芯片改变世界

本书是芯片技术发展的科普图书，重点讲述了电子工业的产生，早期电子器件、半导体器件、及芯片的产生与发展的历史。把芯片技术与其发展史结合起来，描绘芯片产业与第三、第四次工业革命的兴起及发展过程。本书的主角是芯片技术的历史沿革、发明家、创业家、风险投资家及企业家。

要是有人问起20世纪世界历史上最重要的事件是什么，很多人会说是第二次世界大战（以下简称二战），也有人会说是苏联和东欧社会主义国家的兴起与衰落，还有人会说是中国的崛起。当然，这些事件都很重要。但是，从影响人们生活方式的角度来看，20世纪发生的最大的事件非晶体管和芯片的发明莫属。
从人类发明蒸汽机开始，改变人类生活方式的技术发明不断出现，其中以蒸汽机、铁路运输、石油工业、汽车、电子管、原子能、晶体管和芯片为代表。这些技术发明，不仅改变了当时的战争形势和世界格局，而且改变了我们的日常生活形态。这些技术发明把这个世界变得很小，把人的力量变得很大，同时也把人的大脑变得极为强大。和地球上的其他生物相比，人类在这些技术发明的帮助下获得了堪称上帝般的能力。
成就一项改变人类历史和生活方式的技术发明，需要具备哪些条件呢？
第一，要有实际的应用需求。二战结束后，电子工业在战争和通信上有了极大的应用。雷达、计算弹道的计算机、有线及无线通话设备等大量战时发明对高效的电子放大器和高速的电子开关产生了极大的需求。
第二，要有足够的知识积累。20世纪初，以量子力学为代表的现代物理和化学为新型固体电子器件的产生奠定了物理与工艺基础。二战后，美国的贝尔实验室和斯坦福大学等研究机构在理论与工艺上为新型电子器件和随之而来的芯片产业做好了准备。
第三，要有市场。随着“冷战”的深入，美国和苏联在军备与太空开发领域中展开了竞赛。这是一个巨大的市场，以往以真空电子管为代表的常规电子器件，在太空这种极端环境下已无法满足需要。此时，理论和工艺都已成熟的固体电子器件应运而生。晶体管、芯片和整个半导体工业就是在“冷战”的刺激下诞生的。
第四，要有勇于开创的发明家和企业家。他们是改革家和梦想家，且大多数出身于不太富裕的家庭，但他们从小就有梦想。他们对身边的一些习以为常的事情表现得很不耐烦，他们要用自己的智慧去改变令人生厌的环境。他们确信靠自己的头脑和经验可以完成一些看似不可能完成的事情。他们是真正的社会改革者，为这个世界带来了真正意义上的变革，他们改变了我们的生活方式，同时为人类提供了更多的自由和财富。
20世纪前半叶，第一个广泛应用的电子器件—真空管，在通信、雷达和电脑业中大显身手。此后无论是在军事、工业还是在民用行业中，真空管大大改善了人们的工作和生活。二战后，真空管已成为无可替代的产品。但是，真空管的质量和寿命都使其无法胜任当时最前沿的应用。
20世纪50年代，晶体三极管的出现让人们看到了新希望。在不到10年的时间里，晶体管代替了真空管。晶体管的生产工艺、质量和寿命也得到了极大的改善。随着晶体管收音机的出现，晶体管成了人们日常生活中不可或缺的电子器件。
20世纪60年代，芯片的出现彻底改变了电子工业的现状。过去需要几个房间才能放下的电子设备所实现的计算能力，现在可以在几个平方厘米大小的芯片上实现。此后，芯片技术和其应用改变了当时从衣食住行到天气预报，从日常通信到卫星技术的所有产业。正是芯片技术开启了以电脑和互联网为代表的工业革命3.0。
20世纪80年代，以微处理芯片为核心的个人电脑出现。英特尔和ARM两种微处理器的设计理念展开竞争。由于英特尔和微软广大的市场与惊人的资金投入，英特尔以性能为先的微处理器设计理念在20世纪八九十年代大行其道。而以ARM为代表的更为先进的能耗和性能并进的微处理器设计理念则在一些边缘产品中慢慢成长。
20世纪90年代，个人电脑、无线通信、光纤通信、卫星通信及定位技术的应用已经日益普及。这是第三次工业革命达到高潮的10年，以ARM为代表的微处理器芯片、以GPS为代表的卫星通信芯片，以及以汽车雷达为代表的微电机芯片等不断推陈出新，让人应接不暇。在这10年里，芯片技术从20世纪90年代初期的0.6微米制程发展为2000年的90纳米制程。芯片制造前端的制程技术进步了六代，芯片制造后端的连线金属层也达到了十几层，芯片工艺的复杂程度超出了所有人的想象。以微处理器为例，芯片上的晶体管数量已超过了10亿，厂家生产12英寸芯片的造价超过10亿美元，一张微处理器芯片的晶圆价值几百万美元。芯片产业的格局也从设计、制造、产品、营销一体化，演变成设计与产品一家，制造、封装、测试另起炉灶的局面。在这10年里，中国政府和企业真正认识到了芯片对国家未来的重要性，这也是中国政府开始放手让芯片企业大干的10年。
2000年是科技史上的一个分水岭。此前，人类的知识与技术积累已经为我们的生活带来了数字电脑、远程通信、卫星通信、互联网。2000年，综合了这些高新科技、改变世界进程的工业革命4.0发生了。这是一次由芯片和电脑发端、以互联网为触角，并以人们日常生活中的信息交流为中心，即将改变我们生活中每个方面的工业革命。工业革命4.0的核心就是芯片技术及其应用。
进入21世纪以来，芯片技术的发展颠覆了人类的生活方式，一部手机能做的事已远远超过了过去的大型电脑，一个没有实体店面的电商的销售能力远超过去的大型百货商店，人们的办公、出行、购物、娱乐都发生了巨大的变化。与此同时，硅基芯片的工艺即将谢幕，第三代半导体材料及工艺已出现在了人们的视线之内。微处理器的构架、高压器件、全新的设计流程、封装和测试的新方法也开始大量涌现。
工业革命4.0是一场由晶体管、芯片、电脑和互联网点燃的工业革命，它让这个世界变化飞快，它将对我们的生活、社会和社会组织产生巨大影响。尽管我们无法预言10年后的电脑会是什么样，也无法预言10年后的汽车会是什么样，更无法预言10年后我们的工作环境会是什么样，但是作为芯片行业从业大军中的一员，我会以乐观、审慎的态度拭目以待。
本书是有关电子和芯片技术发展的科普图书，重点讲述了电子工业的产生，早期电子器件、半导体器件以及芯片的产生与发展的历史，时间到2018年为止。本书的目的是把芯片技术与其发展史结合起来，描绘芯片产业与第三次、第四次工业革命的兴起及发展过程。本书的主角是芯片技术的历史沿革、发明家、创业家、风险投资家及企业家。
本书正文共有30章，附录介绍的是具有开创性并被广泛应用的芯片，其中的大多数来自国际电工学会芯片名人堂。本书有三章介绍了中国的芯片历史和中国芯片业的奠基性人物—张汝京博士。
本书面向对芯片和科技史感兴趣的读者，可以作为微电子专业的大学生和研究生的辅助读物，也可以作为芯片领域的专业人士了解芯片技术发展史的辅助读物。
本书的出版主要归功于机械工业出版社华章公司的策划编辑欧俊先生和文字编辑鲜梦思女士。芯恩（青岛）集成电路有限公司董事长张汝京博士和方向明女士为本书的写作提出了极为宝贵的意见。没有他们的支持与合作，就不会有这本书的出版。

钱纲
2019年春

前言
导言　芯片简历
第一篇　半导体材料和半导体器件的前世今生
01 晶体三极管之前的半导体002
02 晶体三极管之前最重要的电子器件：真空管007
03 无线电通信和真空管收音机015
04 真空管带来的全新电子技术和最初的电子计算机026
05 发明晶体管：贝尔实验室的奇迹033
06 晶体管时代的到来041
07 芯片概念的形成054
08 芯片工艺：贝尔实验室奠定的半导体工艺基础059
第二篇　创造奇迹的芯片
09 发明芯片：德州仪器和基尔比的奇迹068
10 美国传奇：芯片产业之父罗伯特·诺伊斯080
11 硅谷传奇：“叛逆八人帮”和仙童半导体公司的诞生090
12 芯片产业的摇篮：仙童半导体公司095
13 改进的器件和技术：场效应管技术102
14 芯片的制造流程108
15 摩尔定律：芯片产业的发展路径120
16 第三次工业革命的种子：诺伊斯领导下的美国芯片产业131
第三篇　改变世界的芯片
17 半导体芯片的种类、设计流程、生产流程和应用领域150
18 工业革命3.0的发端：格鲁夫缔造的英特尔传奇158
19 芯片上的存储器：人脑记忆功能的拓展168
20 芯片上的计算机：泰德·霍夫的微处理器183
21 改变世界的微处理器195
22 ARM传奇：ARM处理器的诞生209
23 移动通信设备的大脑：ARM处理器的成长225
24 人机界面的核心：图形处理器芯片GPU238
25 通向专用芯片之路：未来GPU的发展方向250
26 西风东渐：中国工业革命中的芯片产业262
27 芯片业代工模式的代表：台湾积体电路制造股份有限公司273
28 带领中国芯片业进入工业革命4.0的芯片人：中芯国际公司创始人张汝京282
第四篇　未来的芯片
29 硅工艺制程的极限：摩尔定律的终结302
30 未来的芯片314
附录A　改变世界的芯片之一：英雄时代（1970～1980年）326
附录B　改变世界的芯片之二：成熟时期（1980～2018年）342
参考文献355