“预测未来最好的办法，便是把它发明出来。”4月20日，资深芯片研究专家，《芯片简史》作者汪波教授在湛庐2024天下读书日活动上这样总结芯片出身对人类发展的巨大影响力。
而在此前4月19日，《芯片简史》荣获第十九届文津图书奖科普类图书，文津奖组委会这样评价《芯片简史》：“作者不辞艰辛地梳理和呈现了芯片发明与发展的进程，详细地讲述了一群叛逆者打破传统，不断创新的故事。”
芯片的过去，我们才能看到芯片的未来。人工智能的飞速发展，也对芯片提出了更多的、更大的哀求，芯片未来又将面临什么样的寻衅？我们整理了汪波教授在湛庐2024天下读书日活动上演讲，分享给大家。
作者：汪波 出版韶光：2023年4月 出品：湛庐文化/浙江教诲出版社
从图书的视角看芯片
我们都知道一本书是由很多书页来组成的，每一个书页上面又有很多的笔墨。类似的，一颗芯片是由一大张硅晶圆组成的，大概有比萨那么大。那把它加工好之后，我们把它切成很多很多的小方块，便是每一颗的芯片，类似这个样子，那芯片还不是终极的构成单位，比它更小的一个单元叫做晶体管。芯片上有很多晶体管，那晶体管有什么功能呢？只有两个最基本的功能，一个是作为开关，来实现0和1，或者是作为旗子暗记放大器，就像我们有一个麦克风一样，把这个旗子暗记来放大，就可以用于通信。有了晶体管，才有了我们信息时期的打算机、互联网、无线通信等。
芯片和书本的相似之处在于，它们都是首先把一个想法变成了一个版式或者版图，或者我们书本的排版，然后接下来用光照的办法，把它“印刷”到这个介质上。光刻机制造实在是一种化学印刷，那这种介质硅晶圆就像纸张。
除了这些之外，芯片和书本实在还有一些相似点，大家可以打开一下脑洞去想象一下，比方说字符。我们可以缩小它的字号，那晶体管也是类似的，我们可以逐渐缩小它的尺寸。字的字体可以改变，晶体管的样式也可以改变，让它速率更快，或者让它功耗更低，等等。那除此之外还有很多很多，这里大略的把它列出来，大家可以看一下。
那我相信在现场有很多听众，比如说出版职员，对这些词会非常熟习：校正、行距。印刷就相称于我们芯片制造中的光刻，末了的步骤是把它封装起来，就像把书装订起来。
晶体管尺寸缩小之后
我们刚才提到，晶体管会越来越小，那逐渐变小之后有什么变革吗？下面这张图里面显示的是晶体管的尺寸，从最初的几十微米缩减到本日的3纳米，图中最大的、紫色的圆代表直径为10微米，我们的一根头发丝大概是50微米。然后它不断地缩小，到1微米，然后0.1微米，然后是0.01 微米……缩减到这个图里面最小的那个点，就比这个HIV病毒的直径还要小。
换句话说，通过我们的光学显微镜，无论多么前辈的光学显微镜都看不到，由于可见光的波长最多是400纳米。而现在我们的芯片只有几十个纳米。那晶体管尺寸变小之后有带来若何巨大的变革呢？就在一颗芯片上可以塞进更多的晶体管，就像一个书页上可以塞进更多的笔墨一样。举一个详细的例子，在这张图的一个左下角，是1971年发明的第一颗CPU芯片，它上面只有2250个晶体管，那它利用的尺寸是10微米，也便是一万纳米。
随着时期的进步，有了更小的晶体管之后，就有了PC机，有了第一台条记本电脑，第一个iPod，第一台iPhone。
2024年3月，英伟达发布了 B200 GPU芯片，上面有2080亿个晶体管，比1971年增加了1亿倍，它的尺寸缩小到4纳米。比一万纳米缩小了2000多倍。换句话说，一个10微米的芯片大小是一头长6米的亚洲象，那么本日的晶体管就只有一只蚂蚁那么大。
芯片的发展与人工智能的发展密切干系
最近几年，大家都知道，芯片成了大家关注的一个热点，有很多干系的新闻事宜引起了广泛的关注，包括华为被列入到实体名单，EUV的光刻机没法出口到中国，还有在疫情期间，我们的很多的汽车厂商由于短缺芯片被迫减产乃至停产等。尤其引人瞩目的便是ChatGPT的发布。2022年底，ChatGPT发布。
下图左上角展示的是ChatGPT网站的访问量的变革：
右下角展示的是英伟达股票的一个变革曲线。
比拟一下就会创造，这两条曲线都是向上增加的一个趋势，换句话说存在正干系性，那为什么英伟达这家公司的股票会跟ChatGPT的曲线干系？由于这家公司做的是GPU，便是用于构建人工智能的一款处理器。
有了ChatPGT，有了非常强大的GPU芯片的加持，我们就可以做出更加超越想象的东西，比方说人形机器人，它可以理解人的话语，乃至能够通过理解物理天下来做出精确的反应，以是我们自然而然就会问一个问题，我们距离奇点是不是更近了？
为什么芯片跟人工智能如此密切干系，大略说来，芯片可以为人工智能供应巨大的算力，也便是强大的打算能力。目前供应算力的紧张是GPU芯片，它比我们传统的CPU芯片的打算能力更强，由于它投入了90%以上的资源用于打算，而CPU只投入了25%的资源，而且GPU是并行的打算。
芯片发展简史及芯片未来面临的寻衅
人工智能如今这么快速的发展，也对芯片提出了更多的、更大的哀求，而芯片家当现在面临一些更大的寻衅，详细来说便是三堵墙，一堵墙叫做内存墙，便是当CPU去存储数据的时候，它要翻过一堵高墙，速率非常的慢；第二堵墙叫做功耗墙，怎么理解，便是英伟达发布的GPU芯片，它用的制冷办法是水冷，而不是通过空气对流来散热。为什么须要水冷？由于它运行中会产生很多的热量，而热量散发不出去，现在我们芯片上的热密度已经达到乃至超过了火箭喷射口的热密度，我们目前还没有找到办理的办法。如果再连续下去，芯片就会被自己产生的热量烧毁。第三堵墙是频率墙，已经有几十年芯片的CPU的频率没有再连续增加了。
在芯片出身之前，实在只有一种非常笨重的器件叫做真空管，它是由灯泡改造而来的，大家都知道，灯泡非常大，而且表面是玻璃做的，非常薄弱。以是第一个由真空牵制成的打算机体积非常弘大。那直到1947年，贝尔实验室的三个科学家发明了晶体管，它的尺寸远远比真空管要小，而且更加可靠，由于它没有一个所谓的玻璃罩，它能实现刚才我说的两个基本的功能，一个是放大旗子暗记，其余一个是作为开关：0和1。
但是随着晶体管的数量越来越多，又产生了新的问题，这些晶体管在一个电路里面要怎么互联起来，怎么把它组装起来，人们找不到办理方法。10年之后，基尔比想到了一个主张，他想把所有的晶体管原件都集成在一个硅的基座上面，就可以让这个体积更小，但是它还没有办理其余一个问题，便是这些晶体管怎么互联起来。而其余一个工程师诺伊斯，想到了一个方法来办理元件互联的问题，以是我们本日认为是基尔比和诺伊斯共同发明了芯片。
芯片发明出来之后，芯片上的元件数量就不断增加，到了1965年，便是7年之后，摩尔受邀写一篇文章，他总结了过去几年芯片发展的规律，创造每过一年，芯片上的元件数量就翻一倍，非常大略的一个规律，以是他就写成一篇文章揭橥出来了。这便是摩尔定律最初的一个表述，非常大略的一个定义。一开始是1，然后是2、4、8、16……这样逐渐翻倍。一开始的数量非常小，但这个发展的速率是指数倍的，到了40年、50年之后，这个数字将变得非常弘大。芯片家当发展的脚步是一贯按照摩尔定律来向前推进的。
1957年，仙童半导体公司成立了，这是一家伟大的公司，同时也是一家管理失落败的公司，很多员工跳槽出去，在周围创办新的企业，从之前的公司分解出大约400家企业。他们所在的地点便是本日的硅谷，以是就有了我们本日这些人工智能、互联网，也包括芯片领域这些最前辈的公司。
如果我们大略总结一下芯片的发展规律，可以用一棵树来表达出来，最开始是根本的学科，量子力学的发展，然后经由这个出身了晶体管，然后又出身了芯片，芯片又按照摩尔定律在不断发展，个中一个范例的代表便是CPU或者处理器芯片，然后有了我们的打算机等。还有一个便是存储，有了我们的flash，其余一方面便是跟我们的通信——放大旗子暗记有关的，有了无线通信的这些芯片，此外还有各种传感类芯片，包括我们的智好手表等上面利用的芯片。还有一个很主要便是新能源汽车上面用来驱动汽车，把电池的能量转换成电力来驱动的，叫做功率芯片。
末了一种，也是我们每天都在用的，便是光电类芯片，用于手机拍照，用于光伏发电。（我以为大自然对人类非常的年夜方，而人类也非常幸运得到了硅这种半导体材料，这种材料分布非常广泛，而且它居然可以有这么多功能，可以放大旗子暗记，又可以作为开关，乃至还能捕捉光的旗子暗记——把它变成一个一个的像素点保存下来，变成我们的照片。）末了一个便是反过来把电旗子暗记转换成光，以是有了LED的照明和显示，这些都是基于芯片技能发展起来的。
回顾芯片的历史，它便是一部创新的历史，同时也是一部叛逆的历史，由于当初很多的想法都是被传统的势力打压，然后他们打破了这些打压才走到了本日。本日我们又面临新的寻衅，首先是芯片里面的晶体管的尺寸已经逼近了物理的极限，我们讲到3纳米，未来还有可能1纳米，0.5纳米，在这么小的尺寸下，我们要非常短波长的光刻机来才能制造出来这些芯片。
其余一个寻衅便是，即便我们制造出这么小的晶体管，可能它也没法正常事情，由于它还受到其余一个物理极限的影响，便是隧穿效应，当晶体管非常非常小，只有原子尺寸的时候，电子就能从晶体管中逃逸出来，就像穿透一堵墙一样，让晶体管失落效，这样我们保存的照片数据就会自动消逝。
当然现在科学家还在只管即便想各种方法来办理这些问题，包括利用新的材料，比如硅以外的材料，比方说碳基的晶体管，比如说氧化物的晶体管，仿照人脑神经元的事情事理的晶体管，等等。除了芯片领域本身的这些寻衅，我们还面临着很多更大范围内的寻衅，比如景象变暖、人口的老龄化以及电力资源的短缺。我们可能会问，用手机充点电就会导致电力资源短缺吗？还真有可能，有一个数据是，演习一次AI大模型，须要花费2亿度电。有一种说法是，“所有的transformer要花费掉所有的transformer”。
第一个transformer指的是大模型，第二个transformer指的是变压器，便是我们的电力。除了这些技能方面的寻衅之外，还有很多在技能以外的，国与国之间的这种竞争，供应链短缺，等等。这些在过去几年中都发生过，也是我想要写这样一本关于芯片的书的缘故原由，想要给大家去讲述芯片是怎么回事，然后它是如何出身并且改变天下的。
结束语
芯片跟书本还有一个共同点，那便是一旦付印就没法再去修正。我们的书本一旦印出来就没法修正，芯片也是，以是这就哀求我们在付印之前不断地去打磨它，修订它，把它只管即便做到完善。在这个过程中非常感谢湛庐及浙江教诲社的编辑，他们非常负责地校正，核对每一个数据、每一个人名，每一个专业术语。当然也感谢行距文化的老师，在我写作的初期跟我一起谈论写作的方向。
在这本书出版往后，很多的媒体来帮忙宣扬，比方说像腾讯新闻“芯事重重”专栏，我们对一些芯片的热点问题展开了一些解读，以帮助大家更好地理解目前发生的这些新闻，芯片方面的事宜与我们的关联，有利于"大众年夜众更好地理解芯片家当。
末了，回到大会的主题，奇点是不是很快就要来临，很难去预测，但是有一句话，《芯片简史》里面也有提到，那便是预测未来最好的办法，便是把它发明出来。
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