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2024年09月23日 星期一
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津报力荐
和开拓者的灵魂一起踏上芯片之旅(图)
文/张洁
《芯片简史》,汪波著,浙江教育出版社2023年4月出版。

  推荐理由:全书完整呈现了芯片发明与发展的历程,从支撑芯片产业发展的量子力学讲起,逐渐发展到半导体物理学,进而催生了半导体器件,这些器件又由简到繁,像一颗发芽的种子,演化出了双极型晶体管、MOS场效晶体管、光电二极管等,并由此集成构造出了模拟芯片(通信和传感器芯片等)、数字芯片(CPU、存储器、FPGA等)和光电芯片等。最后,本书还展示了芯片设计方法和制造方法由手工到自动的发展过程,并指出了芯片未来面对的挑战和可能的解决路径。

  作者以芯片诞生和发展为主线,将散落在世界各地的实验室、杂志、书籍或新闻报道的庞杂信息重新组织、编排,在力求准确、科学的前提下,写作了这样一本综合性作品,使得我们透过“芯片简史”这四个字,深入了解那些散落在历史深处的芯片发明者的个人世界,体验他们在发明中所经历的种种困苦与喜悦、磨难与幸福,与他们一起重走芯片发明之路,看他们如何突破科学研究中的困难与现实世界的阻碍,作出一项项改变甚至颠覆世界面貌的发明和创新。

  芯片构成了现代社会正常运转的核心控制单元,影响范围涉及国家安全、商业、政治、文化等方面,没有芯片,我们现在所拥有的一切都无从谈起。为了使大众能够更加容易、更加清晰地了解芯片,本书作者在写作时做了以下努力:一是高度还原创新的历史过程,展现曾经盛行的观念和技术,以及新的技术是如何萌芽并与之斗争和最终突破的。二是突出作为创新者的个体,将历史的聚光灯打在实验台前的科学家和工程师身上,展现他们内心的渴望、追求、困顿、嫉妒和欣喜。三是将发明一刹那的火花清晰呈现出来。虽然知识的“剂量”被压缩,却足以激发读者的兴趣,全书叙述上的惊险程度不逊于一部小说。

  “MOS场效晶体管是谁发明的?”一次,我和微电子学的研究生聚餐,在酒酣耳热之际,我随口问了一句。

  在我看来,这个问题对于微电子学专业的学生是基本常识,因为如今芯片中99%的晶体管都是MOS场效晶体管。普通人不了解没关系,但在座的是微电子学专业的,应该张口即来。

  然而,这个问题一提出,餐桌上热闹的场面一下子安静了下来,没有人接话。安静了几秒钟后,我把话题引向了MOS场效晶体管的历史背景,然后又讲起了它的发明过程。最后,当我讲到它的发明人遭受公司打压、不被准许发表论文、项目组被撤、最后被迫出走的不幸遭遇时,学生们面露惊讶,这跟他们想象中的情景很不一样。

  我看学生们意犹未尽,就趁机讲了几个其他芯片发明的案例,包括中央处理器(简称CPU)、蓝色发光二极管(简称蓝光LED)、动态随机存取存储器(简称DRAM)等。

  最后我总结道,这些发明都有一个共同点,虽然它们属于重大原始创新,但在刚面世时都遭到了业界的质疑和抵制,差点夭折。

  而且这些并不是个例,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。而如今,这些差点被抛弃的技术正在帮人们上网冲浪、存储数码照片、播放视频、驱动电动汽车、撞车时得到安全气囊的保护、检测核酸序列、照亮黑夜……

  为什么这些发明在一开始都不受待见呢?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。

  试举两个例子。仙童半导体公司是集成电路的发明公司之一,然而在1960年,公司副总裁却对芯片项目的负责人杰·拉斯特大喊:“你为什么要去搞集成电路?这个玩意儿浪费了公司整整100万美元,却没有什么收益,必须裁撤掉!”贝尔实验室是半导体技术的研究重镇,但1963年贝尔实验室的半导体研究部主任扬·罗斯撰文称:集成电路没有解决半导体产业面临的基本问题,它“只能治标,无法治本”。

  这些芯片的首创之举遭到冷遇乃至遗弃,它们的发明人发不了文章、资金支持被中断、项目遭裁撤、被迫出走……他们绝不是一群诗意的科学家,而是一群失意的科学家,他们为此付出了十年甚至一生的代价。

  芯片的发展史是一部创新史和叛逆史。这也是本书想要表达的主题。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。几乎没有一项重大创新一出现就广受欢迎。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。

  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。应对芯片危机,我们需要原始创新,而唯一的方法是诚挚,实事求是地面对现实和历史。

  这本书为您完整地讲述了芯片的发明和发展历程,尤其是一群叛逆的人如何突破传统、不断创新的故事。

  芯片的历史只有60多年,但要完整地理解芯片的来龙去脉,我们需要将时间回推到100多年前。在这一个多世纪里,半导体技术的创新故事不计其数,但本质只是一种创新模式的不断展开和复现,其主题仍是叛逆。

  本书从半导体的起步之处量子力学开始讲起,它演化出了半导体物理学,进而催生了半导体器件,这些器件又由简到繁,像一颗发芽的种子,演化出了双极型晶体管、MOS场效晶体管、光电二极管等,并由此集成构造出了模拟芯片(通信和传感器芯片等)、数字芯片(CPU、存储器、现场可编程门阵列A芯片等)和光电芯片等。本书最后还展示了芯片设计和制造方法由手工到自动化的发展过程,并指出了芯片未来面对的挑战和可能的解决路径。

  为了创新,人们需要不断打破过往累积起来的知识和见解,并用新的知识和见解不断地推陈出新。因此,本书不打算系统讲解固有的知识,而是讲述芯片如何被创造出来的鲜活过程。

  本书的读者可以是对芯片感兴趣的任何人。如果您是研发人员,您会认清半导体技术发展的脉络,看出技术创新的模式和规律;如果您对行业发展感兴趣,您会在本书中发现那些隐藏在背后的行业发展规律;如果您单纯对历史感兴趣,您可以了解到芯片在社会历史发展中所起到的作用。

  芯片的创新可以是在各个层次上的。例如,在微观结构上,新器件颠覆了旧器件;在芯片层面上,新的芯片架构突破了原有设计的瓶颈;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;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。本书展现出了这种多层次的创新态势。

  本书各章大体上按照芯片发展的时间进程展开,同时也按照芯片的不同功能来独立排布。你既可以从头读起,也可以直接翻到感兴趣的任意一部分。

  本文开头所说的那次聚餐聊天,我并没有责怪我的学生不记得这些发明人。

  实际上,这些发明人的名字被历史有意无意地忽略了,而现今的历史需要对他们作出相应的补偿。如果我们能从历史尘埃中重新体会到他们的精神核心:不盲从、不畏惧,从否定中汲取力量,那么我们就始终和这些开拓者的灵魂在一起。  (文/张洁)

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