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 Fleming2.4.2. 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 Thomson2.5.2. 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. ATT3.1. 美国电话电报公司(ATT 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 Heisenberg4.10.2. 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