从2千到200亿：芯片技术到底怎样改变世界
最近这一段时间，很多人对芯片都不陌生，特朗普为全民科普了芯片，到底什么是芯片？它怎么样改变我们这个世界？
从柯达公司的衰落，我们可以看到芯片的颠覆性。柯达公司是做胶卷的，1881年美国人成立了一个公司，主要用乳胶涂布机生产摄影用于干版，当这个公司发展到一百年的时候，它的销售额是一百亿美金。上世纪90年代，全球十大品牌里，柯达排第四位，1997年它的市值310亿美元。但是，仅仅15年过去，2012年的1月份，它就提出了破产的申请，2013年，美国联邦法院批准了破产申请，它变成一家小型的数码影像公司，现在它的市值只有1.75亿美元。
导致柯达公司这样大的公司，一下子迅速衰落的根本原因是什么？就是CMOS图像传感芯片，由于它的发明，使得我们不需要胶卷，只需要一个感光二极管，产生电荷，被采集下来识别感光的量，我们就可以得到一个图像。因为这一技术的发明，使得全球第四大品牌公司衰落。最讽刺之处就是，发明这一技术的就是柯达公司本身，但它害怕影响胶卷销量，所以不肯产业化。后来因为技术不断进步，尤其随着微电子技术不断的发展，在这个原理上新的芯片技术不断发展，被其它公司很快掌握了，最早比较好的公司就是索尼。我们现在每个人手机里面的摄像，都是靠CMOS的图像传感器，就是这样一个芯片，所以我们现在不需要带相机了。
芯片的发明，彻底颠覆了照相这样一个产业。其实还有很多例子，我们读大学玩电脑需要拿一个很大的磁盘，后来变成小的，现在也没有了，我们现在有很方便的U盘，这都得益于芯片把这个行业颠覆了，包括磁带也不用了，现在有MP3，很多都非常方便。
那么芯片是什么？
芯片就是以集成电路为核心的电子技术，它是在电子元器件小型化、微型化过程中发展起来的。上世纪初，一战时发明了电子管，二战结束时变成晶体管。电子管和晶体管最大的区别是电子管是真空的，它的体积大，功率也很大。晶体管固态的，由半导体来做的，把晶体管变成集成电路，是上世纪50年代初的事，后来发展为大规模集成电路，现在我们的超大规模集成电路，就是从上个世纪70年代开始发展的。
电子管是一个真空二极管，相当于一个整流作用。真空二极管到三极管，又有一个很大的突破，三极管具有放大电信号的作用，真空三极管的发明，开启了电子时代的大门。因为我们除了有整流，还可以放大信号。所以它才为我们后面的通讯、广播、电视、计算机等一系列的系统应用，奠定了基础。
第一个用电子管做出来的计算机是什么样子的？1946年，全球第一台电子计算机，生产于宾夕法尼亚大学，叫ENIAC，它由18000多个电子管组成，占地167平方米，重量30吨，几乎有半个篮球场那么大，但是他每年计算能力是五千次加法。现在任意手机芯片的计算能力差不多是每秒几十亿次。更不用说现在全世界超级计算机的CPU，可以达到每秒几万次的运算。
之所以手机芯片，运算能力这么强，是因为晶体管的发明，主要依靠三个科学家，肖克利、巴丁、布拉顿，他们研制出了一个点接触型锗晶体管，他们也因此在这项发明诞生的十年后获得了诺贝尔物理奖。
晶体管就是用小巧的低功耗的固体器件，代替原来体积大，功耗大的电子管。它的发明为集成电路奠定了基础。1958年，美国德州电器公司的工程师杰克·基尔比，成功地将包括锗晶体管在内的五个元器件集成在一起，四十多年之后，他也获得了诺贝尔奖。
芯片的发明需要提到另外一个人。在仙童公司有一个叫做罗伯特·诺伊斯的科学家，他发明出二氧化硅作为屏蔽层的隔离技术，这才是真正适合集成电路大规模生产的工艺。他是世界上第一个做出硅屏蔽的扩散技术。他创办了美国硅谷两个非常伟大的公司，一个是仙童公司，仙童公司是半导体行业的黄浦军校，另外一个是创办了因特尔公司，因特尔在三十年当中占领世界老大的位置，去年被三星抢走了。
集成电路是一个点石成金的行业，说它是印钞机，因为它的效益非常高，投资回报率很高，但这得是世界最顶尖的公司，像因特尔、三星。但另一方面，集成电路用硅来做，硅是我们用氧化硅还原成硅，原来是多晶硅变成单晶硅，在硅片经过几百到上千道工艺的加工，制造成芯片。芯片里面有几百上千的管芯，通过上面的分割，封装前切割好，也可以封装之后再切割，封装完之后做测试，最后可以拿给客户来应用。
所以你可以看到在集成电路这个产业里面，要什么芯片，实际上是用户说了算，设计公司根据用户需求设计芯片，究竟要CPU芯片，还是手机机带芯片，还是COM图像芯片，这是用户的需求。设计公司设计出来以后，交给芯片制造企业制造出来，制造出来然后封装、测试，最后变成成品，然后卖给用户。
有一个例外是因特尔公司。因特尔公司是专业化垂直分工，IDM的模式，因特尔公司是自己设计CPU，自己封装设计，自己卖CPU。中国台湾的台积电代工非常好，但是你在市场上看不到他的品牌产品，你可以看到苹果，华为、海信的产品，但是好多都是在台积电生产制造的。
在制造过程中，很多设计需要设备和工具，制造也需要设备，制造的时候同时需要一些电子材料，最后封测的时候也需要一些电子仪器和原材料。这里需要一个EUV光刻机，裸机八亿人民币，加上它的服务、软件控制，一台差不多在十亿人民币，如果是生产线，可能需要几台，这个机器是最贵的。
最典型的，最高端的CPU，其实在因特尔，上个世纪七八十年代，他们还是一个小公司，但是他们已经把两千多个晶体管放在一个集成电路里面，叫做4004，这个4004其实可以用来做计算器，也可以跟外围的电路结合起来，配一些存储器，配一个显示屏，可以形成一个电脑。实际上后来IBM就是用这样一个CPU，两千多个晶体管的4004CPU，搭了一个全世界第一台微型计算机，这个计算机可以完成一些存储指令。它的运算能力和现在你花几块钱买一个小的计算器都没有办法相比，但是当时很先进。
最典型是1985年推出的80386芯片，它是X68系列中第一个32位微处理器，开始采用Windows操作系统，性能有一个大幅度的提升。
1989年时有486，集成了一百二十万的晶体管。
2002年，已经有五千五百万的晶体管。
2006年，已经也2.9亿的晶体管在一个因特尔的CPU里面。
今天因特尔在市面上可以买到最先进的CPU，实际上有60亿个晶体管。
大家可以想像，这是一个多大的进步？这样的进步，其实相当于我们在头发丝的截面上，做五十万的晶体管。所以集成电路的加工工艺代表了人类最高水平的加工工艺。
除了CPU芯片以外，第二大类主要的芯片就是存储器，存储器有两类，一类叫DRAM，他是一个挥发性的存储器。第二类是Flash，非挥发性存储器。2017年，存储器芯片是份额最大的集成电路产品。因为全球芯片市场存储器全部涨停。
Flash最早的器件是浮栅的器件，这是1967年在贝尔实验室，他和韩裔科学家发明了浮栅型晶体管。
DRAM物理架构非常简单，但是电容有一点麻烦，当晶体管尺寸不断缩小，存储电量变小，为了保持有电，就要不断的刷新，然后功耗就会越来越大。
晶体管是1967年发明的，但真正U盘大规模是用在2002年使用，SSD、固态硬盘更晚一点。它第一次被采用集成电路产品里面更早，是上个世纪80年代末，索尼公司开发了一款游戏产品，里面用原来的存储器速度跟不上，没有办法，采用了这个，那个时候非常昂贵，并没有太多的应用。
至于应用和技术。我们可以看到CPU的应用就是个人电脑，像最早的个人计算机，PC计算机，其实是由IBM发明的，它把各个接口、组件标准化，大家只要按照这个接口去组，每个人都可以组装一个PC机。当时IBM的PC机，为什么叫PC，就是个人的电脑，就是这两个字的缩写，没有今天这么庞大的PC市场。当然现在PC机的市场已经趋于饱和了，现在人手一个手机。手机已经取代了平板、卡片机。特斯拉说自己不是一个做汽车的公司，它说自己是IT公司，实际上汽车对它来讲就是一个轮子、发动机、传统的外壳，里面主要是电子产品，可能有几百、上千个芯片，本质上是一个IT的公司，因此我们说整个汽车现在的智能化，未来包括智能驾驶全部都靠芯片来运行。
芯片的应用会越来越广泛，全球每年芯片的消费量是280亿个，我们全球只有28亿的家庭，相当于每一个家庭每年消费十个芯片。我们消费类电子、智能家居，未来出差回来之后，一下飞机可以就想要家里面，把灯打开，打开空调。
未来也可能和医疗相关，将来直接植入到人体里面，还可以随时监控身体各种各样的状况，你的血压、心跳、各项指标，直接发出来，有非常非常多的应用，比如说航空、航天、高铁，一系列高精尖的产品都会使用到它。
它的发展趋势就是速度更快、功耗更低，存储量更大，功能更强，成本更低，它的速度主要靠集成电路的尺寸越来越小。集成电路的发展的摩尔定律，在芯片发展的过去五十多年，之前是每过24个月，现在是18个月，晶体管的速度增加一倍，性能提高一倍，这是高通摩尔提出来的。
尺寸一直在减小，相当于十纳米的工艺，在头发丝的截面上，可以做出50万个晶体管。这里面带来了很多问题，这些问题靠谁来解决？一方面是工业界里解决，其实很重要是靠研究人员来解决。
有三个有代表性的案例，全部来自于高校：
第一个是应变能技术，最原始的创新来自于MIT应变物理研究。
第二是高K栅介质，这是耶鲁大学制造的，现在CPU45nm和28nm。
第三个技术来自于加州大学伯克利分校的胡正明教授，发明了Finfet，这是我们现在手机主流的技术。
复旦大学也有成果，半浮栅晶体管，这是新型的微电子器件，国际同行给予我们很高的评价，认为是高速的器件，极少的能耗。我们希望在不久的将来，大家的手机和电脑里面，都用上复旦大学的这个器件。
芯片无处不在，小到U盘、手机、电脑、电视，大到飞机、高铁。芯片技术代表人类制造最高的水平，没有芯片，其实就没有现在的生活，现在中国有四大发明，支撑这四大发明的就是芯片，芯片虽小，但被认为是大国重器。
作者：复旦大学教授 张卫
编辑：顾军
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