數字時代，我們(men) 所有人的生活都離不開芯片。我們(men) 的電腦、手機，乃至出行的汽車上，都裝有大量芯片。隻要有一個(ge) 芯片無法正常工作，都會(hui) 影響到我們(men) 的生活，輕則手機失靈，重則汽車失控……

在享受芯片便利的同時，我們(men) 有沒有想過芯片為(wei) 什麽(me) 對數字時代如此重要？它的開發和製造又為(wei) 什麽(me) 這麽(me) 困難？這還要從(cong) 芯片的曆史說起。

從(cong) 真空管到晶體(ti) 管

“上古結繩而治”。自人類文明誕生以來，計算便成了我們(men) 生活不可分離的一部分。小到一個(ge) 家庭的收支平衡，大到一個(ge) 國家的經濟走向，這些決(jue) 定家庭或是國家命運的數字，無不需要計算才能得出。人們(men) 為(wei) 此開發出了不少計算工具，如上下撥動珠子的算盤，或是可以按下按鈕的計算器，來獲得想要的結果。

隨著我們(men) 對計算需求的不斷增加，基於(yu) 人力的計算方式很快就遭遇了瓶頸。戰爭(zheng) 催生了早期電腦的誕生：圖靈依賴電動機械原理開發的計算機，破解了德國的恩尼格瑪密碼；而為(wei) 了破解德國的洛倫(lun) 茲(zi) 密碼，英國又開發了“巨人計算機”（Colossus computer），這也被認為(wei) 是世界上第一台可以編程的數字計算機。這些機器可以輕易完成僅(jin) 靠人類難以做到，甚至不可能實現的計算。

巨人計算機的運作核心是“真空管”，它們(men) 看起來就像是一個(ge) 碩大的燈泡，裏頭裝有一些金屬絲(si) 。通上電後，這些金屬絲(si) 無外乎兩(liang) 種命運：有電，或是沒電，這對應了二進製中的 1 和 0。利用這兩(liang) 個(ge) 數字，理論上可以進行任何計算。我們(men) 如今的網絡虛擬世界，也可以近似理解為(wei) 誕生於(yu) 無數個(ge) 1 和 0 之上。

基於(yu) 真空管的計算機功能雖然強大，卻也有著自身的多個(ge) 局限。一方麵，真空管體(ti) 積太大了。賓夕法尼亞(ya) 大學製造的 ENIAC 機有超過 1.7 萬(wan) 根真空管，占地龐大，耗電量也相當恐怖；另一方麵，這些海量數字的真空管，也帶來了各種隱患。據統計，平均每 2 天，這台機器就會(hui) 發生真空管故障，每次排查至少需要 15 分鍾。為(wei) 了穩定地產(chan) 出各種 1 和 0，人們(men) 開始尋找真空管的替代品。

知名的貝爾實驗室做出了突破，而他們(men) 的選擇是半導體(ti) ——這種材料的導電性基於(yu) 導體(ti) （能讓電流自由通過，如銅製的電線），以及絕緣體(ti) （完全不導電，如玻璃）之間。在特定的條件下，它的導電特性可以發生變化。比如我們(men) 都聽說過的“矽”（Si），它本身並不導電，但隻要加入某些其他材料，就可以具有導電性。“半”導體(ti) 的名字，正是由此而來。

貝爾實驗室的威廉·肖克利（William Shockley）先提出了一個(ge) 理論，認為(wei) 在半導體(ti) 材料附近加上電場，可以改變它們(men) 的導電性，然而他卻無法用實驗來證實自己的理論。

受到該理論啟發，他的兩(liang) 名同事約翰·巴丁（John Bardeen）與(yu) 沃爾特·布拉頓（Walter Brattain）兩(liang) 年後製造出了一種叫做“晶體(ti) 管”的半導體(ti) 器件。不甘被超越的肖克利則在一年後開發出了一種更新的晶體(ti) 管。又過了十年，他們(men) 三人因為(wei) 在晶體(ti) 管領域的貢獻，獲得了諾貝爾物理學獎。而隨著晶體(ti) 管領域的不斷擴大，迎來更多的新成員，它們(men) 也成為(wei) 了數字時代的基石。

芯片和矽穀的誕生

隨著晶體(ti) 管逐漸替代真空管，它們(men) 的局限也在實際應用中暴露了出來。其中最主要的一個(ge) 問題是如何在成千上萬(wan) 個(ge) 晶體(ti) 管中布線，組成可用的電路。

為(wei) 了讓晶體(ti) 管實現複雜的功能，電路中除了晶體(ti) 管外，還需要電阻、電容、電感等元件，再進行焊接和電路連接。這些元件本身尺寸就沒有一個(ge) 標準，製作電路的工作量巨大，而且極易出錯。當時的一個(ge) 解決(jue) 思路是規定每個(ge) 電子元件的大小和形狀，用模塊化的手段重新定義(yi) 電路的設計。

德州儀(yi) 器公司的傑克·基爾比（Jack Kilby）對這個(ge) 計劃並不感冒，認為(wei) 它解決(jue) 不了根本上的問題——再怎麽(me) 規定，尺寸也小不了。最終造出來的模塊化電路依舊龐大，無法應用到體(ti) 積較小的設備中。他的方案將一切都進行集成，把所有的晶體(ti) 管、電阻以及電容都放在一塊半導體(ti) 材料上，省去了大量的後續製造時間，也減少了犯錯的可能。

1958 年，他用“鍺”（Ge）做出了一個(ge) 原型，裏頭包含一個(ge) 晶體(ti) 管、三個(ge) 電阻以及一個(ge) 電容，在用導線連接後，能產(chan) 生正弦波。這種嶄新的電路被稱為(wei) “集成電路”，後來也有了個(ge) 大家更為(wei) 熟知的簡稱——芯片。基爾比本人在 2000 年斬獲諾貝爾物理學獎，表彰他的發明。

差不多同一個(ge) 時期，八名工程師同時向肖克利提出辭職，繼而一起創業(ye) ，建立了仙童公司（Fairchild Semiconductor）。這八個(ge) 辭職者，就是半導體(ti) 曆史上大名鼎鼎的“八叛逆”。羅伯特·諾伊斯（Robert Noyce）是這八名叛逆者中的領袖，也想到在一塊半導體(ti) 材料上生產(chan) 多個(ge) 元件，製造集成電路。與(yu) 基爾比的方法不同，他的設計將導線與(yu) 各個(ge) 元件都整合到一塊。這種一體(ti) 化的設計在生產(chan) 製造上有著更大的優(you) 勢，唯一的問題是成本——諾伊斯的集成電路雖然優(you) 勢明顯，成本卻是原來的 50 倍。

正如幾十年前的戰火催生出了計算機的雛形，冷戰也為(wei) 諾伊斯的芯片帶來了意外的商機。隨著前蘇聯發射第一顆人造衛星，並首次將人類送上太空，感受到危機的美國啟動了全麵追趕計劃。他們(men) 決(jue) 定把人送上月球作為(wei) 最終反擊，然而這一工作需要巨大的計算量（控製火箭、操縱登陸倉(cang) 、計算最佳時間窗口等），美國太空總署（NASA）則把命運賭在了諾伊斯的芯片上：這種集成電路體(ti) 積更小，耗電量也更低。為(wei) 了把人送上月球，每一克重量，每一瓦能源都要斤斤計較。對於(yu) 這種極限項目，它無疑是更好的選擇。

在人類登月項目上，芯片向全世界展示了自己的潛力——諾伊斯說在阿波羅項目的電腦裏，它的芯片運行了 1900 萬(wan) 個(ge) 小時，隻出現了 2 次故障，其中 1 次還是外部因素造成的。

此外，登月行動也證實芯片能在外太空這個(ge) 極端惡劣的環境下正常運作。仙童崛起後，來自這家公司的員工也在當地開枝散葉，建立了英特爾、AMD 等公司，這塊半導體(ti) 公司密布的地區，後來也有了一個(ge) 更響亮的名字——矽穀。

光刻技術

集成電路的尺寸比由零散的晶體(ti) 管元件組成的電路要小許多，往往需要用到顯微鏡才能看清裏頭的結構，檢查質量。德州儀(yi) 器公司的傑伊·拉斯洛普（Jay Lathrop）在一次觀察中突發奇想，顯微鏡從(cong) 上往下看可以把東(dong) 西放大，那麽(me) 從(cong) 下往上看，是不是就能把東(dong) 西給變小呢？

這可不是為(wei) 了好玩。當時集成電路的尺寸已經接近手工製造的極限，很難再取得新的突破。而如果能把設計好的電路圖“縮印”到半導體(ti) 材料上，就有可能通過自動化的技術進行製造，實現量產(chan) 。

拉斯洛普很快就檢驗了他的想法。首先他從(cong) 柯達公司買(mai) 到了一種叫做光阻劑的化學物質，將它塗在半導體(ti) 材料上。然後他按設想把顯微鏡顛倒了過來，並在鏡頭上蓋上了一塊板，隻留下一個(ge) 小圖案。

最後，他讓光線穿過鏡頭，照到了顯微鏡另一端的光阻劑上。在光線的作用下，光阻劑發生化學反應，慢慢溶解消失，露出了下方的矽材料。而露出的材料形狀，和他最初設計的圖案如出一轍，隻是縮小了成百上千倍。在暴露出的凹槽上，製造人員可以添加新的材料，連接起電路，再洗去多餘(yu) 的光阻劑。這一套流程就是製造芯片的光刻技術。

德州儀(yi) 器公司隨後進一步完善了這套流程，使每個(ge) 環節都能有標準進行參考，這也讓集成電路迎來了標準化的量產(chan) 時代。而隨著芯片變得越來越複雜，製作一塊集成電路，至少需要重複這個(ge) 過程幾十次。

仙童也緊隨其後，開發起了自己的光刻生產(chan) 技術。諾伊斯之外，建立這家公司的其他七名創始人同樣並非等閑之輩。其中高登·摩爾（Gordon Moore）更是其中的佼佼者。

1965年，他對集成電路的未來進行了預測，認為(wei) 隨著光刻等生產(chan) 技術不斷更新，芯片中的元件數量每年都會(hui) 翻倍。長遠來看，芯片的算力將指數級增長，成本也會(hui) 明顯下降。這帶來的一個(ge) 顯而易見的後果，就是芯片會(hui) 大量走入尋常百姓家，徹底改變這個(ge) 世界。摩爾的這個(ge) 預測後來被叫做“摩爾定律”，為(wei) 全世界所知。

摩爾定律成立的前提，是製造工藝的不斷發展革新。早期一些公司開發的光刻技術近乎完美，簡直就像把光線一筆一筆勾勒在光阻劑，刻出隻有一微米寬度的線路。而且這種技術還可以一次性刻出多個(ge) 芯片，大大提升了芯片的產(chan) 能。然而在不斷提升的芯片製造精度需求下，微米級的光刻機已經難以滿足產(chan) 業(ye) 的需求，納米級的光刻機成為(wei) 了新的寵兒(er) 。

但研發這種光刻機並不容易——如何在越來越小的迷你空間裏進行光刻，成了阻礙光刻技術發展的瓶頸。

極紫外光光刻技術

1992 年，摩爾定律眼看就要失效——如果想要維持這一定律，芯片電路需要做得更加小巧。無論是使用的光源，還是光照過的鏡頭，都有著全新的要求。

拉斯洛普最初開發光刻技術之時，使用的是最為(wei) 簡單不過的可見光。這些光的波長在幾百納米左右，最終在芯片上印出的極限尺寸也是幾百納米。而如果需要在芯片上印出尺寸更小的元件（比如隻有幾十納米），那需要的光源也要超越可見光的極限，邁入紫外光的領域。

一些公司開發過使用深紫外光（DUV）的製造設備，使用的波長不到 200 納米。但從(cong) 長遠看，極紫外光（EUV）才是人們(men) 想到達的領域——波長越短，能刻在芯片上的細節就越多。最終，人們(men) 的目標定在了波長為(wei) 13.5 納米的極紫外光上，而荷蘭(lan) 的 ASML 成為(wei) 了世界上唯一的 EUV 機器生產(chan) 商。

EUV 技術開發了足足將近 20 年。為(wei) 了製造可以運行的EUV機器，ASML 需要在全球尋找最先進的零件來滿足它的需求。作為(wei) 光刻機，首先需要的就是光源：為(wei) 了產(chan) 生 EUV，人們(men) 需要發射一個(ge) 直徑僅(jin) 有幾十微米的錫滴，讓它以時速 300 多公裏的速度穿越真空，同時用激光精準地打到它——不是一次，而是兩(liang) 次。

第一次是進行加熱，第二次是用 50 萬(wan) 度的高溫把它轟成等離子體(ti) ，這個(ge) 溫度是太陽表麵溫度的好幾倍。這樣的過程，每秒要重複 5 萬(wan) 次，才能產(chan) 生足夠多的 EUV。可以想象，這樣的高精尖技術，需要多少先進的元件。

實際操作比上述的描述更為(wei) 複雜。比如為(wei) 了消除激光照射過程中產(chan) 生的大量熱量，需要用風扇進行通風，旋轉速度需要達到每秒 1000 次。這一速度已經超過了物理軸承的極限，因此需要用磁鐵把風扇懸停在空中進行旋轉。

此外，激光發射器對其中的氣體(ti) 密度有著嚴(yan) 格要求，還要避免激光照在錫滴上後產(chan) 生反光，影響儀(yi) 器。光是開發發射激光的機器，就耗費了 10 多年的研發時間，每台發射器需要超過 45 萬(wan) 個(ge) 元件。

轟擊錫滴後產(chan) 生的 EUV 來之不易，研究人員還需要學會(hui) 怎麽(me) 收集這些光線，導向芯片。EUV 的波長實在太短，很容易就被周圍的材料吸收，而不是反射出去。最終蔡司（Carl Zeiss）公司開發出了一種極為(wei) 光滑的鏡子，可以反射EUV。

這麵鏡子的光滑程度超出想象——用官方話語來說，如果把這麵鏡子放大到整個(ge) 德國這麽(me) 大，鏡子不規則的地方最大也隻有 0.1 毫米。該公司也信心十足地相信，他們(men) 的鏡子可以導引激光，準確地擊中位於(yu) 月球上的高爾夫球。

這麽(me) 一套繁複的設備，需要的不僅(jin) 是科學技術，還需要供應鏈的完整管理。ASML 本身隻生產(chan) 其 EUV 機器的 15% 的元件，其餘(yu) 來自全球各地的合作夥(huo) 伴。當然，他們(men) 也會(hui) 認真監控這些采購的產(chan) 品，如有必要甚至會(hui) 買(mai) 下這些公司，自己親(qin) 力管理。這樣一台機器，是不同國家的技術結晶。

第一台 EUV 機的原型在 2006 年誕生。2010 年，第一台商用 EUV 機發貨。而在未來幾年，ASML 預計將推出新一代的 EUV 機，每台造價(jia) 3 億(yi) 美元。

芯片的應用

在先進的製造工藝下，多種芯片誕生了。有人總結在 21 世紀，芯片可以分為(wei) 三大類別。

第一種是邏輯芯片，用作我們(men) 電腦、手機，或者是網絡服務器中的處理器；

第二類是記憶芯片，經典例子包括英特爾（Intel）公司開發的 DRAM 芯片——在這款產(chan) 品推出前，資料的儲(chu) 存依賴於(yu) 磁芯：磁化的元件代表 1，未磁化的元件代表 0。而英特爾的做法是把晶體(ti) 管和電容器組合起來，充電代表 1，不充電代表 0。和磁芯相比，新的儲(chu) 存工具原理接近，但一切都整合在芯片中，所以體(ti) 積更小，出錯率也更低。此類芯片能為(wei) 電腦提供運行時的短期和長期記憶；

第三類芯片則被叫做“模擬芯片”，處理模擬信號。

在這些芯片中，邏輯芯片可能更為(wei) 人所熟知。盡管英特爾公司開發出了最早的 DRAM 記憶芯片，但它卻在和日本公司的競爭(zheng) 中節節敗退。1980 年，英特爾與(yu) IBM 達成一項合作，為(wei) 個(ge) 人電腦製造中央處理器，即 CPU。

隨著 IBM 第一台個(ge) 人電腦的問世，搭建在這台電腦中的英特爾的處理器成為(wei) 了產(chan) 業(ye) 的“標配”，就好像微軟的 Windows 係統成了大眾(zhong) 更為(wei) 熟悉的操作係統一樣。這場豪賭也讓英特爾從(cong) DRAM 領域徹底抽身，重新崛起。

CPU 的開發並不是一蹴而就。其實早在 1971 年，英特爾就造出了第一個(ge) 微處理器（和 CPU 相比，隻能處理單個(ge) 特定的任務），整套設計流程的開發用了足足半年。當時這個(ge) 微處理器隻有上千個(ge) 元件，使用的設計工具隻有彩色鉛筆和直尺，落後得像是中世紀的工匠。琳·康維（Lynn Conway）開發了一種程序，解決(jue) 了芯片的自動化設計問題。利用這種程序，從(cong) 來沒設計過芯片的學生，都可以在短短時間裏學會(hui) 怎麽(me) 設計具有功能的芯片。

上世紀八十年代末，英特爾開發出了 486 處理器，能在一塊微小的矽芯片上放上 120 萬(wan) 個(ge) 微型元件，生成各種 0 和 1。到了 2010 年，最先進的微處理器芯片已經能承載 10 億(yi) 個(ge) 晶體(ti) 管。這種芯片的開發，離不開少數幾家寡頭公司開發的設計軟件。

另一種邏輯芯片——圖形處理器（GPU，俗稱顯卡）在近年也愈發受人關(guan) 注。在這一領域，英偉(wei) 達（Nvidia）是重要玩家。在建立初期，該公司就相信 3D 圖像是未來的發展方向，因此設計了能處理 3D 圖形的 GPU，並開發了一套相應的軟件，告訴芯片應該如何工作。和英特爾的中央處理器“依次計算”的模式不同，GPU 的優(you) 勢在於(yu) 能同時進行大量的簡單運算。

誰也沒有想到，在人工智能時代，GPU 有了全新的使命。為(wei) 了訓練人工智能模型，科學家們(men) 需要用數據不斷優(you) 化算法，讓模型經過訓練完成人類布置的任務，比如辨識貓狗，下圍棋，或者和人類對話。此時，為(wei) 了同一時間進行多次運算“並行處理”數據而開發出來的 GPU 有著得天獨厚的優(you) 勢，它也在人工智能時代煥發出了全新的生命。

而芯片的另一個(ge) 重要應用是通信。厄文·雅各布（Irwin Jacobs）看到芯片能處理一些複雜的算法，來編碼海量信息，就和朋友們(men) 創立了高通公司（Qualcomm），進軍(jun) 通信領域。我們(men) 知道最早的移動電話又叫大哥大，像一塊黑色的磚頭。

隨後，通信技術得到了飛速發展——2G 技術可以傳(chuan) 輸圖文，3G 技術可以打開網站，4G 足以流暢觀看視頻，而 5G 則能提供更大的飛躍。這裏的每一個(ge) G，代表的都是“代”。可以看到，每一代無線技術，都讓我們(men) 通過無線電波傳(chuan) 遞的信息呈指數上升。如今我們(men) 手機上看視頻，稍稍有些卡頓就感到不耐煩。殊不知 10 多年前，我們(men) 還隻能傳(chuan) 文字短信。

高通參與(yu) 了之後 2G 到後麵其他手機技術的開發。利用依照摩爾定律不斷進化的芯片，高通能通過無限的頻譜，將更多的手機通話放到無垠的空間中。而為(wei) 了升級 5G 網絡，不僅(jin) 需要在手機裏放入新的芯片，也需要在基站中安裝新的硬件。這些硬件和芯片憑借更強大的算力，能用無線的方法更快地傳(chuan) 輸資料。

生產(chan) 製造以及供應鏈

1976 年，幾乎每家設計芯片的公司都有自己的製造基地。然而如果將芯片設計和芯片製造的工作分離開來，將製造芯片的工作交給專(zhuan) 門的代工廠，可以大幅減少芯片設計公司的成本。

台積電應運而生，並承諾隻製造芯片，不設計芯片。這樣一來，設計芯片的公司不必擔心機密資料外泄。而台積電也不依賴販賣更多芯片——隻要客戶成功，他的公司就取得了成功。

在台積電之前，就有一些美國芯片公司將目光望向了浩瀚的太平洋對岸：上世紀六十年代，仙童就在香港建立了中心，組裝從(cong) 加州運來的各種芯片。投產(chan) 的第一年，香港工廠就組裝了 1.2 億(yi) 個(ge) 裝置，人力成本極低，但品質極好。十年內(nei) ，美國幾乎所有的芯片公司都在亞(ya) 洲設立了組裝廠。這也為(wei) 芯片如今以東(dong) 亞(ya) 和東(dong) 南亞(ya) 為(wei) 中心的供應鏈格局奠定了基礎。

亞(ya) 洲的高效和對質量的偏執，很快就對美國在芯片業(ye) 上的地位帶來了衝(chong) 擊。上世紀八十年代，負責檢測芯片質量的公司高管們(men) 意外發現，日本生產(chan) 的芯片質量已經超過了美國——普通的美國芯片故障率是日本芯片的 4.5 倍，品質最差的美國芯片故障率是日本芯片的 10 倍！“日本製造”不再是廉價(jia) 但質量低劣的代名詞。更可怕的是，即便是被壓榨到極限的美國生產(chan) 線，效率也遠不及日本。“日本的資金成本隻有 6% 到 7%，我最好的時候，成本也要 18%。”AMD的首席執行官傑瑞·桑德斯（Jerry Sanders）有一次說道。

金融環境也起到了推波助瀾的效果：美國當時為(wei) 了遏製通脹，利率一度高到 21.5%；而日本的芯片公司都有財團在背後扶持，民眾(zhong) 又習(xi) 慣儲(chu) 蓄，使得銀行能為(wei) 芯片公司長期提供大額低息貸款。資本助力下，日本公司可以激進地搶奪市場。

此消彼長之下，最終有能力生產(chan) 高級邏輯芯片的公司集中於(yu) 東(dong) 亞(ya) 地區，製造出的芯片也隨即送至周邊進行組裝。比如蘋果公司的芯片主要在韓國和我國台灣地區生產(chan) ，然後送到富士康進行組裝。這些芯片不僅(jin) 包括主處理器，也包括無線網和藍牙的芯片，拍照用的芯片，感知動作的芯片等。

隨著生產(chan) 製造芯片的能力逐漸集中於(yu) 少數公司，這些原本的代工公司也有了更大的權力，比如協調不同公司的需求，甚至製定規則。由於(yu) 當下負責設計芯片的公司沒有製造芯片的能力，隻能聽從(cong) 建議。這些日益龐大的權力，也正是當下地緣政治角鬥的話題之一。

結語

從(cong) 解密二戰密碼的機器，到送人上月球的飛船。從(cong) 隨身播放音樂(le) 的隨身聽，到日常出行的飛機和汽車，再到我們(men) 閱讀這篇文字時所用的手機和電腦，這些設備都離不開芯片。

每天，每個(ge) 普通人的生活都會(hui) 至少用到幾十上百種芯片。這一切的一切，都離不開芯片技術的發展，以及對芯片的生產(chan) 製造。芯片是這個(ge) 時代最重要的發明之一，想要開發出新的芯片，不僅(jin) 需要科學技術的加持，更需要先進的製造生產(chan) 能力，以及應用這些芯片的民用市場。

芯片設計與(yu) 製造能力的布局，經過了幾十年的變遷，形成了當下的格局，也在當下這個(ge) 時代產(chan) 生了別樣的意義(yi) 。本文期待通過回溯過去幾十年裏關(guan) 於(yu) 芯片的一些重要產(chan) 業(ye) 節點，供感興(xing) 趣的讀者們(men) 參考。

歡迎掃碼關(guan) 注深i科普！

我們(men) 將定期推出

公益、免費、優(you) 惠的科普活動和科普好物！