读芯片简史01诞生

1. 创新

1.1. 半导体行业的发展，既取决于基础理论研究发现的偶然性，也源自创新者的不懈坚持和应用需求的驱动

• 1.1.1. 历史上，大规模集成电路和CPU的科技变革让廉价的个人计算机成为现实，而个人电脑和互联网的普及又给了先进计算芯片技术应用巨大的市场

• 1.1.2. CPU、GPU、DPU、NPU、IPU等

• 1.1.3. 如今芯片中99%的晶体管都是MOS场效晶体管

1.2. 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

1.3. 重大原始创新，在刚面世时都遭到了业界的质疑和抵制，差点夭折

• 1.3.1. 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

• 1.3.2. 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

1.4. 芯片的发展史是一部创新史和叛逆史

• 1.4.1. 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

• 1.4.2. 几乎没有一项重大创新一出现就广受欢迎

• 1.4.3. 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

• 1.4.4. 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

1.5. 芯片的创新可以是在各个层次上的

• 1.5.1. 在微观结构上，新器件颠覆了旧器件

• 1.5.2. 在芯片层面上，新的芯片架构突破了原有设计的瓶颈

• 1.5.3. 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

• 1.5.4. 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

2. 从电灯泡到半导体

2.1. 19世纪后半期，留声机、电话机、交流电、石油精炼技术和轻巧的金属铝都诞生在美国这块新大陆

2.2. 爱迪生

• 2.2.1. 爱迪生为了寻找最合适的灯丝，试验了几千种材料，最后在亚洲找到了一种竹子，将其碳化后制成碳纤维并作为灯丝

  • 2.2.1.1. 灯丝在通上电流后开始发热，温度升到数千摄氏度时，炽热的灯丝就能发出明亮而持久的光芒

  • 2.2.1.2. 从此，浓稠的黑暗之夜被光明刺破了一个小点

• 2.2.2. 爱迪生发明了电灯泡不久，就碰到了他的第一个烦恼：灯泡使用过一段时间后，内表面会变黑，导致灯光暗淡

  • 2.2.2.1. 灯泡之所以会变黑，是因为在高温下的碳纤维灯丝会释放出一些碳微粒，附着在灯泡玻璃内表面，时间久了灯泡会被熏黑

• 2.2.3. 改变了铜片上的电压，这时匪夷所思的事情发生了，竟然有电流从铜片流向了灯丝，而且，只在一个方向上有电流

• 2.2.4. 专注于新发明和实际应用的爱迪生无暇顾及电灯泡里的这个“美学”现象，他习惯性地申请了一个专利，就将其忘在脑后了

2.3. 整流

• 2.3.1. 先去掉负半部分，只保留正半部分，这叫作整流，之后才能将信号中的信息提取出来

• 2.3.2. 整流需要一种单向导电的器件，它就像站在单行道上的交警，只允许车辆在一个方向上通行

• 2.3.3. 早期整流使用的是金属屑检波器，它的开合速度很慢

2.4. 约翰·弗莱明

• 2.4.1. John Fleming

• 2.4.2. 19世纪80年代约翰·弗莱明也用这种特制灯泡做了这个有趣的实验，他在铜片和灯丝之间施加了可改变正负方向的交流电，同样观察到了在灯丝和铜片之间的单向电流

• 2.4.3. 弗莱明很快仿照这种灯泡设计了一种带有圆柱形玻璃罩的真空器件，它以灯丝为阴极，以铜为阳极，所以叫作真空二极管

• 2.4.4. 由于真空二极管没有机械部分，电流纯粹靠电子的流动，因此开合速度比金属屑检波器更快

2.5. 约瑟夫·约翰·汤姆逊

• 2.5.1. Joseph John Thomson

• 2.5.2. 1897年，他在玻璃管的两端分别安装了金属电极，通电后一些带电微粒从一端的阴极电极飞向了另一端的阳极

• 2.5.3. 汤姆逊第一次劈开了阴极金属中的原子，剥离出带负电荷的电子，使它们飞出阴极，形成了一条真空中的“电子之河”​

• 2.5.4. 电子也是从能量高的地方沿着“能量斜坡”流向能量低的地方

• 2.5.5. 只是电子的流动或飞行不需要河床或者导体，它在真空中就能完成这一过程

• 2.5.6. 人类不仅首次发现了电子，还为之后真空管的发明打开了大门

2.6. 马可尼的无线电技术来自海因里希·赫兹(Heinrich Hertz)发现的无线电波，而后者又得益于詹姆斯·克拉克·麦克斯韦(James Clerk Maxwell)优雅的电磁方程组

• 2.6.1. 卡尔·费迪南德·布劳恩(Karl Ferdinand Braun)发明了阴极射线管，费森登(Fessenden)发明了无线电广播

• 2.6.2. 真空管的发明又为长途电话、收音机、电视机和计算机的发明奠定了基础

2.7. 第一次世界大战爆发后，无线电的研究大大加速

• 2.7.1. 美国发明家埃德温·霍华德·阿姆斯特朗(Edwin Howard Armstrong)在第一次世界大战期间于军中服役，他用真空三极管做出了超外差式接收机，后来还发明了调频广播(FM)

2.8. 1946年，美国宾夕法尼亚大学用真空管研制出第一台电子数字积分式计算机（简称ENIAC）​，它使用了17468多个真空管，占地170多平方米，每秒能做5000次计算

• 2.8.1. 如果在铜丝栅极上施加一个很大的负电压，就能使电流中断

• 2.8.2. 只需把开通和中断当作0和1两种状态，那么它就能表示二进制，从而帮助一台电子计算机进行计算

2.9. 真空管的应用可谓如日中天，从收音机、电视机、无线电报、音响再到电子计算机，都离不开真空管的身影

2.10. 真空管技术逼近了极限

• 2.10.1. 真空管发热严重，导致故障频发

  • 2.10.1.1. ENIAC一旦启动运行，每小时将消耗150千瓦的电，必须使用专门的电力供应。每过15分钟就会有一个真空管因过热而爆掉，维修人员往往要花很长时间才能找到它并替换掉

• 2.10.2. 真空管个头不小，无法继续“缩身”

  • 2.10.2.1. 如果一部手机按2000亿个晶体管来计算，而一个真空管有两块方糖那么大，那么这2000亿个真空管能装满14万个集装箱，需要10艘长度为400米的超大货轮才能装得下

3. AT&T

3.1. 美国电话电报公司(AT&T Inc.)，前身是电话发明人之一的亚历山大·贝尔(Alexander Bell)的电话公司

3.2. 道格拉斯·费尔(Douglas Fair)于1907年执掌美国电话电报公司后，极力说服美国政府接受全美统一电话业务，由此维持了美国电话电报公司此后70多年的垄断地位，这也让美国电话电报公司能从丰厚的利润回报中拿出大笔资金用于长远技术的研究

3.3. 设立一些中继站

• 3.3.1. 需要一种能放大信号的器件，但真空二极管只能分拣信号，而无法将其放大

3.4. 能放大信号的电子器件引起了美国电话电报公司的注意，它就是李·德福雷斯特(Lee de Forest)发明的真空三极管

• 3.4.1. 当他给铜丝栅极施加负电压时，阴极和阳极之间的电流减少了

• 3.4.2. 当他在铜丝栅极上施加一个正电压时，电流就增加了

• 3.4.3. 他在铜丝栅极上施加了一个微小的交替变化的电压，结果竟在阴极和阳极之间得到了一个变化幅度更大的交变电流：信号放大了

• 3.4.4. 德福雷斯特使真空管放大了信号，于是真空二极管变成了真空三极管，这个发明带来的荣誉伴随了他一生

3.5. 1912年，美国电话电报公司出价5万美元买下了真空三极管的专利，应用于长途电话系统

3.6. 1915年，世博会延期了一年举行，而这一年美国电话电报公司的长途线路终于从东海岸延伸到了西海岸

4. 量子之变

4.1. 1900年，为了展望新世纪的物理学，76岁的英国物理学家开尔文勋爵(Lord Kelvin)做了一次演讲

• 4.1.1. 从今以后，物理学将不再有任何新进展，剩下的工作只不过是不断地改良测量的精准度，仅此而已。​

• 4.1.2. ​“但是天边还有两朵令人不安的乌云”​，分别是以太漂移实验和黑体辐射问题

  • 4.1.2.1. “第一朵乌云”以太漂移实验关系到光速是否绝对不变、时间是否绝对公正的问题，在5年后被26岁的爱因斯坦用相对论干净利落地解决了，从此推翻了经典物理学中时间绝对标准的观念

  • 4.1.2.2. “第二朵乌云”黑体辐射问题笼罩在可怜的德国物理学家马克斯·普朗克(Max Planck)头顶上长达6年之久

4.1.2.2.1. 白炽灯的发光效率低下，致使大量电能变成热量白白地消耗掉了

4.1.2.2.2. 热量来自白炽灯发出的看不见的红外光，它占据了电灯泡发出的光的大部分，只有很小一部分能量转化为用于照明的可见光

4.1.2.2.3. 温度越高，可见光的比例越大，效率越高

4.2. 紫外灾变

• 4.2.1. 经典物理学认为能量是连续的，就像小提琴的声音或宫廷舞的舞步，其变化也是连续的

• 4.2.2. 不再将辐射当作连续的，而是分成一份一份的“量子”​

4.3. 量子化的观念很好地解释了光电效应实验

• 4.3.1. 克斯韦和赫兹证明了光是一种电磁波，这已得到了科学界的广泛承认，而现在爱因斯坦这个年轻人却把光当成了一种离散的粒子

4.4. 丹麦物理学家尼尔斯·玻尔(Niels Bohr)在1911年获得博士学位后就来到了英国剑桥大学追随汤姆逊，随后又去了曼彻斯特大学深造

• 4.4.1. 量子化的迹象，电子的轨道不是连续变化的

• 4.4.2. 玻尔学术一流，在1922年获得了诺贝尔物理学奖

4.5. 29岁的路易·德布罗意(Louis de Broglie)

• 4.5.1. 粒子也是一种波

4.6. 物理学家C. J.戴维森(C. J. Davisson)在1925年做了一个关键实验，他发现电子散射后形成了干涉条纹：电子的确是一种波

4.7. 构成世界大厦的粒子不仅是不连续的，还成了“如梦幻泡影”的波

4.8. 物质波是粒子在空间中出现可能的概率波

• 4.8.1. 粒子什么也不是，只是一个概率

4.9. 量子物理学的诡异之处：后来者永远会颠覆前人，即使这位前人在几年前还是一位“叛逆先锋”​

4.10. 德国物理学家沃纳·海森堡

• 4.10.1. Werner Heisenberg

• 4.10.2. 当我们能确定粒子的位置时，却不能确定它的速度

• 4.10.3. 当我们能确定粒子的速度时，却不能确定其位置

• 4.10.4. 不确定性原理

  • 4.10.4.1. 确定性，也被推翻了

4.11. 经典物理学的连续性、确定性相继被颠覆，只剩下一团不确定的波动

4.12. 奥地利物理学家埃尔温·薛定谔(Erwin Schrödinger)在1926年提出了一组波动方程

• 4.12.1. 有了薛定谔方程，科学家们恍然大悟，原来每种元素出现在元素周期表上的特定位置都是由这个方程决定的

• 4.12.2. 薛定谔方程能将一切物理和化学属性都解释得清清楚楚，包括物质的导电性

5. 半导体

5.1. 半导体最大的特性就是它的导电能力，远远小于导体（如铜线）​，又远远大于绝缘体（如橡胶）​

• 5.1.1. 半导体适合做高速开关，实现芯片中的0和1的逻辑运算

5.2. 得益于德国物理学家马克斯·劳厄(Max Laue)和英国物理学家布拉格父子发明的用X射线衍射研究晶体的方法，布洛赫间接窥视到晶体里漂亮规整的结构，并将其带入薛定谔方程，从而初步揭开了半导体晶体的性质

5.3. 车流量会因为车多拥堵而下降到零

• 5.3.1. 并不是电子越多就越容易导电，而是要有足够多的空位，才便于电子移动和导电

• 5.3.2. 只有一种情况能让半导体导电，那就是让堵在价带中的电子跃迁上叫作“导带”的高架桥，因为那里畅通无阻

5.4. 有了威尔逊提出的“能带理论”​，人们就能理解为什么半导体最适合做开关