《芯片簡史》：不確定的世界，從電燈泡到半導體｜文摘

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導語：芯片是什么，它從何時起被發明出來，又是如何一步步被廣泛應用于現代社會，成為現代社會運轉的原動力的？在推動芯片從實驗室走向商業市場的過程中有過哪些偉大的發明家，他們又經歷了怎樣的艱辛探索？在摩爾定律即將失效的當下或未來，芯片的研發又將如何超越物理條件的限制，向更高效、更快速、更低成本的方向邁進？

近期，由湛廬文化出品、資深芯片研究專家汪波撰寫的《芯片簡史》一書，對上述問題給出了全面且細致的回答，這本書將是讀者了解整個芯片發展史與芯片產業的最佳選擇。

*本文節選自《芯片簡史》。

1879年12月底，一場大雪降臨在美國紐約。厚厚的雪花覆蓋了中央火車站的穹頂，中央公園的草坪變成了潔白的世界，四周的摩天大樓矗立在雪花之中，構成了這座新興大都會獨特的風景。

市中心曼哈頓縱橫交錯的街道上，匆匆走過的男士戴著高高的禮帽，女士圍著厚厚的圍巾，嬉戲的孩童扔著雪球互相追逐，大聲尖叫，樂不知返。

就在幾天前，發明家愛迪生向紐約市政官員和新聞記者發出了一封邀請函，請他們到位于新澤西州的實驗室，以一種特殊的方式迎接新年。

新年前夜，當衣冠楚楚的嘉賓們乘坐專列抵達后，夜幕已經降臨，晶瑩的白雪映照著柔和的月光。來賓們全都期待著愛迪生會帶來什么樣的新年驚喜。

這時，愛迪生出現了，只見他走到一個開關前并輕輕按下它，290盞白熾燈同時亮了起來，四周瞬間變得燈火通明。尖叫聲和掌聲頓時此起彼伏。人們第一次見到如同白晝的夜晚，紛紛為這種新發明歡呼雀躍、激動不已。

在過去的幾年里，愛迪生為了尋找最合適的燈絲，試驗了幾千種材料，最后在亞洲找到了一種竹子，將其碳化后制成碳纖維并作為燈絲。燈絲在通上電流后開始發熱，溫度升到數千攝氏度時，熾熱的燈絲就能發出明亮而持久的光芒。從此，濃稠的黑暗之夜被光明刺破了一個小點。

不過，愛迪生還有兩個煩惱……

變黑的燈泡，真空管的發明

讓我們先回到燈泡誕生的19世紀。

回首19世紀，我們理應為當時人們取得的成就感到自豪。冒著蒸汽的郵輪從倫敦港出發，在世界各大洋劈波斬浪；銀光閃閃的鐵軌連接了莫斯科和西伯利亞，從美國東海岸延伸到西海岸；跨越大西洋海底的有線電報將“嘀嗒”作響的消息送至世界各地；高高架起的電話線傳遞著遠方的聲音……

當時世界上擁有殖民地最多的國家是大英帝國，全球到處飄揚著米字旗。俄國也在迅速壯大，疆域從波羅的海延伸到了太平洋。法國在全球范圍內占領了廣泛分布的島嶼和非洲大陸部分地區。統一后的德國成了后起之秀。日本歷經革新，成了東亞的新興勢力。與此同時，土耳其帝國則面臨土崩瓦解的危機。

美國這塊新大陸正迅速崛起，其高等學府聲名鵲起，工業產品門類齊全，鋼鐵產量領跑世界。19世紀后半期，留聲機、電話機、交流電、石油精煉技術和輕巧的金屬鋁都誕生在這塊新大陸。在這里，還誕生了一項不同尋常的發明——電燈泡，它徹底改變了這顆星球夜晚的面貌。

愛迪生發明了電燈泡不久，就碰到了他的第一個煩惱：燈泡使用過一段時間后，內表面會變黑，導致燈光暗淡。

燈泡之所以會變黑，是因為在高溫下的碳纖維燈絲會釋放出一些碳微粒，附著在燈泡玻璃內表面，時間久了燈泡會被熏黑。

愛迪生和助手想到了一個方法，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，但這個方法并沒有奏效。接下來，他們又在銅片上施加了一定的電壓，期望能改變碳微粒的分布，可問題依然沒有解決。

最后，他們改變了銅片上的電壓，這時匪夷所思的事情發生了，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。可是，燈絲和銅片并沒有任何接觸，兩者之間是真空的！

愛迪生邀請科學家們來到他的實驗室參觀這一奇特的單向電流現象。愛迪生站在旁邊，微笑地看著他們一次又一次地觀察到同樣的現象并表露出費解的神情。人們把這種現象叫作“愛迪生效應”。在寫給友人的信中，愛迪生將它稱作一種“美學”現象。

愛迪生總是發明不斷，忙碌不停。就在這段時間，他還發明了留聲機和電話機里的碳粒式麥克風（也稱紐扣式麥克風或碳粒式傳聲器）。專注于新發明和實際應用的愛迪生無暇顧及電燈泡里的這個“美學”現象，他習慣性地申請了一個專利，就將其忘在腦后了。

19世紀80年代，愛迪生在英國倫敦分公司聘請了大學教授約翰·弗萊明（John Fleming）作為技術顧問。弗萊明也用這種特制燈泡做了這個有趣的實驗，他在銅片和燈絲之間施加了可改變正負方向的交流電，同樣觀察到了在燈絲和銅片之間的單向電流。不過，弗萊明也無法解釋，為什么在真空中有單向流動的電流。

距離倫敦不遠的劍橋大學，劍河緩緩地穿流而過，河床上青綠的水草隨著流動的柔波輕輕地搖擺。距離劍河一箭之地的實驗室里，物理學家約瑟夫·約翰·湯姆遜（Joseph John Thomson）正為實驗桌上的一支真空玻璃管忙碌著。1897 年，他在玻璃管的兩端分別安裝了金屬電極，通電后一些帶電微粒從一端的陰極電極飛向了另一端的陽極。就這樣，湯姆遜第一次劈開了陰極金屬中的原子，剝離出帶負電荷的電子，使它們飛出陰極，形成了一條真空中的“電子之河”。

湯姆遜的這一發現，使弗萊明恍然大悟：原來燈絲通電受熱后，燈絲原子中的電子逃逸出去，飛向了銅片，從而產生了單向電流！正如河水總是從高處流向低處，電子也是從能量高的地方沿著“能量斜坡”流向能量低的地方。只是電子的流動或飛行不需要河床或者導體，它在真空中就能完成這一過程。

湯姆遜這一“劈”，劈開了人們曾經認為“不能再分”的原子，劈出了一片新天地：人類不僅首次發現了電子A，還為之后真空管的發明打開了大門。

1900年，弗萊明在“無線電先驅”伽利爾摩·馬可尼（Guglielmo Marconi）的公司找到了一個新的顧問職位。

1899年，在一艘英國軍艦上，25歲的馬可尼向另外一艘船只發送了一封無線電報，展示了無線電通信在海上通信領域的優點。1905年對馬海戰期間，俄國調集太平洋第二艦隊，抄近道穿越日本西南方的對馬海峽。日本巡洋艦“信濃丸”號在5月26日夜晚偵察到了俄國艦隊，艦上裝備了從馬可尼公司（Marconi）進口的無線電設備，相關人員立刻發送了一封無線電報給附近的日方指揮船。隨后，89艘日本軍艦及時趕到，擊沉了21艘俄方軍艦。

馬可尼的下一步計劃是研發跨越大西洋的無線電通信。當時的科學家并不看好這一計劃，他們認為地球彎曲的球面會阻礙無線電波跨越大洋。但馬可尼堅持在大西洋兩岸設置了數十米高的接收和發射天線。發射端通過放電打出聲震如雷的火花，當電波傳送到大洋彼岸時已經變得十分微弱，這就要求接收端的電路對無線電波非常靈敏，而這正是整個裝置中最薄弱的環節，也是弗萊明致力于解決的難題。

在中國，梁啟超主辦的《時務報》上也對無線電做了介紹：“憑空發遞，激而成浪，顫動甚疾，每秒跳二萬五千次（即頻率25000Hz）。” 在接收到這種上下快速舞動的無線電波后，要先去掉負半部分，只保留正半部分，這叫作整流，之后才能將信號中的信息提取出來。而整流需要一種單向導電的器件，它就像站在單行道上的交警，只允許車輛在一個方向上通行。早期整流使用的是金屬屑檢波器，它的開合速度很慢

新書信息

《芯片簡史》

A BRIEF HISTORY OF CHIPS

作者：汪波

出版時間：2023年4月

出版社：湛廬文化/浙江教育出版社

圖書品牌：湛廬文化·財富匯

ISBN：978-7-5722-5475-8

【內容簡介】

芯片的發展史是一部創新史和叛逆史。這也是本書想要表達的主題。創新是對主流的偏離、對現有規則的破壞，它剛開始可能非常蹩腳、很難融入主流。幾乎沒有一項重大創新一出現就廣受歡迎。雖然人們口口聲聲地說要創新，但其實人們更喜歡的是改良，它的效果立竿見影，因而大受歡迎。

如今，芯片的重要性已經無須贅言，每個人都從近幾年發生的一系列芯片危機事件中有了切身的體會。應對芯片危機，我們需要原始創新，而唯一的方法是誠摯，實事求是地面對現實和歷史。

這本書為您完整地講述了芯片的發明和發展歷程，尤其是一群叛逆的人如何突破傳統、不斷創新的故事。

芯片的歷史只有 60 多年，但要完整地理解芯片的來龍去脈，我們需要將時間向前回推到 100 多年前。在這一個多世紀里，半導體技術的創新故事不計其數，但本質只是一種創新模式的不斷展開和復現，其主題仍是叛逆。

本書從半導體的起步之處量子力學開始講起，它演化出了半導體物理學，進而催生了半導體器件，這些器件又由簡到繁，像一顆發芽的種子，演化出了雙極型晶體管、MOS 場效晶體管、光電二極管等，并由此集成構造出了模擬芯片（通信和傳感器芯片等）、數字芯片（CPU、存儲器、現場可編程門陣列A芯片等）和光電芯片等。本書最后還展示了芯片設計和制造方法由手工到自動化的發展過程，并指出了芯片未來面對的挑戰和可能的解決路徑。

本書的讀者可以是對芯片感興趣的任何人。如果您是研發人員，您會認清半導體技術發展的脈絡，看出技術創新的模式和規律；如果您對行業發展感興趣，您會在本書中發現那些隱藏在背后的行業發展規律；如果您單純對歷史感興趣，您可以了解到芯片在社會歷史發展中所起到的作用。

【作者簡介】

汪 波

• 資深芯片研究專家。早年留學法國，獲法國里昂國立應用科學學院集成電路碩士學位和利摩日大學高頻微電子學博士學位，分別在華為公司、法國里昂納米國家實驗室和北京大學深圳研究生院從事集成電路設計的教學與科研工作，積累了二十余年經驗。

• 科普作家，作品能夠打通學科邊界，兼具科學與人文內涵，讓讀者感受到思考的樂趣。已出版科普圖書《時間之問》和《時間之問·少年版》。

【目錄】

贊　譽

推薦序：如何理解芯片——宋繼強（英特爾中國研究院院長）

前　言：和開拓者的靈魂一起踏上芯片之旅

第一部分：誕生

01：不確定的世界，從電燈泡到半導體

變黑的燈泡，真空管的發明

絕望的行動，量子之變

驚險的一躍，半導體的奇跡

02：創造性失敗，晶體管誕生

雷達在警戒，半導體研究加速

協作的產物，巴丁和布拉頓發明點接觸晶體管

反戈一擊，肖克利發明結型晶體管

“我們也發明了晶體管”，發明之爭

03：接連不斷的出走，硅在擴散

“肖克利真是愚蠢之至”，蹣跚學步的晶體管

熱油中的音樂播放器，硅晶體管登場

感覺“在跟上/帝通話”，落地硅谷

八叛徒，出走“仙童”

04：“大規模白癡”，芯片的發明

被激怒的物理學家，霍尼發明平面晶體管

沉默的巨人，基爾比實現單片集成

暗戰，諾伊斯提出互連方案

“我看不出它能走多遠”，芯片之爭與棄

第二部分：演進

05：創新者的窘境，MOS場效晶體管

無足輕重的發明，場效晶體管

“我們可是佼佼者”，外延工藝

規劃出來的失敗，貝爾的悖論

壞點子在變好，MOS場效晶體管的上升之路

06：一切過往皆可超越，摩爾定律

當摩爾遇到米德，晶體管尺寸極限

一張紙片上的推演，摩爾定律

始料未及，摩爾定律的修正

拯救行動，延續摩爾定律

07：化繁為簡，計算芯片

計算夢想，從萊布尼茨到圖靈

精簡，霍夫提出CPU 架構

以一當十，法金設計CPU電路

“最沒效率的方法”，弗里曼發明FPGA

08：記憶的黏合，存儲芯片

漏電的存儲器，登納德發明動態存儲器

芝士蛋糕的誘惑，施敏與姜大元

發明浮柵晶體管

開窗的芯片，弗羅曼發明EPROM

就像閃光燈，舛岡富士雄發明閃存

第三部分：多樣

09：知而行之，模擬世界的芯片

莫使金樽空對月，維德勒開創模擬芯片

剪掉電話線，無線通信芯片

知者行之始，彼得森與MEMES傳感器

行者知之成，IGBT功率器件的發明之爭

10：迅電流光，光電器件（上）

貝爾的回擊，半導體太陽能電池的發明

諾獎委員會搞錯了嗎，圖像傳感器芯片的發明

群雄逐“光”，高亮度紅外LED和半導體激光器的發明

11：點亮東西方，光電器件（下）

標新立“異”，半導體異質結的發明

燈火闌珊處，藍光LED的發明

第四部分：建構

12：破除悖論，芯片設計

5美元的賭注，SPICE電路分析仿真程序

“玩具”設計方法，康韋與米德的VLSI設計革命

畫不盡意，硬件描述語言的發明

蠶食鯨吞，EDA之爭

共贏模式，ARM處理器的IP授權之道

13：精雕細刻，芯片制造

水利萬物而不爭，代工逆襲

酪乳薄餅，光刻的發明

叫停一艘“航母”，林本堅發明浸沒式光刻

魚鰭結構，胡正明發明FinFET

14：全方位挑戰，不只是芯片

逼近極限，摩爾定律之困

應對挑戰，三條路徑

不只是芯片，彼此依存的世界

尾聲

后記：在我的智慧終結處啟程

附錄

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