《芯片简史》

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《芯片简史》 浙江教育出版社2023

        《芯片简史》完整地展现了芯片的发明和发展历程,从半导体的起步之处的量子力学,到晶体管的发明,以及芯片的诞生和发展,讲述了数字芯片)、模拟芯片、光电芯片以及芯片设计和光刻制造方法是如何发明和发展起来的,最后展望了芯片面临的挑战。

        本书的特点是兼顾故事性、知识性和启发性,尽可能避免专业知识和公式的堆砌,而是从具体的人的具体事中展示出发明的过程。

        从决定写作到出版经历了三年时间,如今终于下厂印刷。全书厚达500多页,包含有数百篇参考文献,附录中还有芯片历史中的重要人物列表和彼此联系,构成了一幅芯片群英谱,此外还有一张长条彩色拉页展示了芯片发展史中重要事件。

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          – 《芯片简史》前言

          – 《芯片简史》后记与致谢

          –  如何阅读《芯片简史》?

          –  《芯片简史》勘误

          –  《芯片简史》适合谁读?

          –  豆瓣链接

内容简介:

       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。

       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。

       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。

芯片发展树:从量子物理到半导体,再到晶体管和各种芯片

推荐语

       芯片是电子信息技术和产业的核心与基石,芯片技术已经成为现代科学技术发展的制高点。如果你想了解芯片的前世今生,汪波博士的全新力作《芯片简史》是一本难得的好书。该书不仅梳理了芯片发展的脉络,还深入浅出地阐释了芯片发展历程中那些带有哲理且具有启发性的精彩瞬间。

张 兴
北京大学软件与微电子学院前院长

        芯片是人类历史上最伟大的发明之一,推动人类社会进入了信息时代。汪波老师凭借 20 多年在芯片领域的科研和教学经历以及深厚的文学功底,写成了这部《芯片简史》。该书对芯片发明和发展过程中的重要历史事件描写得非常精彩,读起来让人爱不释手。该书内容具有很强的知识性、启发性和故事性,是一部非常优秀的科普著作。相信无论是专业人士还是非专业读者,都能从中获益匪浅。

张盛东
北京大学信息工程学院前执行院长

      《芯片简史》一书以半导体技术发展的时间线为主轴,以多种门类的半导体器件演进过程为脉络,覆盖了材料、器件、工艺、架构和应用等多方面内容,展现了半导体行业从理论形成到产业爆发的全貌。本书兼具故事性和知识性,同时刻画了很多半导体行业先驱的性格特质,也揭示了创新组织的不同文化所带来的成功和遗憾,读来让人感慨。

宋继强
英特尔中国研究院院长

豆瓣网友评论:

 

一本很难得的本版作品,时间跨度之大,史料之丰富,让人叹服~

念鱼儿oO 

 

非常棒的一部芯片领域著作!作者把芯片发展过程中的重要事件讲述地非常精彩,也很有启发性。另外这本书的精良程度很值得一夸,纸张摸起来非常舒服,不是那种粗糙的轻型纸。一翻开就是超长的大事年表,后面的附录还有详细的人员关系图、流动轨迹图等,光是参考文献就有40多页,详实、专业、可靠。

73岁男天外飞仙

 

 

《芯片简史》目录

前言 和开拓者的灵魂一起踏上芯片之旅

 

一部分 诞生

 

01不确定的世界,从电灯泡到半导体

变黑的灯泡,真空管的发明

绝望的行动,量子之变

惊险的一跃,半导体的奇迹

02创造性失败,晶体管诞生

雷达在警戒,半导体研究加速

协作的产物,巴丁和布拉顿发明点接触晶体管

反戈一击,肖克利发明结型晶体管

“我们也发明了晶体管”,发明之争

03接连不断的出走,硅在扩散

“肖克利真是愚蠢之至”,蹒跚学步的晶体管

热油中的音乐播放器,硅晶体管登场

感觉“在跟上帝通话”,落地硅谷

八叛徒,出走“仙童”

04“大规模白痴”,芯片的发明

被激怒的物理学家,霍尼发明平面晶体管

沉默的巨人,基尔比实现单片集成

暗战,诺伊斯提出互连方案

“我看不出它能走多远”,芯片之争与弃

 

二部分 演进

 

05创新者的窘境,MOS场效晶体管 

无足轻重的发明,场效晶体管

“我们可是佼佼者”,外延工艺

规划出来的失败,贝尔的悖论

坏点子在变好,MOS场效晶体管的上升之路

06一切过往皆可超越,摩尔定律

当摩尔遇到米德,晶体管尺寸极限

一张纸片上的推演,摩尔定律

始料未及,摩尔定律的修正

拯救行动,延续摩尔定律

07化繁为简,计算芯片

计算梦想,从莱布尼茨到图灵

精简,霍夫提出CPU架构

以一当十,法金设计CPU电路

“最没效率的方法”,弗里曼发明FPGA

08记忆的黏合,存储芯片

漏电的存储器,登纳德发明动态存储器

芝士蛋糕的诱惑,施敏与姜大元

发明浮栅晶体管

开窗的芯片,弗罗曼发明EPROM

就像闪光灯,舛冈富士雄发明闪存

 

第三部分 多样

 

09知而行之,模拟世界的芯片

莫使金樽空对月,维德勒开创模拟芯片

剪掉电话线,无线通信芯片

知者行之始,彼得森与MEMES传感器

行者知之成,IGBT功率器件的发明之争

10迅电流光,光电器件(上)

贝尔的回击,半导体太阳能电池的发明

诺奖委员会搞错了吗,图像传感器芯片的发明

群雄逐“光”,高亮度红外LED和半导体激光器的发明

11点亮东西方,光电器件(下)

标新立“异”,半导体异质结的发明

灯火阑珊处,蓝光LED的发明

 

第四部分 建构

 

12破除悖论,芯片设计

5美元的赌注,SPICE电路分析仿真程序

“玩具”设计方法,康韦与米德的VLSI设计革命

画不尽意,硬件描述语言的发明

蚕食鲸吞,EDA之争

共赢模式,ARM处理器的IP授权之道

13精雕细刻,芯片制造

水利万物而不争,代工逆袭

酪乳薄饼,光刻的发明

叫停一艘“航母”,林本坚发明浸没式光刻

鱼鳍结构,胡正明发明FinFET

14方位挑战,不是芯片

逼近极限,摩尔定律之困

应对挑战,三条路径

是芯片,彼此依存的世界

尾声

 

后记 在我的智慧终结处启程

附录

芯片群英谱

半导体技术发展线

缩略语

索引

参考文献

图片来源

原句摘录:

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。(前言)

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。(前言)

当他们推开外面的大门时,亿万片晶莹的雪花在他们的面前飘落,每一片雪花都是一枚六角形的晶体,它们紧密地包围并覆盖了这座四四方方的建筑,其中一个实验室里有一支孤零零的内部为正四面体晶胞的晶体管。站在门口的几个人一定想象不到,若干年后,这个比例将反转—人类一年之内生产出来的晶体管,将远远地超过飘落在这片土地上的雪花的数量。(第二章)

1月 23 日,诺伊斯终于可以静下心来想一想这个问题了。这一天,他感觉此前头脑中所想到的点点滴滴都突然组合了起来,并拼合成了一个完整的想法。诺伊斯在笔记本上用钢笔飞快地记录起来,以便能追上他飞速涌出的想法:在许多应用中,为了能够将不同的元器件连接起来以作为制造工艺的一部分,可以将多个元器件集成在一个单独的硅片上,这样就能减小每个有源器件的尺寸、重量和成本。(第四章)

假设在一个空旷的场地上有一些沙堆。白沙堆代表 1,黄沙堆代表 0。每次计算,就相当于移动白色沙堆或黄色沙堆。可以发现,把沙堆的体积减小一半,并不影响 1 和 0 的表达与计算。这样不仅消耗的能量减半,移动速度加倍,而且在同一块场地上可以放入更多的沙堆,完成更多的计算。(第七章)

一颗毒苹果带走了一个独立的灵魂,而图灵化繁为简的思想留给时代的余温,足以令这颗拥有数千亿台图灵机的星球继续羞愧地运转下去…… (第七章)

1958 年,在华盛顿特区举办的美国无线电工程师协会电子器件组的会议上,莱思普罗和纳尔发表了一篇文章,他们创造了一个新词:“光刻”(photolithography)。但实际上,准确的说法应该是“光腐蚀”才对,但是纳尔觉得“光刻”这个词听起来更有“高科技”感,于是,业界就这样将错就错一直叫到了今天。(第十三章)

2017年,阿斯麦尔公司开始向客户交付 EUV 光刻机。每台机器的部件需要4 架波音 747 飞机运送。运抵晶圆厂后,那里会有准备就绪的上百名工程师,他们负责安装和调试。光刻机占地约 80 平方米,其中激光部分占了 20 平方米。整个机器像一座冰山,因为大量管道和线缆埋在地下 10 米深处,然后才是露出地面的部分。(第十四章)

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……

* * *

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。

* * *

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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