《芯片简史》前言



“MOS 场效晶体管是谁发明的?”一次,我和微电子学的研究生聚餐,在酒酣耳热之际,我随口问了一句。

在我看来,这个问题对于微电子学专业的学生是基本常识,因为如今芯片中99% 的晶体管都是 MOS 场效晶体管。普通人不了解没关系,但在座的是微电子学专业的,应该张口即来。

然而,这个问题一提出,餐桌上热闹的场面一下子安静了下来,没有人接话。安静了几秒钟后,我把话题引向了 MOS 场效晶体管的历史背景,然后又讲起了它的发明过程。最后,当我讲到它的发明人遭受公司打压、不被准许发表论文、项目组被撤、最后被迫出走的不幸遭遇时,学生们面露惊讶,这跟他们想象中的情景很不一样。

我看学生们意犹未尽,就趁机讲了几个其他芯片发明的案例 , 包括中央处理器(简称 CPU)、蓝色发光二极管(简称蓝光 LED)、动态随机存取存储器(简称 DRAM)等。

最后我总结道,这些发明都有一个共同点,虽然它们属于重大原始创新,但在刚面世时都遭到了业界的质疑和抵制,差点夭折。

而且这些并不是个例,浮栅晶体管、异质结、绝缘栅双极型晶体管(简称IGBT)、微机电系统(简称 MEMS)、浸没式光刻等重大发明都遭到过抵制。而如今,这些差点被抛弃的技术正在帮人们上网冲浪、存储数码照片、播放视频、驱动电动汽车、撞车时得到安全气囊的保护、检测核酸序列、照亮黑夜……

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为什么这些发明在一开始都不受待见呢?芯片的发展离不开持续的创新和超越,然而创新越大,对传统的叛逆和颠覆也越大,因而遭到传统势力的抵制也越大。

试举两个例子。仙童半导体公司是集成电路的发明公司之一,然而在 1960年,公司副总裁却对芯片项目的负责人杰·拉斯特(Jay Last)大喊:“你为什么要去搞集成电路?这个玩意儿浪费了公司整整 100 万美元,却没有什么收益,必须裁撤掉!”贝尔实验室是半导体技术的研究重镇,但 1963 年贝尔实验室的半导体研究部主任扬·罗斯(Ian Ross)撰文称:集成电路没有解决半导体产业面临的基本问题,它“只能治标,无法治本”。

这些芯片的首创之举遭到冷遇乃至遗弃,它们的发明人发不了文章、资金支持被中断、项目遭裁撤、被迫出走……他们绝不是一群诗意的科学家,而是一群失意的科学家,他们为此付出了十年甚至一生的代价。

芯片的发展史是一部创新史和叛逆史。这也是本书想要表达的主题。创新是对主流的偏离、对现有规则的破坏,它刚开始可能非常蹩脚、很难融入主流。几乎没有一项重大创新一出现就广受欢迎。虽然人们口口声声地说要创新,但其实人们更喜欢的是改良,它的效果立竿见影,因而大受欢迎。

如今,芯片的重要性已经无须赘言,每个人都从近几年发生的一系列芯片危机事件中有了切身的体会。应对芯片危机,我们需要原始创新,而唯一的方法是诚挚,实事求是地面对现实和历史。

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这本书为您完整地讲述了芯片的发明和发展历程,尤其是一群叛逆的人如何突破传统、不断创新的故事。

芯片的历史只有 60 多年,但要完整地理解芯片的来龙去脉,我们需要将时间向前回推到 100 多年前。在这一个多世纪里,半导体技术的创新故事不计其数,但本质只是一种创新模式的不断展开和复现,其主题仍是叛逆。

本书从半导体的起步之处量子力学开始讲起,它演化出了半导体物理学,进而催生了半导体器件,这些器件又由简到繁,像一颗发芽的种子,演化出了双极型晶体管、MOS 场效晶体管、光电二极管等,并由此集成构造出了模拟芯片(通信和传感器芯片等)、数字芯片(CPU、存储器、现场可编程门阵列A芯片等)和光电芯片等。本书最后还展示了芯片设计和制造方法由手工到自动化的发展过程,并指出了芯片未来面对的挑战和可能的解决路径。

为了创新,人们需要不断打破过往累积起来的知识和见解,并用新的知识和见解不断地推陈出新。因此,本书不打算系统讲解固有的知识,而是讲述芯片如何被创造出来的鲜活过程。

本书的读者可以是对芯片感兴趣的任何人。如果您是研发人员,您会认清半导体技术发展的脉络,看出技术创新的模式和规律;如果您对行业发展感兴趣,您会在本书中发现那些隐藏在背后的行业发展规律;如果您单纯对历史感兴趣,您可以了解到芯片在社会历史发展中所起到的作用。

芯片的创新可以是在各个层次上的。例如,在微观结构上,新器件颠覆了旧器件;在芯片层面上,新的芯片架构突破了原有设计的瓶颈;在商业模式上,知识产权授权模式让芯片设计更灵活,使得自研芯片成为可能;在半导体行业的组织形式上,芯片代工厂的出现打破了垂直整合制造模式,催生出了苹果、高通和华为海思等无厂芯片公司。本书展现出了这种多层次的创新态势。

本书各章大体上按照芯片发展的时间进程展开,同时也按照芯片的不同功能来独立排布。你既可以从头读起,也可以直接翻到感兴趣的任意一部分。

本文开头所说的那次聚餐聊天,我并没有责怪我的学生不记得这些发明人。实际上,这些发明人的名字被历史有意无意地忽略了,而现今的历史需要对他们做出相应的补偿。如果我们能从历史尘埃中重新体会到他们的精神核心:不盲从、不畏惧,从否定中汲取力量,那么我们就始终和这些开拓者的灵魂在一起。

聚餐结束后,有个学生说聊得很开心。但那天讲的其实只是一小部分,而现在你正在阅读的则是完整的故事。

接下来,让我们一起踏上这段芯片之旅吧。


  • 书名:《芯片简史》
  • 作者:汪波
  • 出版时间:2023年4月
  • 出版社:湛庐文化/浙江教育出版社
  • ISBN:9787572254758
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