了不起的芯片

本书是一本芯片科普书，内容系统全面、循序渐进。第一篇着重介绍芯片的前世今生及发展历史，包括 x86、ARM、RISC-V 三大主流指令集及其应用和市场现状。第二篇主要介绍芯片从设计、制造到封测出厂的全过程，并从技术和应用等层面解读人们关心的诸多问题。第三篇介绍我国的芯片发展历史，并分析了现阶段国内半导体产业的现状和格局。第四篇介绍芯片工程师群体的工作日常，以及如何成为一名合格的芯片工程师，并展望未来芯片的发展方向。

本书图文并茂、通俗易懂、深入浅出，既适合作为高等院校相关专业师生、半导体从业者和投资者的参考用书，也可以作为非专业人士的芯片科普类读物。

王健（笔名“温戈”），毕业于西安电子科技大学，曾就职于全球顶级芯片测试公司Teradyne，现为AMD数字芯片设计经理。成功参与多款高性能CPU、GPU、服务器等超大规模SoC芯片产品的流片。在芯片设计、可测性设计、芯片测试及应用开发等领域具有丰富的实战经验。

知乎平台芯片（集成电路）、中央处理器（CPU）话题优秀答主，数码盐究员。腾讯新闻特约撰稿人，四川卫视《了不起的分享》节目嘉宾，微信公众号“OpenIC”主理人。累计创作内容高达百万字，涉及科技热点解读、芯片科普、技术分享、职场成长等主题，深受读者好评，全网关注人数超过30万，阅读量过亿。

中科院计算所副所长包云岗、西南交大信息学院副教授邸志雄作序力荐。

（1）专业丰富：从半导体物理基础到芯片的架构，从摩尔定律到超越摩尔，从芯片设计到制造再到封测，从国外到国内的行业发展，从过去到未来……

（2）有趣有料：“摩尔定律：真的是定律吗”“芯片中上百亿晶体管是怎么设计的”“CPU是如何识别代码的”……以问答探秘的互动方式，吸引读者带着好奇心阅读，走进芯片的奇妙世界。

（3）紧跟前沿：对大量当下的行业热点事件及政策进行解读，力求呈现芯片行业的前沿内容。

（4）读者广泛：对想要了解芯片行业的人来说，阅读后会获得丰富且全面的知识；对有志于从事芯片工作的人来说，本书会带给你更多有意义的启发；对芯片行业的专业工程师来说，这是一本案头必备读物。

写作背景

多年前的一个夏天，在苏州石湖蠡岛上的一间茶馆里，我和几位同事一边品茶，一边憧憬着自己将来理想的职业生涯。当被问到自己时，我毫不犹豫地表示想成为一名作家。

想成为作家的念头和我小时候读了很多名著有关，我痴迷于《西游记》中惊险刺激的故事，也沉迷于儒勒·凡尔纳在《海底两万里》中描绘的奇幻瑰丽的海底世界；既会因为诸葛亮病逝五丈原而难过，也会在看到唐·吉诃德种种荒唐的行为时笑得前仰后合。那时没有手机，是书籍陪我度过了漫长的童年时光。有时，我不满足于书中的情节，或者不喜欢书中的结局，就会在日记本上改写或者续写小说的情节，让它变得更加波澜壮阔、曲折离奇。

2016年，我在校参与编写了《西电人的故事2》，当时奶奶打趣称我为小作家，我心里虽然开心，但深知要成为一名作家，我做的还远远不够。2020年，我在知乎上看见一个问题“芯片为什么每年都能进步？”，便随手写了一篇回答，竟然得到了不少赞同。从那时起，我便开启了芯片科普创作之路，写作的习惯也一直保持至今。近年来，芯片逐渐成为科技行业的热点话题，我希望有一本书可以让大家更全面、系统地了解芯片。因此，出书的想法犹如一粒种子在我心中生根发芽，而与张爽编辑的结识则让种子结出了果实。

写作的过程也是学习的过程，尽管现在新媒体极其发达，短视频、直播、网课等资源十分丰富，但想高效、系统地学习一门知识，阅读依然是无可替代的。我家里的书架、书桌、沙发、厨房、卫生间等随处都放着书，以便我随时都能阅读。书籍是人类进步的阶梯，希望每个人都能在阅读中体会到人生乐趣。

畅想未来的时光，有一件可以肯定的事——我会坚持写作。如果有一天，你看到我出版了小说、散文或诗歌，请不必惊讶，那是我在奔向心中神圣的文学殿堂！

本书内容

本书是一本芯片科普图书，共分10章，各章内容如下。

第0章为绪论，开篇点题，主要讲述“了不起的芯片”是如何改变我们的生活的。科技的发展要造福人类，推动社会进步，才能焕发出璀璨夺目的光彩。

第1章介绍芯片相关的基本概念、发展历史及半导体产业。

第2章介绍三大指令集——x86、ARM和RISC-V，以及它们的特点和应用领域。

第3章是重点章节，详细讲述芯片的设计流程、EDA、人工智能芯片等，探秘芯片的工作原理及其中的艺术。

第4章讲解芯片的制造流程，包括光刻机、制造工艺等。

第5章主要介绍芯片的封装和测试，以及国内的封测现状。

第6章介绍国内的半导体学科及产业的发展历史，以及半导体行业中了不起的人物。

第7章从我国不同地区和各大公司的角度分别介绍国内的半导体产业布局。

第8章也是重点章节，主要展示芯片工程师群体的工作日常，以及成为一名芯片工程师所需掌握的知识体系。同时，本章还介绍了职业发展方向，为即将进入芯片行业及初入职场的读者提供参考。

第9章主要介绍芯片的前沿发展方向，并展望芯片的未来。

第0章 绪论 1

0.1 芯片是人造物的巅峰 1

0.2 芯片是信息科技的基石 4

0.3 芯片改变生活 6

0.4 本章小结 8

第一篇 芯片的前世今生

第1章 半导体发展简史 11

1.1 半导体百科 11

1.1.1 什么是半导体 11

1.1.2 半导体和集成电路、芯片之间的区别 17

1.1.3 为什么半导体适合做芯片 18

1.2 晶体管的诞生 20

1.2.1 晶体管小史 20

1.2.2 晶体管的分类 24

1.3 集成电路的发明 27

1.4 半导体巨头的鼻祖——仙童半导体 30

1.5 摩尔定律：真的是定律吗 34

1.6 半导体舞台上的美、日、韩 37

1.7 半导体产业没有夕阳 43

1.7.1 半导体技术的发展 43

1.7.2 芯片的国产替代化和市场需求 46

1.8 本章小结 47

第2章 三分天下的指令集 48

2.1 什么是指令集 48

2.2 宝刀未老的x86 51

2.3 异军突起的ARM 54

2.4 拥抱未来的RISC-V 58

2.5 决斗吧！指令集 61

2.6 两强相争还是三分天下 64

2.7 本章小结 67

第二篇 一颗芯片的诞生

第3章 高深且艺术——芯片设计面面观 71

3.1 芯片设计流程 71

3.1.1 市场调研 72

3.1.2 架构定义 75

3.1.3 前端设计及验证 76

3.1.4 可测性设计 79

3.1.5 后端设计 80

3.1.6 SoC设计 85

3.2 EDA——芯片设计之母 86

3.2.1 EDA领域的三足鼎立 88

3.2.2 国产EDA的突围 90

3.2.3 EDA的核心 95

3.3 芯片中的上百亿晶体管是如何设计的 96

3.4 芯片设计之难 98

3.5 CPU为什么很少损坏 100

3.6 计算机如何计算1+1=2 103

3.7 CPU是如何识别代码的 110

3.8 异构集成之路 113

3.9 “X”PU芯片竞技场 115

3.10 人工智能与芯片设计 127

3.10.1 人工智能芯片设计 127

3.10.2 人工智能赋能芯片设计 132

3.11 芯片设计中的艺术 133

3.12 本章小结 137

第4章 隐秘而伟大——芯片制造 138

4.1 芯片制造流程 139

4.2 工业皇冠——光刻机 144

4.2.1 什么是光刻机 144

4.2.2 光刻机和核弹相比，哪个更难造 146

4.2.3 为什么最好的光刻机来自荷兰，而不是美国 147

4.3 芯片中的5纳米、3纳米到底指什么 154

4.4 More Moore与More Than Moore 158

4.5 本章小结 160

第5章 慎终亦如始——芯片封装与测试 161

5.1 花样百出的芯片封装类型 161

5.2 封装新贵——2.5D封装和3D封装 166

5.3 芯片是如何进行出厂测试的 168

5.3.1 芯片测试概述 168

5.3.2 芯片测试分类 170

5.3.3 芯片测试流程 173

5.4 我国的封测现状 177

5.5 军用芯片与商用芯片 179

5.6 本章小结 180

第三篇 中国的“芯”路历程

第6章 早期的中国半导体产业 185

6.1 半导体学科的发展 185

6.2 早期的光刻机 188

6.3 国内芯片制造的领航者——中芯国际 189

6.4 中国芯片商海先驱 191

6.5 半导体领域那些了不起的她 192

6.6 本章小结 199

第7章 中国“芯”再出发 200

7.1 中国半导体产业布局地图 200

7.1.1 中国的“硅谷” 201

7.1.2 长三角地区——走在前沿 203

7.1.3 环渤海地区——协同跟进 204

7.1.4 珠三角地区——稳扎稳打 205

7.1.5 中西部地区——不甘落后 206

7.1.6 台湾省——实力雄厚 206

7.2 手机厂商自研芯片 208

7.2.1 华为海思 208

7.2.2 OPPO哲库 213

7.2.3 小米玄戒 215

7.3 互联网公司逐鹿“芯”赛道 216

7.3.1 百度昆仑 216

7.3.2 阿里巴巴平头哥 217

7.3.3 腾讯 219

7.3.4 字节跳动 220

7.4 GPU赛道百舸争流 220

7.5 本章小结 223

第四篇 携手共创“芯”未来

第8章 成为芯片工程师 226

8.1 了解芯片设计工程师 226

8.1.1 芯片设计工程师的日常 227

8.1.2 芯片设计工程师的特点 229

8.2 芯片设计工程师技能树 232

8.2.1 数字芯片前端设计 232

8.2.2 数字芯片设计验证 235

8.2.3 数字芯片可测性设计 237

8.2.4 数字芯片后端设计 252

8.2.5 模拟芯片设计 255

8.2.6 模拟版图设计 258

8.3 芯片工程师的工匠精神 260

8.3.1 性能篇 260

8.3.2 面积篇 261

8.3.3 功耗篇 263

8.4 芯片工程师的职业发展路线 270

8.4.1 职业发展路线概览 270

8.4.2 技术路线 274

8.4.3 管理路线 277

8.4.4 深度工作 281

8.4.5 终身学习 284

8.4.6 架构师之路 288

8.5 热爱芯片行业是一种怎样的体验 292

8.6 本章小结 294

第9章 未来的芯片 295

9.1 生物芯片 295

9.2 碳基芯片 296

9.3 量子芯片 297

9.4 后硅时代的材料舞台 299

9.5 本章小结 301

参考文献 302