【科普創(chuàng)作評論】創(chuàng)新之路，遍布荊棘——評《芯片簡史：芯片是如何誕生并改變世界的》

芯片被稱為現(xiàn)代科技的“心臟”。這一小小的電子元器件，從誕生至今不足70年時間，卻已經(jīng)一躍成為現(xiàn)代社會運轉(zhuǎn)的核心控制單元。與它有關(guān)的發(fā)明，更是滲透到了人們生活中的方方面面——從智能手機到電動汽車，從計算機到各種常見家電：空調(diào)、電視、洗衣機……芯片的應(yīng)用，已然成為數(shù)字時代最重要的特征之一。

作為數(shù)字時代的原住民，當今讀者在享受著芯片技術(shù)帶來的便利的同時，也同樣好奇它的起源與發(fā)展。資深芯片研究專家、科普作家汪波在《芯片簡史：芯片是如何誕生并改變世界的》（浙江教育出版社2023年版，圖1，以下簡稱《芯片簡史》）一書中對這一問題進行了詳細解答。這部書以半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展的時間線為主軸，將芯片的發(fā)明和創(chuàng)新歷程娓娓道來，也記錄了科學(xué)家們的艱辛探索和難忘瞬間——驚喜的、振奮的，抑或是帶有遺憾的。前海再保科技董事長檀林在推薦語中寫道：“這本書回顧了60多年來芯片壯闊恢宏的發(fā)展歷史，從某種意義上說，也是一部人類信息文明的發(fā)展史。”[1]102024年3月，《芯片簡史》獲得第十九屆國家圖書館“文津圖書獎”；同年12月，入選科技部評選的“全國優(yōu)秀科普圖書作品名單”。閱讀這本書，或許能幫助讀者推開一扇硅基文明的大門，了解芯片是怎樣從實驗室的科研成果演變?yōu)轵?qū)動現(xiàn)代文明的核心力量的。

圖1 《芯片簡史：芯片是如何誕生并改變世界的》（浙江教育出版社，2023年4月）

一

芯片，不是從“片”開始

提起芯片，許多人的腦海中都會浮現(xiàn)一塊方方正正、體積小巧的黑色薄片，外觀科技感十足，上面用金屬焊接了密密麻麻的管腳……這完全符合公眾對現(xiàn)代芯片的印象，但也僅限于“現(xiàn)代”。假如沿著時間軸回溯幾十年，人們會驚訝地發(fā)現(xiàn)，芯片的最初形態(tài)和現(xiàn)在存在天壤之別，甚至不能稱之為“片”，而是一些形狀各異、體積較大的真空管。這也是《芯片簡史》的故事為何要從半導(dǎo)體技術(shù)講起的原因。飲水必思源，要追溯芯片的發(fā)展，先要回顧它的前身——半導(dǎo)體器件。從簡到繁的半導(dǎo)體器件，像一顆發(fā)芽的種子，演化出了雙極型晶體管、MOS場效應(yīng)晶體管①、光電二極管等產(chǎn)物，又由此集成構(gòu)造出了模擬芯片、數(shù)字芯片和光電芯片。這一體系如同大樹的樹杈層層向外延伸（圖2），人們所了解的，或者說印象中的芯片，其實只是參天大樹的枝葉一隅。

圖2 與芯片相關(guān)的科技樹[1]5

在本書的前言部分，作者記錄了自己和學(xué)生的一段對話。話題圍繞MOS場效應(yīng)晶體管的發(fā)明，延伸到了發(fā)明人遭遇的一系列困境：被公司打壓、被禁止發(fā)表論文、項目組被裁撤、被迫出走……而這并非個例，芯片史上具有開創(chuàng)意義的一些發(fā)明，諸如中央處理器（CPU）、藍色發(fā)光二極管（藍光LED）、動態(tài)隨機存取存儲器（DRAM），都是在問世之初就遭到質(zhì)疑和抵制，以至于差點夭折。藍光LED正式推出之前，在原材料選擇方面一直存在硒化鋅還是氮化鎵的爭議。其中一個發(fā)明者中村修二（Nakamura Shuji）選擇了氮化鎵，為此在公司飽受排擠。浮柵晶體管誕生時，則被斷言“毫無用處”。這項半導(dǎo)體領(lǐng)域最重要的發(fā)明之一，甚至沒有機會進入生產(chǎn)線，只能發(fā)表在公司內(nèi)部的期刊上，閱讀者寥寥。

不斷重現(xiàn)的歷史，似乎在提醒旁觀者。這一切并非巧合，也不是發(fā)明人的運氣太差。《芯片簡史》的作者針對該現(xiàn)象，誠懇地道出了自己的觀點，“創(chuàng)新越大，對傳統(tǒng)的叛逆和顛覆也越大，因而遭到傳統(tǒng)勢力的抵制也越大”“創(chuàng)新是對主流的偏離、對現(xiàn)有規(guī)則的破壞”。也就是說，那些偏離主流的創(chuàng)新發(fā)明被抵制并不是偶然，而是必然，甚至已經(jīng)成為一種默認的規(guī)則。這樣的見解，瞬間就為芯片發(fā)展史增添了幾分殘酷意味。試想，懷抱著夢想的科學(xué)家們，兢兢業(yè)業(yè)、嘔心瀝血完成一項重大創(chuàng)新規(guī)劃，以為自己會迎來鮮花和掌聲，但得到的只有質(zhì)疑、否定和冷落，被業(yè)界的“叢林法則”所圍剿。顛覆傳統(tǒng)技術(shù)的代價是被驅(qū)逐、被遺棄，這和讀者想象中的發(fā)明過程大不相同。

二

技術(shù)創(chuàng)新是一條曲折的道路

拋卻對命運的唏噓，假如有人能回到那個年代，成為投資人、公司高層、實驗室領(lǐng)導(dǎo)，抑或是任何一個能主導(dǎo)這些發(fā)明生死的人，是否能夠作出正確的選擇？答案恐怕不盡然。以MOS場效應(yīng)晶體管為例，它問世時，業(yè)界仍以結(jié)型晶體管的研究為主導(dǎo)。后者的優(yōu)勢顯而易見——性能穩(wěn)定、開關(guān)速度快，而且已經(jīng)在諸多領(lǐng)域有過應(yīng)用記錄，其表現(xiàn)十分優(yōu)異。而MOS場效應(yīng)晶體管只有結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低一個優(yōu)點，性能方面并不出色。況且當時外延工藝的提出，又讓結(jié)型晶體管的運行速度如虎添翼。業(yè)界更看好哪一種晶體管的前景，答案已經(jīng)不言自明。

創(chuàng)新對于科技進步至關(guān)重要，但有些時候創(chuàng)新也需要承擔一定的風險。作為芯片界的“菜鳥”，MOS場效應(yīng)晶體管被掃地出局，遭到母公司貝爾實驗室的雪藏，兩位發(fā)明人穆罕默德·阿塔拉（Mohamed Atalla）和姜大元（Dawon Kahng）黯然離場，甚至沒來得及為自己的研究成果命名。比起無形的驅(qū)逐，有形的抵制就更加殘酷——19世紀末，尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）設(shè)計的交流電系統(tǒng)一經(jīng)投入使用，即遭受到以愛迪生（Thomas Edison）為首的商人的強烈抵制。愛迪生作為直流電技術(shù)的擁護者，不能容忍交流電技術(shù)進入市場，搶占原本屬于直流電的業(yè)務(wù)，為此他動用各種手段，如開展動物電擊實驗、設(shè)計電椅處決犯人等，以近乎極端的方式來驗證交流電的危險性。技術(shù)博弈最后演化成一場商業(yè)大戰(zhàn)，特斯拉不得不花費數(shù)年時間參與輿論斗爭，才打消公眾心中的疑慮，令交流電技術(shù)得以推廣。

時代的選擇是為了順應(yīng)生產(chǎn)力。每一項“破壞性”新技術(shù)②的出現(xiàn)，都會招致人們的恐慌和排斥。技術(shù)變革的成本很大，與之相比，沿用一項成熟的已知技術(shù)，再沿著既定的方向繼續(xù)優(yōu)化和改進，成本就要小得多。這一規(guī)律在芯片研發(fā)過程中反復(fù)得到驗證。集成電路出現(xiàn)的時候，同樣受到電子工程師的排斥。因為用集成電路技術(shù)制成的芯片一體性太強，不能單獨挑選、替換其中元件，這和他們原有的工作思維相沖突。業(yè)界也認為觸發(fā)器集成電路的制作成本太高，不值得大規(guī)模開發(fā)。同理，1970年法金（Federico Faggin）發(fā)明CPU芯片的時候，英特爾公司也不打算支持這一項目，因為他們判定這種芯片只能用于計算器，成長空間十分有限，而公司若是銷售CPU芯片，還會分走核心業(yè)務(wù)，也就是存儲器業(yè)務(wù)的資源。這些剛問世的新發(fā)明，都遭到了不同程度的抵制。原因很好總結(jié)，市場上的競品已經(jīng)發(fā)展得十分成熟，而新產(chǎn)品的優(yōu)勢不夠。大多數(shù)人都不愿意冒著風險，去開拓未知的新領(lǐng)域，尤其是該領(lǐng)域已經(jīng)被唱衰的前提下。

但是，誠如作者所說，“芯片的發(fā)展史，就是一部持續(xù)的創(chuàng)新史和叛逆史”[1]15。在叛逆精神的加持下，總有一小部分人站出來，打破常規(guī)的桎梏，把這些不被業(yè)界看好的研究繼續(xù)下去。有時候是一個人單打獨斗，有時候則是一群人在接力。貝爾實驗室對MOS場效應(yīng)晶體管的研究終結(jié)后，美國無線電公司拿過了接力棒，優(yōu)化了晶體管的制造工藝，并將其轉(zhuǎn)為商用。仙童半導(dǎo)體公司的萬拉斯（Frank Wanlass）又在MOS場效應(yīng)晶體管的基礎(chǔ)上加以創(chuàng)新，開發(fā)出了CMOS場效應(yīng)晶體管。接下來，格魯夫（Andy Grove）、迪爾（Bruce Deal）、斯諾（Ed Snow）等新人紛紛登場。經(jīng)過近10年的努力后，MOS場效應(yīng)晶體管的穩(wěn)定性、速度和集成度都大大提升，從而具備了與結(jié)型晶體管一戰(zhàn)的實力。到如今，人們所使用的芯片中99%的晶體管都是MOS場效應(yīng)晶體管。“破壞性”新技術(shù)的取勝，既出人意料，又在情理之中。

時間會給出答案。曾經(jīng)被論證為“不可行”的集成電路，卻成了芯片制造技術(shù)的主流，開啟了一個又一個傳奇故事，以至于晶體管時代后的所有芯片史，都以它來命名：集成電路時代、大規(guī)模集成電路時代、超大規(guī)模集成電路時代……險些“被關(guān)進小黑屋”的CPU芯片，如今卻鋪滿全球，連太空深處的探測器上都有它的身影。黎明的曙光總會沖破黑暗，但是在那之前，一定不能忘了打著手電筒在黑夜里摸索前進的人，所有科技工作者的付出都值得感謝。

三

發(fā)明史、創(chuàng)造史，也是人才流動史歷史

材料中常有類似這樣的記錄：“1745年，荷蘭萊頓的兩個科學(xué)家發(fā)明了蓄電池；1752年，富蘭克林（Benjamin Franklin）進行了著名的費城電風箏實驗……”時間、地點、人物和發(fā)明，往往被簡縮成兩三句陳述，從而給人一種風平浪靜的錯覺，讀者難以窺見其中的暗流涌動。而《芯片簡史》則致力于將海面下醞釀的風暴展示給讀者，使讀者有機會來到歷史現(xiàn)場，見證更加真實的科研故事。這段旅途并不平和，而是充滿斗爭，處處可見劍拔弩張的氛圍。晶體管的發(fā)明者，貝爾實驗室的“三巨頭”——肖克利（William Shockley）、巴丁（John Barteen）、布拉頓（Walter Brattain），因為專利的申請產(chǎn)生嫌隙，昔日親密無間的好友，最終分道揚鑣[2]。肖克利辭職后獨自創(chuàng)業(yè)，幾年后，不滿他管理的8位下屬集體離職，成立仙童半導(dǎo)體公司。媒體給了肖克利犀利的評價——“從萬眾矚目到眾叛親離”。沖突、反目，或是“出走”的情節(jié)，常常在科研界上演。

芯片產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，帶來了巨大的利益市場。每一項新發(fā)明的問世，都意味著日后可能有源源不斷的金錢進賬。對于很多人來說，這樣的誘惑難以拒絕。于是，芯片界不少參與科學(xué)研究、技術(shù)研發(fā)的學(xué)者們，紛紛踏上了“爭名逐利”之路。爭名，爭的是專利所有權(quán)，以及業(yè)界對發(fā)明權(quán)的認可。20世紀50年代，德州儀器公司和仙童半導(dǎo)體公司因為集成電路的專利申請打得不可開交，雙方因此對簿公堂，甚至去摳對方申請書上的字眼，尋找漏洞。如此大的陣仗，當然不是為了論證輸贏，而是為了拿到專利授權(quán)后向其他公司收取使用許可費。最后雙方選擇庭外和解，在拿到訴訟結(jié)果前，兩家公司已經(jīng)向全球企業(yè)收取了數(shù)億美元的使用許可費，各自賺得盆滿缽滿。

“先到咸陽為王上”，誰搶到了芯片研發(fā)的先機，誰就有機會名載史冊。公司與公司之間是如此，同僚之間也難幸免。1974年，發(fā)明了CPU芯片的法金，意外發(fā)現(xiàn)自己的“埋柵”工藝被上司沃達斯（Leslie Vadasz）悄悄申請了專利，交涉無果后，法金憤而從英特爾出走，創(chuàng)辦了自己的公司齊洛格。齊洛格公司開發(fā)的Z80和Z8000處理器迅速席卷市場，給英特爾造成了巨大的壓力——這樣的情形，顯然是“老東家”英特爾未曾預(yù)料到的。

芯片的研發(fā)史，也是人才的流動史。人才是發(fā)明創(chuàng)造的主導(dǎo)性力量。無數(shù)次的苦思冥想或是靈光一現(xiàn)，都是“人”的力量在其中起到?jīng)Q定作用。巴丁和布拉頓做實驗時意外洗掉了鍺表面的氧化物，結(jié)果未能成為場效應(yīng)晶體管的發(fā)明者（他們后來推出的是點接觸式晶體管）[3]。庫爾特·彼得森（Kurt Petersen）觀察到噴墨打印機的漏墨現(xiàn)象，從而產(chǎn)生了微機電系統(tǒng)的研究靈感……這些人猶如盜取火種的普羅米修斯，帶來了新世界的展望。在產(chǎn)業(yè)集群的引導(dǎo)下，科技人才不斷流動。有人工作了一段時間后，從原公司辭職，去其他地方再就業(yè)，也有人干脆選擇自己創(chuàng)業(yè)，或是借著訪問交流的機會，去往更高的平臺發(fā)展，“火種”就這樣被帶往全球各地。

以仙童半導(dǎo)體公司為例，這家公司本是由肖克利手下出走的“八叛徒”創(chuàng)辦。在仙童從黃金時期走向衰落后，不少人因為各種各樣的原因陸續(xù)離開。霍尼（Jean Hoerni）、拉斯特（Jay Last）和羅伯茨（Sheldon Roberts）負氣出走，成立阿梅爾克公司；諾伊斯（Robert Noyce）和摩爾（Gordon Moore）離開后則創(chuàng)辦了大名鼎鼎的英特爾；西格尼蒂克公司的創(chuàng)始人也同樣來自仙童；克萊納（Eugen Kleiner）后來更是改行，創(chuàng)辦了知名風投企業(yè)凱鵬華盈（KPCB）……在幾十年間，涌進仙童的大批人才精英又紛紛出走自行創(chuàng)業(yè)。這些“小仙童”們聚集在一起，逐漸形成了硅谷地區(qū)的高科技企業(yè)群[4]。屬于硅谷的傳奇，由此揚帆起航。蘋果公司前CEO喬布斯（Steve Jobs）形容說：“仙童半導(dǎo)體公司就像個成熟了的蒲公英，你一吹它，這種創(chuàng)業(yè)精神的種子就隨風四處飄揚了。”[5]人才的流動促進了芯片制造業(yè)的繁榮，也推動了全球范圍內(nèi)的技術(shù)共享。

四

絕妙的比喻與精準的概括，一本外行也能看懂的“芯片科普手冊”

1872年，馬克思（Karl Marx）在《資本論》（Das Kapital）第一卷法文版序言和跋中寫道：“在科學(xué)上沒有平坦的大道，只有不畏勞苦沿著陡峭山路攀登的人，才有希望達到光輝的頂點。”[6]量子物理學(xué)出現(xiàn)在人類歷史上只有百年左右時間，這一學(xué)科延伸出的理論體系和實踐應(yīng)用已經(jīng)多到令人難以想象。半導(dǎo)體物理學(xué)作為其中的一個小分支，內(nèi)容亦復(fù)雜到足以讓外行望而卻步。在此前提下，要撰寫一本芯片題材的科普性書籍，作者必須考慮諸多問題。怎樣用通俗易懂的語言闡述物理學(xué)的基本原理，將半導(dǎo)體的材料分類、晶體結(jié)構(gòu)、導(dǎo)電機制、能帶理論等抽象的知識，用一種相對簡單的方式展示給讀者？怎樣讓讀者理解芯片在微觀結(jié)構(gòu)、功能設(shè)計乃至商業(yè)模式運營方面的創(chuàng)新？怎樣才能讓枯燥的科研故事讀起來更加有趣？

在《芯片簡史》出版之際，汪波在專欄中敘述了自己的創(chuàng)作想法：“面對如此龐大的芯片話題的寫作，唯一的方式也是誠摯。如果不是誠實地面對真實的困難和問題，而是盲目樂觀、急于求成，最后只能一地雞毛。”[7]從某種程度上講，文學(xué)創(chuàng)作和科學(xué)研究一樣，都需要誠摯的精神。汪波本人也參與芯片設(shè)計工作，知曉其中的困難和不易。在芯片版式設(shè)計完成后，通常還需要經(jīng)歷一道“印刷”或“流片”的工藝，才能得到成品。而在流片時，若一個小疏忽導(dǎo)致連錯了芯片上的一根線，芯片就會整個報廢，少則幾萬元、多則十幾萬元的流片費用也付諸東流。而此時，逃避沒有任何意義——唯有誠實地面對問題并解決問題，工作才能繼續(xù)推進下去。

書中很多地方都體現(xiàn)出了汪波關(guān)于芯片科普的“巧思”。比如在講解平頂晶體管（MESA）和平面晶體管（PLANAR）的區(qū)別時，讀者可以通過書中的插圖來比較這二者的結(jié)構(gòu)差異（圖3）。而作者又通過詳細的比喻，細化了兩種晶體管的特征：平頂晶體管像是有著圓形平頂?shù)摹盎鹕健保矫婢w管則是將“火山”徹底壓扁、碾平，讓山頂陷入山腰，山腰陷進地面以下的產(chǎn)物。這種趣味化的說明，即便是不掌握任何芯片知識的門外漢，也能輕易看懂。“三明治”形狀的硅晶體管，“芝士蛋糕”結(jié)構(gòu)的浮柵晶體管，“開天窗”的EPROM存儲器①……《芯片簡史》摒棄了流水式寫作的思維，轉(zhuǎn)而將技術(shù)發(fā)明與歷史發(fā)展故事融合起來，從而賦予了這些發(fā)明活的靈魂。

圖3 平頂晶體管與平面晶體管對照圖[1]113

在《芯片簡史》的記錄之外，屬于芯片的故事遠未畫上句號。翻過技術(shù)壟斷的高山，踏著改革開放的浪潮，我們得以聆聽到更多的“中國芯片故事”。先是以中芯國際為代表的半導(dǎo)體制造企業(yè)崛起，包攬了全球主要的芯片制造業(yè)務(wù)。而后國產(chǎn)芯片設(shè)計行業(yè)迎來蓬勃發(fā)展，銷量超過1000萬片的飛騰系列、穩(wěn)居世界超算第一方陣的申威、從指令系統(tǒng)到內(nèi)核設(shè)計全部自主研發(fā)的龍芯3A600……從技術(shù)突破到生態(tài)構(gòu)建，國產(chǎn)CPU芯片的每一步征途都格外不易，有時甚至需要“斷臂求生”。從2020年到2025年，美國針對在華企業(yè)的芯片制裁不斷收緊，華為、海康威視、浪潮等品牌紛紛受到波及，華為更是首當其沖，被迫出售旗下的榮耀手機品牌以自救。芯片領(lǐng)域的戰(zhàn)爭，不再只是企業(yè)與企業(yè)之間的針鋒相對，而是系于民族命運，成為大國戰(zhàn)略競爭下的縮影。置身于數(shù)字時代的我們，應(yīng)更加理性地看待前沿科技的發(fā)展，正視創(chuàng)新之路上的種種困難，攜手面對新的挑戰(zhàn)。

通信作者：

楊瑩，天津科學(xué)技術(shù)館館員，研究方向為科學(xué)傳播。

①目前市場上最常用的一種晶體管類型，被譽為20世紀最重要的發(fā)明之一。

②也稱破壞式創(chuàng)新，相較于“延續(xù)性”技術(shù)而言，破壞性技術(shù)往往與現(xiàn)有的主流市場發(fā)展趨勢相悖，一經(jīng)引入，即容易帶來大規(guī)模社會變革。

參考文獻

[1] 汪波 . 芯片簡史：芯片是如何誕生并改變世界的 [M]. 杭州：浙江教育出版社，2023.

[2] 潛偉 . 信息時代的物質(zhì)基礎(chǔ)——晶體管的發(fā)明 [J]. 科技導(dǎo)報，2019(19)：120-120.

[3] 樊春良 . 貝爾實驗室的半導(dǎo)體研究——晶體管的發(fā)明，兼論戰(zhàn)略研究 [J]. 自然辯證法研究，1997(7)：47-50.

[4] 張海霞 . 從仙童到硅谷的“芯”路歷程 [J]. 金融博覽，2019(3)：66-66.

[5] 李智暉，霍永學(xué) . 硅谷熱——高科技文化的成長 [M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2018.

[6] 卡爾·馬克思 . 資本論 [M]. 郭大力，王亞南，譯 . 北京：中央編譯出版社，2024.

[7] 一次冒險但不倉促的嘗試——寫在《芯片簡史》出版之際 [EB/OL].（2023-05-31）[2025-04-25]. https://book.douban.com/review/15205782.

本文轉(zhuǎn)自《科普創(chuàng)作評論》2025年第2期

《科普創(chuàng)作評論》期刊征稿信息

編輯：齊　鈺

審核：鄒　貞

終審：陳　玲