芯片那些事兒

隨著智能技術的不斷發展，未來的各種電子產品將越來越具有生物特征，人機融合的程度越來越高。而芯片是這些智能電子產品的關鍵元件。芯片的性能越好，電子產品才能越“聰明”。那么，究竟是誰發明了芯片？芯片是什么東西？未來芯片將如何發展？

芯片的由來

20世紀上半葉，幾乎所有電器都有一個共同的特征就是十分龐大。比如，那時的電腦就很嚇人，20世紀40年代的一臺電腦的各種電子元件占滿了一個幾十平方米的房間。為什么那時的電器那么大呢？這是因為那些電器中的電子元件是用真空管制成的，那是一種被抽成真空的玻璃管，內有陰、陽兩極，電子會由陰極流向陽極。1947年，美國的貝爾實驗室發明了晶體管，電子儀器才開始走上逐漸“瘦身”的過程。

晶體管就像固態的真空管，制造晶體管的材料是半導體，原料包括硅、鍺、砷化鎵等。晶體管的出現，令工程師能設計出更多更復雜的電路。可是，體積細小的電子零件卻帶來另一個問題，就是需要人工把這些零件焊接在一起。這可是一件費力不討好的工作，不僅要花費大量時間和金錢，差錯率也很高。為此，美國軍方開始推進“微模塊計劃”。這個計劃的基本思路是將所有不同類型的電子零件制成統一的大小和形狀，并在生產時加上電線。這樣，在組裝零件時，便可將大小統一的電阻、電容和晶體管等，像搭積木般組裝成設計的電路，免去焊接的煩惱。

杰克·基爾比進入“微模塊計劃”研究小組后，決心進行創新，從根本上解決將大量電子零件整合成電路時的困難。他想，是不是能夠拋開那些電子零件，直接在一塊半導體上接上電線充當多個晶體管？

1958年9月，基爾比成功將一組電路安裝在一片鍺半導體上。人類歷史上第一塊原始的芯片產生了，它在很長一段時間內被稱為半導體集成電路。基爾比因為這個發明在42年后獲得了2000年諾貝爾物理學獎。

第一款實用芯片

1959年，英特爾公司的始創人之一羅伯特·諾伊斯繼續改進基爾比設計的芯片。他在硅晶體的表面鋪上不同的物料來制作晶體管，并在連接處鋪上一層氧化物作保護。以硅取代鍺就可使芯片的成本大為下降，令集成電路的大規模生產變得可行。可以說，是英特爾公司設計出了第一款實用的芯片。到20世紀60年代末期，接近90%的電子儀器是以芯片制成。

我們現在對芯片的定義是內含集成電路的硅片。其制作方法是一次性把所有的組件（主要是晶體管）一次性地用照相印刷的方法印制在硅片上，外觀看上去像是畫在硅片上的電線。芯片最重要的應用是充當中央處理器，也稱CPU或微處理器，它是電腦和其他智能電器的運算控制部分。從20世紀60年代開始，電腦的體積越來越小，而運算速度卻越來越快，功能越來越強大。這都歸功于芯片對晶體管的集成度越來越高。

1965年，英特爾公司的另一個創始人戈登·摩爾提出了著名的“摩爾定律”：當價格不變時，一塊芯片上可容納的晶體管數目，約每隔18個月便會增加一倍，電腦的性能也將提升一倍。當時，摩爾的實驗室也只能將50只晶體管和電阻集成在一個芯片上，他卻預測1975年的芯片將會有6.5萬個晶體管。摩爾當時的預測聽起來好像是科學幻想，然而后來的技術發展證明摩爾是對的，1975年的確出現了集成了6.5萬個晶體管的芯片。至今，最先進的芯片已集成了超過17億個晶體管。

未來之路

今天，充當微處理器的芯片不僅存在于電腦中，各種電器如數碼相機、智能洗衣機、智能冰箱、互聯網電視機、智能手機等，都有它的身影。就連汽車引擎控制、數控機床、導彈精確制導等，都要嵌入各類不同的微處理器。芯片不僅是電腦的核心部件，也是各種數字化智能設備的關鍵部件。未來，各種智能電子產品提高性能的關鍵因素之一就是提高芯片的運算速度。

從芯片的發展歷史我們可以看出，要提高芯片的運算速度，就得集成更多的晶體管。這正是芯片的未來發展趨勢。隨著納米技術的進步，晶體管可以小到納米尺度。這不但可以使得芯片變得更小，而且芯片上集成的晶體管數量會更多。然而，如果一塊越來越小的芯片上集成越來越多的晶體管，就會帶來一個很嚴重的問題，那就是在運算時會產生過多熱量。過熱會降低芯片的運算速率，甚至可能燒壞芯片。

為了解決芯片的過熱問題，除了改進散熱方法外，科學家還想出了新的辦法：在一塊芯片上集成多組小芯片，這就是現在已經出現的多核芯片。目前，運算速度最快的芯片是英特爾公司生產的Xeon Phi。這塊芯片居然有60個核，運算速度高達1萬億次/秒。現今國際上的超級計算機也都是采用多核芯片來建造。未來的芯片的“核”會越來越多，電腦的運算速度也就越來越快。

而美國加州大學的研究人員丹尼爾·莫爾斯認為，還可從半導體本身入手來提高芯片性能。他正在試驗用生物技術來制造半導體，具體做法是讓海綿動物的一種硅蛋白酶突變，形成多種突變體，從中選出能夠制造高性能芯片所用的半導體。丹尼爾相信，來自海綿的硅半導體芯片具有很好的生物融合性，有利于制造更加先進的生物計算機、類人機器人和智能人造器官。