芯片的前世今生：重温芯片的诞生及飞速发展的70年

最近制造业里有句话：得芯片者得天下，没有芯片，什么都造不出来。对于当今的人类文明，芯片的重要性不言而喻，芯片之于电子设备，就如发动机之于汽车，芯片在电子产品中占据着核心位置。它可以是一个巨大的产业，英特尔、高通、AMD、联发科等都是芯片领域里的巨头；它也事关国家安全，现代化的战斗机、军舰或是坦克上都安装有大量的芯片。

芯片不仅代表着高效的运算性能，更是一个国家科技力量的表现 。在人类逐步“未来化”的过程中，芯片将会扮演起极为关键的角色，成为第四次科技革命的重要基础。

世界上第一个芯片和IBM发布的新款芯片，晶体管面积缩小了超过5,000倍。对商用微处理器的分析表明，晶体管数量实际上增长了16,000倍。30多年间，主流CPU的运行速率提高了超过300倍。

台积电于近日宣布取得1nm以下制程重大突破，不断地挑战着物理极限。这项研究成果由台大电机系暨光电所教授吴志毅，与台湾积体电路和MIT研究团队共同完成，已在国际期刊Nature上发表，有助实现半导体1nm以下制程挑战。由此可见当今世界芯片发展速度之快 。今天，就让我们一起来回顾芯片的发展历程吧！

01

重温芯片的诞生及飞速发展的70年

1940年代初期： 大型计算机最早出现，主要的供应商包括IBM，日立和Amdahl。

1947年： 美国*贝尔实验室的肖克利（晶体管之父，诺贝尔物理学家获得者）、巴丁和布拉顿组成的研究小组在对半导体性质进行广泛研究的基础上研制出第一块晶体管，这是20世纪的一项重大发明。

*贝尔实验室： 1925年1月1日，当时AT&T总裁，华特·基佛德(Walter Gifford)收购了西方电子公司的研究部门，成立一个叫做"贝尔电话实验室公司"的独立实体，后改称贝尔实验室。AT&T和西方电子各拥有该公司的50%的股权。在二三十年代，贝尔实验室的研究人员推出了远距离电视传输和数字计算机，领导了有声电影和人工喉的开发。两项信息时代的重要发明-晶体管和信息论都是贝尔实验室在40年代研究出来的。贝尔实验室在50和60年代的重大发明有太阳能电池，激光的理论和通信卫星。

（第一块晶体管）

1952年： 德州仪器涉足半导体业务，同年，摩托罗拉在菲尼克斯建立了固态电子研发实验室，IBM宣布推出701，这是世界上第一台存储程序的计算机。

1956年： 声誉正盛的肖克利离开就职20年的贝尔实验室，回到位于加州圣克拉拉谷的出生地，创办了*肖克利半导体实验室。

*肖克利半导体实验室： 上世纪50年代中期，由于晶体管生产工艺及成本的原因，晶体管产业刚刚兴起，真空管正处在如日中天的时候。也正是在这一阶段，肖克利正是带着想要终结真空管时代的决心，选择了回乡创业。

肖克利大学时候的好友，当时已创立贝克曼仪器公司的阿尔诺德·贝克曼教授决定出资30万美元帮助肖克利创业。在肖克利实验室组建团队时，他也没能拉来任何一位在贝尔实验室工作过的同事，因此他才在学术期刊上以公开招聘的形式从东部的名牌大学招募毕业生。因为其晶体管发明人的声誉，吸引了大批有志青年的报名，也由于肖克利提出相当苛刻的招募条件，使得肖克利最终挑选出来的八个人此后都成为半导体领域的精英。

1957年： 麻省理工学院物理学博士诺伊斯创立了*仙童公司（Fairchild）（硅谷乃至全世界半导体人才的黄埔军校）。

*仙童八叛逆： 仙童半导体的故事要从1955年讲起，当时肖克利（W.Shockley）博士创建了“肖克利半导体实验室”。第二年，八位年轻的科学家从美国东部陆续到达硅谷，加盟肖克利实验室。他们是：诺依斯（N. Noyce）、摩尔（R.Moore）、布兰克（J.Blank）、克莱尔（E.Kliner）、赫尔尼（J.Hoerni）、拉斯特（J.Last）、罗伯茨（S.Boberts）和格里尼克（V.Grinich）。 可惜，肖克利是天才的科学家，却缺乏经营能力；他雄心勃勃，但对管理一窍不通。特曼曾评论说：“肖克利在才华横溢的年轻人眼里是非常有吸引力的人物，但他们又很难跟他共事。”一年之中，实验室没有研制出任何像样的产品。八位青年瞒着肖克利开始计划出走。在诺依斯带领下，他们向肖克利递交了辞职书。肖克利怒不可遏地骂他们是“八叛逆”（The Traitorous Eight） 。不过，后来就连肖克利本人也改口把他们称为“八个天才的叛逆”。在硅谷许多著作中，“八叛逆”的照片与惠普的车库照片，具有同样的历史价值。

（仙童八叛逆照片）

*仙童公司： “八叛逆”找到了一家地处美国纽约的摄影器材公司来支持他们创业，这家公司名称为Fairchild，意译为“仙童”。

1957年10月，仙童半导体公司仍然在硅谷瞭望山查尔斯顿路租下一间小屋，“仙童”们商议要制造一种双扩散基型晶体管，诺依斯给伙伴们分了工，。1958年1月， IBM公司给了他们第一张订单，订购100个硅晶体管，用于该公司电脑的存储器。到1958年底，“八叛逆”的小小公司已经拥有50万销售额和100名员工，依靠技术创新优势，一举成为硅谷成长最快的公司。仙童半导体公司在诺依斯精心运筹下，业务迅速地发展，同时，一整套制造晶体管的平面处理技术也日趋成熟。

仙童半导体公司是硅谷乃至全世界半导体人才的黄埔军校。离职员工创办的公司大约有92家，这些公司的员工总数超过80万人，市值也超过了21万亿美元，高于了很多国家的GDP。

1959年： 美国仙童半导体公司的诺伊斯（Robert Noyce）写出打造集成电路的方案，并发明了世界第一块硅集成电路。

（世界第一块硅集成电路）

1950年代后期： 威斯康星大学电子工程硕士杰克·基尔比(Jack Kilby)和罗伯特·诺伊斯(Robert Noyce)两位电气工程师分别独立发明了集成电路（即微芯片）。

（杰克·基尔比和他的发明）

（罗伯特·诺伊斯）

1963年： 美国盐湖城犹他大学博士、于1962年加入仙童半导体公司的F.M.Wanlass和同在仙童半导体公司固态物理组的C.T.Sah首次提出CMOS技术。

1965年： 美国科学家、加州理工学院物理化学博士摩尔提出*摩尔定律，预测晶体管集成度将会每18个月增加一倍。

*摩尔定律（Moore's Law）： 英特尔公司的联合创始人戈登·摩尔曾经在1965年预测过芯片行业十年后的发展。他观察到微芯片中的晶体管总数每年大约增加一倍，因此估计1975年的每个微芯片将包含65,000个晶体管。1975年，随着晶体管增长率开始放缓，摩尔将时间范围修改为两年总数增加一倍。实际从1961年开始的50年中，晶体管的数量大约每18个月翻一番，一位因特尔的执行官大卫·豪斯(David House)也曾经把摩尔定律的系数修改成18个月，这也是我们现在最常听到的摩尔定律的版本。摩尔定律在发表后，杂志经常提到摩尔定律，称其为“微芯片行业中的牛顿运动定律”。

（戈登·摩尔和摩尔定律）

1968年： 诺伊斯（Robert Noyce）和戈登·摩尔 （Gordon Moore）创立了英特尔（Intel）公司。

（Intel公司旧版logo）

1971年： 英特尔4004微处理器及其芯片组发布，工程师可以将其搭载到各种电子设备上，使用软件来自定义执行不同功能。

（Intel4004微处理器）

1974年： 英特尔设计出一种更强大的微处理器——8080。8080 微处理器催生了一系列新应用场景，也催生出个人计算机。

1976年： Apple One电脑开发并销售。

（Apple One电脑）

1977年： 三款品牌微型计算机上市，从此有了“家用电脑”（home computer）的概念。

1978年： 64kb动态随机存储器诞生，标志着超大规模集成电路（VLSI）时代的来临。

1979年： Intel公司推出了8088芯片，它是第一块成功用于个人电脑的CPU。

1981 年： IBM 100 PC 问世。“个人电脑”（PC）这一术语，正式确定下来。IBM PC 使用了微软开发的 MS-DOS 操作系统，微软随之崛起。

（个人电脑）

1984年： IBM公司推出了以80286处理器为核心组成的16位增强型个人计算机IBM PC/AT。由于IBM公司在发展个人计算机时采用了技术开放的策略，使个人计算机风靡世界。

1987年： 被誉为“芯片大王”、台湾“半导体教父”的张忠谋创建了台积电，开创了晶圆代工的商业模式。

1988年： 16M DRAM问世，1平方厘米大小的硅片上集成有3500万个晶体管，标志着进入超大规模集成电路（VLSI）阶段。

1999年： 奔腾Ⅲ问世，大大提高了计算机的性能。

（奔腾Ⅲ）

2004年： 台积电拿下了全球一半的芯片代工订单，位列半导体行业规模前十。

2005年： 台积电成功试产65nm芯片，领先业界。

2009年： intel酷睿i系列全新推出，创纪录采用了领先的32nm工艺。

2012年： 华为发布了K3V2，号称是全球最小的四核ARM A9架构处理器。集成GC4000的GPU，40nm制程工艺。

2014年： 华为麒麟920发布，作为一颗28nm的八核心soc，还集成了音频芯片、视频芯片、ISP，集成自研第一款LTE Cat.6的Balong720基带。

2015年： IBM宣布实现7nm工艺，新技术突破了半导体行业的重要瓶颈，使IBM在芯片技术上大幅度地超越了竞争对手。

（IBM POWER10 7nm 工艺）

2017年： 华为发布人工智能芯片麒麟970，首次采用台积电10nm工艺（这与高通最新的骁龙835芯片为同一工艺）。

2021年： IBM宣布推出2纳米芯片制程 速度比主流7纳米芯片快45%。台积电取得1nm以下制程重大突破，不断地挑战着物理极限。（台大与台积电、美国麻省理工学院合作研究发现二维材料结合「半金属铋（Bi）」能达极低电阻，接近量子极限。）

02

历数具有划时代意义的几款芯片

在集成电路占统治地位的半个世纪里，许多杰出的芯片在人们的难以置信中横空出世。它们为我们带来了让生活变简洁的技术，没有它们我们的生活将变得冗长乏味。下面盘点几款芯片，曾经震撼了世界改变了我们的生活！

西格尼蒂克NE555定时器： 1971年，Hans Camenzind发明出西格尼蒂克NE555定时器，是一款历史上最杰出的微芯片。

（西格尼蒂克NE555定时器）

Intel i486： 于1989年推出，是英特尔80386微处理器的高性能后续产品，也是第一个使用超过一百万个晶体管的x86芯片。

（Intel i486）

奔腾Ⅲ： 1999年，英特尔发布Pentium III 450MHz、Pentium III 500MHz处理器，同时采用了0.25微米工艺技术，核心由950万个晶体管组成，奔腾3的诞生标志着Intel踏上了PIII旅程。

（奔腾3）

奔腾4： 继1995年出品的Pentium Pro之后的第一款重新设计过的处理器，拥有1.4GHz左右的内核时钟，并使用Socket 423脚位架构，首款处理器于2000年11月发布。

（奔腾4）

Intel Core i3： Core i3最大的特点是整合GPU（图形处理器），也就是说Core i3将由CPU+GPU两个核心封装而成。

（Intel Core i3）

Intel Core i7： Core i7处理器是英特尔于2008年推出的64位四核心CPU，沿用x86-64指令集，并以Intel Nehalem微架构为基础，取代Intel Core 2系列处理器。

（Intel Core i7）

03

芯片制造：一粒沙子的质变

芯片是半导体元件产品的统称，主要成分是硅，它性质稳定、容易提纯，是最适合制作芯片的半导体材料。芯片集成电路的载体 ，集成电路将多个元件结合在了一块芯片上，提高了芯片性能、降低了成本。随着硅材料的引入，芯片工艺逐步演化为器件在硅片上层以及电路层的衬底上淀积。

（硅单质）

（把硅锭切割为硅晶片）

（早期的芯片切割，

每个硅晶片上只能生产出少量芯片）

（现在的芯片切割在硅晶片直径增大的同时，

每个硅晶片上可以生产出数百倍的芯片）

硅被制造成芯片过程中需要经过多项工艺流程：

1.制作晶圆 ：使用晶圆切片机将硅晶棒切割出所需厚度的晶圆。

（中间的是硅棒，两边的是机械切割刀）

2.晶圆涂膜 ：在晶圆表面涂上光阻薄膜，该薄膜能提升晶圆的抗氧化以及耐温能力。

（晶圆抛光）

3.晶圆光刻显影、蚀刻 ：使用紫外光通过光罩和凸透镜后照射到晶圆涂膜上，使其软化，然后使用溶剂将其溶解冲走，使薄膜下的硅暴露出来。

（用溶剂冲洗晶圆）

4.离子注入 ：使用刻蚀机在裸露出的硅上刻蚀出N阱和P阱，并注入离子，形成PN结（逻辑闸门）；然后通过化学和物理气象沉淀做出上层金属连接电路。

（离子注入示意图）

5.晶圆测试 ：经过上面的几道工艺之后，晶圆上会形成一个个格状的晶粒。通过针测的方式对每个晶粒进行电气特性检测。由于每个芯片的拥有的晶粒数量是非常庞大的，完成一次针测试是一个非常复杂的过程，这要求在生产的时候尽量是同等芯片规格的大批量生产，毕竟数量越大相对成本就会越低。

（制作过程细节图）

6.封装 ：将制造完成的晶圆固定，绑定引脚，然后根据用户的应用习惯、应用环境、市场形式等外在因素采用各种不同的封装形式；同种芯片内核可以有不同的封装形式，比如：DIP、QFP、PLCC、QFN 等等。

（不同尺寸的芯片封装）

（芯片制作工厂内部图）

现在的芯片：

04

当前全球主要芯片加工厂

英特尔(Intel)： 英特尔成立于1968年，主要从事微处理器，芯片组，闪存等的设计，开发，制造和销售。从1992年至今，它一直保持着世界第一半导体制造商的地位，尤其是到2020年，它在全球PC, CPU市场中保持近60％的份额。

（英特尔在美国俄勒冈州工厂鸟瞰）

三星(Samsung)： 三星集团是世界知名的企业，成立于1938年，总部位于韩国，主要经营的产品有CDMA手机、半导体、CDMA系统、背投大屏幕电视等多个系列。

（三星在中国西安的芯片加工厂）

海力士(Hynix)： 海力士半导体是世界第三大DRAM制造商，也在整个半导体公司中占第九位。

（SK hynix今年在韩国新建的工厂）

美光科技(Micron Technology, Inc.)： 美光科技有限公司是高级半导体解决方案的全球领先供应商之一。通过全球化的运营，美光公司制造并向市场推出DRAM、NAND闪存、CMOS图像传感器、其它半导体组件以及存储器模块，用于前沿计算、消费品、网络和移动便携产品。

（Micron在美国爱达荷州的总部）

高通(Qualcomm)： 目前知名度最高的芯片品牌之一。高通曾成功实现了CDMA手机的商业化，在CDMA手机芯片中，它拥有几乎垄断的市场份额。

（高通在美国圣地亚哥的公司总部）

博通(Broadcom Corporation)： 博通是全球领先的有线和无线通信半导体公司，为计算和网络设备、数字娱乐和宽带 接入产品以及移动设备的制造商提供业界最广泛的、 一流的片上系统和软件解决方案。

（博通公司外貌）

德州仪器(Texas Instruments)： 主要是从事半导体设计开发制造以及销售为一体的高科技产业，另外还有数字信号处理与模拟电路方面的研究、制造销售等，在全球芯片公司中是规模最大的一个模拟电路技术部件制造商。

（上海、深圳产品分拨中心）

美国超威半导体公司(AMD)： 美国AMD半导体公司专门为计算机、通信和消费电子行业设计和制造各种创新的微处理器（CPU、GPU、主板芯片组、电视卡芯片等)。

（AMD顶级晶圆厂）

联发科(MediaTek.Inc)： 是全球著名IC设计厂商，专注于无线通讯及数字多媒体等技术领域。其提供的芯片整合系统解决方案，包含无线通讯、高清数字电视、光储存、DVD及蓝光等相关产品。

（联发科台湾新竹总部）

英伟达(NVIDIA)： 是全球可编程图形处理技术领袖，专注于打造能够增强个人和专业计算平台的人机交互体验的产品。公司的图形和通信处理器拥有广泛的市场，已被多种多样的计算平台采用。

（Nvidia在美国硅谷的总部）

台湾积体电路制造股份有限公司(Taiwan Semiconductor Manufacturing Company)： 台积电是中国台湾一家半导体制造公司，是全球第一家、以及最大的专业集成电路制造服务（晶圆代工）企业。

（台积电工厂）

全球知名芯片厂商：

05

芯片领域传奇人物

杰克·基尔比(Jack Kilby)

芯片发明者

杰克·基尔比(Jack Kilby)于1923年1出生，1957年，当时为美国陆军工作的杰克·基尔比（Jack Kilby）首次提出了制造每个包含一个组件的小型陶瓷晶片的想法 。他的想法引发了人们对“微模块计划” 的关注。1958年，基尔比受雇于达拉斯的德州仪器(Texas Instruments)。他受到启发，提出了另一个甚至更高级的设计，将电子电路的所有元素都放在单个金属芯片上，该设计成为了我们今天所知道的芯片。

1958年9月12日，Kilby展示了第一个可运行的芯片 ，并于1959年2月6日申请了专利。Kilby对设备的描述是一种完全集成的电子电路，因此产生了术语“集成电路”。Kilby发明的第一批客户是美国空军。不久，许多常见的电子设备都考虑了集成电路，也就是芯片的设计。

在他的职业生涯中，他注册了60多项专利。在证明芯片是可行的之后，他领导构建了研发第一台集成电路的计算机的团队。 他还与团队合作，发明了第一台手持式计算器和第一台热敏打印机，并将其用于便携式数据终端。

基尔比于2000年获得了诺贝尔奖，表彰他发明第一个真正的集成电路。除涉及单片集成电路的专利外，Kilby还拥有50多项美国专利。他还领导了他的发明在军事，工业和商业应用方面的开发，同时设计了第一套军事系统和第一台集成集成电路的计算机。

罗伯特·诺伊斯(Robert Noyce)

（芯片发明者，Intel创始人）

罗伯特·诺伊斯(Robert Noyce)是集成电路的共同发明者，有“硅谷市长” 的绰号，他是最早在硅谷从事芯片研究工作的科学家之一。

作为企业家，他是仙童半导体和英特尔公司这两家奠定硅谷工业基础公司的联合创始人，他在这些公司留下了独特而不可磨灭的印记。1968年，仙童成为半导体行业的巨头，占据了芯片计算机市场的80％左右。然而，公司的经营情况就在这时恶化了。诺伊斯决定离开公司，并与来自肖克利半导体实验室的朋友和仙童公司的联合创始人戈登·摩尔(Gordon Moore)一起创立了自己的新公司 。公司于1968年7月正式成立，期初叫NM Electronics，但不久后更名为英特尔 。如今，因特尔是全球最大的半导体芯片生产商。

作为行业政治家，他帮助创立了半导体行业协会 ，曾是加利福尼亚大学的董事，曾任总统工业竞争力委员会的成员，并且是SEMATECH的首任首席执行官

诺伊斯获得了许多荣誉和奖项。里根总统于1987年授予他国家技术勋章，两年后，乔治·H.W。布什将他引入了名人堂。1990年2月，诺伊斯和杰克·基尔比因在集成电路方面的工作而获得了首个查尔斯·斯塔克·德雷珀奖（Charles Stark Draper Award）。

威廉·肖克利(William Shockley)

（晶体管之父，诺贝尔物理学家获得者）

肖克利，1910年生于伦敦。3岁随父母举家迁往加州。从事矿业的双亲从小给他灌输科学思想，加上中学教师斯拉特的熏陶，他考入了麻省理工（MIT），获固体物理学博士学位后留校任教 。二战结束后，贝尔实验室开始研制新一代的电子管，具体由肖克利负责。1948年，肖克利等人申请了发明晶体管的专利 。因对半导体的研究和发现了晶体管效应，肖克利与巴丁和布拉顿分享了1956年度的诺贝尔物理学奖。肖克利于1955年回到老家圣克拉拉谷(硅谷)创业，在硅谷了望山建立了肖克利实验室股份有限公司。

正是肖克利，触发了形成硅谷半导体工业的创业连锁反应。这肖克利实验室八人中的诺伊斯与摩尔于1957年一起离开肖克利并创办了仙童公司，后两人又合作于1968年创办了英特尔。罗伯茨·克莱顿、拉斯特和赫尔尼于1961年离开仙童，创办了另一家Anelc半导体公司。赫尔尼后来又于1964年离去，创办了联碳电子公司，并于1967年创办了Intersil公司。

戈登·摩尔 （Gordon Moore）

（摩尔定律提出者）

摩尔在1950年代加利福尼亚时硅电子行业刚起步时就进入了该行业。1956年，摩尔加入了肖克利半导体实验室 ，专门从事复杂的固态工艺，用于将微小的杂质或掺杂剂扩散到硅中，以制造晶体管和其他半导体器件。

加入肖克利半导体实验室不到一年，摩尔和该实验室的其他一些科学家对的肖克利的风格和决策表示反感，离开实验室创立了仙童半导体。摩尔迅速成为仙童半导体的主要技术人员和经理。在摩尔的领导下，仙童半导体为开发金属氧化物半导体（MOS）场效应晶体管做出了贡献，该晶体管是当今最常用作芯片组件的晶体管。

1965年，摩尔预测，在同等面积的硅片上安装的晶体管数量每年将增加一倍，这就是现在著名的摩尔定律。 这样，购买者可以以相同的价格将获得更多的计算能力，电子产品会变得越来越便宜，性能越来越好。1975年，他将假说修改为大约每两年一次。至今仍是一个非常准确的预测，事实证明这一假设是正确的。摩尔定律一直持续到了21世纪的第三个十年，到2020年，半导体大小已经突破5纳米大关。摩尔定律的持续发展意味着半导体行业的更新速度远远超过几乎所有其他行业。摩尔定律的未来仍可能会带来微芯片能力指数级的提升，从而推动计算，网络，存储和通信设备的转变。

1968年，摩尔和罗伯特·诺伊斯创立了英特尔公司 ，最初，英特尔专注于为计算机创建基于半导体的内存。当日本竞争者接管了这种能力时，英特尔将重点转移到了微处理器上，这些芯片是当今执行复杂功能的计算机的大脑。

（摩尔定律）

邓中翰

（中国芯片之父）

1992年邓中翰从中国科学技术大学毕业后赴美国加州大学伯克利分校学习;1997年毕业时取得电子工程学博士、经济管理学硕士、物理学硕士学位，是该校建校130年来第一位横跨理、工、商三学科的学者。毕业后加入IBM公司做高级研究员，并获得IBM发明创造奖；1999年10月邓中翰回到中国与国家信息产业部在北京中关村共同创建了中星微电子有限公司，并担任星光中国芯工程总指挥，成功地开发出中国第一个打入国际市场的星光中国芯，彻底结束了“中国无芯”的历史。

邓中翰主持研制的“星光”系列数字多媒体芯片达到世界领先水平，在中国国内外实现大规模产业化，应用于计算机、手机及监控等领域。2005年，在邓中翰和团队的共同努力下，成立仅仅六年的中星微迎来了自己的“高光时刻”——以没有任何知识产权纠纷的中国本土科技公司身份，在美国纳斯达克顺利上市，成为中国第一家在此上市的中国芯片设计企业。

徐文伟

（华为芯片奠基人）

徐文伟1991年加入华为研发部，主持华为第一代局用程控交换机开发，分别负责芯片、总体技术、战略规划和预研部等工作。华为的第一套GSM系统、第一台云数据中心核心交换机等一系列重大产品的研发，都有徐文伟的功劳。

在华为几十年，徐文伟历任国际产品行销及营销总裁、欧洲片区总裁、战略与Marketing总裁、销售与服务总裁、片区联席会议总裁、企业业务BG CEO、公司战略Marketing总裁、IRB主任等。可以说，徐文伟既是技术方面的行家，又懂市场，既有理论，也有实践，华为、任正非选他做战略研究院院长，再恰当不过了。

Jim Keller

（当前硅谷芯片重要人物）

吉姆·凯勒（Jim Keller）是计算机架构领域的知名全能专家 。他的历史始于数字设备公司(Digital Equipment Corporation)，从事Alpha处理器的设计工作。随后他在AMD工作了两年之久，致力于推出K7和K8处理器。Keller还分别在在SiByte / Broadcom担任首席架构师四年，为网络接口设计MIPS，而在P.A任职四年。在Apple（A4 + A5）任职四年，然后回到AMD担任两年，担任公司副总裁兼首席核心架构师，负责新一代CPU体系结构K12和Zen。在特斯拉担任自动驾驶硬件工程副总裁两年，负责开发全自驾芯片，然后在2020年6月离开英特尔之前，担任英特尔硅工程事业部高级副总裁两年。

梁孟松

（中芯国际重要人物）

梁孟松，台湾电子工程学家。电机电子工程师学会院士，曾为国立清华大学电机系与电子所教授、成均馆大学访问教授。曾任超微工程师、台积电资深研发长、三星电子研发副总经理，后至中芯国际，出任联合首席执行官（CEO）兼执行董事。

1992年返台后任台湾积体电路制造股份有限公司工程师、资深研发处长，负责或参与台积电每一世代制程的最先进技术，也是“新制程设备遴选委员会”之一员。台积电在2003年以自主技术击败IBM，一举扬名全球的130纳米“铜制程”一役受行政院表彰的台积电研发团队中，当时负责先进模组的梁孟松排名第二，贡献仅次于他的上司，资深研发副总蒋尚义，而蒋尚义则在2016年底被中芯聘为独立董事，2019年6月离任，2020年12月又回任中芯副董事长。2009年2月梁孟松离开台积电，转赴国立清华大学任电机工程学系和电子所教授；半年多后离台赴韩。

苏姿丰

（AMD华裔CEO）

苏姿丰出生于中国台湾，三岁左右就跟随父母移民美国。1986年，苏姿丰考上了麻省理工学院电气工程专业。大一那年，她通过学校的本科研究机会计划（UROP）担任本科研究助理，为研究生生产测试硅晶片。这个项目激发了她对半导体的强烈兴趣。在IBM任职期间，苏姿丰在开发半导体材料中发挥了关键作用。她使用的铜技术代替铝连接半导体芯片，解决了防止铜杂质污染的问题。此项铜技术于1998年推向市场，使得芯片的处理速度比传统版本快了20％，此举带来了新的行业标准。 2012年1月，她担任AMD高级副总裁兼总经理，负责监督公司的全球业务部门和AMD产品的业务对接。2014年10月8日，AMD宣布任命苏姿丰担任总裁兼CEO。

张汝京

（中芯国际创始人）

中国半导体发展史中，今年73岁的张汝京是一个绕不开的人。他大半生充满传奇色彩，最为外界所知的一段经历是2000年亲自创办了中国半导体制造环节最大公司中芯国际（SH688981）。王阳元、张汝京等人创办和经营的中芯国际，成为中国大陆最大芯片代工厂，众多中国芯片公司开始看到建立本土供应链的希望；新昇半导体则解决了中国大陆300mm半导体硅片依赖进口的局面；芯恩则作为中国大陆第一家CIDM模式的芯片厂，向业界提供了一个CIDM模式（共享IDM模式）的方向。

半导体发展至今的半个多世纪，张汝京已经在这个行业工作了四十余年。他的每一次创业，都协助开启了中国半导体产业一个新的方向。

短短几十年，芯片产业上演了一场场波澜壮阔的故事。一帮梦想家发起了一次次技术革命，缔造了一个又一个颠覆性的产品，而这些，最终都改变了我们每个人的生活方式。

“数字化”是当今社会最先进和最具穿透力的生产力。芯片是一个国家科技的心脏，明确加强关键数字技术创新应用，聚焦高端芯片领域，加快推进基础理论、基础算法、装备材料等研发突破与迭代应用对企业的发展愈发重要。

芯片在高科技领域的技术地位无法撼动。芯片虽然是中间产品，但已成为当前人类社会最基础、最核心的生产资料之一， 深刻地影响着科技产业结构和装备制造业的发展水平，也对产业链的上下游和相关产业的发展产生影响。

在以需求为导向的市场结构中，芯片研发和产业化依旧任重而道远。

科普：图说芯片技术60多年的发展史（上篇）

防走失，电梯直达安全岛报人刘亚 东A

来源：芯论语 作者：天高云淡Andi863

前言 ：集成电路(芯片)技术自1958年诞生以来，已有63年的发展历史。在今天的信息化社会中，芯片无疑是最重要的基础支撑。近年来，芯片核心技术已成为美国维护科技霸权，围堵打压他国的利器。人们都想知道，芯片技术是如何由开始的原始和不成熟，一步一步发展成为今天高科技皇冠上的技术明珠。本文将以照片和图示为主，以文字为辅，说说芯片技术60多年的发展史。由于篇幅所限，暂定分上、中、下三篇叙述。

要介绍芯片技术发展史，就要从半导体 的发现和研究、电子管 、晶体管 和集成电路 的发明说起。正是因为这些发现、研究和发明，电子技术及电子工业才得以诞生。从此，人类社会拉开了电子信息化的序幕。

1. 半导体发现和研究(1833～1947年,持续114年)

1833 年 ，英国科学家迈克尔.法拉第(Michael Faraday)在测试硫化银(Ag2S)特性时，发现硫化银的电阻随着温度的上升而降低的特异现象，被称为电阻效应 ，这是人类发现的半导体的第一个特征 。

1839 年 ，法国科学家埃德蒙.贝克雷尔(Edmond Becquerel)发现半导体和电解质接触形成的结，在光照下会产生一个电压，这就是后来人们熟知的光生伏特效应，简称光伏效应 。这是人类发现的半导体的第二个特征 。

1873 年 ，英国的威洛比.史密斯(Willoughby Smith)发现硒(Se)晶体材料在光照下电导增加的光电导效应 ，这是人类发现的半导体的第三个特征 。

1874 年 ，德国物理学家费迪南德.布劳恩(Ferdinand Braun)观察到某些硫化物的电导与所加电场的方向有关。在它两端加一个正向电压，它是导通的；如果把电压极性反过来，它就不导电，这就是半导体的整流效应 ，这是人类发现的半导体的第四个特征 。同年，出生在德国的英国物理学家亚瑟.舒斯特(Arthur Schuster)又发现了铜(Cu)与氧化铜(CuO)的整流效应。

图1 .发现半导体特性的四位科学家

(法拉第、贝克雷尔、史密斯、布劳恩)

虽然半导体的这四个效应在1880年以前就先后被科学家发现，但半导体 这个名词大概到了1911年才被科尼斯伯格(J.Konigsberger)和维斯(I.Weiss)首次使用。后来，关于半导体的整流理论、能带理论、势垒理论才在众多科学家的努力下逐步完成。

其后二十多年，世界上出现了一些半导体应用案例。例如，1907～1927年美国的物理学家研制成功了晶体整流器、硒整流器和氧化亚铜(Cu2O)整流器等。1931年，硒光伏电池研制成功。1932年，德国先后研制成功硫化铅(PbS)、硒化铅(PbSe)和碲化铅(PbTe)等半导体红外探测器等。

1947 年 ，美国贝尔实验室全面总结了半导体材料的上述四个特性。从1880～1947年长达67年的时间里，由于半导体材料难以提纯到理想的程度，因此半导体材料研究和应用进程非常缓慢。 此后，四价元素锗(Ge)和硅(Si)成为了科学家最为关注和大力研究的半导体材料。而在肖克莱(W.Shockley)发明锗晶体三极管的几年后，人们发现硅更加适合生产晶体管。此后，硅成为应用最广泛的半导体材料，并一直延续至今。这也是美国北加州成为硅工业中心后，被称为“硅谷”的原因。

半导体材料是导电性能介于导体和绝缘体之间的材料，它们的电阻比导体大得多，但又比绝缘体小得多。其电学性能可以人为加以改变。 常见的半导体材料有硅(Si)、锗(Ge)、砷化镓(GaAs)、碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)等。

2. 电子管的发明(1906年，距今115年)

1904 年 ，英国物理学家约翰.安布罗斯.弗莱明(John Ambrose Fleming)发明了世界上第一个电子管 ，它是一个真空二极管 ，他获得了这项发明的专利。

图2 .弗莱明发明的真空二极管

1906 年 ，美国工程师李.德.福雷斯特(Lee de Forest)在弗莱明真空二极管的基础上又多加入了一个栅极，发明了另一种电子管 ，它是一个真空三极管 ，使得电子管在检波和整流功能之外，还具有了放大和震荡功能。福雷斯特于1908年2月18日拿到了这项发明的专利。

图3 .福雷斯特发明的真空三极管

真空三极管被认为是电子工业诞生的起点。它的应用时期长达40多年。 由于电子管具有体积大、耗电多、可靠性差的缺点，最终它被后来者晶体管所取代。

3. 晶体管的发明(1947年，距今74年)

1947 年 ，美国贝尔实验室的巴丁(J.Bardeen)、布拉顿(W. Brattain)、肖克莱(W.Shockley)三人发明了点触型晶体管 ，这是一个NPN锗(Ge)晶体管，他们三人因此项发明获得了1956年诺贝尔物理学奖。

图4 .晶体管发明三人组

图5 .获得1956年诺贝尔物理学奖的三人组

1950 年 ，当蒂尔(G.K.Teal)和利特尔(J.B.Little)研究成功生长大单晶锗的工艺后，威廉姆.肖克莱(W.Shockley)于1950年4月制成第一个双极结型晶体管—PN 结型晶体管 ,这种晶体管实际应用比点触型晶体管广泛得多。今天的晶体管，大部分仍是这种PN结型晶体管。所谓PN结就是P型半导体和N型半导体的结合之处，P型半导体多空穴。N型半导体多电子。

图6 .PN结型晶体管结构示意图(左)晶体管符号(右)

1952 年 ，实用的结场效应晶体管(JunctionField-Effect Transistor，JFET)被制造出来。结场效应晶体管 (JFET)是一种用电场效应来控制电流的晶体管。到了1960年，有人提出用二氧化硅改善双极性晶体管的性能，就此金属-氧化物-半导体(Metal Oxid Semiconductor,MOS)场效应晶体管诞生。艾塔拉(M.Atalla)也被认为是MOS场效应晶体管 (MOSFET)的发明人之一。

MOSFET宣告了在电子技术中的统治地位，并且支撑了当今信息社会的基石——大规模集成电路发展。实际上，场效应晶体管(FET)由朱利叶斯.利林费尔德(JuliusLilienfeld)于1925年和德国物理学家奥斯卡.海尔(Oskar Heil)于1934年分别发明出来，只是一直未能制造出实用的晶体管器件。

图7 .MOSFET的发明贡献者及发明年份

图8 .场效应晶体管(FET)分类及实物图

晶体管从双极型到MOS型，从分立式器件到集成在芯片之中，加上其所用不同的半导体材料，晶体管类型和品种繁多。晶体管主要起到小信号放大、功率放大、电流开关等作用，它是芯片中集成的数量最多的最基本的电路元器件。

图9 .各种晶体管的分类

晶体管发明是微电子技术发展历程中第一个里程碑。 晶体管的发明使人类步入了飞速发展的电子信息时代。到目前为止，它的应用已长达74年之久。

图10 .各种封装形式的分立式晶体管

4. 集成电路(芯片)的发明(1958年，距今63年)

1950 年 ，美国人拉塞尔.奥尔(Russell Ohl)和威廉姆.肖克莱(W.Shockley)发明了离子注入工艺 ，1954年肖克莱申请了这项发明的专利。离子注入 是将杂质电离成离子并聚焦成离子束，在电场中加速后注入到硅材料中去，实现对硅材料的掺杂，目的是改变硅材料的导电性能。离子注入是最早采用的半导体掺杂方法，它是芯片制造的基本工艺之一。

图11 .简要的离子注入原理示意图

1956 年 ，美国人富勒(C.S.Fuller)发明了扩散工艺 ；扩散是掺杂的另一种方法，它也是芯片制造的基本工艺之一。

图12 . 一种热扩散装置示意图

离子注入 工艺和扩散 工艺是两种掺杂方法。离子注入用于形成较浅的半导体结(Junction)，扩散用于形成较深的半导体结。掺杂就像炒菜中添加调味料，它是对半导体材料的“添油加醋”。少量的其它物质掺进很纯的半导体材料中，使其变得不纯，对于半导体材料来说，其它物质就是杂质，掺入的过程就称为掺杂。掺杂是将一定数量的其它物质掺加到半导体材料中，人为改变半导体材料的电学性能的过程。

图13 .两种半导体掺杂示意图

1958 年 ，美国仙童公司的罗伯特.诺伊斯(Robert Noyce)与美国德仪公司的杰克.基尔比(Jack Kilby)间隔数月分别发明了集成电路 ，开创了世界微电子学的历史。诺伊斯是在基尔比发明的基础上，发明了可商业生产的集成电路，使半导体产业由“发明时代”进入了“商用时代”。

基尔比因为发明集成电路而获得2000年的诺贝尔物理学奖。诺伊斯是仙童半导体公司(1957年成立)和英特尔公司(1968年成立)的创办人之一，他是伟大的科学家，是集成电路史上重要人物。遗憾的是，他之前在肖克莱实验室工作时，发明“负阻二极管”得不到老板支持而终止，后来日本科学家江崎玲于奈(Leo Esaki)在此项发明上获诺贝尔奖；他于1990年逝世，未等到2000年与基尔比分享当年的诺贝尔物理学奖，两次均与科技最高荣誉无缘。但是，他们两人都被誉为是集成电路之父。

图14 .基尔比和诺伊斯与他们发明的芯片

1959 年 ，贝尔实验室的韩裔科学家江大原(Dawon Kahng)和马丁.艾塔拉(MartinM.Atalla)发明了金属氧化物半导体场效应晶体管 （Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET ），这是第一个真正的紧凑型MOSFET，也是第一个可以小型化并实际生产的晶体管，它可以大部分代替JFET。MOSFET对电子行业的发展有着深远的影响。

图15 .江大原和艾塔拉发明了MOSFET

5. 光刻工艺是芯片制造的灵魂 (发明距今61年)

1960 年 ，卢尔(H.H.Loor)和克里斯坦森(Christenson)发明了外延工艺 。外延是指在半导体单晶材料上生长一层有一定要求的、与基片晶向相同的单晶层，犹如原来的晶体向外延伸生长了一层。

图16 .硅气相外延生长装置原理示意图

1960 年，光刻工艺是首次应用在芯片制造中的吗？ 这是一个重要问题，需要本文重点讨论。我的公众号【芯论语】的另一篇文章“光刻如何一步一步变成了芯片制造的卡脖子技术？”指出，光刻工艺是芯片制造的灵魂技术。 正是光刻工艺的出现，才使得硅器件制造进入到了平面加工技术时代，才有大规模集成电路和微电子学飞速发展的今天。

泛指意义上的光刻技术发明，应该追溯到1822年法国科学家约瑟夫.尼瑟福.尼埃普斯(Joseph Nicephore Niepce)的感光材料试验和刻蚀实验，以及他在1827年制作的d’Amboise主教雕板像复制品。本文所说的光刻工艺特指芯片制造过程中的光刻工艺技术。

芯片制造的光刻工艺到底是什么时候发明的？ 笔者发现网上这方面的文章很少，即使有文章介绍，也都是一笔带过。网上资料主要有两种说法，第一种说法是，1960年 卢尔(H.H.Loor)和卡斯特兰尼(E.Castellani)发明了光刻工艺[4]。第二种说法是，1970年 斯皮勒(E.Spiller)和卡斯特兰尼(E.Castellani)发明了光刻工艺[5]。两种说法中光刻发明时间竟相差10年之久。网上也很难查到卢尔、卡斯特兰尼和斯皮勒如何发明光刻工艺，甚至难以查到他们的生平介绍。

笔者更相信1960年应是光刻工艺发明的年份。 因为，如果光刻工艺是1970年才发明，那么1958～1970年这十多年时间里，贝尔实验室、仙童公司、TI、RCA和Intel等先驱公司的半导体产品(双极、FET、MOSFET晶体管)和芯片是很难制造出来的。

笔者也相信仙童公司应该是光刻工艺的发明地 。1958年仙童公司几位创始人从照相机商店购买了三个16毫米镜头，制作了一个步进和重复照相装置，用来制作掩模，并对掩模板、光刻胶进行了改进。1959年，罗伯特.诺伊斯(Robert Noyce)在日记中提出一个技术设想，“既然能用光刻法制造单个晶体管，那为什么不能用光刻法来批量制造晶体管呢？”，“把多种组件放在单一硅片上将能够实现工艺流程中的组件内部连接，这样体积和重量就会减小，价格也会降低”。为此，仙童公司开始将光刻工艺尝试应用于晶体管批量制造。诺伊斯提出了“平面技术”的设想，琼.赫尔尼(Jean Hoerni)就是将这一设想转换为实际可行的“平面处理”技术的那位大牛人[11]。

图17 .赫尔尼及所编写的平面处理工艺技术文档

从光刻机的发展年代来看，上世纪60年代是接触式光刻机、接近式光刻机；70年代是投影式光刻机；80年代是步进式光刻机；再到步进式扫描光刻机，浸入式光刻机和现在的EUV光刻机[16]，可见芯片制造的光刻工艺不可能是1970年才发明出来。

离子注入 、扩散 、外延 、光刻 等工艺技术，加上真空镀膜 技术、氧化 技术和测试封装 技术，构成了硅平面加工技术 的主体，通俗地说是构成了芯片制造的主体。没有光刻技术就没有今天的芯片技术和产业，也就没有我们现在的信息化和智能化社会。

6. 芯片技术不断成熟，沿摩尔定律快速发展

1962 年 ，美国无线电公司(RCA)的史蒂文.霍夫施泰因(Steven Hofstein) 弗雷德里克.海曼(Frederic Heiman)研制出了可批量生产的金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET，并采用实验性的16个MOS晶体管集成到一个芯片上，这是全球真正意义上的第一个MOS集成电路。

图18 .霍夫施泰因和全球首款MOS集成电路

1963 年 ，仙童公司的弗兰克.万拉斯(Frank M.Wanlass)和华人萨支唐(C.T.Sah)首次提出CMOS电路技术 。他们把N-MOS和P-MOS连接成互补结构，两种极性的MOSFET一关一开，几乎没有静态电流，适合于逻辑电路。1963年6月，万拉斯为CMOS申请了专利，但是几天之后，他就离开了仙童公司。首款CMOS电路芯片是由RCA公司研制。CMOS电路技术为大规模集成电路发展奠定了坚实基础。 今天，95%以上的集成电路芯片都是基于CMOS工艺制造。

图19 .CMOS反相器电路符号及器件模型

同年，仙童公司26岁的电路设计天才罗伯特.维德拉(Robert Widlar)设计了第一颗集成运算放大器电路μA702。

图20 .仙童公司μA702运算放大器芯片

1964年，Intel公司创始人之一的戈登.摩尔（Gordon Moore）提出著名的摩尔定律 (Moore's Law)，预测芯片技术的未来发展趋势是，当价格不变时，芯片上可容纳的元器件的数目，约每隔18-24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍 。后来50多年芯片技术的发展证明了摩尔定律基本上还是准确的。

图21 .摩尔，芯片技术沿摩尔定律发展趋势图

1966 年 ，美国RCA公司研制出CMOS集成电路和第一块50门的门阵列芯片。

1967 年 ，美国应用材料公司（AppliedMaterials）成立，现已成为全球最大的半导体设备制造公司。2020财年全年营收172亿美元，研发投入达22亿美元，全球拥有24000名员工，拥有14300个专利。业务涵盖半导体、显示器、太阳能、柔性镀膜、自动化软件等。下图是应用材料公司半导体业务部分的综述。

图22 .美国应用材料公司的半导体业务(来源：应用材料公司官网)

1967 年 ，贝尔实验室江大原(DawonKahng)和施敏博士(Simon Sze)共同发明了非挥发存储器 。这是一种浮栅MOSFET，它是可擦除可编程只读存储器(EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、闪存(Flash)的基础。

图23 .普通MOSFET与浮栅MOSFET示意图

1968 年 ，IBM公司的罗伯特.登纳德(Robert H.Dennard)发明单晶体管动态随机存取存储器 (DRAM)。发明名称是“一个关于晶体管动态RAM单元的发明”。单晶体管DRAM是一个划时代的发明，它后来成为了计算机内存的标准。Dennard于1997年入选了国家发明家名人堂；2009年获得IEEE荣誉勋章，这是电子电气领域的最高荣誉。

图24 .登纳德与单晶体管DRAM示意图

未完待续。

敬请期待【芯论语】科普：图说芯片技术60多年的发展史(中篇) 。

后记 ： 1947～1968年的20多年是全球芯片技术和电子工业的起步期，这个时期内创新人才辈出，深远影响的发明层出不穷。晶体管、集成电路、以光刻为核心的硅平面加工技术、CMOS电路、非挥发存储器、单管DRAM电路等发明为芯片技术快速发展打下了基础，为芯片技术沿着摩尔定律前行铺平了道路。但是，人类在走上这条康庄大道之前，从半导体的认识和发现到晶体管的发明，在崎岖的道路上已摸索了114年的时间，其中包括痴迷电子管的40多年时间。科技进步不可能一撮而就，它是一个逐步认识、发现和成熟的过程。

参考资料 ：

1.The Story Behind the Invention of FieldEffect Transistors，网站www.circuitstoday.com:http://www.circuitstoday.com/the-story-behind-the-invention-of-field-effect-transistors

2.心仪，MOSFET的发明人－－马丁•阿塔拉（Martin M. "John" Atalla）博士，电子工程世界论坛：http://bbs.eeworld.com.cn/thread-96577-1-1.html，2010.2.24

3.刘亮，PC发展史① 一颗晶体管引发的数字革命，中关村在线：https://power.zol.com.cn/519/5191311_all.html#p5191311，2015.5.14

4.华强旗舰微信公众号，电子元器件发展史，360个人图书馆：http://www.360doc.com/content/17/0405/22/30123241_643177613.shtml，2017.4.5

5.吉林大学，半导体器件物理精品教学第二章，豆丁网：https://www.docin.com/p-2116387652.html，2018.6.28

6.1967年至今，闪存的发展史，存储在线：http://www.dostor.com/p/58538.html，2019.8.9

7.Long_龙1993，掺杂——扩散和离子注入，360个人图书馆：http://www.360doc.com/content/20/0212/13/68538116_891471588.shtml，2020.2.12

8.科技真相，芯片战争-61：一次意外事故造就氧化层掩膜技术,知乎：https://zhuanlan.zhihu.com/p/359789998，2020.3.22

9.头像被屏蔽，晶体管的分类与特征，电子发烧友论坛：https://bbs.elecfans.com/jishu_1948567_1_1.html，2020.6.9

10.脑极体，芯片破壁者（一）：从电子管到晶体管“奇迹”寻踪，凤凰网：https://tech.ifeng.com/c/7xrkgT2K4dg，2020.7.5

11.TMT研究-爱好者，芯片战争-64：从台面工艺到平面工艺，突破量产化瓶颈，雪球网：https://xueqiu.com/9231373161/156639463，2020.8.14

12.亚化，一图读懂半导体集成电路发展史，腾讯网：https://xw.qq.com/amphtml/20200917A0FZSG00，2020.9.17

13.Long_龙1993，为什么芯片上的晶体管越做越小，360个人图书馆：http://www.360doc.com/content/20/1009/21/68538116_939647723.shtml，2020.10.9

14.康师兄，电子时代的起点，美篇：https://www.meipian.cn/3cw3o1d9，2021.1.10

15.图解芯片技术，集成电路发展史上的十大里程碑事件!电子发烧友：http://www.elecfans.com/d/1490110.html，2021.2.1

16.传感器专家网，光刻机技术到底是谁发明的？腾讯网：https://new.qq.com/rain/a/20210309A0BB0500，2021.3.9

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