騰訊科技訊（蘇揚）" 預測未來最好的方式，就是把它發明出來。"
4 月 20 日，資深芯片研究專家，《芯片簡史》作者汪波教授在湛廬 2024 世界讀書日活動上這樣總結芯片誕生對人類發展的巨大影響力。
* 汪波教授現場演講中分享芯片的蝶變
" 從一頭亞洲象，變成一隻小螞蟻 "
汪波說，芯片的基礎結構爲晶體管，其基本功能就是作爲開關實現 0 和 1，以及作爲信号放大器，" 有了晶體管，才有了我們信息時代的計算機、互聯網、無線通信等。"
1971 年，人類發明了第一顆 10μm 工藝的 CPU 芯片 Intel 4004，總共 2250 顆晶體管，到 2024 年英偉達發布 B200 GPU 芯片，芯片上的晶體管數量已經突破 2080 億顆。這意味着，過去 50 年左右的時間，芯片上的晶體管數量增加了 1 億倍。
* 芯片上的晶體管按年代不斷微縮，外層最大的圓圈對應 1971 年（實際爲 1972 年）10μm 工藝的 Intel 8008。
" 如果一個 10μm 的芯片大小是一頭長 6 米的亞洲象，那麽今天的晶體管就隻有一隻螞蟻那麽大 "，汪波這樣對比晶體管尺寸的變化，而晶體管數量的暴增，得益于微縮技術的不斷進步。
" 有了更小的晶體管之後，就有了 PC 機，有了第一台筆記本電腦，第一個 iPod，第一台 iPhone。" 汪波說。
芯片爲 AI 注入算力
過去幾年，芯片成爲科技産業最關注的話題之一，其中既源于美國對先進芯片的出口管制，也與新冠疫情沖擊全球供應鏈導緻缺芯慌有關，更重要的催化劑則是以 ChatGPT 爲代表的生成式人工智能與大模型的爆發。
汪波介紹稱，" 有了非常強大的 GPU 芯片的加持，我們就可以做出更加超越想象的東西，比方說人形機器人，它可以理解人的話語，甚至能夠通過理解物理世界來做出正确的反應。"
*ChatGPT 用戶增長與英偉達股價走勢呈現正相關
爲了強調芯片對人工智能的驅動力，汪波展示了 ChatGPT 用戶增長情況與英偉達股價走勢圖。
" 這兩條曲線都是向上增加的一個趨勢，換句話說存在正相關性，那爲什麽英偉達這家公司的股票會跟 ChatGPT 的曲線相關？因爲這家公司做的是 GPU，就是用于構建人工智能的一款處理器 "，汪波說。
芯片面前的 " 三座大山 "
1965 年，英特爾創始人戈登 · 摩爾提出了著名的 " 摩爾定律 "，預言半導體芯片上集成的晶體管和電阻數量将每年增加一倍。10 年後的 1975 年，戈登 · 摩爾對 " 摩爾定律 " 進行修正，把 " 每年增加一倍 " 改爲 " 每兩年增加一倍 "。
過去近 60 年，芯片上晶體管的微縮基本圍繞摩爾定律在往前推進，但近年來芯片的工藝節點和晶體管數量增速大幅放緩，由此業界也在讨論 " 摩爾定律 " 失效的話題。
對于芯片産業發展所面臨的問題，在汪波看來，可以總結爲 " 三堵牆 "。
" 一堵牆叫做内存牆，當 CPU 存儲數據時，要翻過一堵高牆，速度非常慢；第二堵牆叫做功耗牆，現在芯片上的熱密度甚至超過火箭噴射口的熱密度，如果再繼續下去，芯片就會被自己産生的熱量燒毀。第三堵牆是頻率牆，CPU 的頻率已經有幾十年沒有再繼續增加了。"
内存、功耗和頻率 " 三堵牆 " 給現代芯片制造工藝提出了巨大的挑戰，尤其是芯片工藝不斷向下突破，需要光源波長更短的光刻機，而且即便人類制造出如此小的晶體管，由于 " 隧穿效應 " 導緻電子從晶體管中逃逸出來，也不能保證其能正常工作。
汪波認爲，解決這些問題，需要超常規的思路，他說，" 回顧芯片的曆史，它就是一部創新的曆史，同時也是一部叛逆的曆史，因爲當初很多的想法都是被傳統的勢力打壓，然後他們突破了這些打壓才走到了今天。"
以下爲汪波老師演講實錄：
從圖書的視角看芯片
我們都知道一本書是由很多書頁來組成的，每一個書頁上面又有很多的文字。類似的，一顆芯片是由一大張矽晶圓組成的，大概有比薩那麽大。那把它加工好之後，我們把它切成很多很多的小方塊，就是每一顆的芯片，類似這個樣子，那芯片還不是最終的構成單位，比它更小的一個單元叫做晶體管。
芯片上有很多晶體管，那晶體管有什麽功能呢？隻有兩個最基本的功能，一個是作爲開關，來實現 0 和 1，或者是作爲信号放大器，就像我們有一個麥克風一樣，把這個信号來放大，就可以用于通信。有了晶體管，才有了我們信息時代的計算機、互聯網、無線通信等。
芯片和書籍的相似之處在于，它們都是首先把一個想法變成了一個版式或者版圖，或者我們書籍的排版，然後接下來用光照的方式，把它 " 印刷 " 到這個介質上。光刻機制造其實是一種化學印刷，那這種介質矽晶圓就像紙張。
除了這些之外，芯片和書籍其實還有一些相似點，大家可以打開一下腦洞去想象一下，比方說字符。我們可以縮小它的字号，那晶體管也是類似的，我們可以逐漸縮小它的尺寸。字的字體可以改變，晶體管的樣式也可以改變，讓它速度更快，或者讓它功耗更低，等等。那除此之外還有很多很多，這裏簡單的把它列出來，大家可以看一下。
那我相信在現場有很多聽衆，比如說出版人員，對這些詞會非常熟悉：校對、行距。印刷就相當于我們芯片制造中的光刻，最後的步驟是把它封裝起來，就像把書裝訂起來。
晶體管尺寸縮小之後
我們剛才提到，晶體管會越來越小，那逐漸變小之後有什麽變化嗎？下面這張圖裏面顯示的是晶體管的尺寸，從最初的幾十微米縮減到今天的 3 納米，圖中最大的、紫色的圓代表直徑爲 10 微米，我們的一根頭發絲大概是 50 微米。然後它不斷地縮小，到 1 微米，然後 0.1 微米，然後是 0.01 微米 …… 縮減到這個圖裏面最小的那個點，就比這個 HIV 病毒的直徑還要小。換句話說，通過我們的光學顯微鏡，無論多麽先進的光學顯微鏡都看不到，因爲可見光的波長最多是 400 納米。而現在我們的芯片隻有幾十個納米。那晶體管尺寸變小之後有帶來怎樣巨大的變化呢？就在一顆芯片上可以塞進更多的晶體管，就像一個書頁上可以塞進更多的文字一樣。
舉一個具體的例子，在這張圖的一個左下角，是 1971 年發明的第一顆 CPU 芯片，它上面隻有 2 250 個晶體管，那它使用的尺寸是 10 微米，也就是一萬納米。
随着時代的進步，有了更小的晶體管之後，就有了 PC 機，有了第一台筆記本電腦，第一個 iPod，第一台 iPhone。2024 年 3 月，英偉達發布了 B200 GPU 芯片，上面有 2080 億個晶體管，比 1971 年增加了 1 億倍，它的尺寸縮小到 4 納米。比一萬納米縮小了 2 000 多倍。換句話說，一個 10 微米的芯片大小是一頭長 6 米的亞洲象，那麽今天的晶體管就隻有一隻螞蟻那麽大。
芯片的發展與人工智能的發展密切相關
最近幾年，大家都知道，芯片成了大家關注的一個熱點，有很多相關的新聞事件引起了廣泛的關注，包括華爲被列入到實體名單，EUV 的光刻機沒法出口到中國，還有在疫情期間，我們的很多的汽車廠商由于缺少芯片被迫減産甚至停産等。尤其引人注目的就是 ChatGPT 的發布。2022 年底，ChatGPT 發布。
下圖左上角展示的是 ChatGPT 網站的訪問量的變化，右下角展示的是英偉達股票的一個變化曲線。對比一下就會發現，這兩條曲線都是向上增加的一個趨勢，換句話說存在正相關性，那爲什麽英偉達這家公司的股票會跟 ChatGPT 的曲線相關？因爲這家公司做的是 GPU，就是用于構建人工智能的一款處理器。
有了 ChatPGT，有了非常強大的 GPU 芯片的加持，我們就可以做出更加超越想象的東西，比方說人形機器人，它可以理解人的話語，甚至能夠通過理解物理世界來做出正确的反應，所以我們自然而然就會問一個問題，我們距離奇點是不是更近了？爲什麽芯片跟人工智能如此密切相關，簡單說來，芯片可以爲人工智能提供巨大的算力，也就是強大的計算能力。目前提供算力的主要是 GPU 芯片，它比我們傳統的 CPU 芯片的計算能力更強，因爲它投入了 90% 以上的資源用于計算，而 CPU 隻投入了 25% 的資源，而且 gpu 是并行的計算。
芯片發展簡史及芯片未來面臨的挑戰
人工智能如今這麽快速的發展，也對芯片提出了更多的、更大的要求，而芯片産業現在面臨一些更大的挑戰，具體來說就是三堵牆，一堵牆叫做内存牆，就是當 CPU 去存儲數據的時候，它要翻過一堵高牆，速度非常的慢；第二堵牆叫做功耗牆，怎麽理解，就是英偉達發布的 GPU 芯片，它用的制冷方式是水冷，而不是通過空氣對流來散熱。爲什麽需要水冷？因爲它運行中會産生很多的熱量，而熱量散發不出去，現在我們芯片上的熱密度已經達到甚至超過了火箭噴射口的熱密度，我們目前還沒有找到解決的辦法。如果再繼續下去，芯片就會被自己産生的熱量燒毀。第三堵牆是頻率牆，已經有幾十年芯片的 CPU 的頻率沒有再繼續增加了。
在芯片誕生之前，其實隻有一種非常笨重的器件叫做真空管，它是由燈泡改造而來的，大家都知道，燈泡非常大，而且表面是玻璃做的，非常脆弱。所以第一個由真空管制成的計算機體積非常龐大。那直到 1947 年，貝爾實驗室的三個科學家發明了晶體管，它的尺寸遠遠比真空管要小，而且更加可靠，因爲它沒有一個所謂的玻璃罩，它能實現剛才我說的兩個基本的功能，一個是放大信号，另外一個是作爲開關：0 和 1。
但是随着晶體管的數量越來越多，又産生了新的問題，這些晶體管在一個電路裏面要怎麽互聯起來，怎麽把它組裝起來，人們找不到解決方法。10 年之後，基爾比想到了一個主意，他想把所有的晶體管原件都集成在一個矽的基座上面，就可以讓這個體積更小，但是它還沒有解決另外一個問題，就是這些晶體管怎麽互聯起來。而另外一個工程師諾伊斯，想到了一個方法來解決元件互聯的問題，所以我們今天認爲是基爾比和諾伊斯共同發明了芯片。
芯片發明出來之後，芯片上的元件數量就不斷增加，到了 1965 年，就是 7 年之後，摩爾受邀寫一篇文章，他總結了過去幾年芯片發展的規律，發現每過一年，芯片上的元件數量就翻一倍，非常簡單的一個規律，所以他就寫成一篇文章發表出來了。這就是摩爾定律最初的一個表述，非常簡單的一個定義。一開始是 1，然後是 2、4、8、16…… 這樣逐漸翻倍。一開始的數量非常小，但這個發展的速度是指數倍的，到了 40 年、50 年之後，這個數字将變得非常龐大。芯片産業發展的腳步是一直按照摩爾定律來向前推進的。
1957 年，仙童半導體公司成立了，這是一家偉大的公司，同時也是一家管理失敗的公司，很多員工跳槽出去，在周圍創辦新的企業，從之前的公司分化出大約 400 家企業。他們所在的地點就是今天的矽谷，所以就有了我們今天這些人工智能、互聯網，也包括芯片領域這些最先進的公司。
如果我們簡單總結一下芯片的發展規律，可以用一棵樹來表達出來，最開始是基礎的學科，量子力學的發展，然後經由這個誕生了晶體管，然後又誕生了芯片，芯片又按照摩爾定律在不斷發展，其中一個典型的代表就是 CPU 或者處理器芯片，然後有了我們的計算機等。還有一個就是存儲，有了我們的 flash，另外一方面就是跟我們的通信——放大信号有關的，有了無線通信的這些芯片，此外還有各種傳感類芯片，包括我們的智能手表等上面使用的芯片。還有一個很重要就是新能源汽車上面用來驅動汽車，把電池的能量轉換成電力來驅動的，叫做功率芯片。最後一種，也是我們每天都在用的，就是光電類芯片，用于手機拍照，用于光伏發電。（我覺得大自然對人類非常的慷慨，而人類也非常幸運得到了矽這種半導體材料，這種材料分布非常廣泛，而且它居然可以有這麽多功能，可以放大信号，又可以作爲開關，甚至還能捕捉光的信号——把它變成一個一個的像素點保存下來，變成我們的照片。）最後一個就是反過來把電信号轉換成光，所以有了 LED 的照明和顯示，這些都是基于芯片技術發展起來的。
回顧芯片的曆史，它就是一部創新的曆史，同時也是一部叛逆的曆史，因爲當初很多的想法都是被傳統的勢力打壓，然後他們突破了這些打壓才走到了今天。今天我們又面臨新的挑戰，首先是芯片裏面的晶體管的尺寸已經逼近了物理的極限，我們講到 3 納米，未來還有可能 1 納米，0.5 納米，在這麽小的尺寸下，我們要非常短波長的光刻機來才能制造出來這些芯片。另外一個挑戰就是，即便我們制造出這麽小的晶體管，可能它也沒法正常工作，因爲它還受到另外一個物理極限的影響，就是隧穿效應，當晶體管非常非常小，隻有原子尺寸的時候，電子就能從晶體管中逃逸出來，就像穿透一堵牆一樣，讓晶體管失效，這樣我們保存的照片數據就會自動消失。
當然現在科學家還在盡量想各種方法來解決這些問題，包括使用新的材料，比如矽以外的材料，比方說碳基的晶體管，比如說氧化物的晶體管，模拟人腦神經元的工作原理的晶體管，等等。除了芯片領域本身的這些挑戰，我們還面臨着很多更大範圍内的挑戰，比如氣候變暖、人口的老齡化以及電力資源的短缺。我們可能會問，用手機充點電就會導緻電力資源短缺嗎？還真有可能，有一個數據是，訓練一次 AI 大模型，需要消耗 2 億度電。
有一種說法是，" 所有的 transformer 要消耗掉所有的 transformer"。第一個 transformer 指的是大模型，第二個 transformer 指的是變壓器，就是我們的電力。除了這些技術方面的挑戰之外，還有很多在技術以外的，國與國之間的這種競争，供應鏈短缺，等等。這些在過去幾年中都發生過，也是我想要寫這樣一本關于芯片的書的原因，想要給大家去講述芯片是怎麽回事，然後它是如何誕生并且改變世界的。
結束語
芯片跟書籍還有一個共同點，那就是一旦付印就沒法再去修改。我們的書籍一旦印出來就沒法修改，芯片也是，所以這就要求我們在付印之前不斷地去打磨它，修訂它，把它盡量做到完善。在這個過程中非常感謝湛廬及浙江教育社的編輯，他們非常認真地校對，核對每一個數據、每一個人名，每一個專業術語。當然也感謝行距文化的老師，在我寫作的初期跟我一起讨論寫作的方向。在這本書出版以後，很多的媒體來幫忙宣傳，比方說像騰訊新聞 " 芯事重重 " 專欄，我們對一些芯片的熱點問題展開了一些解讀，以幫助大家更好地了解目前發生的這些新聞，芯片方面的事件與我們的關聯，有利于公衆更好地理解芯片産業。
最後，回到大會的主題，奇點是不是很快就要來臨，很難去預測，但是有一句話，《芯片簡史》裏面也有提到，那就是預測未來最好的方式，就是把它發明出來。
