汪波

赞誉

• 芯片是电子信息技术和产业的核心与基石，芯片技术已经成为现代科学技术发展的制高点。
• 技术改变世界，芯片毫无疑问是极少数改变了每个人的桂冠级产品。从物理学家研究晶体内部的电子运动，到芯片成为全球最重要的生产力工具，只用了70多年的时间。
• 如果说机械的发展拓展了人类的体力劳动，那么芯片的发展则扩展了人类的脑力劳动

 推荐序 如何理解芯片

• 从大的时间尺度来看，一项新发明的半导体技术实现产业化需要经历四个阶段：科学研究发现新的材料特性，探究原理从而可以稳定控制材料特性，利用具有新特性的材料设计器件进行实验，针对应用领域进行优化并规模化生产。

 前言 和开拓者的灵魂一起踏上芯片之旅

• 如今芯片中99%的晶体管都是MOS场效晶体管。

 01 不确定的世界，从电灯泡到半导体

• 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（见图1-4）。
• 靠着误打误撞插入一根铜丝做的栅极，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。
• 第一次世界大战爆发后，无线电的研究大大加速。
• 普朗克虽然没有解决电灯泡的发光效率的问题，但无意中带来了量子物理学的萌芽
• 1905年，爱因斯坦还只是瑞士伯尔尼专利局的一名普通职员，每天下班后跟好友米歇尔·贝索(Michele Besso)一起步行回家，边走边讨论自己的新点子。
• 以玻尔为首的哥本哈根学派提出一个说法：物质波是粒子在空间中出现可能的概率波。换句话说，粒子什么也不是，只是一个概率[插图]。这一说法是对经典物理学彻底的背叛，就连提出物质波的德布罗意也无法认同！
• 当我们能确定粒子的位置时，却不能确定它的速度；反之，当我们能确定粒子的速度时，却不能确定其位置。”这就是“不确定性原理”。
• 如果说经典物理学就像一幅古典派画作，每一根睫毛、每一片树叶都画得精细而逼真，那么，现代物理学则像一幅印象派画作，日出、帆船和睡莲都蒙上了一层模糊的“滤镜”。
• 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）。
• 威尔逊发现，半导体里的电子都堵在了一条叫作“价带”的路上，无法自由移动并形成电流。
• 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。
• 只有半导体的“高架桥”不高不低，当外部电压发生变化，半导体内部轻盈的电荷就会跟着发生变化，电荷瞬间重新分布，半导体就能迅速地切换到关断状态（变成绝缘体）或者开通状态（变成导体）
• [插图]图1-9 能带分布图
• 跟其他开关比起来，半导体的开关速度极快。如果用手按下墙上的开关，每秒最多按3～4次。而继电器每秒可以切换100次，真空管可以达到每秒数百万次，半导体器件更是可以达到每秒数千亿次。因此，半导体适合做高速开关，实现芯片中的0和1的逻辑运算。
• 1933年，德国纳粹上台。在德国国会纵火案之后，爱因斯坦等一众科学家不得不“跃迁”到大西洋彼岸。这种单向的人才流动给美国这个新兴国家带来了宝贵的智力资源，也使欧洲的半导体研究此后长时间停滞不前。
• 要想发明芯片和晶体管，先要有半导体技术；要想有半导体技术，先要有量子物理学。基础学科是技术突破的深厚土壤。
• 真空管具有速度慢、发热严重、故障率高、体积大等弊端，无法适应信息时代的要求，而解决这些难题需要一种全新的物质——半导体。
• 经典物理学无法解释一些现象，其中包括困扰爱迪生的灯泡发光效率低下的问题。由此，普朗克研究了背后的黑体辐射问题，并于1900年提出将辐射能量当作一份一份的“量子”，从而催生了量子物理学。此后，爱因斯坦、玻尔等进一步丰富了量子概念，直到海森堡提出了“不确定性原理”和薛定谔提出了“波动方程”，人们才对原子和电子有了深入的认识。在此基础上，威尔逊于1931年提出了“能带理论”，解释了半导体中电子的不确定性，以及由此产生的电流，从而为半导体二极管和晶体管的发明奠定了基础。

 02 创造性失败，晶体管诞生

• 危急之中，任何有可能扭转战局的科学和技术都会为黑暗中的人们带来一线希望。谁先取得技术突破，谁就能加重砝码，从而使胜利的天平朝着自己的方向倾斜一点。
• 在第二次世界大战期间，美国政府在雷达项目上的投入高达30亿美元，这比原子弹项目的20亿美元还多。
• 贝尔实验室得以将目标放得更长远。在随后的几十年中，这里诞生了晶体管、太阳能光伏电池、激光、CCD图像传感器、香农信息论、UNIX操作系统和C语言等发明。
• [插图]图2-3 PN结形成的能量斜坡和单向电流注：PN结(a)的一侧为P型半导体，另一侧为N型半导体，从而形成了能量斜坡和单向电流(b)。这真是需要非常好的运气，才能得到这样一根天然的带有两种杂质的硅，而且恰好一种杂质带正电荷，另一种杂质带负电荷，才有可能形成PN结。[插图]就是这样一次机缘巧合，贝尔实验室发现了通往半导体放大器之路上最关键的PN结。
• 成功了！人类发明了第一个晶体管（见图2-8），它将一个声音信号成功地放大，证实了这种新发明的固态元件具有非同寻常的放大作用。
• 第二次世界大战时期，为了改进雷达的接收性能，半导体整流器的研究开始加速，同时带动了硅和锗等半导体的研究。半导体整流器的研究可以追溯到1874年布劳恩发现了金属半导体界面上的单向整流。直到1939年，莫特等人在理论上取得突破，才用量子物理学解释了背后的机制。进一步，贝尔实验室的奥尔在1940年偶然间发现了硅中的PN结，能够作为单向整流器，为发明半导体放大器打下基础。第二次世界大战后，贝尔实验室成立了由肖克利、巴丁和布拉顿组成的半导体晶体管攻关小组。肖克利提出了场效晶体管的概念，但因遇到技术困难没能实现。巴丁和布拉顿转而用两根金属尖触碰半导体，于1947年发明了第一个点接触晶体管。肖克利不甘认输，于第二年发明了“三明治”结构的结型晶体管，使之成为广泛应用的晶体管。

 03 接连不断的出走，硅在扩散

• 将一颗种子晶体放置在高温熔化的液体中，并将其缓慢地拉出，在此过程中，种子的尾部会逐渐积累生长更多的晶体，这样就能拉出一条非常完美的单晶。就这样，在下车时，两人已经讨论出一种新的拉晶机模型。拉出的晶体冷却后，将其切割成一片片的晶圆，就能在上面制作晶体管了（见图3-1）。[插图]图3-1 晶圆制作原理注：用柴可拉斯基拉晶法制作晶圆(a)；成形的晶圆(b)。
• 每家公司都收到了一本792页的《晶体管：特性与应用参考资料》，大家戏称它为价值“25000美元的书”。
• 实际上，贝尔实验室的高层意识到肖克利只擅长科学研究，而不擅长管理团队，这也从巴丁的离去和基层员工的抱怨中得到了印证。
• 那段时间，肖克利经常受邀去各地演讲和访问，大家趁他不在时研究晶体管，等他回来后则装模作样地研究PNPN二极管。肖克利似乎察觉到了什么，对大家的疑心也越来越重。
• 肖克利感召了一批年轻有为的人才来到加州，并将硅技术带到了这里，后来他被称为“硅谷的摩西”。这些年轻人创立了仙童半导体公司，开辟了创业和风投的先河，后来再由仙童半导体公司分化出一批又一批的“小仙童们”，逐渐形成了硅谷地区的高科技企业群。
• 1957年，晶体管的年产量达到了3000万支，但绝大多数仍是不耐高温的锗晶体管。
• “专注”是仙童半导体公司的8位创始人从肖克利晶体管实验室学到的一大教训。

 04 “大规模白痴”，芯片的发明

• 人类是幸运的，得到了二氧化硅这一天赐的礼物。它制作方法简单，而且绝缘性能良好，不溶于水[插图]，能很好地保护硅晶体表面，成了制造硅晶体管的标准材料之一。
• 计算机、通信设备中使用的晶体管越来越多，不同元件之间的互连线更多，一块电路板上往往要焊接成百上千条连接线，而晶体管的尺寸又如此之小，很容易出错。
• 早在1952年5月，英国国防部一位雷达工程师杰弗里·杜默(Geoffrey Dummer)提出了一种微型化思路，他在华盛顿召开的电子元器件质量进展研讨会上指出：现在看来，不用引线来连接元件组成电子线路板是可能的。这种线路板可以由绝缘层、导电层、整流层和放大材料组成，其电学特性可以通过切割出不同的区域而互连起来。这次演讲为杜默赢得了“集成电路先知”的称号
• 世界上第一块集成电路成功地运行了，基尔比提出的“单片集成”的想法实现了！
• 在许多应用中，为了能够将不同的元器件连接起来以作为制造工艺的一部分，可以将多个元器件集成在一个单独的硅片上，这样就能减小每个有源器件的尺寸、重量和成本。[插图]诺伊斯独立想出了集成电路，他不知道德州仪器公司的基尔比已经在4个月前就有了同样的想法。不过诺伊斯是幸运的，基尔比只想到了集成，却不知道如何解决元件互连问题。诺伊斯想到，可以将全部互连线集成到硅芯片的表层下方，就像在房间地板下埋设电线，所有线缆都走地板下方，然后从插座引出，这样整个地板看起来就会干净整洁，而不是乱糟糟地到处拉电线。这样一来，不仅不需要手工连线，还极大地改善了电路的可靠性，可以让集成电路成为完整的一体。
• [插图]图4-8 仙童半导体公司制作的第一片实用的集成触发器电路
• 这一次轮到仙童半导体公司提出上诉了。他们检查了基尔比的专利申请书，找到了一个关键漏洞，那就是基尔比提交的集成电路示意图上的飞线，依照基尔比提供的手工连线的方法是无法制造出实用的集成电路的。仙童半导体公司的律师抓住了这一点，一下就击中了要害。
• 在这短短的一年时间里，基尔比首先提出并实现了单片集成技术，而诺伊斯首先提出并实现了互连技术，莱霍韦茨则首先提出了电气隔离技术，这三项技术组合起来，成为集成电路技术的基石。不过，我们也不应当忘记霍尼的平面工艺，是它推倒了诺伊斯头脑中最关键的一块多米诺骨牌。正如有了平整的纸张和印版，才有高效的印刷术；有了平面工艺，才会有大规模光刻的集成电路，由此推动了计算机、智能手机和互联网等一连串变革。
• 此前他们早已习惯了电路由一个个分立的元件组成，可以单独挑选、替换元件。而对于连成一体的芯片，电子工程师却无从下手，只能被动地整体接受它。
• 手握大量芯片相关核心技术（扩散法、硅提纯、光刻、硅晶体管、氧化硅层、金属淀积等）的贝尔实验室，靠着领导层的丰富“经验”与“缜密”思考而错失了这一重大发明。而这，还不是最后一次……

 05 创新者的窘境，MOS场效晶体管

• 如今，匹兹堡和底特律已经成了“锈带”的象征。而跟制造业衰落形成对比的，则是信息产业的蒸蒸日上。
• 阿塔拉和姜大元尝试制作出了第一个MOS场效晶体管[插图]，取得了成功。1960年，阿塔拉和姜大元在固态器件研究会议上报告了场效晶体管。
• 不过，阿塔拉和姜大元展示的MOS场效晶体管性能不尽如人意，开关速度比结型晶体管的速度慢很多，而且不太稳定，静置一段时间后性能就变差了，大多数与会者对MOS场效晶体管不以为然。
• 第二次世界大战后，英国丧失了霸主地位，被战争摧毁的英国物资短缺，开始实行食物配给制，就连英国人喜爱的茶叶也不例外。
• 至今，外延工艺仍是半导体制造中最为重要和基础的工艺之一。
• 肖克利在1945年的梦想是发明场效晶体管，但后来问世的却是点接触晶体管和结型晶体管
• 讽刺的是，集成电路最大的反对者不是别人，正是贝尔实验室。
• 阿塔拉和姜大元甚至没来得及为自己发明的晶体管命名[插图]。继集成电路之后，贝尔实验室又一次雪藏了MOS场效晶体管。
• 行业中存在一个普遍规律[插图]：创新者总是会遇到窘境，而那些本来最有实力引领未来的企业却往往会因保守而错失良机。
• 在“破坏性技术”到来时，良好的规划正是其走向失败的重要原因。
• 韦伯斯特认识到，作为独立元件使用时，MOS场效晶体管不是一个好点子，它的性能远不及BJT，根本不会撼动BJT的市场。但如果将其用于集成电路，则会成为一个奇招[插图]。
• 结型晶体管是垂直结构，很难一直缩小下去，就像是钢印，其垂直厚度没法一直压缩。而MOS场效晶体管是水平结构，源极和漏极之间的栅极长度能不断地缩减，因而占用的面积也会减小，这就像纸上的字能不断地缩小，从而尽可能地在一张纸上印更多的字。斯坦利还认识到MOS场效晶体管的一个长处。随着晶体管越来越小，它们在芯片上凑得越来越近，彼此之间的时延越来越短，芯片整体工作速度也会随之提高。尽管单个结型晶体管的运行速度更快，但是MOS场效晶体管构成的芯片更有优势。而且随着工艺进步，MOS场效晶体管的尺寸不断减小，MOS芯片的运行速度终究会超过结型晶体管芯片。
• MOS场效晶体管研发工程师觉得自己不受公司重视，心中燃起了叛逆之火，纷纷离职创业。其中一些研发人员离开之后，成立了通用微电子公司(General Microelectronis)。
• 把一个PMOS场效晶体管和一个NMOS场效晶体管组合起来，两者互补形成一个CMOS场效晶体管开关[插图]（见图5-5）。
• CMOS场效晶体管成功运行，待机功耗只有纳瓦级，是结型晶体管的一百万分之一
• CMOS场效晶体管比MOS场效晶体管多了一个晶体管，人们担心CMOS场效晶体管成本高，还怀疑它速度慢，因此它在刚刚推出时被所有的大公司冷落，他们仍在推行PMOS场效晶体管或NMOS场效晶体管。直到1982年，微处理器上面的晶体管超过了25万个，芯片的功耗变得无法忍受，英特尔开始在80C51和80C49系列的单片机芯片上采用功耗更低的CMOS工艺。CMOS场效晶体管的低功耗特性使得它特别适合于便携式设备。随着笔记本电脑、手机的兴起，现在全世界的绝大多数芯片都采用了CMOS工艺。
• 经过近十年的努力后，MOS场效晶体管的稳定性、速度和集成度都大大提高了。到了20世纪70年代初，结型晶体管占据着高端市场，而MOS场效晶体管则从价值链的下方发起攻击，首先攻入了对成本敏感的存储器领域，接着又在电子表、计算器等低端领域占据了主导地位。

 06 一切过往皆可超越，摩尔定律

• 1965年摩尔为《电子学》(Electronics)杂志写的那篇经典文章《在集成电路中塞进更多的元件》的片段：[插图]集成电路[插图]将为我们带来各种奇迹：家用电脑（至少是连接到中央计算机上的终端）、自动驾驶汽车、个人移动通信设备，以及带有显示屏的手表……
• 那时人们普遍认为芯片不划算，把晶体管集成在一起的芯片个头更小，却反而比分立元件的电路还贵，关键是坏了还无法维修。因此，人们认为芯片根本没有竞争优势
• MOS场效晶体管的二氧化硅绝缘层厚度也随之变薄，达到某一最小极限后，本来在宏观世界里无关紧要的隧穿效应就会起到决定性作用，电子就像学会了穿墙术一样穿过绝缘层逃逸掉，导致晶体管无法关断。这时晶体管的尺寸缩小之路就走到了尽头。摩尔迫切地想从米德那里知道晶体管尺寸缩小的极限将会是多少。米德和他的研究生经过计算，终于得到了结果，晶体管的最小栅长将是0.15微米[插图]。[插图]
• 这一年，IBM公司开始发售广受欢迎的S360计算机，它采用分立晶体管，售价高达11万美元。同年，全世界约有2万台计算机，平均每16万人才拥有1台。
• 成本下降的直接原因是芯片规模变大，相同价格下，芯片包含更多的元件，性能得到提升。如果摩尔能让人们相信未来芯片上元件数量有不断增加的趋势，那么客户就会放下顾虑并逐渐接受芯片。
• 所以在某个特定的工艺下，一定存在一个最佳的、元件数量不太多也不太少的设计，使得芯片的成本最低。
• 摩尔定律就像一支无形的指挥棒，指挥着这条产业链上的不同角色按照特定的节奏朝着同一个方向前进
• 摩尔的文章发表后，并没有立刻引起轰动。即使在业界内部，人们也没有广泛地谈起它。
• 人们估计，如果元件数量达到数百万个，它们产生的热量聚集在指甲盖大小的空间，热量密度会超过核反应堆，直逼火箭的喷射口，以致芯片熔化。
• 到了20世纪60年代末，DRAM出现了，这极大地提高了晶体管的密度，把摩尔定律继续向前推进。70年代初，CPU芯片问世，也加入了摩尔的曲线中。
• 有赖于米德的大力宣传，摩尔定律才广为人知。摩尔是一位典型的理工男，生性内敛。每次他要说出“摩尔定律”这四个字，都会话到嘴边又咽下去，很不好意思。
• 当1997年晶体管特征尺寸减小到250纳米时，传统的i线（365纳米）紫外光已达到了极限，人们发明了248纳米的深紫外光（简称DUV）。[插图]同一年，铝互连线发热过大，信号延迟太久，难以为继，业界终于推出了铜互连线技术，从而解决了发热和延迟问题，挽救了摩尔定律。进入新世纪，2003年晶体管到达90纳米节点时，193纳米的DUV及时出手了。到了2009年，193纳米到达极限时，浸没式的DUV光刻法出现了，使得摩尔定律从45纳米起多延续了7代，“续命”到7纳米。此后，光刻再一次遇到障碍，2018年波长13.5纳米的极紫外光（简称EUV）接过了接力棒，成了5纳米及以下工艺的光刻技术[插图]。
• 2011年，平面MOS场效晶体管的漏电流非常严重，造成了极大的耗电，此时立体的鳍式场效晶体管（简称FinFET）登场了，它有效地减少了电流泄漏，继续延长了摩尔定律的有效性。
• 如果我们把摩尔定律分成若干段，每一段都是S曲线。每隔十年左右，它就会遇到一个较大的瓶颈，而这时就会有一个新技术出现，从而让摩尔定律突破瓶颈并继续获得验证。
• 但自从2005年起，“登纳德缩小规则”开始失效，摩尔定律的“甜蜜期”也随之走向了终点。
• “登纳德缩小规则”为芯片的“免费升级”找到了一条合理的路径。它规定，每次升级晶体管尺寸应当变为原来的k倍(k=0.7)，这样线路延迟就会变短（变为原来的70%），频率也将提升为原来的1/k倍（约为1.4倍）。“登纳德缩小规则”曾经是摩尔定律的主要驱动力之一，它使芯片在性能、功耗和面积三个方面同时得到改善。[插图]
• 但到了2005年左右，晶体管尺寸变得很小时，器件即使关断后也有较大的漏电流，它们转换为热能，提高了芯片的温度。为了防止进一步升温，芯片的工作频率就不能继续提高了，所以后来的CPU主频就维持在3～4GHz而不再升高，“登纳德缩小规则”就逐渐失效了。到了现在，只剩下摩尔定律仍在继续发挥作用（见图6-9）。
• 20世纪70年代末，摩尔定律开始分叉成两条路线，一条是存储器，另一条是逻辑电路。前者以每18个月的速度翻倍，而后者按每两年的速度翻倍，近年来速度则进一步放缓。
• 为了维持电场强度恒定，电压需等比例降低（变为原来的70%），使得功耗降低（变为k2=0.5倍）。因为面积同样随之减小（变为k2=0.5倍），所以单位面积上芯片的功率密度没有变(k2/k2=1)，故而芯片不会因过热而熔化。
• 1966年　IBM公司的罗伯特·登纳德发明了单晶体管的DRAM，极大地提高了存储密度。
• 1971年　英特尔公司发布了第一颗通用的CPU芯片4004，拉开了微处理器时代的序幕

 07 化繁为简，计算芯片

• 不同于其他单一功能的专用芯片，这颗CPU能实现数学计算、控制交通灯和电梯等各种功能，是第一款通用处理器芯片
• 当莱布尼茨得知任何一个数都能表示为只包含0和1的二进制数值时，他被深深地震撼了。不过，莱布尼茨来不及将二进制跟逻辑运算结合起来，就被别的事务占据了时间，他的想法足足沉寂了一个半世纪，直到19世纪一位英国数学家乔治·布尔重新拾起了它。
• 一切吻合得天衣无缝，布尔用代数来表示逻辑关系和逻辑推理这条路走通了，开创了一种逻辑演绎的新方法，即布尔代数[插图]。
• 换句话说，数学中存在一些命题，我们无论如何不能判定它是真还是假。这意味着这样构造出来的逻辑体系存在重大缺陷，因而弗雷格、罗素、希尔伯特等人希望建立一套完备的逻辑体系是无望的。
• 所有计算机都有一个共同点：它们都是冯·诺伊曼机，都是冯·诺伊曼基于图灵在20世纪40年代的工作中所提出的基本计算机结构的‘变种’。
• 我们只要采用二进制，就能把代数计算转化为逻辑计算，从而用开关来实现代数计算。
• 这种出走创业模式已蔚然成风，以至于仙童半导体公司成了硅谷培养半导体人才的摇篮，从仙童半导体公司出走的员工总共创立了400多家公司，它们大多坐落于硅谷，被称为“小仙童们”。
• 法金测试了第一个点，波形正常！又测试了几个点，波形正常，并且完全符合预期。他简直不敢相信，在这颗小小的芯片上，一切都按照预期的结果显示在他面前，速度比他19岁时用锗晶体管搭建的计算机还快10倍，而功耗只有0.75瓦，仅仅是锗晶体管计算机的1/1000，这真是工程技术上的奇迹（见图7-6）。[插图]图7-6 英特尔CPU芯片4004中央处理器
• 此后，英特尔公司开始将研究方向放到了更复杂的8位处理器芯片8008上。同样由霍夫设计架构，法金和嶋正利等人设计电路。之后又设计了升级版的8080 CPU，大获成功。在此基础上，英特尔公司又发布了8086处理器，这成为x86系列CPU的起点。
• IBM公司在允许英特尔公司作为其CPU供应商时附加了一个条件，英特尔公司必须开放自己的x86指令集给第二家CPU制造商，以避免供货风险。英特尔公司选中了规模较小的超威半导体公司（简称AMD），这家公司是仙童半导体公司的前员工杰里·桑德斯(Jerry Sanders)创立的，后来他们跟英特尔公司展开了激烈的竞争。
• 20世纪80年代后，日本的通用型芯片大举“进攻”美国，尤其是存储器芯片，它们结构简单，容易设计，产量大、价格低，这直接导致许多美国半导体公司亏本甚至关停了通用芯片，转向了差异化的专用集成电路（简称ASIC）。
• 到了20世纪70年代，工程师开始用可编程逻辑阵列（简称PLA）实现逻辑功能，它只需一组“与门”和一组“或门”就能实现所有可能的逻辑功能。
• 实际上，所有逻辑运算都能表示为“与-或”组合，就像任何多项式都能写成“乘-加”的组合，例如z=ax+by。然后，我们就能用一组“与门”+“或门”来实现任意逻辑功能。这就是PLA的基本原理。
• [插图]图7-8 FPGA架构注：每个黑色方块中都包含了多种逻辑功能。弗里曼的分布式结构里，每个逻辑功能模块都提供所需的全部功能：时序单元、计算单元、查找单元等，这些模块叫作可配置逻辑模块（简称CLB），它们之间由互连模块连接起来，这些互连模块位于每个街区的交汇处，由上下左右的通路相连[插图]。由于消除了“与阵列”，FPGA架构由此能自由地建造逻辑模块。只需将模块向上下左右4个方向扩张，就能完成芯片规模的扩张。[插图]
• 相对于死板的ASIC，FPGA充分地发挥了灵活性的优势，因为客户能将逻辑关系输入其中，并配置成任何自己想要的功能。当客户需要小规模地试验一个想法时，他们会尝试FPGA。当通信和网络领域的客户面对不断变化的标准时，他们也会尝试FPGA。近年来，随着人工智能的发展，FPGA又找到了新的应用场景。

 08 记忆的黏合，存储芯片

• 尽管用硅存储信息的历史只有短短几十年，但是目前地球上一年新增的信息存储量远超人类在过去几千年中存储信息的总和。硅的记忆不会完全替代大脑的记忆，但是存储在硅中的记忆不会被时光冲淡，它会在未来的某个时刻重新激活已被我们的大脑遗忘的往事和记忆。
• 进入20世纪，人类通过磁留下痕迹——磁带、磁条（银行卡）、磁盘（软盘）和机械硬盘（巨磁阻效应）。磁存储稳定耐久、成本低廉，在相当长的时间里是使用范围最广泛的存储方式。
• 新颖的发明往往会因为其显而易见的效果而立刻受到世人的追捧，而极其新颖的发明则相反，它们的理念太过超前了，很难在短期内被世人接受，最终落得个被雪藏的命运。
• 到了80年代，日本厂商后发制人。日本的半导体技术虽然落后于美国，不过DRAM内部结构规整，比CPU容易设计和制造，而且日本人擅长控制品质，DRAM在日本得到了迅猛发展。1976年，日本以举国之力设立了VLSI联合研发体攻关芯片技术，到80年代进入了爆发期。1985年，日本DRAM厂商横扫全世界，全球市场占有率达到了65%。
• 1986年，几乎所有美国公司都退出了DRAM市场，仅有美光科技有限公司(Micron Technology, Inc.)幸存下来。1985年，美日贸易摩擦加剧，美国主导并迫使日本签署了《广场协议》，致使日元大幅升值。同时，美国发起对日本产品的反倾销诉讼，导致日本DRAM性价比下降，市场被蚕食，产业逐渐衰落。到了90年代，个人计算机开始兴起，韩国公司趁势崛起，1996年，三星公司率先推出了第一款1G容量的DRAM。2000年，世界上规模排名前五的DRAM公司中，韩国的三星公司和现代集团(Hyundai)分列第一和第三。到了21世纪，DRAM的厂家经过不断地并购，最终只剩下三家较大的：韩国的三星与海力士，以及美国的美光，形成鼎足之势。
• 又一次，贝尔实验室的魔咒降临了，这里有世界上最优秀的人才、最宽松的研究氛围、最前沿的思想，然而领导层一次又一次地将这些绝妙的点子扼杀在摇篮里。
• [插图]图8-8 带有一个紫外线擦除窗口的EPROM
• 1984年，摩尔接受采访时说：“回溯历史，在微处理器产业发展的过程中，EPROM的重要性其实和CPU不相上下，我很高兴它们是同步发展起来的。”

 09 知而行之，模拟世界的芯片

• 在1947年贝尔实验室的巴丁、布拉顿和肖克利发明晶体管后不久，香农在1948年发表了《通信的数学理论》(A Mathematical Theory of Communication)，由此奠定了现代信息论的基石。同样在1947年，美国电话电报公司旗下贝尔实验室的杨(Rae Young)和道格拉斯·瑞因(Douglas Ring)创造性地提出了蜂窝移动通信的构想，一举解决了移动基站功率大、频谱占用效率低下等问题，蜂窝移动通信也成为后来的1G、2G乃至5G通信都在使用的基本通信模式。[插图]
• 直到1983年，美国联邦通信委员会才开始颁发蜂窝移动电话业务执照，开启了后来被人们称为1G的第一代无线通信时代。
• 凭借1G通信技术，摩托罗拉公司成了通信界的霸主
• 到了20世纪90年代，业界能将接收和发射部分全部集成在一颗单一的芯片上。在2G通信制式领域，欧洲的诺基亚、爱立信和美国高通公司兴起，但他们提出的全球移动通信系统（简称GSM）和码分多址（简称CDMA）互不兼容。
• 到了2008年的3G时代，移动通信被分配了更多的频谱，拥有更大的带宽，使得手机能够上网浏览、收发邮件。
• 摩托罗拉公司在2G出现以后仍迷恋于1G通信，进入3G时代后更是被时代所抛弃，分拆后的摩托罗拉移动公司于2012年被谷歌收购。从3G通信开始，中国的华为、中兴公司在无线通信领域开始与世界同步。
• 在4G时代，世界移动通信的舞台上只剩下了5家公司：华为、中兴、爱立信、诺基亚-西门子和阿尔卡特-朗讯(Alcatel-Lucent)。

 10 迅电流光，光电器件（上）

• 捕捉阳光并将其转换为电力的是一种半导体光电器件，捕捉星光并将其变成宇宙图像的是另一种半导体光电器件。
• 半导体捕捉光子生成电流，用来发电、成像，反过来，电流也可以驱动半导体发出光子提供照明，两者是一枚硬币的两面，我们称之为“光电子技术”。
• 1941年，人类首次认识到半导体PN结能让太阳能电池的应用成为可能。贝尔实验室的奥尔观测到，光照到硅上的PN结时，就产生了光电流[插图]。
• 太阳能电池就是由一个P型半导体和一个N型半导体组成的PN结，光照射在PN结上时会激发出成对的电子和空穴，而PN结上的电场则会把它们拆散，继而使电子和空穴朝不同的方向流动，产生电流和电压
• 在硅太阳能电池中，光子的能量可以将PN结中的电子与空穴拆开，形成电流，从而发电。而在LED中，电流流过PN结时，电子会与空穴相遇并复合湮灭，使多余的能量以光的形式释放出来

 11 点亮东西方，光电器件（下）

• 1962年，LED的色彩家族中有了第一种颜色——红色。实际上，何伦亚克不只是发明了红光LED，他还开创了一条制作其他颜色LED的通用道路——合金之路。[插图]沿着这条道路，人们只要不断地尝试着在III/V族化合物中加入不同元素以形成新的合金，就有可能做出黄光LED甚至蓝光LED。[插图]

 12 破除悖论，芯片设计

• 做一个面包板电路来验证纸笔计算的效果。但是如果电路越来越复杂，这种方法也会较为麻烦。
• 1971年，在费城举办的国际固态电路大会上，罗勒发表了第一篇介绍SPICE的文章。1973年4月举办的第十六届中西部电路理论会议(Midwest Symposium on Circuit Theory)上，彼得森教授正式发布了SPICE，第一个开源电路仿真程序由此诞生。[插图]
• 加州理工学院的卡弗·米德最早意识到了这个问题：芯片的设计时间也将随着摩尔定律预计的元件数量翻倍不断地翻倍，它将因自己的规模增长而陷入停滞。这显然是让人无法接受的。米德发现，已有的设计方法都不能解决这个问题，业界急需一种自动绘制版图的方法，否则芯片规模的增长将被设计瓶颈所阻碍。
• 如果说原理图是房子草图，那么版图就是详细施工图纸。电路原理图中只画出了晶体管之间的连接关系；而版图有着丰富的细节，包含各种晶体管的尺寸、间距等。
• IBM公司研究中心的主任向康韦颁发了终身成就奖，“是她为我们今天设计电脑芯片铺平了道路，并且永远改变了微电子、电子设备和我们的生活”。
• 一个由4个晶体管组成的“与非门”电路的版图，需要包含栅长、线宽等细节。经过第一层抽象后，就只剩下了呈现内部晶体管连接关系的原理图。再经过进一步抽象，就只剩下了只包含外部接口的逻辑模块，接着就能抽象成为逻辑语言符号。最后，我们的抽象之旅就抵达了终点：硬件描述语言（简称HDL）的一行代码。有了硬件描述语言，人们才能设计出更复杂的芯片，突破设计者在电路图上能画出来的最大极限，从而推动芯片规模按照摩尔定律继续扩大。
• 世界上约有6500种人类语言，然而芯片设计使用的硬件描述语言用一只手就数得过来，其中使用最广泛的是Verilog。而发明Verilog的就是菲尔·摩比。
• 20世纪六七十年代的芯片设计者一定很惊讶，现在的数字芯片竟然是用代码设计出来的！
• EDA的发展史就是一部吞并史，这是一场从未停歇的盛宴，已经上演了几十年
• EDA技术非常复杂，既包括原理图、逻辑综合等前端设计，又包括物理版图等后端设计，一家公司不可能在短时间内将全流程的设计工具都开发出来，于是EDA公司合并的大幕就拉开了。
• 一旦有了从前端到后端的全流程EDA工具，像苹果这样的系统公司就完全可以自己从头到尾快速设计出一款芯片，从2010年开始，苹果公司自行设计了第一款手机芯片A4
• 这些系统公司更理解客户的需求，因而它们可以绕过芯片设计公司自行设计芯片，彻底地改变了英特尔公司等传统CPU厂商主导的芯片设计生态
• 我们可以将电路IP理解为文档的模板。早在20世纪80年代，VLSI技术公司的EDA部门创建了许多标准单元库。但每次从头设计电路非常耗费人力，于是设计公司开始将一些标准化的接口电路、通信电路等打包变成了一个个标准模块，这样就可以反复使用，或者将其卖给需要的公司，这时标准电路IP出现了。这种数字形式的IP可以是版图或电路网表，用户拿到后可直接使用或在稍微修改一下后使用。
• 随着芯片功能进一步扩大，片上系统（简称SoC）出现了，它可以将各种功能（信号放大、模数转换、数字处理等）集成在一起。芯片设计公司将主要精力放在了差异化功能的开发上，因其可以从别处购买并直接使用标准化功能的IP模块。
• 现在世界上最大的集成电路IP公司是安谋（简称ARM），它将ARM处理器内核做成标准模块，授权给其他公司。[插图]全世界几十亿部手机、平板电脑上安装的都是ARM处理器。
• 回顾过去几十年的芯片设计发展趋势，一条明显的路径是，硬件不断地“软件化”，软件持续地“开源化”。从20世纪60年代到80年代，DRAM问世、CPU诞生、SPICE发布、VLSI设计方法提出、Verilog语言发明、安谋芯片问世、FPGA芯片出现，芯片设计方法与高性能芯片交替接力更新，使得芯片设计跟上了摩尔定律预言的发展节奏。随着人们将设计步骤一点点地从图纸转移到了电脑上，一个“闭环”逐渐形成：手工设计的芯片构成了电脑，电脑设计出更强大的芯片，更强大的芯片则组成了更强大的电脑……最终促进了芯片行业不可或缺的EDA产业的发展。
• 手工设计芯片的过程有点像设计房子的水电管路，芯片对应于房子，门电路对应于房间，互连线对应于水电管路。
• 算法会选择最优线路，使得芯片面积最小、传输时延最短、功耗最低。

 13 精雕细刻，芯片制造

• 隐约出现了一种趋势——芯片设计与制造的分离。为这种分离提供动力的是无形的EDA工具和有形的代工厂，前者将创意从坚硬的硅片中释放出来，变成轻盈的字符，而后者则推动了先进技术跨越传统制造的极限。
• 李国鼎被誉为“中国台湾科技教父”，制定了台湾地区的科技发展策略，
• 张忠谋想起在德州仪器公司期间读过的卡弗·米德于1979年写的一本书[插图]，作者在书中断言，芯片设计应该跟制造分离。也就是说，当设计独立出来时，应当有与之配套的制造企业。
• 飞利浦公司在半导体行业里算不上顶尖，就在一年前，飞利浦还创办了一家制造光刻机的小型合资公司阿斯麦尔（先进半导体材料光刻公司）。
• 经过两年筹备，56岁的张忠谋于1987年创建了世界上第一家纯晶圆代工厂——台积电公司。
• 有了EDA工具，无厂设计公司和系统公司就能自行完成设计，将版图发给台积电公司，然后等着收货就好了。一个简洁的产业链条就这样诞生了。它绕过了专用芯片设计公司，也绕过了传统半导体制造公司，让客户和芯片成品之间只剩下最短的一跳。
• 在成本压力之下，不断有半导体大公司退出芯片制造领域，转成了无厂模式。
• 在芯片的130纳米时代，全球有22家半导体公司有最先进的晶圆厂；而到了22纳米时代，全球只剩下7家半导体公司有最先进的晶圆厂：英特尔、三星、IBM、台积电、格罗方德、联华电子和中芯国际。[插图]到7纳米时，只剩下台积电、三星和英特尔。2020年5纳米芯片量产时，赛道上只剩下了台积电和三星。[插图]
• 没有人预计到，在全球集成电路份额方面，代工厂所占比例从1987年的0%增加到了2020年的84%，[插图]完全碾压了传统的半导体垂直整合制造厂商。
• 光阻剂里有一种化学物质，对光照，尤其是短波长的紫外线很敏感。受到照射时，光阻剂发生化学反应而变硬，不会被后续的酸液腐蚀，可以保护其下的铝质机翼。
• [插图]图13-2 利用光形成特定图案的原
• 晶体管尺寸的不断缩小，对光刻技术提出了新的要求。到了2002年，光刻技术的最短光波长缩短到了193纳米。下一代光刻机的波长规划为157纳米，但遇到了很棘手的问题。157纳米的紫外光在空气中被氧分子吸收，无法有效地照射到晶圆上。摩尔定律再一次遇到了挫折！这时，台积电公司的光刻专家林本坚（Burn-Jeng Lin，见图13-5）出手了。[插图]图13-5 林本坚
• [插图]此后一年多，林本坚在世界各地飞来飞去，去荷兰、德国、美国和日本作报告，说服厂商加入浸没式光刻系统的研发。他说，只需在镜头和晶圆片之间敷上一层薄薄的超纯水就可以，而超纯水是晶圆厂最常用的材料。荷兰光刻机制造公司阿斯麦尔听从了林本坚的建议，开始研发浸没式光刻机。2003年10月，阿斯麦尔给林本坚展示了用浸没式光刻系统做出来的晶圆，效果很好。从45纳米工艺节点开始，全球就开始切换到了浸没式光刻技术，一直到7纳米工艺节点，将摩尔定律成功推进了7代。到2012年，台积电公司47%的收入是通过浸没式光刻机生产的芯片获得的。2017年，阿斯麦尔的收入中有74%来自浸没式光刻机。阿斯麦尔也成长为光刻机的行业“领头羊”。
• 从22纳米开始，14纳米、10纳米、7纳米、5纳米和3纳米[插图]，整整六代工艺都是FinFET器件在支撑。[插图]英特尔公司称FinFET是过去50多年来半导体技术最深刻的变革。[插图]胡正明先后获得了2014年美国技术创新奖和2020年美国电气与电子工程师协会最高荣誉奖，他被誉为“FinFET之父”。[插图]
• 芯片制造最大的突破之一在于光刻技术的发明。

 14 全方位挑战，不只是芯片

• 坦率地说，业界宣称的所谓10纳米、5纳米“技术节点”都不是真实的，对应的晶体管中根本没有任何一个特征尺寸是10纳米或5纳米。例如，在台积电公司的“10纳米工艺节点”中，晶体管的栅间距为66纳米，而金属间距是44纳米，即使是它的一半也有22纳米，远远大于半导体厂商“虚标”的10纳米！如果真的像半导体厂商宣称的那样，未来几年的工艺节点将推进到1纳米甚至0.5纳米，届时又会是一番怎样的情景呢？要知道，硅晶体中相邻原子的间距是0.5纳米，届时晶体管将只有硅原子间距那么大。在这么小的尺寸下，海森堡不确定性原理将起作用，原本确定的0和1之间的界限将变得模糊，晶体管开关将彻底失效，而其上的计算芯片大厦也将轰然倒塌！
• [插图]图14-1 晶体管栅长和技术节点随年份的变化注：晶体管栅长的缩减速度先加快，再放缓，现在的晶体管栅长实际远大于技术节点宣称的尺寸。[插图]，[插图]
• ，所有人都已经习惯将栅长当作技术节点，他们没法接受技术节点停止更新。于是，半导体厂商一不做二不休，不论栅长实际上缩短了多少，都将现有技术节点乘以0.7作为下一代的节点名称。例如，65纳米的下一代是45纳米，再下一代是32纳米。一直到10纳米、7纳米、5纳米和未来的3纳米、2纳米，都是按照这种“逻辑”来命名的。
• 在洛克定律[插图]的作用下，芯片制造成本每四年翻一倍。晶圆厂的创办成本从20世纪60年代的几百万美元飙升到了21世纪第一个十年的上百亿美元。
• 如果把晶体管比作粮食，我们可以参考解决粮食危机的方法，来说明应对芯片挑战的三种思路。第一，最直接的就是继续提升主要粮食的单位面积产量，这对应于提高芯片中晶体管的密度，这被称为“延续摩尔”(More Moore)。第二，是扩展其他粮食种类，提高丰富程度，这意味着除了CPU、内存等数字芯片之外，还要大力拓展模拟、射频、电源、显示、柔性芯片等的用途，以及通过3D芯片将各种功能集成在一起，这叫作“扩展摩尔”(More than Moore)。第三，也是最长远的，是开发全新的粮食品种，这对应于探索MOS场效晶体管以外的新型晶体管，例如碳纳米管场效晶体管（简称CNTFET或CNFET）、阻变式存储器（简称RRAM）、相变随机存取存储器（简称PCRAM）、隧穿场效晶体管（简称TFET）等，这条路径叫作“超越摩尔”(Beyond Moore)。
• 尽管有了好的晶体管结构设计，但能否将其制造出来则又是另外一回事。制造晶体管的最大瓶颈仍然是光刻机。光源为193纳米的浸没式光刻机可以加工的最小栅间距约为34纳米。要知道，193纳米的紫外光（经过水折射后变成134纳米）本身无法用来加工这么小的尺寸，它需要经过多次曝光，分次加工线条的不同边缘，才能达到所需的精度。然而，加工尺寸越小，紫外光进行多重曝光所需的掩模版数量也就越多，到了7纳米技术节点就需要几十层掩模版。掩模版越多，加工步骤越多，所花费的成本和时间也就越多。10纳米工艺制造的晶圆比14纳米工艺制造的晶圆贵了32%，而在7纳米的技术节点又比10纳米贵了14%。[插图]如果到5纳米技术节点时再不采用下一代EUV光刻机，光刻所需的步骤将达到100多步。
• EUV光刻机（见图14-4）的光源波长是13.5纳米，仅为浸没式光刻机的1/10，是解决这一问题的希望。然而，EUV光刻机的问世时间却一次次地推迟。
• 经过多次延迟，阿斯麦尔公司最终克服了难以想象的困难，制造出了人类历史上最精密的光刻机，每台成本高达2亿美元。
• 然而，EUV光刻机很快也将达到极限。IRDS预计，2028年半节距将达到极限的8纳米[插图]。[插图]那将会是“悬崖边缘”，再往前就是量子力学的不确定性统治的世界了。当光刻精度达到极限后，晶体管尺寸将无法继续缩减。
• 彻底解决“内存墙”问题的方法是改变CPU从内存中调取数据的方式，不再以计算单元为中心，而改为以存储为中心，发展计算、存储一体的“存内计算”。这种全新的计算机架构有可能改变“80岁高龄”的冯·诺伊曼计算机架构的统治地位。
• 1958年到1959年基尔比和诺伊斯发明集成电路时，他们分别解决了集成和互连的问题。现在60多年过去了，我们仍然走在追求如何更好地集成和互连的路上。集成的方式从平面走向了三维，从单芯片走向了多芯片，从单一电路互连走向了数字、模拟、射频、传感器等多种电路的集成，从硅集成走向了硅、碳、锗等元素的共同集成，从平面互连走向了立体互连。
• 如果说芯片产业是一棵大树，那么这棵大树起源于一颗很小的种子。这棵树的根是物理、化学和材料等基础学科，树干是半导体技术，各种器件和芯片组成了它的枝叶，这棵树不断地向上、向外扩展。我们现在已经抵达高高的树冠。微风拂过，细枝颤动，在枝丫的末端，最新的嫩芽刚刚萌发。
• 为了生长，大树需要将水分和养料从根部“泵”到如此高的枝头，同时它还需要在地下朝着几乎与树冠相近的深度继续扎根下去。芯片产业也是如此，它也要向更深的基础科学扎根，吸取养分；而有创意的应用会在顶端萌芽冒出，带动下面的营养物质向上输送。
• 制造芯片要消耗大量的水和电力，每制造一颗芯片，需要消耗一加仑（约3.8升）的水。
• 如果我们不对微电子器件的功耗做出改善，那么到2030年，全世界1/4的电力将消耗在各种微电子器件上。而考虑到目前全球的电力仍主要由化石燃料供应，这将对碳排放控制造成巨大的压力。
• 在20世纪70年代到90年代，半导体技术节点的定义为晶体管的半节距
• 半导体厂商只需用一个参数就能反映出晶体管的密集程度和开关速度，那就是栅间的节距(CGP)，业界用这个数值的一半——半节距，定义技术节点。
• 到了20世纪90年代，半导体厂商发现，如果书架的厚度和空档宽度差不多，那么书架厚度就近似等于书架间隔的一半。如果类似的假设成立，那么晶体管中的栅长就近似等于栅极间隔的一半，即半节距。于是，半导体厂商用栅长替换了半节距，作为对技术节点的定义。