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最近幾年，有關(guān)芯片的新聞頻頻引起關(guān)注，從2022年美國簽署《芯片和科學(xué)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(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(shū)
某種意義上說(shuō)，芯片與書(shū)籍很相似。
書(shū)是由很多書(shū)頁(yè)構成的，每張書(shū)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(shū)，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。
晶體管只有兩項基本功能，一個(gè)是作為開(kāi)關(guān)表示0和1，可用于計算；另一個(gè)是作為信號放大器，可用于通信。可以說(shuō)，正是因為有了晶體管，才有了我們信息時(shí)代的計算機、互聯(lián)網(wǎng)和無(wú)線(xiàn)通信等。
更進(jìn)一步說(shuō)，如果晶體管代表字，晶體管尺寸就對應字號，標準單元庫就相當于字體庫，版圖校驗對應校對，線(xiàn)間距有點(diǎn)像行距，版圖布局相當于頁(yè)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(shū)名。
芯片和書(shū)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，光刻機也可以看作是一種精密的“化學(xué)印刷”設備。
除了以上這些，芯片和書(shū)籍還有一大相似點(diǎn)，那就是可以通過(guò)縮小“字號”，也即縮小晶體管的尺寸，讓書(shū)籍或芯片承載更多內容。
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(zhù)，人們可以在一顆芯片上塞進(jìn)更多晶體管，就像書(shū)頁(yè)上寫(xiě)滿(mǎn)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算機有房子那么大，而后來(lái)用芯片制成的筆記本電腦、智能手機，功能越來(lái)越強，但個(gè)頭卻越來(lái)越小。
一棵樹(shù)
1965年，美國科學(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(guò)去幾年芯片發(fā)展的規律后發(fā)現，集成電路上可容納的晶體管數量每年翻一番，后來(lái)修訂為每?jì)赡攴环?mdash;—這就是“摩爾定律”。其特點(diǎn)在于指數型增長(cháng)，它的發(fā)展速度不是呈線(xiàn)性增長(cháng)的，而是呈指數級攀升，越到后期增長(cháng)曲線(xiàn)越陡峭。而且，直到半個(gè)多世紀之后的今天，這一規律盡管有所放緩，但依舊沒(méi)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(shù)：
——根是基礎學(xué)科，更準確地說(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)的臺式機和筆記本電腦等。這些是樹(shù)的主干。
——有了半導體芯片技術(shù)，信息技術(shù)開(kāi)始開(kāi)枝散葉，出現了Flash（閃存）、無(wú)線(xiàn)通信芯片、傳感芯片、功率芯片以及光電類(lèi)芯片等。
一部史
透過(guò)芯片的過(guò)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。
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(zhù)要用極短波長(cháng)的光刻機才能制造，光刻技術(shù)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(wú)法正常工作，因為它還受到另外一個(gè)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(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(wèn)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的挑戰，人類(lèi)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(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。也許我們很難預測奇點(diǎn)何時(shí)會(huì )來(lái)臨，但正如《芯片簡(jiǎn)史》所言：“預測未來(lái)最好的方式，就是把它發(fā)明出來(lái)。”
原標題：讀懂芯片：一本書(shū)、一棵樹(shù)、一部史
文章來(lái)源：http://www.ce.cn/cysc/tech/gd2012/202404/27/t20240427_38985345.shtml
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