如果说，一战和二战是钢铁和炮弹的角逐；美苏冷战是核武器的较量。那么，当今世界的大国之争，则是由芯片所定义。
芯片作为智能、计算、航空、医药、电子产业的基石，它的先进程度正决定着未来科技发展的高度。
随着GPT的爆火，人类步入了AI元年，而AI智能的核心正是GPU芯片。据TrendForce统计，一个类ChatGPT的模型需要超过3万张英伟达A100芯片对其进行训练。
作为AI芯片领域的王牌，英伟达占有了全球90%以上的AI芯片市场，前不久（8月8日），英伟达又发布了新一代GH200芯片，它被称为“世界上最快的内存芯片”。据悉，英伟达GPU订单量已经排到2024年。
作为数字时代的原住民，芯片的发展值得我们每个人关注。没有芯片，我们现在及未来所拥有的一切数字化生活都无从谈起。
想要窥见芯片行业的未来，我们需要诚挚地面对它的历史，重走芯片的发展之路。正如丘吉尔所言：能看到多远的过去，就能看到多远的未来。
芯片作为一个极其复杂的产业，想要把它说透摸清，总是绕不过晦涩枯燥的专业理论。不过，有个人却能够剥丝抽茧，把这段复杂的历史讲述的有趣、有料，还富有启发性，这个人就是著名芯片研究专家汪波博士。
他所讲述的《芯片简史》兼具知识性与故事性，不仅系统梳理出了芯片发展的脉络，还将发明者突破难题时的困顿与喜悦刻画的淋漓尽致，为人们呈现出一个又一个带有哲理的启发性瞬间。
本期专题，我们依托《芯片简史》，为你带来一期特别策划——芯片极简史。透过7个关键节点和背后的精彩故事，带你重走芯片发明之路，和开拓者的灵魂并肩踏上芯片之旅。
2015年，摩尔定律诞生50周年纪念活动上，86岁的戈登·摩尔受邀参加。主持人问摩尔：过去50年，你从摩尔定律中学到的最大价值是什么？
摩尔沉思了片刻说道：对我来说，最大的教训就是，既然已经做出了一个这么准的预测，那么我最好避免再做出第二个，观众席中爆发出一片笑声。
早在1965年，摩尔就预测：集成电路将为我们带来各种奇迹，家用电脑、自动驾驶汽车、个人移动通信设备、以及带有显示屏的手表……
在那个年代，摩尔的想法简直天方夜谭，一枚芯片上只包含64个晶体管，连基本的计算都无法完成，不过在几十年间，同样大小的芯片上，晶体管增加到了几百万、几千万个，甚至几百亿个，如果飞机的改进速度与芯片相同，那么它现在的飞行速度会提升到光速的好几倍。
历史上没有任何技术能够与芯片相媲美，这个奇迹的实现，始终绕不开这七个精彩的、有趣的、令人激动的关键节点。
01关键节点一：
半导体的出现，源自一支变黑的灯泡
关键人物：爱迪生、约翰·弗莱明
时间：19世纪末
19世纪末期，爱迪生发明了电灯泡，彻底改变了这颗星球夜晚的面貌。
不过，这种灯泡还有一些恼人的缺陷：使用一段时间后，它的内表面会变黑导致灯光暗淡。之所以会这样，是因为在高温下的碳纤维灯丝会释放出一些黑色的碳微粒，附着在了灯泡玻璃内表面。
爱迪生随即想到了一个办法——将一枚铜片放置在灯丝和玻璃泡之间，以阻挡碳微粒飞向玻璃。不过，这个方法并没有奏效，接下来，他又在铜片上施加了一定的电压，问题依然没有解决。不过，这时竟然有电流从铜片流向了灯丝，而且，只在一个方向上有电流。可是灯丝和铜片并没有任何接触，两者之间是真空的！
不过，爱迪生总是发明不断，忙碌不停，他习惯性地为其申请了一个专利，就将它抛在脑后了。
当时，海上船只的无线通信也在飞速发展，想要接收到无线电传递的信息，接收器需要整流，即去掉无线电波的负半部分，保留正半部分，这样才能将无线电中的信息提取出来。这一切都有赖于一种稳定的单向导电器件，它就像单行道上的交警，只允许车辆在一个方向上通行。
如何找到一个合适的单向导电器件呢？物理学家约翰·弗莱明想到了数年前爱迪生那颗变黑的灯泡，他立即仿制出一颗同样的灯泡，不出所料，铜片和灯丝之间出现了单向电流，这正好能用于无线电接收器中的整流。
弗莱明在这个灯泡的基础上，设计了一种带有圆柱形玻璃罩的真空器件，它以灯丝为阴极，以铜为阳极，就这样，真空二极管出现了！
02关键节点二：
二战推进研究加速，晶体管诞生
关键人物：肖克利、巴丁、布拉顿
时间：1947年-1948年
二战打响后，雷达成为了决定战局走向的关键，它就像战争中的“眼睛”，可以侦测来犯的轰炸机和随时准备伏击的潜艇。
雷达精确与否，很大程度上取决于配备的信号整流器，但当时用于整流的二极管存在着高频性能差、分辨率低的弊病，精度很难满足当时的战争需求。为了在战争中占据上风，各国政府都在雷达项目上投入了数十亿美元。
著名的科研机构贝尔实验室也参与了进来，还特别成立了由肖克利、巴丁、布拉顿组成的半导体研究小组。当时，业界已知的是一种叫做硅的物质中含有PN结，可以作为理想的单向整流器，三人的研究在此基础上展开。
小组中的巴丁擅长理论分析，布拉顿擅长实验，两人优势互补，工作起来又十分默契，不久之后，两人就合作发明了点接触式晶体管，这个发明让整个实验室都为之欢呼，不过，有一个人却不开心，他就是组长肖克利，因为他并没有参与这个过程，而且这两个组员也不准备在专利上署肖克利的名字。
身为组长的肖克利不甘认输，他在另一个方向上展开了研究，随即在第二年发明了“三明治”结构的结型晶体管，更为简易通用，属于点接触晶体管的升级版。
1956年11月，三人先后接到通知，因“对半导体研究和晶体管效应的发现”而荣获诺贝尔物理学奖，三人前往瑞典领奖，接受众星捧月般的欢迎。不过，因为之前的种种事情，三人心中有了一道无法弥合的裂痕，直至此时也没有逆转。
不过，半导体的研究正是在一次次机缘巧合中、一场场明争暗斗中，飞速向前发展着……
03关键节点三：
用芯片集成，来解决“数字暴政”
关键人物：杰克·基尔比
时间：1958年
随着产业发展，电路板上晶体管的数量越来越多，限制了电路规模的进一步扩大。贝尔实验室的莫顿将其称之为技术发展的“数字暴政”。
1958年，德州仪器公司的工程师基尔比脑海中灵光一闪，提出了一个叫做“单片集成”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，就能极大程度上缩小电路。
虽然晶体管可以用硅制造，但是电阻器、电容器、电感器呢？这个想法实在是有违常理，不过，基尔比坚信自己可以找到解决办法。
首先是解决电阻器的问题，基尔比发现，如果向硅中掺杂带有额外电荷的元素，就能增强导电性。掺杂的额外电荷越多，导电性就越强，电阻也越小。通过改变杂质的多少，就能做出想要的电阻器。
其次是电容器，基尔比想到，半导体里的PN结就能承担此任务，只要施加反向电压阻断电流，一侧剩下固定不动的正电荷，另一侧剩下固定不动的负电荷，就刚好可以作为电容器的正负极板。
最后是电感器，普通电感器是用铜线绕制的螺旋线圈，只需用电阻很小的半导体硅，加工成螺旋状，就能做成等效电感线圈。
就这样，基尔比把电路的所有原件都集成在硅片上，做出了第一块集成电路。不过，在当时的工程师看来，基尔比的做法很蹩脚。因为传统元件很便宜，一美分就能买到几十个，而一个硅元件要好几美元。
在硅片上做出的第一块集成电路
可基尔比不这么认为。他觉得硅的原材料是沙子，丰富且廉价。将来随着硅的制造成本下降，由硅制成的任何元件都会越来越便宜。与其用碳粉、铝片、铜丝等各不相同的材料去分头制造电阻器、电容器和电感器，不如用廉价的硅来制造一切。
而后来半导体行业的发展也应验了基尔比的预判，硅开始让芯片变得越来越便宜，也让芯片拥有了越来越小的体积和越来越精密的结构。
04关键节点四：
场效应晶体管，创新往往源自“低端颠覆”
关键人物：阿塔拉、姜大元
时间：1960年
一开始，就像用硅来做集成芯片不被看好一样，场效应晶体管在问世之初也被推到了边缘地带。
阿塔拉是一位埃及的留学生，他博士毕业后留在美国，加入了贝尔实验室。他学习了前辈们提出的场效晶体管的思路，很看好它的工作特性，但也了解到因为晶体表面有固定电子的阻挠，这个想法很难落地。
不过，一场意外事件为场效晶体管的研究带来了一丝转机。有一次，一个工作人员失手让晶圆表面沾上了水蒸气，生成了一层二氧化硅薄膜，紧密地覆盖在硅片表面。
阿塔拉发现，晶圆表面覆盖了这层薄膜后，表面的固定电子减少了，PN结的反响漏电和噪音状况也大大减小，遵照这个思路，场效晶体管的障碍似乎被解除了。
后来，姜大元也加入了场效应晶体管的研究，他与阿塔拉共同制作出成型的MOS场效晶体管，这种晶体管通过调控栅极电压就能改变导电沟道的形状，从而调控单向电流，实现场效放大。
不过，业界对这种晶体管不以为然，业界觉得MOS场效晶体管的开关速度比结型晶体管的速度慢很多，而且不太稳定。
不过，阿塔拉和姜大元宣称，MOS场效晶体管才是未来，它的结构简单，比结型晶体管容易制造得多。之所以这么说，是因为结型晶体管是三层结构，需要分层制造（在底层上扩散出中间层，再扩散出顶层），这类似于“分色印刷”，将几种颜料逐层叠加印刷到纸面上。而MOS场效晶体管在底层之上只有一层，只需“单色印刷”即可。
历史总是惊人的相似，创新者总会遇到被拒绝的窘境，不过，看似“低端”的创新产品往往会后来居上，实现对主流的颠覆。
20世纪70年代末，MOS场效晶体管的销售额完全超过了结型晶体管，此后便成为主流，一骑绝尘。
05关键节点五：
摩尔定律预言成真，芯片性能指数级上升
关键人物：戈登·摩尔、所有芯片行业从业者
时间：1965年
提起芯片的发展，戈登·摩尔始终绕不过，他既是仙童半导体的创始人，也是英特尔的创始人。
1965年的某天，摩尔收到了一封《电子学》杂志的来信，信中邀请摩尔撰写一篇名为“微电子的未来”的文章，预测产业界的发展趋势。摩尔认为，这是一个向半导体界阐述自身观点的好机会，于是开启了仔细的筹备。
摩尔从小就喜欢琢磨数字，他选择了1962-1965年的数据，试图从中找到论证依据。摩尔发现，这几年间，芯片上的原件数量分别是7，17，30，64。摩尔将这些数字标在一张普通的坐标纸上，得到了一根向上弯的曲线，似乎呈指数增长的趋势。随后，他又拿出一张对数坐标纸验证这个想法，确实如此，这些年芯片上原件的数量基本符合每年翻倍的规律。
接着，摩尔在这篇文章中指出，芯片的复杂度会以每年2倍的速率增长，他预测，到1975年，每个集成电路上的元件数将达到65000个，并且这颗芯片的性能相当于现在1024颗芯片的总和。
十年后，摩尔的预言在人们的见证成功应验，晶体管发展的数据点恰如其分地分布在摩尔预测的延长线旁边。与此同时，摩尔在这一年也对定律做出了一些调整，将未来的发展趋势修正为每两年翻番。
1971-2011年处理器中的晶体管数量
摩尔定律就像一支无形的指挥棒，指挥着这条产业链上的不同角色按照特定的节奏朝着同一个方向前进。
尽管它每过一段时间就会遇到新的障碍，却从没有陷入止步不前的局面。如果我们把摩尔定律分成若干段，每一段都是S曲线。每隔十年左右，它就会遇到一个较大的瓶颈，而这时就会有一个新技术出现，从而让摩尔定律突破瓶颈并继续获得验证。
与其说摩尔定律是一个定律，不如说是一种信仰。正是这种“不待证明而相信”的信仰，推动着摩尔定律不断获得验证。摩尔定律展示的不是永恒不变的物理定律，而是人的想象力和创造力在不同阶段所能达到的极限。
06关键节点六：
芯片设计，在指甲大小的地方搭建复杂宫殿
关键人物：唐纳德·彼得森
时间：1969年-1970年
1966年，加州大学伯克利分校的唐纳德·彼得森教授跟毕业生海恩斯打了一个赌。
学生海恩斯向老师彼得森抱怨，自己设计了一个模拟放大器电路，工作起来不稳定。他认为当初学校教的手工分析电路的方法太简单，忽略了二极效应。
彼得森当然不同意这个说法。他觉得计算电路不复杂，充其量就10来个晶体管，手工计算就已足够，为此，两人打赌，赌金是5美元。
彼得森把海恩斯的电路设计带回学校，和自己的另一个学生来来回回地讨论了3个月，发现确实误差是手工计算过于简单造成的。彼得森承认自己搞错了，随即给海恩斯寄去了一张支票。
后来，随着芯片上元件数量的增多，手工计算变得越来越耗时且不准确。60年代末，彼得森决定开发一个通用的计算机分析仿真程序，他希望这种仿真程序能算出电路各处的电压和电流，以及随时间变化的轨迹，还能计算出电路的噪声和频率响应特性等，以防止电路设计的出错。
随即，彼得森和校友罗勒组织了7名学生，展开了电路分析程序的课程项目。学期结束时，这个团队做出了一款名为CANCER的电路分析程序，这个程序包含了6000多行代码，集成了直流、交流和瞬态分析功能，还能分析噪声和敏感度。
这么一个看起来粗糙的课堂项目，事实上已经初步具备了一个电路仿真器的大部分功能。彼得森认为，向学术界和工业界的研究者分享成果一直都是半导体产业持续发展的关键。在1973年4月的一个产业大会上，彼得森将这个电路仿真程序更名为SPICE，开源供业界使用。处于芯片高速发展的年代，这个开源软件迅速扩散开来，1981年，SPICE 2G6版本甚至成为了美国国家工业标准。
此后，芯片设计软件在这个基础上飞速发展，它设计出来的芯片又再次提升了计算机的分析能力，使其能够应对更复杂的芯片设计。
07关键节点七：
芯片制造，张忠谋开辟晶圆代工模式
关键人物：张忠谋
时间：1987年
1985年，纯做设计芯片的公司Chips and Technologies去拉融资却屡屡碰壁，原因是风投公司对一家半导体公司没有自己的晶圆厂感到困惑。
“半导体公司一定要有自己的晶圆厂吗？”张忠谋问自己。张忠谋在德州仪器工作了数十年，位至副总裁，在那段工作经历中，张忠谋在曾见过许多有创业想法的芯片设计者，但他们都苦于筹集不到足够多的资金来开办晶圆厂。既然个别设计公司已经迈出了与制造分离的第一步，为什么不成立一家公司为设计公司提供制造服务呢？
恰逢这时，张忠谋接到了中国台湾主管经济的李国鼎先生的邀请，后者希望张忠谋在台湾创办一家半导体晶圆制造厂。
考虑再三，张忠谋接受了这个邀请，经过2年的筹备， 56岁的张忠谋创建了世界上第一家纯晶圆代工厂——台积电公司。
这种代工模式使得设计公司和代工厂都能专注于自己的特长，不过，台积电公司的理念虽然说得过去，公司的技术起点却不高。
1988年，英特尔公司CEO格鲁夫一行访问了台积电公司，并答应把一些订单交给台积电公司来做。做了四年英特尔的代工，台积电公司的技术才与世界领先水平的技术差距缩小到一代。
不过，在这个过程中，台积电的制造能力也在飞速增长。十年后，台积电公司赶上了除英特尔公司之外的其他晶圆厂。这个看似低端的代工厂，逐渐成为世界上最先进的半导体制造企业。
后来，随着芯片制造精细度要求的进一步增高，以及高昂的晶圆设备升级费用，越来越多的公司开始退出芯片制造领域。
几十年间，台积电也完成了从后进生到第一名的追赶，在22纳米时代，全球只剩下7家半导体公司有最先进的晶圆厂 ，到7纳米时代，只剩下台积电、三星和英特尔。2020年，5纳米芯片量产时，赛道上只剩下了台积电和三星。
由台积电代工的圆晶
2020年，无论是苹果手机和笔记本中的最新CPU，还是英伟达公司的GPU、高通公司的5G芯片，都是由台积电公司生产的。随着芯片制造复杂度越来越高，芯片制造成了整个产业链条中最艰难的一环，代工逐渐演变为主流的芯片设计制造模式。
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本文就是从《芯片简史》众多精彩的故事中抽离出的一条发展主线。
这本书用清晰、有趣的语言将芯片发明和发展的60多年历程完成的呈现了出来，是一部跨越专业人士与大众藩篱的科技创新史，也是人们了解芯片发展历程以及看清未来发展趋势的绝佳商业图书。
我感到无比幸运，能够参与其中，
并朝着人类的福祉又迈进了一小步。
——晶体管发明者之一
诺贝尔奖得主 约翰·巴丁
END
