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4月20日，资深芯片研究专家，《芯片简史》作者汪波教授在湛庐2024世界读书日活动上这样总结芯片诞生对人类发展的巨大影响力。
汪波说，芯片的基础结构为晶体管，其基本功能就是作为开关实现0和1，以及作为信号放大器，“有了晶体管，才有了我们信息时代的计算机、互联网、无线μm工艺的CPU芯片Intel 4004，总共2250颗晶体管，到2024年英伟达发布B200 GPU芯片，芯片上的晶体管数量已经突破2080亿颗。这在某种程度上预示着，过去50年左右的时间，芯片上的晶体管数量增加了1亿倍。
“如果一个10μm的芯片大小是一头长6米的亚洲象，那么今天的晶体管就只有一只蚂蚁那么大”，汪波这样对比晶体管尺寸的变化，而晶体管数量的暴增，得益于微缩技术的不断进步。
“有了更小的晶体管之后，就有了PC机，有了第一台笔记本电脑，第一个iPod，第一台iPhone。”汪波说。
过去几年，芯片成为科技产业最关注的话题之一，其中既源于美国对先进芯片的出口管制，也与新冠疫情冲击全球供应链导致缺芯慌有关，更重要的催化剂则是以ChatGPT为代表的生成式AI与大模型的爆发。
汪波介绍称，“有了很强大的GPU芯片的加持，我们就能做出更加超越想象的东西，比方说人形机器人，它能够理解人的话语，甚至可以通过理解物理世界来做出正确的反应。”
“这两条曲线都是向上增加的一个趋势，换句话说存在正相关性，那为什么英伟达此公司的股票会跟ChatGPT的曲线相关？因为此公司做的是GPU，就是用于构建AI的一款处理器”，汪波说。
1965年，英特尔创始人戈登·摩尔提出了著名的“摩尔定律”，预言半导体芯片上集成的晶体管和电阻数量将每年增加一倍。10年后的1975年，戈登·摩尔对“摩尔定律”进行修正，把“每年增加一倍”改为“每两年增加一倍”。
过去近60年，芯片上晶体管的微缩基本围绕摩尔定律在往前推进，但近年来芯片的工艺节点和晶体管数量增速大幅放缓，由此业界也在讨论“摩尔定律”失效的话题。
“一堵墙叫做内存墙，当CPU存储数据时，要翻过一堵高墙，速度很慢；第二堵墙叫做功耗墙，现在芯片上的热密度甚至超过火箭喷射口的热密度，如果再继续下去，芯片就会被自己产生的热量烧毁。第三堵墙是频率墙，CPU的频率已经有几十年没有再继续增加了。”
内存、功耗和频率“三堵墙”给现代芯片制造工艺提出了巨大的挑战，尤其是芯片工艺不断向下突破，需要光源波长更短的光刻机，而且即便人类制造出如此小的晶体管，由于“隧穿效应”导致电子从晶体管中逃逸出来，也不能够确保其能正常工作。
汪波认为，解决这样一些问题，需要超常规的思路，他说，“回顾芯片的历史，它就是一部创新的历史，同时也是一部叛逆的历史，因为当初很多的想法都是被传统的势力打压，然后他们突破了这些打压才走到了今天。”
我们都知道一本书是由很多书页来组成的，每一个书页上面又有很多的文字。类似的，一颗芯片是由一大张硅晶圆组成的，大概有比萨那么大。那把它加工好之后，我们把它切成很多很多的小方块，就是每一颗的芯片，类似这个样子，那芯片还不是最终的构成单位，比它更小的一个单元叫做晶体管。
芯片和书籍的相似之处在于，它们都是首先把一个想法变成了一个版式或者版图，或者我们书籍的排版，然后接下来用光照的方式，把它“印刷”到这个介质上。光刻机制造其实是一种化学印刷，那这种介质硅晶圆就像纸张。
除了这些之外，芯片和书籍其实还有一些相似点，你们可以打开一下脑洞去想象一下，比方说字符。我们大家可以缩小它的字号，那晶体管也是类似的，我们大家可以逐渐缩小它的尺寸。字的字体能改变，晶体管的样式也能改变，让它速度更快，或者让它功耗更低，等等。那除此之外还有很多很多，这里简单的把它列出来，你们可以看一下。
那我相信在现场有很多听众，比如说出版人员，对这些词会很熟悉：校对、行距。印刷就等于我们芯片制造中的光刻，最后的步骤是把它封装起来，就像把书装订起来。
我们刚才提到，晶体管会慢慢的小，那逐渐变小之后有什么变化吗？下面这张图里面显示的是晶体管的尺寸，从最初的几十微米缩减到今天的3纳米，图中最大的、紫色的圆代表直径为10微米，我们的一根头发丝大概是50微米。然后它不断地缩小，到 1 微米，然后 0.1 微米，然后是0.01 微米……缩减到这个图里面最小的那个点，就比这个 HIV病毒的直径还要小。换句话说，通过我们的光学显微镜，无论多么先进的光学显微镜都看不到，因为可见光的波长最多是400纳米。而现在我们的芯片只有几十个纳米。那晶体管尺寸变小之后有带来怎样巨大的变化呢？就在一颗芯片上可以塞进更多的晶体管，就像一个书页上可以塞进更多的文字一样。
随着时代的进步，有了更小的晶体管之后，就有了PC机，有了第一台笔记本电脑，第一个iPod，第一台iPhone。2024 年3月，英伟达发布了 B200 GPU 芯片，上面有 2080亿个晶体管，比1971年增加了1亿倍，它的尺寸缩小到4纳米。比一万纳米缩小了2 000多倍。换句线微米的芯片大小是一头长6米的亚洲象，那么今天的晶体管就只有一只蚂蚁那么大。
最近几年，大家都知道，芯片成了大家关注的一个热点，有很多相关的新闻事件引起了广泛的关注，包括华为被列入到实体名单，EUV的光刻机没法出口到中国，还有在疫情期间，我们的很多的汽车厂商由于缺少芯片被迫减产甚至停产等。尤其引人注目的就是ChatGPT的发布。2022年底，ChatGPT发布。
有了ChatPGT，有了很强大的GPU芯片的加持，我们就能做出更加超越想象的东西，比方说人形机器人，它能够理解人的话语，甚至可以通过理解物理世界来做出正确的反应，所以我们自然而然就会问一个问题，我们距离奇点是否更近了？为什么芯片跟人工智能如此紧密关联，简单说来，芯片可以为AI提供巨大的算力，也就是强大的计算能力。目前提供算力的主要是GPU芯片，它比我们传统的CPU芯片的计算能力更强，因为它投入了90%以上的资源用于计算，而CPU只投入了25%的资源，而且gpu是并行的计算。
人工智能如今这么快速的发展，也对芯片提出了更多的、更大的要求，而芯片产业现在面临一些更大的挑战，具体来说就是三堵墙，一堵墙叫做内存墙，就是当CPU去存储数据的时候，它要翻过一堵高墙，速度非常的慢；第二堵墙叫做功耗墙，怎么理解，就是英伟达发布的GPU芯片，它用的制冷方式是水冷，而不是通过空气对流来散热。为什么需要水冷？因为它运行中会产生很多的热量，而热量散发不出去，现在我们芯片上的热密度已达到甚至超过了火箭喷射口的热密度，我们目前还没找到解决的办法。如果再继续下去，芯片就会被自己产生的热量烧毁。第三堵墙是频率墙，已经有几十年芯片的CPU的频率没有再继续增加了。
但是随着晶体管的数量慢慢的变多，又产生了新的问题，这些晶体管在一个电路里面要怎么互联起来，怎么把它组装起来，人们找不到解决办法。10年之后，基尔比想到了一个主意，他想把所有的晶体管原件都集成在一个硅的基座上面，就可以让这个体积更小，但是它还没解决另外一个问题，就是这些晶体管怎么互联起来。而另外一个工程师诺伊斯，想到了一个方法来解决元件互联的问题，所以我们今天认为是基尔比和诺伊斯共同发明了芯片。
回顾芯片的历史，它就是一部创新的历史，同时也是一部叛逆的历史，因为当初很多的想法都是被传统的势力打压，然后他们突破了这些打压才走到了今天。今天我们又面临新的挑战，首先是芯片里面的晶体管的尺寸已经逼近了物理的极限，我们讲到3纳米，未来有可能1纳米，0.5纳米，在这么小的尺寸下，我们要非常短波长的光刻机来才能制造出来这些芯片。另外一个挑战就是，即便我们制造出这么小的晶体管，可能它也没法正常工作，因为它还受到另外一个物理极限的影响，就是隧穿效应，当晶体管非常非常小，只有原子尺寸的时候，电子就能从晶体管中逃逸出来，就像穿透一堵墙一样，让晶体管失效，这样我们保存的照片数据就会自动消失。
当然现在科学家还在尽量想很多方法来解决这样一些问题，包括使用新的材料，比如硅以外的材料，比方说碳基的晶体管，比如说氧化物的晶体管，模拟人脑神经元的工作原理的晶体管，等等。除了芯片领域本身的这些挑战，我们还面临着很多更大范围内的挑战，比如气候变暖、人口的老龄化以及电力资源的短缺。我们可能会问，用手机充点电就会导致电力资源短缺吗？还真有可能，有一个数据是，训练一次AI大模型，需要消耗2亿度电。
芯片跟书籍还有一个共同点，那就是一旦付印就没法再去修改。我们的书籍一旦印出来就没法修改，芯片也是，所以这就要求我们在付印之前不断地去打磨它，修订它，把它尽量做到完善。在这样的一个过程中很谢谢湛庐及浙江教育社的编辑，他们非常认真地校对，核对每一个数据、每一个人名，每一个专业术语。当然也感谢行距文化的老师，在我写作的初期跟我一起讨论写作的方向。在这本书出版以后，很多的媒体来帮忙宣传，比方说像腾讯新闻“芯事重重”专栏，我们对一些芯片的热点问题展开了一些解读，以帮大家更好地了解目前发生的这些新闻，芯片方面的事件与我们的关联，有利于公众更好地理解芯片产业。
最后，回到大会的主题，奇点是不是很快就要来临，很难去预测，但是有一句话，《芯片简史》里面也有提到，那就是预测未来最好的方式，就是把它发明出来。
