科普｜芯片的前世、今生与未来

本文综合自元战略及网络。芯片构成了现代社会正常运转的核心控制单元，其影响范围涉及国家安全、科技、政治、文化等方面，没有芯片，我们现在所拥有的一切都无从谈起。芯片作为智能、计算、电子产业等基石，其先进程度决定着未来科技发展的高度。想要在 AI 革命里把握命运，我们需要回顾芯片的历史，以及展望未来。01 芯片是什么？芯片即集成电路（Integrated Circuit，IC），或称微电路（microcircuit）、微芯片（microchip）、晶片/芯片（chip）是一个小而强大的电子组件，内部包含了数十亿个微小的电子元件，如晶体管和电容器。这些元件相互连接，执行各种计算和存储任务。芯片是现代电子设备的核心，无论是智能手机、电脑、汽车还是家电，都依赖于芯片来运行。02 芯片无法绕过的 “摩尔定律”（摩尔定律）在现代科技时代，摩尔定律（Moore's Law）堪称是一个至关重要且无处不在的法则，这个定律是由英特尔公司创始人之一戈登·摩尔（Gordon Moore）在 1965 年提出的，它的核心思想可以简洁概括为：集成电路上可容纳的晶体管数量每隔约 18 个月至 2 年便会翻一番，同时价格越来越便宜。这个定律虽然以摩尔的名字命名，但它实际上代表了整个计算机领域的发展方向。摩尔定律之所以如此重要，是因为它对我们的生活产生了深远的影响。首先，它使得计算机不断进步。还记得十年前的智能手机吗？它们的性能可能不及今天的一部中档手机。摩尔定律使得我们的设备越来越快速、功能更为强大，这也让无数应用和服务得以诞生，从智能助手到虚拟现实，无所不包。其次，摩尔定律推动了信息技术产业的蓬勃发展。芯片制造业已经成为全球最大的工业之一，为经济带来了巨大的增长和创造了大量就业机会。同时，它也加速了科学研究的进展，因为更强大的计算能力可以用于模拟、分析和解决复杂的科学问题。不过，正如一切事物一样，摩尔定律也面临着挑战。随着晶体管不断缩小，我们接近硅基芯片的物理极限，因此制造成本上升，发热问题增加，而且电池寿命等问题也随之而来。为了继续遵循这一定律，科学家们正在积极寻求新的技术突破，如量子计算和光子计算。03 芯片的三大类型目前，芯片主要分为三大类型：第一类是逻辑芯片，是指运行智能手机、计算机和服务器的处理器。逻辑芯片是现代电子设备中不可或缺的关键组成部分。逻辑芯片有多种类型，包括中央处理芯片（CPU）、图形处理芯片（GPU）、现场可编程逻辑阵列芯片（FPGA）等。这些小巧的芯片具备出色的逻辑运算能力，其核心任务是执行各种决策和控制任务，就像电子设备的大脑一样。无论是家用电器、汽车控制系统还是工业自动化，逻辑芯片都在幕后默默发挥作用，保障设备正常运行。这些小巧的 “大脑” 能够迅速处理海量的数据，进行复杂的决策，使得我们的生活更加便捷、安全、高效。（闪存芯片）第二类是存储芯片，指的是闪存芯片（NAND Flash）和电脑内存（DRAM）。储存芯片广泛应用于现代科技设备中，是数字信息时代的基石之一。这些强大的芯片充当着数据的仓库，将我们的宝贵信息保存在电子设备中，确保了数据的长期存储和可随时访问。最常见的储存芯片类型之一是闪存芯片，它们存在于各种设备中，如 USB 驱动器、手机、相机等。这些芯片用来存储信息，具备速度快、容量大、耐用的特点，使得我们能够随时随地存储和传输照片、文件和视频。另外一种最常见的储存芯片类型之一是动态随机存取存储器，即电脑内存，是一种用于临时数据存储的芯片，其速度和存储能力使得我们的计算设备能够以前所未有的速度处理信息。这些 DRAM 存在于我们的电脑、智能手机、平板电脑和许多其他设备中，它们扮演着瞬时记忆的角色。当你打开应用程序、浏览网页或者编辑文档时，DRAM 会快速存储并且提供所需的数据，以便 CPU 能够高效地进行计算和操作。这种高速数据读写能力是现代计算的关键，因为它确保了你的设备能够实时响应你的指令。储存芯片不仅在个人设备中发挥作用，还对大规模数据中心和云计算起到关键作用。这些芯片的不断发展使得我们能够存储和处理巨大的数据量，推动了科学研究、商业分析和娱乐媒体等领域的发展。（模拟芯片）第三类芯片比较分散，包括将视觉或音频信号转换为数字数据的传感器等模拟芯片、与手机网络进行通信的射频芯片，以及管理设备如何使用电力的芯片。模拟芯片是一种具有强大模拟信号处理能力的微电子芯片，它专注于处理连续变化的信号，如声音、光线、电压等，使得我们的电子设备能够更好地模拟和交互现实世界。模拟芯片广泛应用于各种领域。在音频设备中，它们帮助我们捕捉和处理声音，使音乐、电话通话和语音识别变得可能；在医疗领域，它们用于监测生理信号，如心电图和血压，有助于医生做出准确的诊断；在通信领域，模拟芯片则用于无线通信、雷达和卫星通信，确保了信息的高效传输。射频芯片是无线通信世界的关键元件。它们可以发送、接收和处理射频信号，让我们的手机、Wi-Fi 路由器、卫星导航和电视等设备能够无线通信。射频芯片可以在不同频段传输数据，从短距离的蓝牙连接到远距离的卫星通信，无所不包。它们的存在让我们可以随时随地与世界各地的信息和人们进行连接，无论你在哪里使用无线技术，射频芯片都在背后功不可没，为我们提供了方便、高效的无线通信方式。第三类并不是主要依靠摩尔定律来推动性能的改进，聪明的设计比缩小晶体管更重要。这类芯片的制造厂通常不需要每隔几年就竞相制造更小的晶体管，因此它们的成本要低得多，平均只需要四分之一的先进逻辑芯片或存储芯片制造厂的资本投资。04 芯片发展大事年表（来源：《芯片简史》）05 芯片发展树（从基础学科到半导体晶体管、再到各种芯片和应用）来源：《芯片简史》芯片发展史如同一部跌宕起伏的史诗，源于基础学科的探索，一路演进至今日的创新峰巅。它的故事始于量子物理，探索微观世界的神秘，为我们揭示了电子的行为规律，半导体物理的发展则将电子行为应用于实际，晶体管应运而生，如一扇大门打开，通往数字时代的道路。从那时起，芯片的演化就像电子竞速一样，不断推陈出新。1.量子物理quantum physics芯片的发展研究源于量子物理学的兴起，这个学科诞生于 20 世纪初，至今已有超过 120 年的历史。量子物理学为后来的芯片技术提供了坚实基础，因为它帮助科学家深入研究原子内部电子的运动方式。对量子物理的深刻理解让我们能够制造出小而强大的芯片，它在背后默默地支撑着现代科技的蓬勃发展，使得我们能够享受到更加便捷、高效的生活方式。2. 半导体物理semiconductor physics半导体是一种能够在导体（如铜）和绝缘体（如塑料）之间找到平衡的材料，其电导性介于两者之间。这种特性使半导体成为芯片制造的理想材料。通过控制半导体中电子的行为，科学家们能够制造微小的电子元件，如晶体管，这是芯片的基本组成部分。晶体管的开关功能允许电流流动或停止，这是计算和存储信息的基础。因此，半导体物理为芯片技术提供了理论和材料基础，推动了现代电子设备的发展。3. 晶体管transistors早在 1947 年，美国贝尔实验室威廉·肖克利（William Shockley）等人就发明了晶体管，这被认为是电子工业的里程碑。晶体管是微小的电子开关，能控制电流流动或停止，是现代芯片的基础构件。芯片上成千上万的晶体管协同工作，执行各种计算和存储任务。它们以迅雷不及掩耳之势处理信息，使我们的电子设备变得快速且高效。06 芯片的未来1.前沿技术 I：新原理器件什么是新原理器件？硅半导体的晶体管技术快要到极限了，对于还能不能继续缩小器件尺寸，我们不敢抱太大的希望。现在看来比较有希望的是碳纳米管或者石墨烯这类低维材料，它们最大的优势是电子在其中的传输速度比在硅材料当中要快得多。我们不断减小晶体管尺寸的目的是什么呢？就是想让器件越来越快，功耗越来越低，方式只能是晶体管的沟道越来越短，这样信息传递的时间才能更短。可材料换成碳纳米管或石墨烯就不一样了，这些低维材料，就算不把器件做到 5 纳米、3 纳米这么小，也可能达到同样的信息处理时间和同样低的功耗，器件的性能不就有了更大的提升空间吗？除了这些新型的低维材料，还有一个新原理器件值得关注，就是自旋器件。自旋是电子天然具有的一个物理维度，是量子计算的核心。其实自旋在经典计算中也有大用处。可以这么理解，自旋就是电子在顺时针或者逆时针自转，这其实就可以代表 0 和 1。所以，自旋器件的开关，就不要电子在两个 “地铁站” 之间流动了，只靠电子自转的翻转就行了。这下电子流动带来的传输时间和功耗就都可以避免了，所以，自旋器件是很有希望实现高速低功耗的器件。不过这些新材料和新结构的工艺难度非常大，尤其是如果想要做出几亿，甚至几十亿个器件规模的集成电路，还要保证均匀性、可靠性，非常困难。这些技术今天还只是在实验室小规模研究阶段，但未来会有很大的发展空间。2.前沿技术 II：可重构芯片像 CPU 或者 GPU 芯片，在硬件上不可变，但软件上编程性很高，可以运行各种软件，这是通用芯片。像谷歌 TPU 这种定制芯片，它的特点就是硬件不可变，做出来之后硬件就定型了，它用灵活性交换来了高性能。FPGA 虽然能做到硬件可编程，但是一种静态的可编程，没法根据软件作出实时调整。所谓 “可重构”，就是说芯片内部的电路结构，可以根据软件进行动态调整，对不同的软件都力求达到定制化硬件的性能。可以把它的工作原理想象成铁路网络里面的扳道岔，也就是铁路工人扳动铁轨的道岔，实现火车运行线路的改变。只不过在可重构芯片里面有大量的道岔，而且每个道岔都是晶体管开关，可以非常非常快速地扳动，这就实现了根据具体问题，实时调整电路结构的功能，实现了硬件和软件高度匹配。为什么要发展可重构芯片呢？专用芯片是人工智能技术在这几年爆发的一个主要原因。在未来，为了满足万物互联的需求，我们还会需要更多种类，但是小批量的专用芯片。但专用芯片的困境就是成本高，只有谷歌、阿里这些大公司才玩得起。所以我们想一想， CPU、GPU 这种通用芯片可以运行各种软件，联想的计算机可以用，苹果的计算机也可以用，可以跑 Windows 程序，也可以运行 Linux 和 macOS。只有这样，芯片研发高达几亿美元的成本才可能将合理地分摊到每颗芯片上。这种经济上的正反馈促进了芯片技术的发展，但专用芯片的高成本却没有这么大的销售量来支撑，这里面天然存在性能和经济性的矛盾。我们自然期望，有没有高性能又兼具经济性的芯片呢？比如说，一颗芯片能针对于各种不同类型的问题、各种应用软件都能自适应地形成一个最优的架构，也就是说，这颗芯片对于任何问题都是定制芯片，都能够高效地解决问题。可重构芯片技术就要实现这个目标。对于新的问题，软件改变了，硬件能够在几十纳秒的时间里面针对软件需求进行改变。因为一颗芯片就可以应对大量不同的场景，就有足够的销量来摊平开发成本，可重构芯片技术是当今最前沿的领域之一，未来十年，这个领域一定会有很大的突破。3.前沿技术 III：经典芯片和量子计算混合未来很有希望出现的全新的芯片架构。其中有一个很大的可能性，就是经典芯片和量子计算相结合的混合计算芯片组。一旦实现的话，一定会给信息产业带来量级上的提升。量子计算并不是要取代现在的经典计算机，而是互为补充、协同工作。量子计算一个主要的应用场景就是针对大规模的优化问题，可以实现指数加速，远超经典计算系统。但量子计算还远未成熟，相信会长期处于 NISQ 阶段，也就是有噪声的中等规模量子计算阶段，还不能像理想中那样解决大规模的实际问题。所以有一个趋势就是，要把经典芯片和量子计算芯片结合起来。对于一个大规模的实际问题，我们需要有聪明的算法把这个问题分解，把其中困难的部分交给量子芯片来解决。而且，这个困难问题还不能太大，太大的话就要继续分拆，直到规模足够小，就可以用 NISQ 量子芯片来做了。最后再把这两个系统的答案拼装起来，给出一个最终答案。未来，相信这种经典加量子的混合计算方案，一定可以用来解决实际的人工智能问题。接下来，当人工智能的算力越来越高，还可能有一个重要的研究方向，那就是，人工智能用于芯片设计，也就是用芯片研发出更好的芯片，换句话说就是芯片的自我进化。谷歌团队在 2020 年 ISSCC 大会上透露，正在把自家的 TPU 芯片用在集成电路设计中，比如电路布局这个环节。最新的结果是 AI 仅用 6 小时就完成了以往需要几周才能完成的工作量，而且还做得更好，减少了布线数量，提高了面积使用率。在未来，基于经典芯片的人工智能 EDA 软件，或者是经典加量子混合计算的人工智能 EDA 都会逐步成熟，给芯片技术带来前所未有的推动。4.前沿技术 IV：类脑芯片2020 年 7 月 15 日，英国公司 Graphcore 发布了一款 AI 芯片，采用台积电 7 纳米加工工艺，上面集成了 594 亿个晶体管。这可是非常大的一个数目，人的大脑也就是 900 亿个神经元。那么，在这个将近 600 亿的规模上有没有可能出现智慧呢？不知道，为什么呢？因为芯片的运算模式和人脑有很大区别。现在芯片通用的运算模式叫做冯诺依曼体系，它的特点是数据的存储和运算是分开进行的。比如我们的计算机里，数据存在内存里，运算要在 CPU 的运算模块里进行。每次运算的时候，CPU 的控制模块，根据软件的命令，把数据从内存里调到 CPU 的运算模块进行运算。但这个过程的效率非常低。比如现在计算机里面有一个很严重的问题叫存储墙，就是说内存里的数据量越来越大，CPU 的处理能力越来越快，但它们之间的信息通道却非常狭窄，就好像一个哑铃。可以说 99% 的计算时间和能耗都花在了数据的传输上，真正用于计算的只有 1%。其实这个模式跟我们大脑的运算完全不一样。大脑的运算模式叫做 “存算一体”，都是在神经元里面进行的。所以大脑进行如此复杂的抽象和推理运算，只有 20 瓦的功耗，远远低于现在的 CPU 芯片。现在有一种技术就叫做类脑芯片，就是要仿照大脑的模式进行运算。类脑芯片的关键点就是存算一体。这个怎么来实现呢？现在有好几种技术都能做到了，最有希望的例子，叫做阻变存储器。所谓阻变是说器件的电阻会发生变化，电阻值会根据流过的电流来改变，换句话说就是上一次的运算结果会以电阻值的形式保存在这个电阻里，来影响下一次的计算。这个机制跟我们大脑中神经元的工作机制是一样的。利用这种新的器件结构和运算模式，类脑芯片很有希望实现高性能低功耗的智能运算，甚至达到一定规模后，会不会有新的智能现象涌现出来。07 结 语芯片的演进历程充满了曲折与不断突破，从最初的微型管到晶体管，再到 MOS 场效晶体管、再到大规模集成电路，每一次进步都推动了电子设备的性能和功能飞速提升。新材料、新工艺和新技术的不断涌现预示着芯片技术未来还有巨大的潜力和发展空间。这意味着我们可以期待更小巧、更强大的芯片，为智能手机、物联网、人工智能等领域带来更多创新。这个不断进步的过程是科技演进的生动写照，为我们的数字时代创造了无限可能性。从量子物理到现在，芯片技术的发展一路走来，不仅深刻改变了我们的生活方式，也展示了人类创新的决心和伟大力量。