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芯片簡史(芯片是如何誕生并改變世界的)

  • 定價: ¥149.9
  • ISBN:9787572254758
  • 開 本:16開 平裝
  •  
  • 折扣:
  • 出版社:浙江教育
  • 頁數:539頁
  • 作者:汪波|責編:王晨兒
  • 立即節。
  • 2023-04-01 第1版
  • 2023-04-01 第1次印刷
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導語

  

    芯片戰爭的發起及由此引發的種種商業和政治摩擦將大眾的目光聚焦到了芯片這樣一個人們缺乏了解卻又具有極端重要性的領域。
    芯片是什么,它從何時起被發明出來,又是如何一步步被廣泛應用于現代社會,成為現代社會運轉的原動力的?
    在推動芯片從實驗室走向商業市場的過程中有過哪些偉大的發明家,他們又經歷了怎樣的艱辛探索?
    在摩爾定律即將失效的當下或未來,芯片的研發又將如何超越物理條件的限制,向更高/效、更快速、更低成本的方向邁進?
    對于這些問題,《芯片簡史》給出了全面且細致的回答,這本書將是讀者了解整個芯片發展史與芯片產業的最佳選擇。

內容提要

  

    全書完整呈現了芯片發明與發展的歷程,從支撐芯片產業發展的量子力學講起,逐漸發展到半導體物理學,進而催生了半導體器件,這些器件又由簡到繁,像一顆發芽的種子,演化出了雙極型晶體管、MOS場效晶體管、光電二極管等,并由此集成構造出了模擬芯片(通信和傳感器芯片等)、數字芯片(CPU、存儲器、FPGA等)和光電芯片等。最后,本書還展示了芯片設計方法和制造方法由手工到自動的發展過程,并指出了芯片未來面對的挑戰和可能的解決路徑?梢哉f,了解芯片,有這一本書就夠了。

媒體推薦

    芯片是電子信息技術和產業的核心與基石,芯片技術已經成為現代科學技術發展的制高點。如果你想了解芯片的前世今生,汪波博士的全新力作《芯片簡史》是一本難得的好書。該書不僅梳理了芯片發展的脈絡,還深入淺出地闡釋了芯片發展歷程中那些帶有哲理且具有啟發性的精彩瞬間。
    ——張興  北京大學軟件與微電子學院前院長
    芯片是人類歷史上最偉大的發明之一,推動人類社會進入了信息時代。汪波老師憑借20多年在芯片領域的科研和教學經歷以及深厚的文學功底,寫成了這部《芯片簡史》。該書對芯片發明和發展過程中的重要歷史事件描寫得非常精彩,讀起來讓人愛不釋手。該書內容具有很強的知識性、啟發性和故事性,是一部非常優/秀的科普著作。相信無論是專業人士還是非專業讀者,都能從中獲益匪淺。
    ——張盛東  北京大學信息工程學院前執行院長
    這是一本每個數字時代的原住民都應該看的書。技術改變世界,芯片毫無疑問是ji少數改變了每個人的桂冠級產品。從物理學家研究晶體內部的電子運動,到芯片成為全球最重要的生產力工具,只用了70多年的時間。這當中技術、商業和戰略領域發生了哪些決定性的事件,芯片還將如何參與構建正在到來的元宇宙時代,相信你在這本書里都可以找到答案。
    ——葛頎  中赫集團副總裁,工體元宇宙GTVerse創始人
    這本書回顧了60多年來芯片壯闊恢宏的發展歷史,從某種意義說,也是一部人類信息文明的發展史。如果說機械的發展拓展了人類的體力勞動,那么芯片的發展則擴展了人類的腦力勞動。芯片技術是屬于整個人類文明的,也必將為人類社會的發展和文明的進步做出新的貢獻,這種發展勢頭絕/不會因為各種人為和政治的原因所停歇,必將在人類文明的智能時代繼續大放異彩。對每個人來講,我們也許會與芯片結成更緊密的關系,成為碳硅合體的新人類——這是未來的世界圖景,問題是它值得我們期待嗎?
    ——檀林  前海再?萍级麻L,海創匯首/席生態官
    芯片(半導體、微電子、集成電路)真是一種神奇的技術產物,它如此尖/端和精/密,凝聚了人類不懈的發明創新精神,又讓全世界如此廣泛的大眾可以消費最新、最酷的電子產品。芯片在全球市場中取得成功,是21世紀最重要的商品。
    ——周健工  未盡研究創辦人,《第一財經》、《福布斯》中文版前總編輯
    《芯片簡史》是一部非典型的技術發展史。它回答了一個重要的問題:科學發現和商業應用的推動力是什么?首先是質疑的精神,物理學領域過去100年間的持續顛覆是最好的例子;其次是偶然的突破,運氣是留給有準備的人的;再次是軍事投資的推動,大名鼎鼎的美國國防部高/級研究計劃局就是創新領域內的連環推手;最后是創業的動物精神,硅谷和芯片相互成就。
    ——吳晨  《經濟學人·商論》執行總編輯

作者簡介

    汪波,資深芯片研究專家。早年留學法國,獲法國里昂國立應用科學學院集成電路碩士學位和利摩日大學高頻微電子學博士學位,分別在華為公司、法國里昂納米國家實驗室和北京大學深圳研究生院從事集成電路設計的教學與科研工作,積累了二十余年經驗。
    科普作家,作品能夠打通學科邊界,兼具科學與人文內涵,讓讀者感受到思考的樂趣。已出版科普圖書《時間之問》和《時間之問·少年版》。

目錄

贊譽
推薦序 如何理解芯片 宋繼強 英特爾中國研究院院長
前言 和開拓者的靈魂一起踏上芯片之旅
第一部分 誕生
  01 不確定的世界,從電燈泡到半導體
    變黑的燈泡,真空管的發明
    絕望的行動,量子之變
    驚險的一躍,半導體的奇跡
  02 創造性失敗,晶體管誕生
    雷達在警戒,半導體研究加速
    協作的產物,巴丁和布拉頓發明點接觸晶體管
    反戈一擊,肖克利發明結型晶體管
    “我們也發明了晶體管”,發明之爭
  03 接連不斷的出走,硅在擴散
    “肖克利真是愚蠢之至”,蹣跚學步的晶體管
    熱油中的音樂播放器,硅晶體管登場
    感覺“在跟上帝通話”,落地硅谷
    八叛徒,出走“仙童”
  04 “大規模白癡”,芯片的發明
    被激怒的物理學家,霍尼發明平面晶體管
    沉默的巨人,基爾比實現單片集成
    暗戰,諾伊斯提出互連方案
    “我看不出它能走多遠”,芯片之爭與棄
第二部分 演進
  05 創新者的窘境,MOS場效晶體管
    無足輕重的發明,場效晶體管
    “我們可是佼佼者”,外延工藝
    規劃出來的失敗,貝爾的悖論
    壞點子在變好,MOS場效晶體管的上升之路
  06 一切過往皆可超越,摩爾定律
    當摩爾遇到米德,晶體管尺寸極限
    一張紙片上的推演,摩爾定律
    始料未及,摩爾定律的修正
    拯救行動,延續摩爾定律
  07 化繁為簡,計算芯片
    計算夢想,從萊布尼茨到圖靈
    精簡,霍夫提出CPU架構
    以一當十,法金設計CPU電路
    “最沒效率的方法”,弗里曼發明FPGA
  08 記憶的黏合,存儲芯片
    漏電的存儲器,登納德發明動態存儲器
    芝士蛋糕的誘惑,施敏與姜大元
    發明浮柵晶體管
    開窗的芯片,弗羅曼發明EPROM
    就像閃光燈,舛岡富士雄發明閃存
第三部分 多樣
  09 知而行之,模擬世界的芯片
    莫使金樽空對月,維德勒開創模擬芯片
    剪掉電話線,無線通信芯片
    知者行之始,彼得森與MEMES傳感器
    行者知之成,IGBT功率器件的發明之爭
  10 迅電流光,光電器件(上)
    貝爾的回擊,半導體太陽能電池的發明
    諾獎委員會搞錯了嗎,圖像傳感器芯片的發明
    群雄逐“光”,高亮度紅外LED和半導體激光器的發明
  11 點亮東西方,光電器件(下)
    標新立“異”,半導體異質結的發明
    燈火闌珊處,藍光LED的發明
第四部分 建構
  12 破除悖論,芯片設計
    5美元的賭注,SPICE電路分析仿真程序
    “玩具”設計方法,康韋與米德的VLSI設計革命
    畫不盡意,硬件描述語言的發明
    蠶食鯨吞,EDA之爭
    共贏模式,ARM處理器的IP授權之道
  13 精雕細刻,芯片制造
    水利萬物而不爭,代工逆襲
    酪乳薄餅,光刻的發明
    叫停一艘“航母”,林本堅發明浸沒式光刻
    魚鰭結構,胡正明發明FinFET
  14 全方位挑戰,不只是芯片
    逼近極限,摩爾定律之困
    應對挑戰,三條路徑
    不只是芯片,彼此依存的世界
    尾聲
后記 在我的智慧終結處啟程
附錄
  芯片群英譜
  半導體技術發展線
縮略語
索引
參考文獻
圖片來源

前言

  

    和開拓者的靈魂一起踏上芯片之旅
    “MOS場效晶體管是誰發明的?”一次,我和微電子學的研究生聚餐,在酒酣耳熱之際,我隨口問了一句。
    在我看來,這個問題對于微電子學專業的學生是基本常識,因為如今芯片中99%的晶體管都是MOS場效晶體管。普通人不了解沒關系,但在座的是微電子學專業的,應該張口即來。
    然而,這個問題一提出,餐桌上熱鬧的場面一下子安靜了下來,沒有人接話。安靜了幾秒鐘后,我把話題引向了MOS場效晶體管的歷史背景,然后又講起了它的發明過程。最后,當我講到它的發明人遭受公司打壓、不被準許發表論文、項目組被撤、最后被迫出走的不幸遭遇時,學生們面露驚訝,這跟他們想象中的情景很不一樣。
    我看學生們意猶未盡,就趁機講了幾個其他芯片發明的案例,包括中央處理器(簡稱CPU)、藍色發光二極管(簡稱藍光LED)、動態隨機存取存儲器(簡稱DRAM)等。
    最后我總結道,這些發明都有一個共同點,雖然它們屬于重大原始創新,但在剛面世時都遭到了業界的質疑和抵制,差點夭折。
    而且這些并不是個例,浮柵晶體管、異質結、絕緣柵雙極型晶體管(簡稱IGBT)、微機電系統(簡稱MEMS)、浸沒式光刻等重大發明都遭到過抵制。而如今,這些差點被拋棄的技術正在幫人們上網沖浪、存儲數碼照片、播放視頻、驅動電動汽車、撞車時得到安全氣囊的保護、檢測核酸序列、照亮黑夜……
    * * *
    為什么這些發明在一開始都不受待見呢?芯片的發展離不開持續的創新和超越,然而創新越大,對傳統的叛逆和顛覆也越大,因而遭到傳統勢力的抵制也越大。
    試舉兩個例子。仙童半導體公司是集成電路的發明公司之一,然而在1960年,公司副總裁卻對芯片項目的負責人杰·拉斯特(Jay Last)大喊:“你為什么要去搞集成電路?這個玩意兒浪費了公司整整100萬美元,卻沒有什么收益,必須裁撤掉!”貝爾實驗室是半導體技術的研究重鎮,但1963年貝爾實驗室的半導體研究部主任揚·羅斯(Ian Ross)撰文稱:集成電路沒有解決半導體產業面臨的基本問題,它“只能治標,無法治本”。
    這些芯片的首創之舉遭到冷遇乃至遺棄,它們的發明人發不了文章、資金支持被中斷、項目遭裁撤、被迫出走……他們絕不是一群詩意的科學家,而是一群失意的科學家,他們為此付出了十年甚至一生的代價。
    芯片的發展史是一部創新史和叛逆史。這也是本書想要表達的主題。創新是對主流的偏離、對現有規則的破壞,它剛開始可能非常蹩腳、很難融入主流。幾乎沒有一項重大創新一出現就廣受歡迎。雖然人們口口聲聲地說要創新,但其實人們更喜歡的是改良,它的效果立竿見影,因而大受歡迎。
    如今,芯片的重要性已經無須贅言,每個人都從近幾年發生的一系列芯片危機事件中有了切身的體會。應對芯片危機,我們需要原始創新,而唯一的方法是誠摯,實事求是地面對現實和歷史。
    * * *
    這本書為您完整地講述了芯片的發明和發展歷程,尤其是一群叛逆的人如何突破傳統、不斷創新的故事。
    芯片的歷史只有60多年,但要完整地理解芯片的來龍去脈,我們需要將時間向前回推到100多年前。在這一個多世紀里,半導體技術的創新故事不計其數,但本質只是一種創新模式的不斷展開和復現,其主題仍是叛逆。
    本書從半導體的起步之處量子力學開始講起,它演化出了半導體物理學,進而催生了半導體器件,這些器件又由簡到繁,像一顆發芽的種子,演化出了雙極型晶體管、MOS場效晶體管、光電二極管等,并由此集成構造出了模擬芯片(通信和傳感器芯片等)、數字芯片(CPU、存儲器、現場可編程門陣列A芯片等)和光電芯片等。本書最后還展示了芯片設計和制造方法由手工到自動化的發展過程,并指出了芯片未來面對的挑戰和可能的解決路徑。
    為了創新,人們需要不斷打破過往累積起來的知識和見解,并用新的知識和見解不斷地推陳出新。因此,本書不打算系統講解固有的知識,而是講述芯片如何被創造出來的鮮活過程。
    本書的讀者可以是對芯片感興趣的任何人。如果您是研發人員,您會認清半導體技術發展的脈絡,看出技術創新的模式和規律;如果您對行業發展感興趣,您會在本書中發現那些隱藏在背后的行業發展規律;如果您單純對歷史感興趣,您可以了解到芯片在社會歷史發展中所起到的作用。
    芯片的創新可以是在各個層次上的。例如,在微觀結構上,新器件顛覆了舊器件;在芯片層面上,新的芯片架構突破了原有設計的瓶頸;在商業模式上,知識產權授權模式讓芯片設計更靈活,使得自研芯片成為可能;在半導體行業的組織形式上,芯片代工廠的出現打破了垂直整合制造模式,催生出了蘋果、高通和華為海思等無廠芯片公司。本書展現出了這種多層次的創新態勢。
    本書各章大體上按照芯片發展的時間進程展開,同時也按照芯片的不同功能來獨立排布。你既可以從頭讀起,也可以直接翻到感興趣的任意一部分。
    本文開頭所說的那次聚餐聊天,我并沒有責怪我的學生不記得這些發明人。
    實際上,這些發明人的名字被歷史有意無意地忽略了,而現今的歷史需要對他們做出相應的補償。如果我們能從歷史塵埃中重新體會到他們的精神核心:不盲從、不畏懼,從否定中汲取力量,那么我們就始終和這些開拓者的靈魂在一起。
    聚餐結束后,有個學生說聊得很開心。但那天講的其實只是一小部分,而現在你正在閱讀的則是完整的故事。
    接下來,讓我們一起踏上這段芯片之旅吧。

后記

  

    在我的智慧終結處啟程
    2020年6月9日下午3點多,我坐在電腦前,突然間一個想法擊中了我的內心。那一刻是一個起點,兩年后有了這部書稿。
    “芯片簡史”是個宏大的題目,也是個巨大的挑戰。如果沒有那一刻的激情,單憑理性,我是不可能說服自己將如此龐雜的芯片發展史寫出來的。但反過來,如果僅有那一刻的激情,我寫出來的也將只是皮毛。
    在隨后的兩年時間里,我逐漸將當時的激情轉換成一種理性,將其建立在數百篇文獻以及對過去百年芯片發展史的思考之上。
    書稿寫就,回顧當初,我才恍然明白2020年6月那一刻產生想法背后的原因。就在產生想法的一個月前,華為遭遇芯片徹底斷供,這件事在我心里催生了一個愿望,希望能向公眾更好地介紹芯片。
    那個夏天,我開始著手收集資料,起點是我講過的一門課的緒論,介紹了微電子的發展歷程,當然這只是起始的一小步。
    10月份,我寫出了一章。16日下午,我收到行距文化的黃一琨先生發來的信息:“汪老師,作品寫得引人入勝。我讀這樣的作品,竟然非常享受。您辛苦了,真的很用心!逼鋵,我那時只給他發了一份有22頁的簡陋樣章,收到這樣的評價,深感意外。
    三天后的中午,我收到了行距文化的劉詩瑤女士發來的消息,她說跟黃老師溝通了,建議我“按照科技史的思路來寫,讓讀者了解為什么會出現這樣一門學科、科學家為什么會這樣思考,講芯片這個領域的來龍去脈”。如果沒有這個建議,我難以想象這本書會是現在這個樣子。 每寫好一章,我就發給劉詩瑤女士,內心忐忑。當時一些出版機構對初稿的反饋并不樂觀,但我總能收到她熱情洋溢的鼓勵、毫無保留的打氣,以及她從我那平凡的文字中找到的一處處微弱的閃光點。 寫作過程中,行距文化的毛曉秋老師給我分享了她對非虛構寫作的理解,讓我找到了合適的敘事方法,為我的寫作提供了持續的源泉。后續,她又對初稿提出了詳細的修訂意見。 * * * 隨著寫作的推進,我越來越感受到自己的無知。我發現自己處于一片處女地中,大部分發明人都從未得到過關注,不僅公眾不了解他們,甚至連業界也不知曉。這讓我變得誠惶誠恐,我既不是歷史學家,也不是科學史專家,能寫好這本書嗎?真是無知者無畏。 改變是在不知不覺中發生的。當我沉浸在歷史之中,跟那些遭到拒絕或抵制的發明人待在一起時,我全然忘記了自己是怎么被“引誘”上寫作的道路的。我在時間長河里與這些發明人相遇,得以近距離觀察他們,窺得一二真容。我沉浸在他們的生命當中,與他們共同經歷。他們或是被拒絕發表文章,或是孤寂地去世,或是被褒獎和追憶。我時而為他們的遭遇而唏噓垂淚,為他們被人誤解而感到悲傷;時而為他們的經歷而好奇心萌發,為他們的發明感到喜悅,欣欣然而忘己。 閱讀他們的故事,我也好像與他們共同經歷了一生中最精彩的數年,可謂不虛此行。他們是世界上最不按直覺思考的一類人,也是最不擅長表露情感的一類人,能夠走進他們的內心,我深感榮幸。在寫作過程中,我尋找過,感受過,記錄過,如此甚好。 集成電路的發明人之一基爾比曾說,他并沒有建造出一座“大水壩”,只是構想出了建造“水壩”的方法。另外一位發明人諾伊斯說,他并沒有獨自提出關于集成電路的想法,只不過是把已有的想法整合起來了而已。光刻技術的發明人之一萊思羅普說,他認為他采用的光刻技術不是一項發明,而只是一種應用。 我想象不出還有誰比他們更謙遜。我不準備將這些先驅塑造成神一樣的人物,他們只是更好奇、更獨立而已。除其中極少數天資聰穎的人外,他們的成功大都來自不懈追求、與人合作以及包容的環境。 我希望向讀者展示這些開創者在當時的社會和技術背景下、在個人的具體境遇下是如何抉擇以及行動,如何質疑和背叛傳統的,同時傳達出他們的科學精神和態度。 我希望能在芯片領域和大眾之間架起一座橋梁,因此在寫作時我做了以下努力: 一是高度還原歷史中的創新過程,展現曾經盛行的觀念和技術,以及新的技術是如何萌芽并與舊的傳統斗爭和最終突破的。 二是突出作為創新者的個體,他們是大潮來臨前的一朵朵浪花、圈圈漣漪。本書將歷史的聚光燈打在實驗臺前的科學家和工程師身上,展現了他們內心的渴望、追求、困頓、嫉妒和欣喜,他們也是有故事的人。 三是將發明面世那一剎那的火花清晰地呈現出來。在本書中,知識的“劑量”被壓縮,但我希望這個最小知識集合能激起你智識上的興趣,它的驚險程度不遜于一部小說。作為“偵探故事”中的必要“物證”,本書展現了新知被創造出來的過程。 盡管書稿經反復考證、校訂,但芯片涉及領域眾多且個人識見膚淺,書中定有尚未消除的錯誤和瑕疵,還望賜教指正。您可以發送郵件到wangbo.i@qq.com或者在公眾號“偶遇科學”上留言,訂正信息將會在公眾號和www.wangbo66.com上更新。 我在寫作中也有很多收獲。這兩年的大部分時間里,我都沉浸在一種波長極廣、以年為周期的心流狀態中,有內心的寧靜,也有奮筆的艱辛。日復一日,唯求自慊。當然,這些都離不開所有幫助和鼓勵我的人。 * * * 感謝行距文化的黃一琨、劉詩瑤、毛曉秋和劉慶余等諸位老師,他們為了這部書稿費盡了心思,做了各種嘗試,尤其是克服了疫情期間居家隔離的種種困難,無以為謝。感謝湛廬文化和出版社的編輯團隊。同樣特別感謝楊運洋先生在寫作初期提出的改進建議。 承蒙多位業內人士審閱了部分書稿,他們是(以姓氏筆畫為序):牛剛(西安交通大學)、鄧雨春(概倫電子)、劉美華(北京大學)、張立寧(北京大學)、張興(北京大學)、張昭宇[香港中文大學(深圳)]、張敏(北京大學)、陳春章(鵬程實驗室)、林信南(北京大學)、金玉豐(北京大學)、金鵬(北京大學)、周航(北京大學)、趙曉錦(深圳大學)、郭建平(中山大學)、唐仙(清華大學)、焦海龍(北京大學)、魯文高(北京大學)和潘權(南方科技大學)。誠摯感謝他們在與作者討論過程中給出的專業意見和鼓勵。感謝所有上過我的課的學生,從他們的眼神中我讀到了內心的光和未來的希望。 感恩父母對我的理解,他們支持著我自求學至今一路走過來。無論是品性的養成還是專業道路的選擇,他們的影響如空氣般難以察覺卻無處不在,無形中滋養著這部作品。感謝我的妻子,感謝她的理解和寬容。2021年9月24日晚,她跟我視頻通話時說:“現在我明白了你寫作背后的原因,那不是為了追求別人眼中的成功,而是為了實現自身獨特的價值!蔽液苄牢克苋绱松钊氲乩斫馕,令我心無旁騖地投入寫作。 感謝我的女兒觸發了我的靈感。寫完初稿后的一個寒夜,我呆坐在床邊,想著臃腫的章節、晦澀的技術內容,為接下來的修改而“頭大”。不知何時,女兒坐到了我身邊,親了一下我的臉頰,然后靠著我靜靜坐著。內心涌動著暖流的我問自己,雖然我把基因傳給了女兒,但我能把書稿內容傳給她嗎?不能。而女兒卻把愛和溫暖神奇般地傳給了我。一剎那,我心頭一亮,想到了修改的方法。 最后,我還要感謝我目前居住的深圳市,這里開放包容的氛圍、對創新的鼓勵、對閱讀的重視,也在悄然影響著這部作品的風格。 普魯斯特曾說:“在作者智慧結束的地方,正是我們智慧的開始之處!毕M緯艹蔀槟阏J識和思考芯片的起點。

 
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