《芯片简史》作者汪波：如何应对芯片的“极限”挑战？

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《芯片简史》书封。

芯片可以看作人体器官的延伸，它延伸了我们的大脑、眼睛、皮肤……

“芯片可以看作人体器官的延伸，它延伸了我们的大脑，因为它有计算和储存知识信息的能力；它也延伸了我们的眼睛，因为它有拍照能力；它还延伸了我们的皮肤，因为它有感知能力……”芯片不是一项孤立的技术，它与人类和环境共同构成了一个彼此依存的世界。

汪波博士

近日，资深芯片研究专家、《芯片简史》作者汪波博士在接受澎湃科技采访时，对芯片在人类生活中扮演的角色作出了上述表述。

芯片自诞生迄今，不过60多年的时间，却已“带领”人类告别信息闭塞和诸多不便的时代。如今，芯片产业的发展处于瓶颈之中，如何应对“极限”挑战？

芯片危机

芯片是指由半导体构成的集成电路。半导体是一类特殊的导电材料，而集成电路则是半导体器件的集合。

芯片由一大张晶圆分割而成，体积很小，常常是计算机或其他电子设备的一部分。

如果把晶圆体看成一本书，半导体便是造纸的原材料，芯片则是一页页纸张。

1965年，英特尔创始人戈登·摩尔提出，依据成本最低原则，芯片上的元件数量将以每年翻倍的速率增加。

1975年，他将翻倍周期修改为两年。在这种增长节奏的推动下，人类先后进入了PC时代、互联网时代和AI时代。

但功耗、内存、开关频率以及算力瓶颈等问题，正滞缓摩尔定律的前进。更为重要的是，摩尔定律受量子力学的限制，晶体管的尺寸正逼近物理极限。“当晶体管小到原子尺寸时，量子效应会发生作用，电子会从原子中逃逸出去，晶体管就无法正常工作，芯片也会失效。”

对中国而言，汪波认为，“目前非常紧迫的（问题），一个是，先进的光刻机我们买不到。另一个是，先进的GPU我们也买不到。”

光刻机是制造芯片的关键技术支撑。光源发出的紫外光通过印有电路图形的掩模板，对涂有光刻胶的晶圆片进行曝光，被光照射到的光刻胶发生化学反应，这样掩模板上的电路图形就转移到了光刻胶上，进而通过刻蚀使得晶圆表面也形成了电路图形。光刻是芯片制造流程中极为关键的一步，其精度决定了芯片加工能达到的最小尺寸。

由于前期技术投入的疏忽以及起步较晚，中国目前尚未造出先进的EUV光刻机。

GPU(Graphic Processing Unit)即图形处理器，本来是一种显示芯片，用于加速计算机上的图像处理。但由于GPU 可快速执行数学计算，能使某些计算的运行速度比在CPU上运行快10至100倍。这一特性使GPU成为推动机器学习 (ML)、人工智能 (AI) 和区块链等新兴和未来技术发展的重要工具。

随着西方对中国在GPU领域的技术封锁，许多国内公司转向了自研GPU。但相较于国际巨头AMD和英伟达（NIVIDIA），国产GPU在性能上仍有较大差距。

“还有一个很重要的问题，是对芯片集成电路领域的人才培养。”汪波坦言，“我们过去培养的人才不多，而且很多都转行去了互联网等更高薪的行业，加剧了今天芯片领域的卡脖子问题。”汪波认为，人才培养需要花大量时间、长久地积累经验，以及建立完善的实验线，“成本非常大，但我们必须进行这样的培养。”

应对危机，需要坦诚的创新与叛逆

“应对芯片危机，我们需要原始创新，而唯一的方法是诚实地面对现实和历史。”在汪波眼中，这种诚实意味着实事求是地面对当下芯片升级发展的阻碍，认清芯片发展的规律，脚踏实地，做好长期应对难题的准备。

汪波认为，摩尔定律的终结是一件无须辩论的事情，那一天终究会来到。为了延缓那一天的到来，他提出了三种应对策略：一是“延续摩尔”，继续提高芯片中晶体管的密度；二是“扩展摩尔”，提高芯片的丰富程度、拓展芯片用途、集成各类专门芯片的功能；三是“超越摩尔”，探索MOS场效晶体管以外的新型晶体管，开发新的芯片品种。

汪波表示，当下应以“延续摩尔”为主线，同时不放松对其他路径的研究。通过立体堆叠、改变现有晶体管的工作模式、探索除硅之外的新材料等手段，继续提升芯片的性能和算力。

创新的发生无法预测， 但往往是从已有的脉络着手。汪波表示，可以从技术底层寻求突破，构思出不同于现有硅晶体管的新器件，从而改变芯片的架构和应用。同时应该顺应应用驱动的趋势，从应用需求中寻找新的突破点，进而优化甚至发明新的芯片。

芯片的发展史是一部创新史和叛逆史。”汪波在书中强调，“要不盲从，不畏惧，从否定中汲取能量。”

汪波博士接受采访。

他以肖克利发明结型晶体管的故事为例。肖克利作为贝尔实验室晶体管研究小组的组长，却被两个手下巴丁和布拉顿抢先发明了第一个晶体管——点接触晶体管，他因此遭受了很大的心理挫折。但肖克利并没有一味沮丧，而是把失败当作进步的垫脚石，埋头思考巴丁和布拉顿的点接触晶体管存在的问题、如何加以改进，最终成功发明了双极结型晶体管（BJT），成为后来30年间的主流晶体管结构。

汪波表示，只要创新和叛逆不停止，芯片产业就一直在前进的路上。正如摩尔本人所说，一切已成事，皆可再超越。“对否定的否定，也是一种创新。”

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