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读懂芯片:一本书、一棵树、一部史
  最近几年,有关芯片的新闻频频引起关注,从2022年美国签署《芯片和科学法案》到2023年欧盟批准《芯片法案》,从ChatGPT、Sora等生成式人工智能持续火爆到英伟达2024年股价3个月翻番,桩桩件件都与芯片有关。芯片究竟是怎样诞生的?它又将怎样影响我们的生活?
  一本书
  某种意义上说,芯片与书籍很相似。
  书是由很多书页构成的,每张书页上又有很多文字。同样道理,如果将一片硅晶圆比作一本书,那么其中的芯片就是纸张;每个芯片上又有很多晶体管,每个晶体管代表一个字。
  晶体管只有两项基本功能,一个是作为开关表示0和1,可用于计算;另一个是作为信号放大器,可用于通信。可以说,正是因为有了晶体管,才有了我们信息时代的计算机、互联网和无线通信等。
  更进一步说,如果晶体管代表字,晶体管尺寸就对应字号,标准单元库就相当于字体库,版图校验对应校对,线间距有点像行距,版图布局相当于页面布局,掩膜制版对应激光制版,光刻就像印刷,封装就像装订,外壳相当于封面,芯片型号对应书名。
  芯片和书籍的相似之处还在于,它们都需要先把一个想法变成版式或版图,然后用光照的方式“印刷”出来。所以,光刻机也可以看作是一种精密的“化学印刷”设备。
  除了以上这些,芯片和书籍还有一大相似点,那就是可以通过缩小“字号”,也即缩小晶体管的尺寸,让书籍或芯片承载更多内容。
  事实上,晶体管自诞生之日起就一直在缩小。最初的晶体管有几十微米大,今天已经可以缩小到3纳米。这意味着,人们可以在一颗芯片上塞进更多晶体管,就像书页上写满密密麻麻的小字。举例来说,1971年发明的第一颗CPU芯片上只有2250个晶体管,晶体管的最小尺寸是10微米,也即1万纳米。而2024年3月,英伟达发布B200 GPU芯片,上面有2080亿个晶体管,晶体管的特征尺寸是4纳米。10微米和4纳米中间的差距有多大?如果前者是一头亚洲象,那么后者只有蚂蚁那么小。
  这就是为什么最初的真空管电子计算机有房子那么大,而后来用芯片制成的笔记本电脑、智能手机,功能越来越强,但个头却越来越小。
  一棵树
  1965年,美国科学家、企业家、后来创办了英特尔公司的戈登·摩尔(Gordon Moore)研究了过去几年芯片发展的规律后发现,集成电路上可容纳的晶体管数量每年翻一番,后来修订为每两年翻一番——这就是“摩尔定律”。其特点在于指数型增长,它的发展速度不是呈线性增长的,而是呈指数级攀升,越到后期增长曲线越陡峭。而且,直到半个多世纪之后的今天,这一规律尽管有所放缓,但依旧没有被打破。
  至此,芯片的发展脉络逐渐清晰起来。它就像一棵树:
  ——根是基础学科,更准确地说是量子力学。
  ——在其之上诞生了晶体管,然后又诞生了芯片。芯片按照摩尔定律不断发展,其中一个典型的代表就是CPU或者处理器芯片,这样才有了后来的台式机和笔记本电脑等。这些是树的主干。
  ——有了半导体芯片技术,信息技术开始开枝散叶,出现了Flash(闪存)、无线通信芯片、传感芯片、功率芯片以及光电类芯片等。
  一部史
  透过芯片的过去,才能看到芯片的未来。
  芯片的发展史就是一部创新史。而今天,我们又面临新的挑战。
  一方面,芯片里面晶体管的尺寸已经逼近了物理极限。如今,3纳米芯片已经量产,未来还会有1纳米、0.5纳米芯片。这么小的尺寸意味着要用极短波长的光刻机才能制造,光刻技术将面临严峻挑战。
  另一方面,即便我们能制造出尺寸极小的晶体管,它也很可能无法正常工作,因为它还受到另外一个物理极限的影响,即“隧穿效应”。“隧穿效应”是指当晶体管只有原子尺寸的时候,电子就能从晶体管中逃逸出来,让晶体管失效。
  目前,科学家们正在想尽办法来解决这些问题,包括使用新材料,比如研究碳基晶体管;也包括采用新原理,比如发明模拟人脑神经元的新器件等。
  除了芯片本身必须面对的挑战,人类还面临更大的挑战。有机构测算,训练一次人工智能(AI)大模型,需要消耗2亿千瓦时电。由此,业界有了一种说法,“所有的transformer将要消耗掉所有的transformer”,其中第一个transformer指的是大模型;第二个transformer指的是变压器,代表电力。
  但无论如何,芯片都是值得期待的。也许我们很难预测奇点何时会来临,但正如《芯片简史》所言:“预测未来最好的方式,就是把它发明出来。”
 
 
 
 
  原标题:读懂芯片:一本书、一棵树、一部史
  文章来源:http://www.ce.cn/cysc/tech/gd2012/202404/27/t20240427_38985345.shtml

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