從2千到200億：晶片技術到底怎樣改變世界

最近這一段時間，很多人對晶片都不陌生，川普為全民科普了晶片，到底什麼是晶片？它怎麼樣改變我們這個世界？

從柯達公司的衰落，我們可以看到晶片的顛覆性。

柯達公司是做膠捲的，1881年美國人成立了一個公司，主要用乳膠塗布機生產攝影用於干版，當這個公司發展到一百年的時候，它的銷售額是一百億美金。

上世紀90年代，全球十大品牌里，柯達排第四位，1997年它的市值310億美元。

但是，僅僅15年過去，2012年的1月份，它就提出了破產的申請，2013年，美國聯邦法院批准了破產申請，它變成一家小型的數碼影像公司，現在它的市值只有1.75億美元。

導致柯達公司這樣大的公司，一下子迅速衰落的根本原因是什麼？就是CMOS圖像傳感晶片，由於它的發明，使得我們不需要膠捲，只需要一個感光二極體，產生電荷，被採集下來識別感光的量，我們就可以得到一個圖像。

因為這一技術的發明，使得全球第四大品牌公司衰落。

最諷刺之處就是，發明這一技術的就是柯達公司本身，但它害怕影響膠捲銷量，所以不肯產業化。

後來因為技術不斷進步，尤其隨著微電子技術不斷的發展，在這個原理上新的晶片技術不斷發展，被其它公司很快掌握了，最早比較好的公司就是索尼。

我們現在每個人手機裡面的攝像，都是靠CMOS的圖像傳感器，就是這樣一個晶片，所以我們現在不需要帶相機了。

晶片的發明，徹底顛覆了照相這樣一個產業。

其實還有很多例子，我們讀大學玩電腦需要拿一個很大的磁碟，後來變成小的，現在也沒有了，我們現在有很方便的U盤，這都得益於晶片把這個行業顛覆了，包括磁帶也不用了，現在有MP3，很多都非常方便。

那麼晶片是什麼？

晶片就是以集成電路為核心的電子技術，它是在電子元器件小型化、微型化過程中發展起來的。

上世紀初，一戰時發明了電子管，二戰結束時變成電晶體。

電子管和電晶體最大的區別是電子管是真空的，它的體積大，功率也很大。

電晶體固態的，由半導體來做的，把電晶體變成集成電路，是上世紀50年代初的事，後來發展為大規模集成電路，現在我們的超大規模集成電路，就是從上個世紀70年代開始發展的。

電子管是一個真空二極體，相當於一個整流作用。

真空二極體到三極體，又有一個很大的突破，三極體具有放大電信號的作用，真空三極體的發明，開啟了電子時代的大門。

因為我們除了有整流，還可以放大信號。

所以它才為我們後面的通訊、廣播、電視、計算機等一系列的系統應用，奠定了基礎。

第一個用電子管做出來的計算機是什麼樣子的？1946年，全球第一台電子計算機，生產於賓夕法尼亞大學，叫ENIAC，它由18000多個電子管組成，占地167平方米，重量30噸，幾乎有半個籃球場那麼大，但是他每年計算能力是五千次加法。

現在任意手機晶片的計算能力差不多是每秒幾十億次。

更不用說現在全世界超級計算機的CPU，可以達到每秒幾萬次的運算。

之所以手機晶片，運算能力這麼強，是因為電晶體的發明，主要依靠三個科學家，肖克利、巴丁、布拉頓，他們研製出了一個點接觸型鍺電晶體，他們也因此在這項發明誕生的十年後獲得了諾貝爾物理獎。

電晶體就是用小巧的低功耗的固體器件，代替原來體積大，功耗大的電子管。

它的發明為集成電路奠定了基礎。

1958年，美國德州電器公司的工程師傑克·基爾比，成功地將包括鍺電晶體在內的五個元器件集成在一起，四十多年之後，他也獲得了諾貝爾獎。

晶片的發明需要提到另外一個人。

在仙童公司有一個叫做羅伯特·諾伊斯的科學家，他發明出二氧化矽作為屏蔽層的隔離技術，這才是真正適合集成電路大規模生產的工藝。

他是世界上第一個做出矽屏蔽的擴散技術。

他創辦了美國矽谷兩個非常偉大的公司，一個是仙童公司，仙童公司是半導體行業的黃浦軍校，另外一個是創辦了因特爾公司，因特爾在三十年當中占領世界老大的位置，去年被三星搶走了。

集成電路是一個點石成金的行業，說它是印鈔機，因為它的效益非常高，投資回報率很高，但這得是世界最頂尖的公司，像因特爾、三星。

但另一方面，集成電路用矽來做，矽是我們用氧化矽還原成矽，原來是多晶矽變成單晶矽，在矽片經過幾百到上千道工藝的加工，製造成晶片。

晶片裡面有幾百上千的管芯，通過上面的分割，封裝前切割好，也可以封裝之後再切割，封裝完之後做測試，最後可以拿給客戶來應用。

所以你可以看到在集成電路這個產業裡面，要什麼晶片，實際上是用戶說了算，設計公司根據用戶需求設計晶片，究竟要CPU晶片，還是手機機帶晶片，還是COM圖像晶片，這是用戶的需求。

設計公司設計出來以後，交給晶片製造企業製造出來，製造出來然後封裝、測試，最後變成成品，然後賣給用戶。

有一個例外是因特爾公司。

因特爾公司是專業化垂直分工，IDM的模式，因特爾公司是自己設計CPU，自己封裝設計，自己賣CPU。

台灣的台積電代工非常好，但是你在市場上看不到他的品牌產品，你可以看到蘋果，華為、海信的產品，但是好多都是在台積電生產製造的。

在製造過程中，很多設計需要設備和工具，製造也需要設備，製造的時候同時需要一些電子材料，最後封測的時候也需要一些電子儀器和原材料。

這裡需要一個EUV光刻機，裸機八億人民幣，加上它的服務、軟體控制，一台差不多在十億人民幣，如果是生產線，可能需要幾台，這個機器是最貴的。

最典型的，最高端的CPU，其實在因特爾，上個世紀七八十年代，他們還是一個小公司，但是他們已經把兩千多個電晶體放在一個集成電路裡面，叫做4004，這個4004其實可以用來做計算器，也可以跟外圍的電路結合起來，配一些存儲器，配一個顯示屏，可以形成一個電腦。

實際上後來IBM就是用這樣一個CPU，兩千多個電晶體的4004CPU，搭了一個全世界第一台微型計算機，這個計算機可以完成一些存儲指令。

它的運算能力和現在你花幾塊錢買一個小的計算器都沒有辦法相比，但是當時很先進。

最典型是1985年推出的80386晶片，它是X68系列中第一個32位微處理器，開始採用Windows作業系統，性能有一個大幅度的提升。

1989年時有486，集成了一百二十萬的電晶體。

2002年，已經有五千五百萬的電晶體。

2006年，已經也2.9億的電晶體在一個因特爾的CPU裡面。

今天因特爾在市面上可以買到最先進的CPU，實際上有60億個電晶體。

大家可以想像，這是一個多大的進步？這樣的進步，其實相當於我們在頭髮絲的截面上，做五十萬的電晶體。

所以集成電路的加工工藝代表了人類最高水平的加工工藝。

除了CPU晶片以外，第二大類主要的晶片就是存儲器，存儲器有兩類，一類叫DRAM，他是一個揮發性的存儲器。

第二類是Flash，非揮發性存儲器。

2017年，存儲器晶片是份額最大的集成電路產品。

因為全球晶片市場存儲器全部漲停。

Flash最早的器件是浮柵的器件，這是1967年在貝爾實驗室，他和韓裔科學家發明了浮柵型電晶體。

DRAM物理架構非常簡單，但是電容有一點麻煩，當電晶體尺寸不斷縮小，存儲電量變小，為了保持有電，就要不斷的刷新，然後功耗就會越來越大。

電晶體是1967年發明的，但真正U盤大規模是用在2002年使用，SSD、固態硬碟更晚一點。

它第一次被採用集成電路產品裡面更早，是上個世紀80年代末，索尼公司開發了一款遊戲產品，裡面用原來的存儲器速度跟不上，沒有辦法，採用了這個，那個時候非常昂貴，並沒有太多的應用。

至於應用和技術。

我們可以看到CPU的應用就是個人電腦，像最早的個人計算機，PC計算機，其實是由IBM發明的，它把各個接口、組件標準化，大家只要按照這個接口去組，每個人都可以組裝一個PC機。

當時IBM的PC機，為什麼叫PC，就是個人的電腦，就是這兩個字的縮寫，沒有今天這麼龐大的PC市場。

當然現在PC機的市場已經趨於飽和了，現在人手一個手機。

手機已經取代了平板、卡片機。

特斯拉說自己不是一個做汽車的公司，它說自己是IT公司，實際上汽車對它來講就是一個輪子、發動機、傳統的外殼，裡面主要是電子產品，可能有幾百、上千個晶片，本質上是一個IT的公司，因此我們說整個汽車現在的智能化，未來包括智能駕駛全部都靠晶片來運行。

晶片的應用會越來越廣泛，全球每年晶片的消費量是280億個，我們全球只有28億的家庭，相當於每一個家庭每年消費十個晶片。

我們消費類電子、智能家居，未來出差回來之後，一下飛機可以就想要家裡面，把燈打開，打開空調。

未來也可能和醫療相關，將來直接植入到人體裡面，還可以隨時監控身體各種各樣的狀況，你的血壓、心跳、各項指標，直接發出來，有非常非常多的應用，比如說航空、航天、高鐵，一系列高精尖的產品都會使用到它。

它的發展趨勢就是速度更快、功耗更低，存儲量更大，功能更強，成本更低，它的速度主要靠集成電路的尺寸越來越小。

集成電路的發展的摩爾定律，在晶片發展的過去五十多年，之前是每過24個月，現在是18個月，電晶體的速度增加一倍，性能提高一倍，這是高通摩爾提出來的。

尺寸一直在減小，相當於十納米的工藝，在頭髮絲的截面上，可以做出50萬個電晶體。

這裡面帶來了很多問題，這些問題靠誰來解決？一方面是工業界裡解決，其實很重要是靠研究人員來解決。

有三個有代表性的案例，全部來自於高校：

第一個是應變能技術，最原始的創新來自於MIT應變物理研究。

第二是高K柵介質，這是耶魯大學製造的，現在CPU45nm和28nm。

第三個技術來自於加州大學伯克利分校的胡正明教授，發明了Finfet，這是我們現在手機主流的技術。

復旦大學也有成果，半浮柵電晶體，這是新型的微電子器件，國際同行給予我們很高的評價，認為是高速的器件，極少的能耗。

我們希望在不久的將來，大家的手機和電腦裡面，都用上復旦大學的這個器件。

晶片無處不在，小到U盤、手機、電腦、電視，大到飛機、高鐵。

晶片技術代表人類製造最高的水平，沒有晶片，其實就沒有現在的生活，現在中國有四大發明，支撐這四大發明的就是晶片，晶片雖小，但被認為是大國重器。

作者：復旦大學教授 張衛

編輯：顧軍