《芯片简史》作者汪波：芯片发展史就是创新史和叛逆史，芯片未来去向何处？

“一切已成事，皆可再超越。”汪波认为，人工智能的浪潮已经席卷了各行各业，AI的影响无处不在，深刻改变着我们的经济、社会结构和就业模式，甚至塑造着人类的福祉。

资深芯片研究专家、《芯片简史》作者、文津图书奖得主汪波

以下为演讲全文：

芯片在我们的生活中无处不在，芯片是如何诞生并且改变我们的世界的？芯片的发展历史如果从半导体的研究开始，到现在差不多有100年。我把100年的历史浓缩下来分享给大家。

首先，什么是芯片？芯片的种类非常多，不是一个单一的品种。我们都知道，人体是由各种不同的器官组成的，手机里的芯片也有各种各样的，每种芯片对应不同的功能。CPU芯片对应我们的大脑，功率芯片对应我们的肌肉，用于数码拍照的光电芯片对应我们的眼睛。

芯片又是由什么构成的呢？是由一个一个小的晶体管构成，对应我们一个个细胞，它们最终都是由原子构成，一方是碳原子，另一方是硅原子。

半导体的历史总结下来可以说成一句话：既是一部创新史，也是一部叛逆史。

我们从爱迪生开始讲起。爱迪生研究灯泡，但早期的白炽灯存在一个问题，就是发热量非常大，原因是能量集中在红外的波段，白白地耗散掉了。这是一个物理现象，所以在十九世纪末，很多物理学家开始研究背后辐射的原理，包括最著名的是普朗克研究的紫外灾变现象，由此提出量子力学理论。

从此以后，一代又一代的物理学家接力，包括爱因斯坦、薛定谔、海森堡，他们发现微观世界中的电子都有量子性和不确定性。海森堡和一位英国科学家合作，在他的研究所里面用量子力学的理论分析硅的晶体，发现用量子力学可以解释为什么有些物质比如金属很容易导电，有些物质是绝缘体不容易导电，还有一些介于二者之间，也就是半导体。

没有量子物理，就没有半导体技术，也不会有后来的芯片。

二战爆发，半导体研究突然加速。二战期间最重要的武器装备之一就是雷达，为了缩小雷达的体积，英国科学家发现可以用硅这种半导体制成更小的检波器，二战期间莫特发现金属和半导体之间有一个单向流动的电流。两年之后，贝尔实验室的勃拉顿发现在硅的内部也存在着这样单向流动的电流。这样一个单向流动的电流既不能做开关，也不能做放大，但是战争结束以后，贝尔实验室重新成立了团队，由这三位主要的科学家构成。

1947年，他们发明了世界上第一颗晶体管。有了晶体管以后，三位发明人之一的肖克利就去创业了。

所以，芯片来源于基础学科，尤其是量子物理的突破。战争、军事是科技突破的导火索。贝尔实验室中，基础研究和应用研究结合得非常好，这是取得成功突破的关键。芯片技术和风险投资结合起来，造就了今天的硅谷。硅谷的硅就来自于晶体管重要元素——硅。

晶体管发明以后，人们又遇到了新的困难，因为平面的晶体管质量非常好，人们制造了越来越多的晶体管，但在一个电路板上的晶体管数量达到了极限，没法超越几千个极限，因为已经密密麻麻地排满了，所以贝尔实验室的莫顿提出“数字屏障”的概念。如果我们不突破这样的天花板，计算机的性能就没法继续提升。

在晶体管发明五年以后，英国国防部的一位工程师提出了一个模糊的关于“集成”的概念；1953年，美国RCA公司的约翰逊把集成想法变得更加明确，提出把电阻、电容、晶体管都用半导体实现，并且集成在半导体上面，可惜没有做出实物。

1958年，TI公司和军方合作提出微模块的方案。同年，TI公司招聘了基尔比，在实验室思考电路微型化的问题，所有的器件都用硅实现，电阻、电容、电感和晶体管等等，然后再集成到硅的基座上面。当年9月，他向公司主管演示了实验结果，世界上第一颗集成电路，只包含五个器件，这是世界上发明的第一颗芯片，但这颗芯片还有一点小缺陷，就是这些元件之间没有办法互连[Que1] 起来，基尔比只好用金线在芯片外面焊接起来，非常不美观。

接下来的几个月，基尔比试图改进这个问题。次年一月，他仍然没有解决互连的问题。此时，有传言称RCA公司已经发明了集成电路，正在申请专利，德州仪器立刻在一周以内把吉[Que2] 尔比的想法写成专利提交申请，但还没有解决互联的问题。三月，在美国的电路会议上，德州仪器发现RCA公司没有发布集成电路，于是他们在这个会议上发布了集成电路。

这个消息发布以后，轮到仙童半导体开始紧张了，因为他们和德州仪器是晶体管制造两个最大的竞争对手，诺伊斯召集他的团队开会，研究该怎样应对这样的挑战。

诺伊斯想到，两个月前他有一个关于集成电路的想法，但那个时候太忙了，没有时间实现，所以诺伊斯就重新回顾自己的想法。当时因为霍尼发明平面晶体管要申请专利，律师按照职业习惯问了诺伊斯和霍尼一个问题：“为了保护你们平面晶体管的专利，你们还能够想到其它可能的应用吗？”

这个问题激发了诺伊斯，他想到之前有过集成的想法，但不知道怎么互联起来，又想到可以利用平面晶体管，就是完全的平面，通过光刻的方式在平面上开一个口，然后把两个不同的晶体管在晶元表面连接起来，不需要在芯片外面连接起来，就是这样一个想法解决了这样一个问题。

之后他们就成立了一个团队，由霍尼和拉斯特组成，经过两年不懈的奋斗，做出真正可以用的集成电路。

我们可能会问一个问题，为什么是TIA[Que3] 和仙童发明了半导体，而不是当时技术最先进、实力最雄厚的贝尔实验室？贝尔实验室选择的是另外一条路，叫做微模块，就是乐高积木的想法，他们不看好芯片的思路，因为当时的主管莫顿有一种担忧，他们觉得芯片这种东西非常不值得，因为良率非常低。

TIA和仙童半导体根本没有这么缜密的思维和严密的思考，他们就非常盲目大胆地去做了，后来居然被证明是对的，因为莫顿的假设是错误的，芯片并不是平均分布，而是在某一块非常大，另外一块可能是100%的良率，所以芯片这种想法就成功了。

摩尔后来回顾他们为什么成功的时候说过这样一句话，仙童的可贵之处就在于组织上的不成熟。仙童和TIA继续探索芯片可能应用的领域，当时的芯片非常昂贵，不可能用在我们这种日常的民用设备上，所以他们首先应用于军事、航天等等领域，后来他们又探索一些低端的应用，因为当时芯片上的晶体管数量是非常少的。

1965年，仙童半导体的摩尔注意到，过去几年中，芯片上的晶体管数量有一个规律，于是就把这些数字连起来，发现是按照每年翻倍的速率提高，于是提出“依据元件成本最低的原则，芯片的复杂程度会以每年2倍的速率增长”。

根据摩尔的计算，并不是仅仅根据这个数据做了推算，而是有背后的考量，就是成本。芯片当时发明的出发点是为了降低成本，因为硅是来自于沙子，也是非常低廉的。摩尔定律提出一个非常重要的依据也是成本最低的原则，贝尔实验室错失了这样重要的发明，因为他们过分谨慎，芯片早期的发展离不开外部行业包括航天的支持。

有了摩尔定律以后，芯片的发展非常迅速，CPU、ARM、GPU，包括存储芯片都接二连三地发明出来，包括模拟的芯片、无线通信射频的芯片，也包括安全气囊、检测机械和碰撞的MEMS芯片，还有新能源汽车中用到的功率电子驱动、充电器里面用到的功率芯片。

此外，还有和光电有关的芯片，可以把光转化为电，包括太阳能电池，用于手机数码拍照的图像传感器芯片。还有用于发光和显示的LED芯片，会把电能转化为光能。人们依次发明了红光、黄光和蓝光的LED。

芯片不只是CPU和存储器，还有射频、功率、光电芯片等等。贝尔实验室的合作非常充分，这些研究人员之前不需要经过上司的批准就可以结合成一个团队，包括太阳能电池的发明，团队里有人是做器件研究的，有人是做应用开发的。

芯片的发展史就是一部创新史和叛逆史，包括蓝光LED发明，获得诺贝尔奖以后，人们才了解到这三位非常孤独的科学家选择了不被常人看好的材料，用氮化镓做出了第一个成功的蓝光LED，才有今天的白光照明和LED显示。

最后是光刻机的发明。光刻机是非常精密的、最复杂的仪器，但刚诞生的时候非常简陋，到今天已经变成非常庞大、复杂的设备。

在此过程中，很多科学家、工程师努力克服，包括提出浸没式光刻的华裔科学家，一代一代的技术把光刻不断推向极限，到今天真正达到了极限，晶体管的尺寸、工艺节点已经到达3纳米，光刻机已经到达13.5纳米的波长，再往下的10纳米以下就已经是X射线的范围，紫外光已经逼近极限。

未来我们会面临更多的挑战，当然也有一些解决的思路：延续摩尔，把更多的晶体管集中在芯片上面；扩展摩尔，可以通过ChipLet或者3D集成的方式一层一层在芯片堆叠更多的晶体管；或者是超越摩尔，采用全新的材料，可能不是硅而是碳；也有可能是用一些氧化物的半导体模拟人脑神经元的工作方式，包括忆阻器这种“第四种基本器件”，模拟人脑神经元的工作原理。

我们现在由于AI的快速发展面临巨大的挑战，每次AI训练消耗非常庞大的电力，大模型的Transformer是不是有可能耗尽所有的电力（变压器）？我们面临着许多问题，也有许多需要我们思考的，在AI的浪潮下，芯片还有哪些机会或者哪些新的需求？摩尔定律是不是即将失效？

如果用一句话来总结芯片发展的历史，就是摩尔定律诞生五十周年的时候的一句话：一切已成事，皆可再超越。人工智能的浪潮已经席卷了各行各业，AI的影响无处不在，深刻改变着我们的经济、社会结构和就业模式，甚至塑造着人类的福祉。然而，随着AI技术的飞速发展，关于技术成熟度、伦理边界和未来发展前景的争论也日益激烈。