科学猎奇2024年10月11日发布:汪波：芯片如何改变世界，其未来发展又面临哪“三堵墙”？

我们都知道一本书是由很多书页组成的，每一页上面又有很多文字。类似的，一颗芯片是由一大张硅晶圆组成的，大概有一块比萨那么大。把它加工好之后，我们把它切成很多很多的小方块，就是每一颗的芯片，类似这个样子。但芯片还不是最终的构成单位，比它更小的一个单元叫作“晶体管”。芯片上有很多晶体管，那晶体管有什么功能呢？只有两个最基本的功能，一个是作为开关，来实现0 和1，或者是作为信号放大器，就像我们有一个麦克风一样，把这个信号放大，就可以用于通信。有了晶体管，才有了我们信息时代的计算机、互联网、无线通信等。

芯片和图书的相似之处在于，它们都是首先把一个想法变成了一个版式或者版图，或者我们图书的排版，然后接下来用光照的方式，把它“印刷”到这个介质上。光刻机制造其实是一种化学印刷，这种介质硅晶圆就像纸张。

除了这些之外，芯片和图书其实还有一些相似点，大家可以开一下脑洞去想象一下，比方说字符。我们可以缩小它的字号，那晶体管也是类似的，我们可以逐渐缩小它的尺寸。字的字体可以改变，晶体管的样式也可以改变，让它速度更快或者让它功耗更低，等等。印刷就相当于我们芯片制造中的光刻，最后的步骤是把它封装起来，就像把书装订起来。

“芯片和书籍的相同点”图示。供图：湛庐文化

晶体管尺寸缩小之后

我们刚才提到，晶体管会越来越小，那逐渐变小之后有什么变化吗？下面这张图里面显示的是晶体管的尺寸，从最初的几十微米缩减到今天的3纳米，图中最大的、紫色的圆代表直径为10微米，我们的一根头发丝大概是50微米。然后，它不断地缩小，到 1 微米，然后 0.1 微米，然后是0.01 微米……缩减到这个图里面最小的那个点，比 HIV病毒的直径还要小。换句话说，通过我们的光学显微镜，无论多么先进的光学显微镜都看不到，因为可见光的波长最多是400纳米。而现在，我们的芯片只有几十纳米。那晶体管尺寸变小之后又带来怎样巨大的变化呢？在一颗芯片上可以塞进更多的晶体管，就像一页书上可以塞进更多文字一样。举一个具体的例子，在这张图的一个左下角，是1971年发明的第一颗CPU芯片，它上面只有2250个晶体管，它使用的尺寸是10微米，也就是一万纳米。

晶体管尺寸与功能变迁图示。供图：湛庐文化

随着时代的进步，有了更小的晶体管之后，就有了PC机，有了第一台笔记本电脑，第一个iPod，第一台iPhone。2024 年3月，英伟达发布了B200GPU芯片，那上面有2080亿个晶体管，比1971年的增加了1亿倍，它的尺寸缩小到4纳米。比一万纳米缩小了2000多倍。换句话说，一个10微米芯片的大小是一头长6米的亚洲象，那么今天的晶体管就只有一只蚂蚁那么大。

芯片的发展与人工智能的发展密切相关

最近几年，芯片成了大家关注的一个热点，有很多相关的新闻事件引起了广泛关注，包括华为被列入美国所谓管制“实体名单”，EUV的光刻机没法出口到中国，还有疫情期间我们的很多汽车厂商由于缺少芯片而被迫减产甚至停产等。尤其引人注目的，就是ChatGPT2022年底的发布。

下图左上角展示的是ChatGPT网站的访问量的变化。

ChatGPT网站访问量变化示意图。供图：湛庐文化

右下角展示的是英伟达股票的一个变化曲线。

英伟达公司股票走势变化曲线图。供图：湛庐文化

对比一下就会发现，这两条曲线都是向上增加的一个趋势，换句话说，它们存在正相关性。那为什么英伟达这家公司的股票会跟ChatGPT的曲线相关呢？因为，这家公司做的是GPU，就是用于构建人工智能的一款处理器。

有了ChatPGT，有了非常强大的GPU芯片的加持，我们就可以做出更加超越想象的产品，比方说人形机器人，它可以理解人类的话语，甚至能够通过理解物理世界来做出正确的反应。所以，我们自然而然就会问一个问题，我们距离“奇点”（物理学中的某种极端状态——编者注）是不是更近了？为什么芯片跟人工智能如此密切相关，简单说来，芯片可以为人工智能提供巨大的算力，也就是强大的计算能力。目前提供算力的主要是GPU芯片，它比我们传统的CPU芯片的计算能力更强，因为它投入了90%以上的资源用于计算，而CPU只投入了25%的资源，而且GPU是并行的计算。

芯片发展简史及芯片未来面临的挑战

人工智能如今这样快速的发展，也对芯片提出了更多的、更高的要求，而芯片产业现在面临一些更大的挑战，具体来说就是“三堵墙”。一堵墙叫做“内存墙”，就是当CPU去存储数据的时候，它要翻过一堵高墙，速度非常的慢；第二堵墙叫作“功耗墙”，怎么理解呢，就是英伟达发布的GPU芯片，它用的制冷方式是水冷，而不是通过空气对流来散热。为什么需要水冷？因为它在运行中会产生很多热量，而热量散发不出去，现在我们芯片上的热密度已经达到甚至超过了火箭喷射口的热密度，我们目前还没有找到解决的办法。如果再继续下去，芯片就会被自己产生的热量烧毁。第三堵墙是“频率墙”，CPU芯片的频率已经有几十年没有再继续增加了。

在芯片诞生之前，其实只有一种非常笨重的器件叫作真空管，它是由灯泡改造而来的。灯泡非常大，而且表面是玻璃做的，非常脆弱。所以，第一个由真空管制成的计算机的体积非常庞大。直到1947年，贝尔实验室的三个科学家发明了晶体管，它的尺寸远远比真空管要小且更加可靠，因为它没有一个所谓的玻璃罩，它能实现刚才我说的两个基本的功能，一个是放大信号，另外一个是作为开关。

但是，随着晶体管的数量越来越多，又产生了新的问题，这些晶体管在一个电路里面要怎么互联起来，怎么把它组装起来？人们一时找不到解决方法。10年之后，工程师基尔比想到了一个主意，他想把所有晶体管原件都集成在一个硅的基座上面，这样就可以让其整体体积更小。但是，他还没有解决另外一个问题，就是这些晶体管怎么互联起来。另外一个工程师诺伊斯想到了一个方法来解决元件互联的问题，所以，我们今天认为是基尔比和诺伊斯共同发明了芯片。

芯片发明出来之后，芯片上的元件数量就不断增加。到了1965年，化学家摩尔受邀写了一篇文章，他总结了过去几年芯片发展的规律，发现每过一年，芯片上的元件数量就翻一倍，非常简单的一个规律，这就是“摩尔定律”最初的一个表述。一开始是1，然后是2、4、8、16……这样逐渐翻倍。一开始的数量非常小，但这个发展的速度是指数倍的，到了40年、50年之后，这个数字将变得非常庞大。芯片产业发展的脚步是一直按照“摩尔定律”来向前推进的。

1957年，仙童半导体公司成立了，这是一家伟大的公司，同时也是一家管理失败的公司，很多员工跳槽出去，在周围创办新的企业，从之前的公司分化出大约400家企业。他们所在的地点就是今天的硅谷，所以就有了今天这些互联网、人工智能以及芯片领域最先进的公司。

如果我们简单总结一下芯片的发展规律，可以用一棵“树”来表达出来，最开始是基础学科，比如量子力学的发展，然后经由这个诞生了晶体管，然后又诞生了芯片，芯片又按照“摩尔定律”在不断发展。其中一个典型的代表，就是CPU或者处理器芯片，然后有了我们的计算机等。还有一个就是存储，有了我们的flash，另外一方面就是跟我们的通信——放大信号有关的，有了无线通信领域的这些芯片。此外还有各种传感类芯片，包括我们的智能手表等上面使用的芯片。还有一个很重要的，就是新能源汽车上面用来驱动汽车、把电池的能量转换成电力来驱动的，叫作功率芯片。最后一种，也是我们每天都在用的，就是光电类芯片，用于手机拍照，用于光伏发电。最后一个，就是反过来把电信号转换成光，所以有了LED的照明和显示，这些都是基于芯片技术发展起来的。

“芯片发展树”示意图。供图：湛庐文化

回顾芯片的历史，就是一部创新的历史，同时也是一部叛逆的历史，因为当初很多想法都是被传统势力打压，然后他们突破了这些打压才走到了今天。今天我们又面临新的挑战，首先是芯片里面的晶体管的尺寸已经逼近了物理极限。我们讲到了3纳米的芯片，未来还可能是1纳米、0.5纳米的，在这么小的尺寸下，我们要通过非常短波长的光刻机才能制造出来这些芯片。另外一个挑战就是，即便我们制造出了这么小的晶体管，可能它也没法正常工作，因为它还受到另外一个物理极限的影响，就是“隧穿效应”——当晶体管非常非常小，只有原子尺寸的时候，电子就能从晶体管中逃逸出来，就像穿透一堵墙一样，让晶体管失效，这样我们保存的照片数据就会自动消失。

当然，现在科学家还在尽量想各种方法来解决这些问题，包括使用新的材料，比如硅以外的材料，比如碳基的晶体管，比如氧化物的晶体管，模拟人脑神经元的工作原理的晶体管，等等。除了芯片领域本身的这些挑战，我们还面临着很多更大范围内的挑战，比如气候变暖、人口的老龄化以及电力资源的短缺。我们可能会问，用手机充一点电就会导致电力资源短缺吗？还真有可能，有一个数据是，训练一次AI大模型，需要消耗2亿度电。有一种说法是，“所有的transformer要消耗掉所有的transformer”。第一个transformer指的是大模型，第二个transformer指的是变压器，就是我们的电力。除了这些技术方面的挑战之外，还有很多在技术以外的、国与国之间的这种竞争、供应链短缺，等等。这些在过去几年中都发生过，也是我想要写《芯片简史》的原因，我想要给大家去讲述芯片是怎么回事，它是如何诞生并且改变世界的。

预测未来最好的方式，就是把它发明出来

芯片跟图书还有一个共同点，那就是一旦付印就没法再去修改了。这就要求我们在付印之前不断地去打磨它，修订它，把它尽量做到完善。

最后，回到大会的主题，奇点是不是很快就要来临？很难去预测，但是有一句话，《芯片简史》里面也有提到，那就是“预测未来最好的方式，就是把它发明出来。”

4月19日，在国家图书馆活动现场，汪波教授（左二）凭借其《芯片简史》一书获颁第十九届文津图书奖科普类图书。文津奖组委会如是评价：“作者不辞艰辛地梳理和呈现了芯片发明与发展的历程，详细地讲述了一群叛逆者突破传统、不断创新的故事。”供图：文津奖现场图片直播

（作者系资深芯片研究专家、科普作家，早年留学法国并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，已出版《时间之问》和《时间之问·少年版》。本文经授权，摘编自作者新著《芯片简史》获颁2024年第十九届文津图书奖科普类图书后次日所作演讲，现标题系编者所加）

责任编辑：张彦武

来源：中国青年报客户端

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