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          芯片简史(芯片是如何诞生并改变世界的)

          • 定价: ¥149.9
          • ISBN:9787572254758
          • 开 本:16开 平装
          •  
          • 折扣:
          • 出版社:浙江教育
          • 页数:539页
          • 作者:汪波|责编:王晨儿
          • 立即节省:
          • 2023-04-01 第1版
          • 2023-04-01 第1次印刷
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          导语

            

              芯片战争的发起及由此引发的种种商业和政治摩擦将大众的目光聚焦到了芯片这样一个人们缺乏了解却又具有极端重要性的领域。
              芯片是什么,它从何时起被发明出来,又是如何一步步被广泛应用于现代社会,成为现代社会运转的原动力的?
              在推动芯片从实验室走向商业市场的过程中有过哪些伟大的发明家,他们又经历了怎样的艰辛探索?
              在摩尔定律即将失效的当下或未来,芯片的研发又将如何超越物理条件的限制,向更高/效、更快速、更低成本的方向迈进?
              对于这些问题,《芯片简史》给出了全面且细致的回答,这本书将是读者了解整个芯片发展史与芯片产业的最佳选择。

          内容提要

            

              全书完整呈现了芯片发明与发展的历程,从支撑芯片产业发展的量子力学讲起,逐渐发展到半导体物理学,进而催生了半导体器件,这些器件又由简到繁,像一颗发芽的种子,演化出了双极型晶体管、MOS场效晶体管、光电二极管等,并由此集成构造出了模拟芯片(通信和传感器芯片等)、数字芯片(CPU、存储器、FPGA等)和光电芯片等。最后,本书还展示了芯片设计方法和制造方法由手工到自动的发展过程,并指出了芯片未来面对的挑战和可能的解决路径。可以说,了解芯片,有这一本书就够了。

          媒体推荐

              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。如果你想了解芯片的前世今生,汪波博士的全新力作《芯片简史》是一本难得的好书。该书不仅梳理了芯片发展的脉络,还深入浅出地阐释了芯片发展历程中那些带有哲理且具有启发性的精彩瞬间。
              ——张兴  北京大学软件与微电子学院前院长
              芯片是人类历史上最伟大的发明之一,推动人类社会进入了信息时代。汪波老师凭借20多年在芯片领域的科研和教学经历以及深厚的文学功底,写成了这部《芯片简史》。该书对芯片发明和发展过程中的重要历史事件描写得非常精彩,读起来让人爱不释手。该书内容具有很强的知识性、启发性和故事性,是一部非常优/秀的科普著作。相信无论是专业人士还是非专业读者,都能从中获益匪浅。
              ——张盛东  北京大学信息工程学院前执行院长
              这是一本每个数字时代的原住民都应该看的书。技术改变世界,芯片毫无疑问是ji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。这当中技术、商业和战略领域发生了哪些决定性的事件,芯片还将如何参与构建正在到来的元宇宙时代,相信你在这本书里都可以找到答案。
              ——葛颀  中赫集团副总裁,工体元宇宙GTVerse创始人
              这本书回顾了60多年来芯片壮阔恢宏的发展历史,从某种意义说,也是一部人类信息文明的发展史。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。芯片技术是属于整个人类文明的,也必将为人类社会的发展和文明的进步做出新的贡献,这种发展势头绝/不会因为各种人为和政治的原因所停歇,必将在人类文明的智能时代继续大放异彩。对每个人来讲,我们也许会与芯片结成更紧密的关系,成为碳硅合体的新人类——这是未来的世界图景,问题是它值得我们期待吗?
              ——檀林  前海再保科技董事长,海创汇首/席生态官
              芯片(半导体、微电子、集成电路)真是一种神奇的技术产物,它如此尖/端和精/密,凝聚了人类不懈的发明创新精神,又让全世界如此广泛的大众可以消费最新、最酷的电子产品。芯片在全球市场中取得成功,是21世纪最重要的商品。
              ——周健工  未尽研究创办人,《第一财经》、《福布斯》中文版前总编辑
              《芯片简史》是一部非典型的技术发展史。它回答了一个重要的问题:科学发现和商业应用的推动力是什么?首先是质疑的精神,物理学领域过去100年间的持续颠覆是最好的例子;其次是偶然的突破,运气是留给有准备的人的;再次是军事投资的推动,大名鼎鼎的美国国防部高/级研究计划局就是创新领域内的连环推手;最后是创业的动物精神,硅谷和芯片相互成就。
              ——吴晨  《经济学人·商论》执行总编辑

          作者简介

              汪波,资深芯片研究专家。早年留学法国,获法国里昂国立应用科学学院集成电路硕士学位和利摩日大学高频微电子学博士学位,分别在华为公司、法国里昂纳米国家实验室和北京大学深圳研究生院从事集成电路设计的教学与科研工作,积累了二十余年经验。
              科普作家,作品能够打通学科边界,兼具科学与人文内涵,让读者感受到思考的乐趣。已出版科普图书《时间之问》和《时间之问·少年版》。

          目录

          赞誉
          推荐序 如何理解芯片 宋继强 英特尔中国研究院院长
          前言 和开拓者的灵魂一起踏上芯片之旅
          第一部分 诞生
            01 不确定的世界,从电灯泡到半导体
              变黑的灯泡,真空管的发明
              绝望的行动,量子之变
              惊险的一跃,半导体的奇迹
            02 创造性失败,晶体管诞生
              雷达在警戒,半导体研究加速
              协作的产物,巴丁和布拉顿发明点接触晶体管
              反戈一击,肖克利发明结型晶体管
              “我们也发明了晶体管”,发明之争
            03 接连不断的出走,硅在扩散
              “肖克利真是愚蠢之至”,蹒跚学步的晶体管
              热油中的音乐播放器,硅晶体管登场
              感觉“在跟上帝通话”,落地硅谷
              八叛徒,出走“仙童”
            04 “大规模白痴”,芯片的发明
              被激怒的物理学家,霍尼发明平面晶体管
              沉默的巨人,基尔比实现单片集成
              暗战,诺伊斯提出互连方案
              “我看不出它能走多远”,芯片之争与弃
          第二部分 演进
            05 创新者的窘境,MOS场效晶体管
              无足轻重的发明,场效晶体管
              “我们可是佼佼者”,外延工艺
              规划出来的失败,贝尔的悖论
              坏点子在变好,MOS场效晶体管的上升之路
            06 一切过往皆可超越,摩尔定律
              当摩尔遇到米德,晶体管尺寸极限
              一张纸片上的推演,摩尔定律
              始料未及,摩尔定律的修正
              拯救行动,延续摩尔定律
            07 化繁为简,计算芯片
              计算梦想,从莱布尼茨到图灵
              精简,霍夫提出CPU架构
              以一当十,法金设计CPU电路
              “最没效率的方法”,弗里曼发明FPGA
            08 记忆的黏合,存储芯片
              漏电的存储器,登纳德发明动态存储器
              芝士蛋糕的诱惑,施敏与姜大元
              发明浮栅晶体管
              开窗的芯片,弗罗曼发明EPROM
              就像闪光灯,舛冈富士雄发明闪存
          第三部分 多样
            09 知而行之,模拟世界的芯片
              莫使金樽空对月,维德勒开创模拟芯片
              剪掉电话线,无线通信芯片
              知者行之始,彼得森与MEMES传感器
              行者知之成,IGBT功率器件的发明之争
            10 迅电流光,光电器件(上)
              贝尔的回击,半导体太阳能电池的发明
              诺奖委员会搞错了吗,图像传感器芯片的发明
              群雄逐“光”,高亮度红外LED和半导体激光器的发明
            11 点亮东西方,光电器件(下)
              标新立“异”,半导体异质结的发明
              灯火阑珊处,蓝光LED的发明
          第四部分 建构
            12 破除悖论,芯片设计
              5美元的赌注,SPICE电路分析仿真程序
              “玩具”设计方法,康韦与米德的VLSI设计革命
              画不尽意,硬件描述语言的发明
              蚕食鲸吞,EDA之争
              共赢模式,ARM处理器的IP授权之道
            13 精雕细刻,芯片制造
              水利万物而不争,代工逆袭
              酪乳薄饼,光刻的发明
              叫停一艘“航母”,林本坚发明浸没式光刻
              鱼鳍结构,胡正明发明FinFET
            14 全方位挑战,不只是芯片
              逼近极限,摩尔定律之困
              应对挑战,三条路径
              不只是芯片,彼此依存的世界
              尾声
          后记 在我的智慧终结处启程
          附录
            芯片群英谱
            半导体技术发展线
          缩略语
          索引
          参考文献
          图片来源

          前言

            

              和开拓者的灵魂一起踏上芯片之旅
              “MOS场效晶体管是谁发明的?”一次,我和微电子学的研究生聚餐,在酒酣耳热之际,我随口问了一句。
              在我看来,这个问题对于微电子学专业的学生是基本常识,因为如今芯片中99%的晶体管都是MOS场效晶体管。普通人不了解没关系,但在座的是微电子学专业的,应该张口即来。
              然而,这个问题一提出,餐桌上热闹的场面一下子安静了下来,没有人接话。安静了几秒钟后,我把话题引向了MOS场效晶体管的历史背景,然后又讲起了它的发明过程。最后,当我讲到它的发明人遭受公司打压、不被准许发表论文、项目组被撤、最后被迫出走的不幸遭遇时,学生们面露惊讶,这跟他们想象中的情景很不一样。
              我看学生们意犹未尽,就趁机讲了几个其他芯片发明的案例,包括中央处理器(简称CPU)、蓝色发光二极管(简称蓝光LED)、动态随机存取存储器(简称DRAM)等。
              最后我总结道,这些发明都有一个共同点,虽然它们属于重大原始创新,但在刚面世时都遭到了业界的质疑和抵制,差点夭折。
              而且这些并不是个例,浮栅晶体管、异质结、绝缘栅双极型晶体管(简称IGBT)、微机电系统(简称MEMS)、浸没式光刻等重大发明都遭到过抵制。而如今,这些差点被抛弃的技术正在帮人们上网冲浪、存储数码照片、播放视频、驱动电动汽车、撞车时得到安全气囊的保护、检测核酸序列、照亮黑夜……
              * * *
              为什么这些发明在一开始都不受待见呢?芯片的发展离不开持续的创新和超越,然而创新越大,对传统的叛逆和颠覆也越大,因而遭到传统势力的抵制也越大。
              试举两个例子。仙童半导体公司是集成电路的发明公司之一,然而在1960年,公司副总裁却对芯片项目的负责人杰·拉斯特(Jay Last)大喊:“你为什么要去搞集成电路?这个玩意儿浪费了公司整整100万美元,却没有什么收益,必须裁撤掉!”贝尔实验室是半导体技术的研究重镇,但1963年贝尔实验室的半导体研究部主任扬·罗斯(Ian Ross)撰文称:集成电路没有解决半导体产业面临的基本问题,它“只能治标,无法治本”。
              这些芯片的首创之举遭到冷遇乃至遗弃,它们的发明人发不了文章、资金支持被中断、项目遭裁撤、被迫出走……他们绝不是一群诗意的科学家,而是一群失意的科学家,他们为此付出了十年甚至一生的代价。
              芯片的发展史是一部创新史和叛逆史。这也是本书想要表达的主题。创新是对主流的偏离、对现有规则的破坏,它刚开始可能非常蹩脚、很难融入主流。几乎没有一项重大创新一出现就广受欢迎。虽然人们口口声声地说要创新,但其实人们更喜欢的是改良,它的效果立竿见影,因而大受欢迎。
              如今,芯片的重要性已经无须赘言,每个人都从近几年发生的一系列芯片危机事件中有了切身的体会。应对芯片危机,我们需要原始创新,而唯一的方法是诚挚,实事求是地面对现实和历史。
              * * *
              这本书为您完整地讲述了芯片的发明和发展历程,尤其是一群叛逆的人如何突破传统、不断创新的故事。
              芯片的历史只有60多年,但要完整地理解芯片的来龙去脉,我们需要将时间向前回推到100多年前。在这一个多世纪里,半导体技术的创新故事不计其数,但本质只是一种创新模式的不断展开和复现,其主题仍是叛逆。
              本书从半导体的起步之处量子力学开始讲起,它演化出了半导体物理学,进而催生了半导体器件,这些器件又由简到繁,像一颗发芽的种子,演化出了双极型晶体管、MOS场效晶体管、光电二极管等,并由此集成构造出了模拟芯片(通信和传感器芯片等)、数字芯片(CPU、存储器、现场可编程门阵列A芯片等)和光电芯片等。本书最后还展示了芯片设计和制造方法由手工到自动化的发展过程,并指出了芯片未来面对的挑战和可能的解决路径。
              为了创新,人们需要不断打破过往累积起来的知识和见解,并用新的知识和见解不断地推陈出新。因此,本书不打算系统讲解固有的知识,而是讲述芯片如何被创造出来的鲜活过程。
              本书的读者可以是对芯片感兴趣的任何人。如果您是研发人员,您会认清半导体技术发展的脉络,看出技术创新的模式和规律;如果您对行业发展感兴趣,您会在本书中发现那些隐藏在背后的行业发展规律;如果您单纯对历史感兴趣,您可以了解到芯片在社会历史发展中所起到的作用。
              芯片的创新可以是在各个层次上的。例如,在微观结构上,新器件颠覆了旧器件;在芯片层面上,新的芯片架构突破了原有设计的瓶颈;在商业模式上,知识产权授权模式让芯片设计更灵活,使得自研芯片成为可能;在半导体行业的组织形式上,芯片代工厂的出现打破了垂直整合制造模式,催生出了苹果、高通和华为海思等无厂芯片公司。本书展现出了这种多层次的创新态势。
              本书各章大体上按照芯片发展的时间进程展开,同时也按照芯片的不同功能来独立排布。你既可以从头读起,也可以直接翻到感兴趣的任意一部分。
              本文开头所说的那次聚餐聊天,我并没有责怪我的学生不记得这些发明人。
              实际上,这些发明人的名字被历史有意无意地忽略了,而现今的历史需要对他们做出相应的补偿。如果我们能从历史尘埃中重新体会到他们的精神核心:不盲从、不畏惧,从否定中汲取力量,那么我们就始终和这些开拓者的灵魂在一起。
              聚餐结束后,有个学生说聊得很开心。但那天讲的其实只是一小部分,而现在你正在阅读的则是完整的故事。
              接下来,让我们一起踏上这段芯片之旅吧。

          后记

            

              在我的智慧终结处启程
              2020年6月9日下午3点多,我坐在电脑前,突然间一个想法击中了我的内心。那一刻是一个起点,两年后有了这部书稿。
              “芯片简史”是个宏大的题目,也是个巨大的挑战。如果没有那一刻的激情,单凭理性,我是不可能说服自己将如此庞杂的芯片发展史写出来的。但反过来,如果仅有那一刻的激情,我写出来的也将只是皮毛。
              在随后的两年时间里,我逐渐将当时的激情转换成一种理性,将其建立在数百篇文献以及对过去百年芯片发展史的思考之上。
              书稿写就,回顾当初,我才恍然明白2020年6月那一刻产生想法背后的原因。就在产生想法的一个月前,华为遭遇芯片彻底断供,这件事在我心里催生了一个愿望,希望能向公众更好地介绍芯片。
              那个夏天,我开始着手收集资料,起点是我讲过的一门课的绪论,介绍了微电子的发展历程,当然这只是起始的一小步。
              10月份,我写出了一章。16日下午,我收到行距文化的黄一琨先生发来的信息:“汪老师,作品写得引人入胜。我读这样的作品,竟然非常享受。您辛苦了,真的很用心。”其实,我那时只给他发了一份有22页的简陋样章,收到这样的评价,深感意外。
              三天后的中午,我收到了行距文化的刘诗瑶女士发来的消息,她说跟黄老师沟通了,建议我“按照科技史的思路来写,让读者了解为什么会出现这样一门学科、科学家为什么会这样思考,讲芯片这个领域的来龙去脉”。如果没有这个建议,我难以想象这本书会是现在这个样子。 每写好一章,我就发给刘诗瑶女士,内心忐忑。当时一些出版机构对初稿的反馈并不乐观,但我总能收到她热情洋溢的鼓励、毫无保留的打气,以及她从我那平凡的文字中找到的一处处微弱的闪光点。 写作过程中,行距文化的毛晓秋老师给我分享了她对非虚构写作的理解,让我找到了合适的叙事方法,为我的写作提供了持续的源泉。后续,她又对初稿提出了详细的修订意见。 * * * 随着写作的推进,我越来越感受到自己的无知。我发现自己处于一片处女地中,大部分发明人都从未得到过关注,不仅公众不了解他们,甚至连业界也不知晓。这让我变得诚惶诚恐,我既不是历史学家,也不是科学史专家,能写好这本书吗?真是无知者无畏。 改变是在不知不觉中发生的。当我沉浸在历史之中,跟那些遭到拒绝或抵制的发明人待在一起时,我全然忘记了自己是怎么被“引诱”上写作的道路的。我在时间长河里与这些发明人相遇,得以近距离观察他们,窥得一二真容。我沉浸在他们的生命当中,与他们共同经历。他们或是被拒绝发表文章,或是孤寂地去世,或是被褒奖和追忆。我时而为他们的遭遇而唏嘘垂泪,为他们被人误解而感到悲伤;时而为他们的经历而好奇心萌发,为他们的发明感到喜悦,欣欣然而忘己。 阅读他们的故事,我也好像与他们共同经历了一生中最精彩的数年,可谓不虚此行。他们是世界上最不按直觉思考的一类人,也是最不擅长表露情感的一类人,能够走进他们的内心,我深感荣幸。在写作过程中,我寻找过,感受过,记录过,如此甚好。 集成电路的发明人之一基尔比曾说,他并没有建造出一座“大水坝”,只是构想出了建造“水坝”的方法。另外一位发明人诺伊斯说,他并没有独自提出关于集成电路的想法,只不过是把已有的想法整合起来了而已。光刻技术的发明人之一莱思罗普说,他认为他采用的光刻技术不是一项发明,而只是一种应用。 我想象不出还有谁比他们更谦逊。我不准备将这些先驱塑造成神一样的人物,他们只是更好奇、更独立而已。除其中极少数天资聪颖的人外,他们的成功大都来自不懈追求、与人合作以及包容的环境。 我希望向读者展示这些开创者在当时的社会和技术背景下、在个人的具体境遇下是如何抉择以及行动,如何质疑和背叛传统的,同时传达出他们的科学精神和态度。 我希望能在芯片领域和大众之间架起一座桥梁,因此在写作时我做了以下努力: 一是高度还原历史中的创新过程,展现曾经盛行的观念和技术,以及新的技术是如何萌芽并与旧的传统斗争和最终突破的。 二是突出作为创新者的个体,他们是大潮来临前的一朵朵浪花、圈圈涟漪。本书将历史的聚光灯打在实验台前的科学家和工程师身上,展现了他们内心的渴望、追求、困顿、嫉妒和欣喜,他们也是有故事的人。 三是将发明面世那一刹那的火花清晰地呈现出来。在本书中,知识的“剂量”被压缩,但我希望这个最小知识集合能激起你智识上的兴趣,它的惊险程度不逊于一部小说。作为“侦探故事”中的必要“物证”,本书展现了新知被创造出来的过程。 尽管书稿经反复考证、校订,但芯片涉及领域众多且个人识见肤浅,书中定有尚未消除的错误和瑕疵,还望赐教指正。您可以发送邮件到wangbo.i@qq.com或者在公众号“偶遇科学”上留言,订正信息将会在公众号和www.wangbo66.com上更新。 我在写作中也有很多收获。这两年的大部分时间里,我都沉浸在一种波长极广、以年为周期的心流状态中,有内心的宁静,也有奋笔的艰辛。日复一日,唯求自慊。当然,这些都离不开所有帮助和鼓励我的人。 * * * 感谢行距文化的黄一琨、刘诗瑶、毛晓秋和刘庆余等诸位老师,他们为了这部书稿费尽了心思,做了各种尝试,尤其是克服了疫情期间居家隔离的种种困难,无以为谢。感谢湛庐文化和出版社的编辑团队。同样特别感谢杨运洋先生在写作初期提出的改进建议。 承蒙多位业内人士审阅了部分书稿,他们是(以姓氏笔画为序):牛刚(西安交通大学)、邓雨春(概伦电子)、刘美华(北京大学)、张立宁(北京大学)、张兴(北京大学)、张昭宇[香港中文大学(深圳)]、张敏(北京大学)、陈春章(鹏程实验室)、林信南(北京大学)、金玉丰(北京大学)、金鹏(北京大学)、周航(北京大学)、赵晓锦(深圳大学)、郭建平(中山大学)、唐仙(清华大学)、焦海龙(北京大学)、鲁文高(北京大学)和潘权(南方科技大学)。诚挚感谢他们在与作者讨论过程中给出的专业意见和鼓励。感谢所有上过我的课的学生,从他们的眼神中我读到了内心的光和未来的希望。 感恩父母对我的理解,他们支持着我自求学至今一路走过来。无论是品性的养成还是专业道路的选择,他们的影响如空气般难以察觉却无处不在,无形中滋养着这部作品。感谢我的妻子,感谢她的理解和宽容。2021年9月24日晚,她跟我视频通话时说:“现在我明白了你写作背后的原因,那不是为了追求别人眼中的成功,而是为了实现自身独特的价值。”我很欣慰她能如此深入地理解我,令我心无旁骛地投入写作。 感谢我的女儿触发了我的灵感。写完初稿后的一个寒夜,我呆坐在床边,想着臃肿的章节、晦涩的技术内容,为接下来的修改而“头大”。不知何时,女儿坐到了我身边,亲了一下我的脸颊,然后靠着我静静坐着。内心涌动着暖流的我问自己,虽然我把基因传给了女儿,但我能把书稿内容传给她吗?不能。而女儿却把爱和温暖神奇般地传给了我。一刹那,我心头一亮,想到了修改的方法。 最后,我还要感谢我目前居住的深圳市,这里开放包容的氛围、对创新的鼓励、对阅读的重视,也在悄然影响着这部作品的风格。 普鲁斯特曾说:“在作者智慧结束的地方,正是我们智慧的开始之处。”希望本书能成为你认识和思考芯片的起点。

           

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