芯片简史

l 一本聚焦热门话题、热门行业的实力之作，完整呈现芯片发明和发展的60多年历程。

全书完整呈现了芯片发明与发展的历程，从支撑芯片产业发展的量子力学讲起，逐渐发展到半导体物理学，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ji型晶体管、MOS场效晶体管、光电二ji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、FPGA等）和光电芯片等。蕞后，本书还展示了芯片设计方法和制造方法由手工到自动的发展过程，并指出了芯片未来面对的挑战和可能的解决路径。可以说，了解芯片，有这一本书就够了。

l 芯片的发展史，就是一部创新史与叛逆史——详细讲述一群叛逆者突破传统、不断创新的故事。

作者以芯片诞生和发展为主线，将散落在世界各地的实验室、杂志、书籍或新闻报道的庞杂信息重新组织、编排，在力求准确、科学的前提下，写作了这样一本综合性作品，使得我们透过“芯片简史”这四个字，深入了解那些散落在历史深处的芯片发/明者的个人世界，体验他们在发/明中所经历的种种困苦与喜悦、磨难与幸福，与他们一起重走芯片发明之路，看他们如何突破科学研究中的困难与现实世界的阻碍，做出一项项改变甚至颠覆世界面貌的发明和创新。

l 一部跨越专业人士与大众藩篱的科技创新史，了解芯片发展历程以及看清未来发展趋势的jue佳商业图书。

芯片构成了现代社会正常运转的核心控制单元，影响范围涉及国家安/全、商业、政治、文化等方面，没有芯片，我们现在所拥有的一切都无从谈起。为了使大众能够更加容易、更加清晰地了解芯片，本书作者在写作时做了以下努力：一是高度还原创新的历史过程，展现曾经盛行的观念和技术，以及新的技术是如何萌芽并与之斗争和蕞终突破的。二是突出作为创新者的个体，将历史的聚光灯打在实验台前的科学家和工程师身上，展现他们内心的渴望、追求、困顿、嫉妒和欣喜。三是将发明一刹那的火花清晰呈现出来。虽然知识的“剂量”被压缩，却足以激发读者智识上的兴趣，全书叙述上的惊险程度不逊于一部小说。

汪 波

l 资/深芯片研究专家。早年留学法国，获法国里昂国立应用科学学院集成电路硕士学位和利摩日大学高频微电子学博士学位，分别在华为公司、法国里昂纳米国家实验室和北京大学深圳研究生院从事集成电路设计的教学与科研工作，积累了二十余年经验。

l 科普作家，作品能够打通学科边界，兼具科学与人文内涵，让读者感受到思考的乐趣。已出版科普图书《时间之问》 和《时间之问·少年版》。

l 芯片战争的发起及由此引发的种种商业和政治摩擦将大众的目光聚焦到了芯片这样一个人们缺乏了解却又具有ji端重要性的领域。

芯片是什么，它从何时起被发明出来，又是如何一步步被广泛应用于现代社会，成为现代社会运转的原动力的？

在推动芯片从实验室走向商业市场的过程中有过哪些伟大的发明家，他们又经历了怎样的艰辛探索？

在摩尔定律即将失效的当下或未来，芯片的研发又将如何超越物理条件的限制，向更高/效、更快速、更低成本的方向迈进？

对于这些问题，《芯片简史》给出了全/面且细致的回答，这本书将是读者了解整个芯片发展史与芯片产业的蕞佳选择。

l 本书的读者可以是任何对芯片感兴趣的人。

如果你是研发人员，你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。

如果你对行业发展感兴趣，你会在本书中发现那些隐藏在背后的行业发展规律。

如果你单纯对历史感兴趣，你可以了解到芯片在历史社会发展中起到的作用。

l 湛庐文化出品。

和开拓者的灵魂一起踏上芯片之旅

“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。

赞　誉

推荐序 如何理解芯片

宋继强

英特尔中国研究院院长

前　言 和开拓者的灵魂一起踏上芯片之旅

第/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

第/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ji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

“蕞没效率的方法”，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 全/方位挑战，不只是芯片

逼近ji限，摩尔定律之困

应对挑战，三条路径

不只是芯片，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