就將它拋在腦后了。

當時，海上船只的無線通信也在飛速發(fā)展，想要接收到無線電傳遞的信息，接收器需要整流，即去掉無線電波的負半部分，保留正半部分，這樣才能將無線電中的信息提取出來。這一切都有賴于一種穩(wěn)定的單向?qū)щ娖骷拖駟涡械郎系慕痪?，只允許車輛在一個方向上通行。

如何找到一個合適的單向?qū)щ娖骷兀课锢韺W家約翰·弗萊明想到了數(shù)年前愛迪生那顆變黑的燈泡，他立即仿制出一顆同樣的燈泡，不出所料，銅片和燈絲之間出現(xiàn)了單向電流，這正好能用于無線電接收器中的整流。

弗萊明在這個燈泡的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種帶有圓柱形玻璃罩的真空器件，它以燈絲為陰極，以銅為陽極，就這樣，真空二極管出現(xiàn)了！

節(jié)點二：

戰(zhàn)爭推進研究加速，晶體管誕生

 

 

關(guān)鍵人物：肖克利、巴丁、布拉頓

 

時間：1947年-1948年

 

二戰(zhàn)打響后，雷達成為了決定戰(zhàn)局走向的關(guān)鍵，它就像戰(zhàn)爭中的“眼睛”，可以偵測來犯的轟炸機和隨時準備伏擊的潛艇。

雷達精確與否，很大程度上取決于配備的信號整流器，但當時用于整流的二極管存在著高頻性能差、分辨率低的弊病，精度很難滿足當時的戰(zhàn)爭需求。為了在戰(zhàn)爭中占據(jù)上風，各國政府都在雷達項目上投入了數(shù)十億美元。

著名的科研機構(gòu)貝爾實驗室也參與了進來，還特別成立了由肖克利、巴丁、布拉頓組成的半導體研究小組。當時，業(yè)界已知的是一種叫做硅的物質(zhì)中含有PN結(jié)，可以作為理想的單向整流器，三人的研究在此基礎(chǔ)上展開。

小組中的巴丁擅長理論分析，布拉頓擅長實驗，兩人優(yōu)勢互補，工作起來又十分默契，不久之后，兩人就合作發(fā)明了點接觸式晶體管，這個發(fā)明讓整個實驗室都為之歡呼，不過，有一個人卻不開心，他就是組長肖克利，因為他并沒有參與這個過程，而且這兩個組員也不準備在專利上署肖克利的名字。

身為組長的肖克利不甘認輸，他在另一個方向上展開了研究，隨即在第二年發(fā)明了“三明治”結(jié)構(gòu)的結(jié)型晶體管，更為簡易通用，屬于點接觸晶體管的升級版。

1956年11月，三人先后接到通知，因“對半導體研究和晶體管效應的發(fā)現(xiàn)”而榮獲諾貝爾物理學獎，三人前往瑞典領(lǐng)獎，接受眾星捧月般的歡迎。不過，因為之前的種種事情，三人心中有了一道無法彌合的裂痕，直至此時也沒有逆轉(zhuǎn)。

不過，半導體的研究正是在一次次機緣巧合中、一場場明爭暗斗中，飛速向前發(fā)展著……

節(jié)點三：

用芯片集成，來解決“數(shù)字暴政”

關(guān)鍵人物：杰克·基爾比

 

時間：1958年

 

隨著產(chǎn)業(yè)發(fā)展，電路板上晶體管的數(shù)量越來越多，限制了電路規(guī)模的進一步擴大。貝爾實驗室的莫頓將其稱之為技術(shù)發(fā)展的“數(shù)字暴政”。

1958年，德州儀器公司的工程師基爾比腦海中靈光一閃，提出了一個叫做“單片集成”的想法——只要把所有的原件都集成在硅基材上，包括原件本身也用硅制作，就能極大程度上縮小電路。

雖然晶體管可以用硅制造，但是電阻器、電容器、電感器呢？這個想法實在是有違常理，不過，基爾比堅信自己可以找到解決辦法。

首先是解決電阻器的問題，基爾比發(fā)現(xiàn)，如果向硅中摻雜帶有額外電荷的元素，就能增強導電性。摻雜的額外電荷越多，導電性就越強，電阻也越小。通過改變雜質(zhì)的多少，就能做出想要的電阻器。

其次是電容器，基爾比想到，半導體里的PN結(jié)就能承擔此任務，只要施加反向電壓阻斷電流，一側(cè)剩下固定不動的正電荷，另一側(cè)剩下固定不動的負電荷，就剛好可以作為電容器的正負極板。

最后是電感器，普通電感器是用銅線繞制的螺旋線圈，只需用電阻很小的半導體硅，加工成螺旋狀，就能做成等效電感線圈。

就這樣，基爾比把電路的所有原件都集成在硅片上，做出了第一塊集成電路。不過，在當時的工程師看來，基爾比的做法很蹩腳。因為傳統(tǒng)元件很便宜，一美分就能買到幾十個，而一個硅元件要好幾美元。

在硅片上做出的第一塊集成電路

可基爾比不這么認為。他覺得硅的原材料是沙子，豐富且廉價。將來隨著硅的制造成本下降，由硅制成的任何元件都會越來越便宜。與其用碳粉、鋁片、銅絲等各不相同的材料去分頭制造電阻器、電容器和電感器，不如用廉價的硅來制造一切。

而后來半導體行業(yè)的發(fā)展也應驗了基爾比的預判，硅開始讓芯片變得越來越便宜，也讓芯片擁有了越來越小的體積和越來越精密的結(jié)構(gòu)。

節(jié)點四：

場效應晶體管，創(chuàng)新往往源自“低端顛覆”

關(guān)鍵人物：阿塔拉、姜大元

 

時間：1960年

 

一開始，就像用硅來做集成芯片不被看好一樣，場效應晶體管在問世之初也被推到了邊緣地帶。

阿塔拉是一位埃及的留學生，他博士畢業(yè)后留在美國，加入了貝爾實驗室。他學習了前輩們提出的場效晶體管的思路，很看好它的工作特性，但也了解到因為晶體表面有固定電子的阻撓，這個想法很難落地。

不過，一場意外事件為場效晶體管的研究帶來了一絲轉(zhuǎn)機。有一次，一個工作人員失手讓晶圓表面沾上了水蒸氣，生成了一層二氧化硅薄膜，緊密地覆蓋在硅片表面。

阿塔拉發(fā)現(xiàn)，晶圓表面覆蓋了這層薄膜后，表面的固定電子減少了，PN結(jié)的反響漏電和噪音狀況也大大減小，遵照這個思路，場效晶體管的障礙似乎被解除了。

后來，姜大元也加入了場效應晶體管的研究，他與阿塔拉共同制作出成型的MOS場效晶體管，這種晶體管通過調(diào)控柵極電壓就能改變導電溝道的形狀，從而調(diào)控單向電流，實現(xiàn)場效放大。

不過，業(yè)界對這種晶體管不以為然，業(yè)界覺得MOS場效晶體管的開關(guān)速度比結(jié)型晶體管的速度慢很多，而且不太穩(wěn)定。

不過，阿塔拉和姜大元宣稱，MOS場效晶體管才是未來，它的結(jié)構(gòu)簡單，比結(jié)型晶體管容易制造得多。之所以這么說，是因為結(jié)型晶體管是三層結(jié)構(gòu)，需要分層制造（在底層上擴散出中間層，再擴散出頂層），這類似于“分色印刷”，將幾種顏料逐層疊加印刷到紙面上。而MOS場效晶體管在底層之上只有一層，只需“單色印刷”即可。

歷史總是驚人的相似，創(chuàng)新者總會遇到被拒絕的窘境，不過，看似“低端”的創(chuàng)新產(chǎn)品往往會后來居上，實現(xiàn)對主流的顛覆。

20世紀70年代末，MOS場效晶體管的銷售額完全超過了結(jié)型晶體管，此后便成為主流，一騎絕塵。

節(jié)點五：

摩爾定律預言成真，芯片性能指數(shù)級上升

 

 

關(guān)鍵人物：戈登·摩爾、所有芯片行業(yè)從業(yè)者

 

時間：1965年

 

提起芯片的發(fā)展，戈登·摩爾始終繞不過，他既是仙童半導體的創(chuàng)始人，也是英特爾的創(chuàng)始人。

1965年的某天，摩爾收到了一封《電子學》雜志的來信，信中邀請摩爾撰寫一篇名為“微電子的未來”的文章，預測產(chǎn)業(yè)界的發(fā)展趨勢。摩爾認為，這是一個向半導體界闡述自身觀點的好機會，于是開啟了仔細的籌備。

摩爾從小就喜歡琢磨數(shù)字，他選擇了1962-1965年的數(shù)據(jù)，試圖從中找到論證依據(jù)。摩爾發(fā)現(xiàn)，這幾年間，芯片上的原件數(shù)量分別是7，17，30，64。摩爾將這些數(shù)字標在一張普通的坐標紙上，得到了一根向上彎的曲線，似乎呈指數(shù)增長的趨勢。隨后，他又拿出一張對數(shù)坐標紙驗證這個想法，確實如此，這些年芯片上原件的數(shù)量基本符合每年翻倍的規(guī)律。

接著，摩爾在這篇文章中指出，芯片的復雜度會以每年2倍的速率增長，他預測，到1975年，每個集成電路上的元件數(shù)將達到65000個，并且這顆芯片的性能相當于現(xiàn)在1024顆芯片的總和。

十年后，摩爾的預言在人們的見證成功應驗，晶體管發(fā)展的數(shù)據(jù)點恰如其分地分布在摩爾預測的延長線旁邊。與此同時，摩爾在這一年也對定律做出了一些調(diào)整，將未來的發(fā)展趨勢修正為每兩年翻番。

1971—2011年處理器中的晶體管數(shù)量

摩爾定律就像一支無形的指揮棒，指揮著這條產(chǎn)業(yè)鏈上的不同角色按照特定的節(jié)奏朝著同一個方向前進。

盡管它每過一段時間就會遇到新的障礙，卻從沒有陷入止步不前的局面。如果我們把摩爾定律分成若干段，每一段都是S曲線。每隔十年左右，它就會遇到一個較大的瓶頸，而這時就會有一個新技術(shù)出現(xiàn)，從而讓摩爾定律突破瓶頸并繼續(xù)獲得驗證。

與其說摩爾定律是一個定律，不如說是一種信仰。正是這種“不待證明而相信”的信仰，推動著摩爾定律不斷獲得驗證。摩爾定律展示的不是永恒不變的物理定律，而是人的想象力和創(chuàng)造力在不同階段所能達到的極限。

節(jié)點六：

芯片設(shè)計，在指甲大小之地搭建復雜宮殿

關(guān)鍵人物：唐納德·彼得森

 

時間：1969年-1970年

 

1966年，加州大學伯克利分校的唐納德·彼得森教授跟畢業(yè)生海恩斯打了一個賭。

學生海恩斯向老師彼得森抱怨，自己設(shè)計了一個模擬放大器電路，工作起來不穩(wěn)定。他認為當初學校教的手工分析電路的方法太簡單，忽略了二極效應。

彼得森當然不同意這個說法。他覺得計算電路不復雜，充其量就10來個晶體管，手工計算就已足夠，為此，兩人打賭，賭金是5美元。

彼得森把海恩斯的電路設(shè)計帶回學校，和自己的另一個學生來來回 回地討論了3個月，發(fā)現(xiàn)確實誤差是手工計算過于簡單造成的。彼得森承認自己搞錯了，隨即給海恩斯寄去了一張支票。

后來，隨著芯片上元件數(shù)量的增多，手工計算變得越來越耗時且不準確。60年代末，彼得森決定開發(fā)一個通用的計算機分析仿真程序，他希望這種仿真程序能算出電路各處的電壓和電流，以及隨時間變化的軌跡，還能計算出電路的噪聲和頻率響應特性等，以防止電路設(shè)計的出錯。

隨即，彼得森和校友羅勒組織了7名學生，展開了電路分析程序的課程項目。學期結(jié)束時，這個團隊做出了一款名為CANCER的電路分析程序，這個程序包含了6000多行代碼，集成了直流、交流和瞬態(tài)分析功能，還能分析噪聲和敏感度。

這么一個看起來粗糙的課堂項目，事實上已經(jīng)初步具備了一個電路仿真器的大部分功能。彼得森認為，向?qū)W術(shù)界和工業(yè)界的研究者分享成果一直都是半導體產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。在1973年4月的一個產(chǎn)業(yè)大會上，彼得森將這個電路仿真程序更名為SPICE，開源供業(yè)界使用。處于芯片高速發(fā)展的年代，這個開源軟件迅速擴散開來，1981年，SPICE 2G6版本甚至成為了美國國家工業(yè)標準。

此后，芯片設(shè)計軟件在這個基礎(chǔ)上飛速發(fā)展，它設(shè)計出來的芯片又再次提升了計算機的分析能力，使其能夠應對更復雜的芯片設(shè)計。

節(jié)點七：

芯片制造，張忠謀開辟晶圓代工模式

關(guān)鍵人物：張忠謀

 

時間：1987年

 

1985年，純做設(shè)計芯片的公司Chips and Technologies去拉融資卻屢屢碰壁，原因是風投公司對一家半導體公司沒有自己的晶圓廠感到困惑。

“半導體公司一定要有自己的晶圓廠嗎？”張忠謀問自己。張忠謀在德州儀器工作了數(shù)十年，位至副總裁，在那段工作經(jīng)歷中，張忠謀在曾見過許多有創(chuàng)業(yè)想法的芯片設(shè)計者，但他們都苦于籌集不到足夠多的資金來開辦晶圓廠。

既然個別設(shè)計公司已經(jīng)邁出了與制造分離的第一步，為什么不成立一家公司為設(shè)計公司提供制造服務呢？

恰逢這時，張忠謀接到了中國臺灣主管經(jīng)濟的李國鼎先生的邀請，后者希望張忠謀在臺灣創(chuàng)辦一家半導體晶圓制造廠。

考慮再三，張忠謀接受了這個邀請，經(jīng)過2年的籌備， 56歲的張忠謀創(chuàng)建了世界上第一家純晶圓代工廠——臺積電公司。

這種代工模式使得設(shè)計公司和代工廠都能專注于自己的特長，不過，臺積電公司的理念雖然說得過去，公司的技術(shù)起點卻不高。

1988年，英特爾公司CEO格魯夫一行訪問了臺積電公司，并答應把一些訂單交給臺積電公司來做。做了四年英特爾的代工，臺積電公司的技術(shù)才與世界領(lǐng)先水平的技術(shù)差距縮小到一代。

不過，在這個過程中，臺積電的制造能力也在飛速增長。十年后，臺積電公司趕上了除英特爾公司之外的其他晶圓廠。這個看似低端的代工廠，逐漸成為世界上最先進的半導體制造企業(yè)。

后來，隨著芯片制造精細度要求的進一步增高，以及高昂的晶圓設(shè)備升級費用，越來越多的公司開始退出芯片制造領(lǐng)域。

幾十年間，臺積電也完成了從后進生到第一名的追趕，在22納米時代，全球只剩下7家半導體公司有最先進的晶圓廠 ，到7納米時代，只剩下臺積電、三星和英特爾。2020年，5納米芯片量產(chǎn)時，賽道上只剩下了臺積電和三星。

由臺積電代工的晶圓

2020年，無論是蘋果手機和筆記本中的最新CPU，還是英偉達公司的GPU、高通公司的5G芯片，都是由臺積電公司生產(chǎn)的。隨著芯片制造復雜度越來越高，芯片制造成了整個產(chǎn)業(yè)鏈條中最艱難的一環(huán)，代工逐漸演變?yōu)橹髁鞯男酒O(shè)計制造模式。

本文內(nèi)容節(jié)選自

《芯片簡史》

芯片行業(yè)的“人類群星閃耀時”

芯片研究專家 汪 波的啟發(fā)未 來之作

芯片的發(fā)展史，也是一部創(chuàng)新史與叛逆史，這本書以半導體技術(shù)發(fā)展的時間線為主軸，以多種門類的半導體器件演進過程為脈絡，為你詳細講述一群叛逆者突破傳統(tǒng)、不斷創(chuàng)新的故事，逐漸為你呈現(xiàn)出半導體行業(yè)從理論形成到產(chǎn)業(yè)爆發(fā)的全貌。本文就是從《芯片簡史》眾多精彩的故事中抽離出的一條發(fā)展主線。

這本書用清晰、有趣的語言將芯片發(fā)明和發(fā)展的60多年歷程完整的呈現(xiàn)了出來，是一部跨越專業(yè)人士與大眾藩籬的科技創(chuàng)新史，也是人們了解芯片發(fā)展歷程以及看清未來發(fā)展趨勢的絕佳商業(yè)圖書。

我感到無比幸運，能夠參與其中，

并朝著人類的福祉又邁進了一小步。

——晶體管發(fā)明者之一

諾貝爾獎得主 約翰·巴丁

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