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最近幾年，有關(guān)芯片的新聞?lì)l頻引起關(guān)注，從2022年美國(guó)簽署《芯片和科學(xué)法案》到2023年歐盟批準(zhǔn)《芯片法案》，從ChatGPT、Sora等生成式人工智能持續(xù)火爆到英偉達(dá)2024年股價(jià)3個(gè)月翻番，樁樁件件都與芯片有關(guān)。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(shuō)，芯片與書籍很相似。
書是由很多書頁(yè)構(gòu)成的，每張書頁(yè)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(gè)芯片上又有很多晶體管，每個(gè)晶體管代表一個(gè)字。
晶體管只有兩項(xiàng)基本功能，一個(gè)是作為開關(guān)表示0和1，可用于計(jì)算；另一個(gè)是作為信號(hào)放大器，可用于通信。可以說(shuō)，正是因?yàn)橛辛司w管，才有了我們信息時(shí)代的計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)和無(wú)線通信等。
更進(jìn)一步說(shuō)，如果晶體管代表字，晶體管尺寸就對(duì)應(yīng)字號(hào)，標(biāo)準(zhǔn)單元庫(kù)就相當(dāng)于字體庫(kù)，版圖校驗(yàn)對(duì)應(yīng)校對(duì)，線間距有點(diǎn)像行距，版圖布局相當(dāng)于頁(yè)面布局，掩膜制版對(duì)應(yīng)激光制版，光刻就像印刷，封裝就像裝訂，外殼相當(dāng)于封面，芯片型號(hào)對(duì)應(yīng)書名。
芯片和書籍的相似之處還在于，它們都需要先把一個(gè)想法變成版式或版圖，然后用光照的方式“印刷”出來(lái)。所以，光刻機(jī)也可以看作是一種精密的“化學(xué)印刷”設(shè)備。
除了以上這些，芯片和書籍還有一大相似點(diǎn)，那就是可以通過縮小“字號(hào)”，也即縮小晶體管的尺寸，讓書籍或芯片承載更多內(nèi)容。
事實(shí)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(jīng)可以縮小到3納米。這意味著，人們可以在一顆芯片上塞進(jìn)更多晶體管，就像書頁(yè)上寫滿密密麻麻的小字。舉例來(lái)說(shuō)，1971年發(fā)明的第一顆CPU芯片上只有2250個(gè)晶體管，晶體管的最小尺寸是10微米，也即1萬(wàn)納米。而2024年3月，英偉達(dá)發(fā)布B200 GPU芯片，上面有2080億個(gè)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(jì)算機(jī)有房子那么大，而后來(lái)用芯片制成的筆記本電腦、智能手機(jī)，功能越來(lái)越強(qiáng)，但個(gè)頭卻越來(lái)越小。
一棵樹
1965年，美國(guó)科學(xué)家、企業(yè)家、后來(lái)創(chuàng)辦了英特爾公司的戈登·摩爾（Gordon Moore）研究了過去幾年芯片發(fā)展的規(guī)律后發(fā)現(xiàn)，集成電路上可容納的晶體管數(shù)量每年翻一番，后來(lái)修訂為每?jī)赡攴环?mdash;—這就是“摩爾定律”。其特點(diǎn)在于指數(shù)型增長(zhǎng)，它的發(fā)展速度不是呈線性增長(zhǎng)的，而是呈指數(shù)級(jí)攀升，越到后期增長(zhǎng)曲線越陡峭。而且，直到半個(gè)多世紀(jì)之后的今天，這一規(guī)律盡管有所放緩，但依舊沒有被打破。
至此，芯片的發(fā)展脈絡(luò)逐漸清晰起來(lái)。它就像一棵樹：
——根是基礎(chǔ)學(xué)科，更準(zhǔn)確地說(shuō)是量子力學(xué)。
——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(fā)展，其中一個(gè)典型的代表就是CPU或者處理器芯片，這樣才有了后來(lái)的臺(tái)式機(jī)和筆記本電腦等。這些是樹的主干。
——有了半導(dǎo)體芯片技術(shù)，信息技術(shù)開始開枝散葉，出現(xiàn)了Flash（閃存）、無(wú)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(lái)。
芯片的發(fā)展史就是一部創(chuàng)新史。而今天，我們又面臨新的挑戰(zhàn)。
一方面，芯片里面晶體管的尺寸已經(jīng)逼近了物理極限。如今，3納米芯片已經(jīng)量產(chǎn)，未來(lái)還會(huì)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(zhǎng)的光刻機(jī)才能制造，光刻技術(shù)將面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。
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(wú)法正常工作，因?yàn)樗€受到另外一個(gè)物理極限的影響，即“隧穿效應(yīng)”。“隧穿效應(yīng)”是指當(dāng)晶體管只有原子尺寸的時(shí)候，電子就能從晶體管中逃逸出來(lái)，讓晶體管失效。
目前，科學(xué)家們正在想盡辦法來(lái)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(fā)明模擬人腦神經(jīng)元的新器件等。
除了芯片本身必須面對(duì)的挑戰(zhàn)，人類還面臨更大的挑戰(zhàn)。有機(jī)構(gòu)測(cè)算，訓(xùn)練一次人工智能（AI）大模型，需要消耗2億千瓦時(shí)電。由此，業(yè)界有了一種說(shuō)法，“所有的transformer將要消耗掉所有的transformer”，其中第一個(gè)transformer指的是大模型；第二個(gè)transformer指的是變壓器，代表電力。
但無(wú)論如何，芯片都是值得期待的。也許我們很難預(yù)測(cè)奇點(diǎn)何時(shí)會(huì)來(lái)臨，但正如《芯片簡(jiǎn)史》所言：“預(yù)測(cè)未來(lái)最好的方式，就是把它發(fā)明出來(lái)。”
原標(biāo)題：讀懂芯片：一本書、一棵樹、一部史
文章來(lái)源：http://www.ce.cn/cysc/tech/gd2012/202404/27/t20240427_38985345.shtml
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