2023年的第29本书。
之前读过几本芯片相关的书，包括《芯片战争》, 《Chip war》, 《光刻巨人 : ASML崛起之路》等，大都是从商业的角度来回顾芯片行业的发展。本书的视角不同，如作者汪波所说，是“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”。我个人对芯片作为一门技术的进化史更感兴趣，因此本书更适合自己的口味。
全书一共14章，以半导体的发展为主线，覆盖了晶体管、集成电路、计算芯片、存储芯片、模拟传感器、光电器件、芯片的设计和制造等诸多主题，难得的是脉络清晰，娓娓道来，把线索梳理得井井有条，读来酣畅淋漓。非常推荐。
读完之后的一些感想。
首先，由于是科技史，所以能否用简明易懂的科普姿势把复杂的技术原理说清楚就显得尤为重要。作者非常擅长通过生动形象的类比把艰深的技术点讲得浅显易懂，例如：
- 把晶体管结构比作菜园里的橡皮水管。“晶体管越小，就越难关断。假如你的面前有一条浇菜园用的橡皮水管，为了切断其中的水流，你可以用脚使劲地踩住它，直到将它踩扁。但如果橡皮管变得越来越细，你一踩它，它就陷进了松软的土里，你怎么踩也切不断里面的水流。这就像100纳米以下的晶体管在应用中出现的问题。在这个例子里，水管对应于晶体管的导电沟道，而鞋对应于控制栅极。问题的症结在于平面结构，陷进泥土里的橡皮管跟土壤处于同一平面上，致使你的鞋用不上力…胡正明的大脑也和飞机发动机一样在高速地运转。他的思路是改变晶体管的结构，让栅极重新靠近导电沟道。为此，他要让晶体管的导电沟道竖立起来，而不是埋在下方的硅里，就像设法使水管凸出来，使得鞋底能重新贴近水管壁。对于越来越细的水管，如果有了一个带凹槽的鞋底，就能刚好卡住并夹断水流。而对于导电沟道，将其立起来后，用一个倒U型的栅极“卡住”导电沟道，就能施加电场将其“夹断”。这种竖立起来的导电通道就像鱼背上竖起来的鳍一样。有了“鳍”(fin)，晶体管就从平面结构变成了立体结构，就像扁平的比目鱼长出了背鳍。
- 把芯片比作书店。”我们把芯片比作书店，晶体管则是成排的书架。每一列书架对应于一个晶体管的栅极，书架间的空间则是晶体管的源极和漏极部分。那么，书架的厚度就对应于栅极长度（即线宽），而书架的间隔就是晶体管的节距。为了提升晶体管的密集程度，就要缩短晶体管的栅长，这相当于让书架变得更薄。同时，栅极缩短后，晶体管栅极下的电流就能更快地通过，于是开关更灵敏，这相当于书店员工以更短的时间穿越书架。书店经理希望有更多的书架，也希望员工的移动速度更快，他只需要知道一个数据就能同时了解这两个指标，那就是“书架间距”。同理，半导体厂商只需用一个参数就能反映出晶体管的密集程度和开关速度，那就是栅间的节距(CGP)，业界用这个数值的一半——半节距，定义技术节点。
- 把结型晶体管比作水库和闸门。“这个结型晶体管背后的原理依然是通过调控单向电流来实现放大，跟水库闸门调节水流是一个道理。肖克利设想电流从左到右单向通过三层半导体。第一层N型半导体负责提供大量电子，就像水库中蓄了大量水，能扩散、蔓延到器件中部。第二层P型半导体就像水闸，可以控制和引导这些电子。而第三层N型半导体负责把这些电子全部收集起来，就像水闸下方的水潭与河道。肖克利认为，只需向中间这一层注入微小的电流，就能在输出层得到较大的电流，从而实现放大，这有点像股市庄家注入一部分资金来搅动大盘。这种晶体管从左到右共有三层半导体、两个PN结，所以肖克利将其命名为结型晶体管。这三层紧密贴合，而不是只通过一个点来接触，也无需固定框架，比点接触晶体管更稳定、更可靠。”
- 把半导体扩散法比作喷墨打印机。“富勒发明了半导体扩散法（见图3-3）。这有点像喷墨打印机把墨汁喷到纸面上一样简单，效率远高于拉晶法。这样一来，连同上面提到的第一个问题——晶体管制造效率的问题也一起解决了。”
- 把集成电路的元件互连比作房间布线。“诺伊斯想到，可以将全部互连线集成到硅芯片的表层下方，就像在房间地板下埋设电线，所有线缆都走地板下方，然后从插座引出，这样整个地板看起来就会干净整洁，而不是乱糟糟地到处拉电线。这样一来，不仅不需要手工连线，还极大地改善了电路的可靠性，可以让集成电路成为完整的一体。霍尼的平面晶体管的表面是纯平面，在上面覆盖一层二氧化硅，正好可以起到地板的作用。然后在上面铺设金属走线，就可以将不同元件互连起来。”
- 把 MOS 场效晶体管比作挖沟和分色印刷。“阿塔拉和姜大元则不同，他们站在肖克利和巴丁等人的肩膀上，知道在晶体管放大中起关键作用的是少数载流子。为此，阿塔拉和姜大元需要先把硅表面的多数载流子排斥掉。只需在二氧化硅绝缘层上放置一个栅电极(G)并施加电压，就能将表面的多数载流子排斥掉，只留下少数载流子，从而形成导电沟道。这一步就好比在地面上挖出了一条沟渠。接下来是让沟渠一边高，一边低，形成一个斜坡，从而使导电沟道中形成一个电压差。为此，他们在导电沟道的两端做出源极(S)和漏极(D)，分别施加不同的电压，这样就产生了从源极（“泉眼”）沿着导电通道（“沟渠”）直到漏极（“池塘”）的单向流动电荷。最后，调控栅极电压就能改变导电沟道的形状，从而调控单向电流，实现场效放大。他们宣称，MOS场效晶体管结构简单，比结型晶体管容易制造得多。之所以这么说，是因为结型晶体管是三层结构，需要分层制造（在底层上扩散出中间层，再扩散出顶层），这类似于“分色印刷”，将几种颜料逐层叠加印刷到纸面上。而MOS场效晶体管在底层之上只有一层，只需“单色印刷”即可。
- 把 CCD 比作电影院的人流。“一片芯片里有大量的MOS场效晶体管器件组成的阵列，这些器件彼此紧靠在一起，要怎样才能把存储的电荷信息读取出来呢？他们找到了一个巧妙的解决方法，让电荷通过相邻的MOS场效晶体管器件一点一点地移出来。这有点像坐在电影院中间位子的人，每次移动一个座位，一步一步地移出来：先放倒邻座的椅子，移动并坐上去，同时原来的座位自动地弹回原位，然后再放倒一个邻座的椅子，继续移动并坐上去……以此类推。具体该如何使MOS场效晶体管器件上的电荷移动呢？首先，在电荷附近的MOS场效晶体管上施加一个电压，造成一个更低的势能陷阱，相当于放倒相邻的椅子，于是MOS场效晶体管里的电荷流动到了邻近器件中。然后，使原来那个器件的电压恢复到正常值。接着，在下一个邻近器件上施加电压，设置势能陷阱，使得电荷继续向这个方向移动，以此类推。他们把这个器件称为CCD。”
- 把 FPGA 比作城市。“当芯片选择开关的规模以平方倍增加，随之而来的功耗与面积同样也会按平方倍增加，这必然不可持续。我们可以想象一座城市。如果整座城市采用集中布局，即住房、商场、洗衣店、饭店、理发店等都有专门的区域。随着规模扩大，不同区域之间的距离就会越来越远，这将使得人们到访不同区域的成本大大增加。PLA和PAL芯片的规模问题与此同理。弗里曼想，PAL里的集中控制方式限制了芯片规模的扩大，他想将其改为分布式排布，便于阵列的进一步扩展。弗里曼的想法是把城市分割为大小相等的街区，变成分布式结构，每个街区都是预先设计好的“综合体”，每个街区都能提供一应俱全的住房、商场、洗衣店、饭店、理发店等。这样一来就不存在规模问题，城市可以按照这个模式一直扩张下去。街区之间采用横平竖直的街道划分，每条街道的交汇口都允许直行、拐弯或斜插，这样就能从一处抵达任何方向。弗里曼的分布式结构里，每个逻辑功能模块都提供所需的全部功能：时序单元、计算单元、查找单元等，这些模块叫作可配置逻辑模块（简称CLB），它们之间由互连模块连接起来，这些互连模块位于每个街区的交汇处，由上下左右的通路相连。由于消除了“与阵列”，FPGA架构由此能自由地建造逻辑模块。只需将模块向上下左右4个方向扩张，就能完成芯片规模的扩张。当然，这种分布式结构也存在问题。每个街区都包含所有可能的场所，但实际上不是每个场所都会发挥作用，有些只会白白空在那里。在FPGA里也是如此，如果芯片只需要实现很少几种功能，那么包含各种功能的逻辑块中有许多晶体管就“浪费”了。正是这个想法挑战了当时主流的“晶体管越少越好”的观念，这也是卡特觉得这个想法很蠢的原因。弗里曼通过一种极度“浪费”晶体管的方式，换来了逻辑编程芯片的规模增长，使其不再受功耗和面积的羁绊。这种“浪费”是值得的，因为弗里曼能看到更远的未来，他认为摩尔定律最终将打垮成本。”
- 把 EDA设计里的λ法则比作乐高积木。如何实现极简设计呢？让我们以乐高积木为例。乐高积木所有尺寸都是0.8毫米的整数倍。例如，一个拼块的长和宽均是8毫米，是0.8毫米的10倍。这让元件彼此兼容。康韦要设计的就是这样一套极简的规则，适用于所有的半导体公司。康韦由此想到了实现极简思路最关键的一点：将版图中所有的尺寸都规定为某个数值的整数倍！
- 把硬件设计的Verilog语言比作隶书。将图形转化为文字的方法是抽象，正如《说文解字》中所说的：“黄帝之史仓颉，见鸟兽蹄爪之迹，知今之可相别异也，构造书契。”从图画中忽略细枝末节，抽象出骨架结构，就得到了象形文字。如此一层一层地抽象演变下去，就得到了现代文字。例如 “马”字的逐渐抽象：从甲骨文中的“马”到金文中的“马”，再到小篆和隶书中的“马”，和“与非门”电路的逐渐抽象：从其版图到其原理图，再到其逻辑模块和代码语言。同样，如果人们能将电路图抽象并去掉细节、抓出特征，构造出一种描述硬件电路功能的文字，就可以构建出一个包含海量电路元件的复杂世界。
- 把电路设计IP比作文档模板。我们可以将电路IP理解为文档的模板。早在20世纪80年代，VLSI技术公司的EDA部门创建了许多标准单元库。但每次从头设计电路非常耗费人力，于是设计公司开始将一些标准化的接口电路、通信电路等打包变成了一个个标准模块，这样就可以反复使用，或者将其卖给需要的公司，这时标准电路IP出现了。这种数字形式的IP可以是版图或电路网表，用户拿到后可直接使用或在稍微修改一下后使用。
- 把芯片设计比作设计房子的水电管路。“手工设计芯片的过程有点像设计房子的水电管路，芯片对应于房子，门电路对应于房间，互连线对应于水电管路。首先是芯片总体设计，它确定了芯片架构包含哪些功能模块等，就像设计一幅水电布局草图。其次是具体的电路原理设计，设计者需要将每个模块的功能转换为逻辑表达式，进而用逻辑门搭建起对应的电路，最后将逻辑门转换为更具体的晶体管。这一步对应于水电管路设计过程中要确定的具体事项：从配电箱里引出多少组线，热水器与各房间热水管的连接关系。再次是把电路原理转换为芯片版图，绘制出晶体管和走线的图案。对于水电管路设计来说，则对应于绘制走线图。手工设计者用直尺在标有方格的绘图纸上画出一个个晶体管，以及它们的连线。当这些线路彼此交叉时，设计者要打过孔将其中一条从上层或下层穿过去，就像“造”立交桥。这些线路都要符合关于线间距、粗细的规则，只要有一处出错，芯片就报废了。版图完成后，设计者要将一大张纸铺在桌上，伏案逐条检查线路，确保万无一失。”
- 把应对芯片挑战比作应对粮食危机。“如果把晶体管比作粮食，我们可以参考解决粮食危机的方法，来说明应对芯片挑战的三种思路。第一，最直接的就是继续提升主要粮食的单位面积产量，这对应于提高芯片中晶体管的密度，这被称为“延续摩尔”(More Moore)。第二，是扩展其他粮食种类，提高丰富程度，这叫作“扩展摩尔”(More than Moore)。第三，也是最长远的，是开发全新的粮食品种，这对应于探索MOS场效晶体管以外的新型晶体管，叫做“超越摩尔”(Beyond Moore)。”
其次，摩尔定律是一种信仰。书中提到，
“米德每次宣讲时都会被问道：‘摩尔定律是一个物理定律吗？’ 米德解释说，它不是一个物理定律，而是关乎人类的行为。摩尔定律不会像物理现象那样自然而然地发生，而是需要无数人付出才智和汗水，坚信他们能够克服一个又一个看似不可能的困难，从而不断地让元件数翻倍。在摩尔定律没有提出之前，没有人知道未来的路会是怎样的。而摩尔定律给芯片的未来发展划定了一条路线图，它以数量翻番的形式通往未来。它让人们相信，既然过去能够克服困难走到今天，那么明天遇到新的困难时也总会有人克服它。
如果我们把摩尔定律分成若干段，每一段都是S曲线。每隔十年左右，它就会遇到一个较大的瓶颈，而这时就会有一个新技术出现，从而让摩尔定律突破瓶颈并继续获得验证。到了下一个十年，原有技术遇到了新的瓶颈，又会有新技术来实现突破。S曲线一开始大都平缓低矮，然后突然陡峭上升，这就是新生事物的威力。 与其说摩尔定律是一个定律，不如说是一种信仰。正是这种“不待证明而相信”的信仰，推动着摩尔定律不断获得验证。摩尔定律展示的不是永恒不变的物理定律，而是人的想象力和创造力在不同阶段所能达到的极限。”
我个人的理解，如果宇宙是个大模拟器，那么摩尔定律就是这个大模拟器的参数，它决定了文明的进化速度。否则很难解释，为什么会有这种非物理的现象存在。尽管摩尔定律面临很大的挑战，但只要它还成立，就会愈发让我坚守宇宙是个模拟器的世界观。
还有一种可能，就是摩尔定律只是某种更大规律在一个时间段内的特殊形式，GPU的算力、LLM的参数规模等等也遵循指数发展的规律，因此未来不排除摩尔定律会被替换成其他定律，但文明指数进化的大势不变。
最后，关于创新者的窘境。书中一次次地提起，在芯片的发展史上，曾经的屠龙勇士们在长大之后往往都变成了缓慢、官僚、臃肿的巨人，进而被更年轻的勇士们打败，让人唏嘘不已，最典型的就是贝尔实验室：
美国电话电报公司连接的电话数量已达一亿部。莫顿认为，“电话系统的创新就像一边跑步一边做心脏移植手术，而且要与以前的技术兼容”。贝尔实验室致力于发展可靠的、能在交换机等设备里工作40年之久的单个晶体管。莫顿为此创造了一个新词“兼容式创新”，但显然芯片不属于这种技术。 贝尔实验室不像美国军方那样对体积和重量有严格的要求，他们倾向于减少整体的元件个数，以便减少互连的个数。半导体研发部主管扬·罗斯发表了一篇文章，认为芯片“治标不治本”。由此，贝尔实验室不认为集成电路代表着未来，于是选择了另外一条“微型模块”的道路，但这最终被历史证明是一条死胡同。与此同时，仙童半导体和德州仪器等公司却在积极地探索集成电路。当初基尔比发明的带有飞线的集成电路极不成熟，无法大规模生产，任何一个理性的领导都有理由将其否决，而德州仪器公司总裁哈格蒂却坚定地支持这项新发明。在仙童半导体公司，人们对集成电路有过激烈的争论，但最终还是决定放它一马。摩尔曾说：“仙童半导体公司的可贵之处在于它的组织上是不成熟的。类似的想法也会出现在其他更‘成熟’的大公司，但是一定会被认为在经济上不值得而被否决掉。”就这样，手握大量芯片相关核心技术（扩散法、硅提纯、光刻、硅晶体管、氧化硅层、金属淀积等）的贝尔实验室，靠着领导层的丰富“经验”与“缜密”思考而错失了这一重大发明。而这，还不是最后一次…… 贝尔实验室做出这一决策时，正是它广受赞誉、如日中天时。贝尔实验室认真地倾听了通信领域的客户的意见，发现MOS场效晶体管开关速度慢、不稳定，很难在交换机系统中获得大规模应用。贝尔实验室评估了未来的市场发展趋势，做出了在当时看来最正确的决策：取消MOS场效晶体管的研究，继续投资稳定的BJT研究。这并非一时的仓促之举，而是深思熟虑后的慎重决定，最后却埋下了失败的种子。 类似贝尔实验室这样优秀的企业平时往往发展得很好，但一旦遇到技术变革，就很难继续保持它们的领先地位。它们不是普通的企业，而是那些令人羡慕，并以其卓越的创新能力而闻名遐迩的企业。它们管理科学、锐意进取，会认真听取客户意见，积极地投入技术开发，最后却失去了市场主导地位。在“破坏性技术”到来时，良好的规划正是其走向失败的重要原因。这里说的“破坏性技术”并不是所谓的“颠覆性技术”。“破坏性技术”通常并不是建立在新的科学原理的基础上，也没有更复杂的结构。反之，它运用的是已有的原理，但结构更简单。MOS场效晶体管就属于这样的技术。与之对应的是“延续性技术”，典型的例子是BJT，技术成熟，目标市场明确，前景可期，只需沿着既定的方向继续优化和改进，没有人会对此持有异议。像MOS场效晶体管这样的“破坏性技术”，在原有的评价体系中速度慢、处于劣势，但在未来潜在的应用中具有优势，更适合集成在芯片中。 然而，贝尔实验室也有自己的苦衷。它所处的通信领域对民生影响极大，这要求它在技术上不能大幅跳跃，而只能平滑过渡。贝尔实验室曾开发出了一种基于晶体管的新交换系统，并制订了一个平滑的过渡计划，但逐渐替换原有的继电器开关的过程要从20世纪60年代一直持续到90年代末！ 由此，贝尔实验室的价值判断标准是维持现有通信市场的稳定，这决定了它极其看中器件的稳定性和通信速度，而MOS场效晶体管在这两方面均处于劣势。 当MOS场效晶体管和结型晶体管同时争夺宝贵的公司资源时，一方面，MOS场效晶体管的支持者是阿塔拉这样的新员工，阿塔拉是移民，来自非半导体专业，人微言轻；另一方面，结型晶体管的后盾则是资深高层人士，包括实验室副总裁莫顿、研究部主管费斯克、半导体研究部主任罗斯等，他们曾为研发结型晶体管付出了大量心血，并对其寄予厚望。 在面对“破坏性技术”时，贝尔实验室僵化的价值体系使其无法改变原有的思维惯性。
贝尔实验室并非特例。同样陷入创新者窘境的，还有IBM、德州仪器、英特尔等等：
过了几个星期后，登纳德办公室黑板上的电路图渐渐地固定了下来，他有了一个突破：用一个晶体管完成写数据，然后再重复地利用同一个晶体管完成读操作，这样就又减少了一个晶体管，每比特只需一个晶体管和一个电容器即可实现。1967年，登纳德为DRAM申请了专利，并于次年得到了授权。不过，IBM公司再一次重蹈了贝尔实验室对待MOS场效晶体管的覆辙，他们认为DRAM是一种有严重缺陷的创意，于是否决了开发计划。1970年，英特尔捷足先登，推出了世界上第一款容量达到1K的1103 DRAM，瞬间轰动了世界。
凭借着自己在半导体行业工作30多年的资历，张忠谋去找了自己的老东家德州仪器公司以及当时可能会出钱的英特尔公司等大公司，请求它们入股。当年张忠谋在德州仪器公司做副总裁时，曾帮助英特尔公司的诺伊斯解决了硅晶圆短缺的问题。但这一次当张忠谋向对方寻求帮助时，他得到的答复却是：“Morris（张忠谋的英文名），我们喜欢你，但这件事不行。”
打破惯性真是太难了。
