芯片那些事兒

隨著智能技術(shù)的不斷發(fā)展，未來的各種電子產(chǎn)品將越來越具有生物特征，人機(jī)融合的程度越來越高。而芯片是這些智能電子產(chǎn)品的關(guān)鍵元件。芯片的性能越好，電子產(chǎn)品才能越“聰明”。那么，究竟是誰發(fā)明了芯片？芯片是什么東西？未來芯片將如何發(fā)展？

芯片的由來

20世紀(jì)上半葉，幾乎所有電器都有一個共同的特征就是十分龐大。比如，那時的電腦就很嚇人，20世紀(jì)40年代的一臺電腦的各種電子元件占滿了一個幾十平方米的房間。為什么那時的電器那么大呢？這是因為那些電器中的電子元件是用真空管制成的，那是一種被抽成真空的玻璃管，內(nèi)有陰、陽兩極，電子會由陰極流向陽極。1947年，美國的貝爾實驗室發(fā)明了晶體管，電子儀器才開始走上逐漸“瘦身”的過程。

晶體管就像固態(tài)的真空管，制造晶體管的材料是半導(dǎo)體，原料包括硅、鍺、砷化鎵等。晶體管的出現(xiàn)，令工程師能設(shè)計出更多更復(fù)雜的電路。可是，體積細(xì)小的電子零件卻帶來另一個問題，就是需要人工把這些零件焊接在一起。這可是一件費力不討好的工作，不僅要花費大量時間和金錢，差錯率也很高。為此，美國軍方開始推進(jìn)“微模塊計劃”。這個計劃的基本思路是將所有不同類型的電子零件制成統(tǒng)一的大小和形狀，并在生產(chǎn)時加上電線。這樣，在組裝零件時，便可將大小統(tǒng)一的電阻、電容和晶體管等，像搭積木般組裝成設(shè)計的電路，免去焊接的煩惱。

杰克·基爾比進(jìn)入“微模塊計劃”研究小組后，決心進(jìn)行創(chuàng)新，從根本上解決將大量電子零件整合成電路時的困難。他想，是不是能夠拋開那些電子零件，直接在一塊半導(dǎo)體上接上電線充當(dāng)多個晶體管？

1958年9月，基爾比成功將一組電路安裝在一片鍺半導(dǎo)體上。人類歷史上第一塊原始的芯片產(chǎn)生了，它在很長一段時間內(nèi)被稱為半導(dǎo)體集成電路。基爾比因為這個發(fā)明在42年后獲得了2000年諾貝爾物理學(xué)獎。

第一款實用芯片

1959年，英特爾公司的始創(chuàng)人之一羅伯特·諾伊斯繼續(xù)改進(jìn)基爾比設(shè)計的芯片。他在硅晶體的表面鋪上不同的物料來制作晶體管，并在連接處鋪上一層氧化物作保護(hù)。以硅取代鍺就可使芯片的成本大為下降，令集成電路的大規(guī)模生產(chǎn)變得可行。可以說，是英特爾公司設(shè)計出了第一款實用的芯片。到20世紀(jì)60年代末期，接近90%的電子儀器是以芯片制成。

我們現(xiàn)在對芯片的定義是內(nèi)含集成電路的硅片。其制作方法是一次性把所有的組件（主要是晶體管）一次性地用照相印刷的方法印制在硅片上，外觀看上去像是畫在硅片上的電線。芯片最重要的應(yīng)用是充當(dāng)中央處理器，也稱CPU或微處理器，它是電腦和其他智能電器的運算控制部分。從20世紀(jì)60年代開始，電腦的體積越來越小，而運算速度卻越來越快，功能越來越強(qiáng)大。這都?xì)w功于芯片對晶體管的集成度越來越高。

1965年，英特爾公司的另一個創(chuàng)始人戈登·摩爾提出了著名的“摩爾定律”：當(dāng)價格不變時，一塊芯片上可容納的晶體管數(shù)目，約每隔18個月便會增加一倍，電腦的性能也將提升一倍。當(dāng)時，摩爾的實驗室也只能將50只晶體管和電阻集成在一個芯片上，他卻預(yù)測1975年的芯片將會有6.5萬個晶體管。摩爾當(dāng)時的預(yù)測聽起來好像是科學(xué)幻想，然而后來的技術(shù)發(fā)展證明摩爾是對的，1975年的確出現(xiàn)了集成了6.5萬個晶體管的芯片。至今，最先進(jìn)的芯片已集成了超過17億個晶體管。

未來之路

今天，充當(dāng)微處理器的芯片不僅存在于電腦中，各種電器如數(shù)碼相機(jī)、智能洗衣機(jī)、智能冰箱、互聯(lián)網(wǎng)電視機(jī)、智能手機(jī)等，都有它的身影。就連汽車引擎控制、數(shù)控機(jī)床、導(dǎo)彈精確制導(dǎo)等，都要嵌入各類不同的微處理器。芯片不僅是電腦的核心部件，也是各種數(shù)字化智能設(shè)備的關(guān)鍵部件。未來，各種智能電子產(chǎn)品提高性能的關(guān)鍵因素之一就是提高芯片的運算速度。

從芯片的發(fā)展歷史我們可以看出，要提高芯片的運算速度，就得集成更多的晶體管。這正是芯片的未來發(fā)展趨勢。隨著納米技術(shù)的進(jìn)步，晶體管可以小到納米尺度。這不但可以使得芯片變得更小，而且芯片上集成的晶體管數(shù)量會更多。然而，如果一塊越來越小的芯片上集成越來越多的晶體管，就會帶來一個很嚴(yán)重的問題，那就是在運算時會產(chǎn)生過多熱量。過熱會降低芯片的運算速率，甚至可能燒壞芯片。

為了解決芯片的過熱問題，除了改進(jìn)散熱方法外，科學(xué)家還想出了新的辦法：在一塊芯片上集成多組小芯片，這就是現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)的多核芯片。目前，運算速度最快的芯片是英特爾公司生產(chǎn)的Xeon Phi。這塊芯片居然有60個核，運算速度高達(dá)1萬億次/秒?，F(xiàn)今國際上的超級計算機(jī)也都是采用多核芯片來建造。未來的芯片的“核”會越來越多，電腦的運算速度也就越來越快。

而美國加州大學(xué)的研究人員丹尼爾·莫爾斯認(rèn)為，還可從半導(dǎo)體本身入手來提高芯片性能。他正在試驗用生物技術(shù)來制造半導(dǎo)體，具體做法是讓海綿動物的一種硅蛋白酶突變，形成多種突變體，從中選出能夠制造高性能芯片所用的半導(dǎo)體。丹尼爾相信，來自海綿的硅半導(dǎo)體芯片具有很好的生物融合性，有利于制造更加先進(jìn)的生物計算機(jī)、類人機(jī)器人和智能人造器官。