21世紀(jì)經(jīng)濟報道記者王峰北京報道  4月19日，資深芯片研究專家汪波的著作《芯片簡史》榮獲第十九屆文津圖書獎?！邦A(yù)測未來最好的方式，就是把它發(fā)明出來?！蓖舨ń赵谡繌]2024世界讀書日活動上這樣總結(jié)芯片誕生對人類發(fā)展的巨大影響力。

《芯片簡史》一方面介紹了從真空管到目前最先進芯片的技術(shù)發(fā)展史，另一方面也描述了對芯片發(fā)展作出突出貢獻的科學(xué)家、工程師和企業(yè)家，科學(xué)知識介紹得深入淺出，產(chǎn)業(yè)故事描述得扣人心弦。《芯片簡史》也在21世紀(jì)經(jīng)濟報道主辦的21世紀(jì)年度好書（2023）評選中獲獎，評委之一、上海交通大學(xué)安泰經(jīng)濟與管理學(xué)院教授何帆撰寫的頒獎詞寫道：“一部芯片史就是創(chuàng)新史和叛逆史，本書帶著我們回到歷史的現(xiàn)場，去感受科學(xué)家和工程師們是如何歷經(jīng)困頓迷茫，但是迎難而上并最終克服困難的故事?！?/p>

芯片的發(fā)展史遠(yuǎn)未終結(jié)，《芯片簡史》敏銳捕捉到人工智能對GPU芯片的需求和影響，遺憾的是對黃仁勛和英偉達(dá)著墨較少。汪波在湛廬2024世界讀書日活動上也對21世紀(jì)經(jīng)濟報道記者笑稱，如果要出修訂版，可能要多寫一些英偉達(dá)的故事。

我們整理了汪波教授在湛廬2024世界讀書日活動上的演講，分享給大家。

（《芯片簡史》2023年4月由湛廬文化、浙江教育出版社出版）

芯片不是最終的構(gòu)成單位，比它更小的一個單元叫作晶體管。芯片上有很多晶體管，晶體管有兩個基本功能，一個是作為開關(guān)，來實現(xiàn)0和1，一個是作為信號放大器，就像麥克風(fēng)一樣，把信號放大，就可以用于通信。有了晶體管，才有了我們信息時代的計算機、互聯(lián)網(wǎng)、無線通信等。

晶體管尺寸縮小之后

晶體管會越來越小，從最初的幾十微米縮減到今天的3納米。我們的一根頭發(fā)絲直徑大概是50微米。無論多么先進的光學(xué)顯微鏡都已看不到晶體管，因為可見光的波長最多是400納米。

晶體管尺寸變小之后，一顆芯片上可以塞進更多的晶體管，這帶來怎樣巨大的變化呢？隨著時代的進步，有了更小的晶體管之后，就有了第一臺PC機，有了第一臺筆記本電腦，第一臺iPod，第一臺iPhone。

1971年發(fā)明的第一顆CPU芯片，它上面只有2250個晶體管，尺寸是10微米，也就是一萬納米。2024年3月，英偉達(dá)發(fā)布了B200 GPU芯片，上面有2080億個晶體管，比1971年的第一顆CPU芯片增加了1億倍，它的尺寸縮小到4納米，比一萬納米縮小了2000多倍。換句話說，如果一個10微米晶體管的大小是一頭長6米的亞洲象，那么今天的晶體管就只有一只螞蟻那么大。

芯片與人工智能

最近幾年，芯片成了大家關(guān)注的熱點，尤其引人注目的是ChatGPT的發(fā)布。值得注意的是，ChatGPT網(wǎng)站的訪問量與英偉達(dá)股票的變化曲線存在正相關(guān)性，都是向上增長的趨勢。為什么英偉達(dá)的股票會跟ChatGPT的曲線相關(guān)？因為這家公司做的是GPU，就是用于構(gòu)建人工智能的一款處理器。

芯片可以為人工智能提供算力，也就是強大的計算能力。目前提供算力的主要是GPU芯片，它比我們傳統(tǒng)的CPU芯片的計算能力更強，因為它投入了90%以上的資源用于計算，而CPU只投入了25%的資源，而且GPU是并行的計算。有了ChatGPT，有了非常強大的GPU芯片的加持，我們就可以做出更加超越想象的東西，比方說：人形機器人，它可以理解人的話語，甚至能夠通過理解物理世界來做出正確的反應(yīng)。

芯片未來面臨的挑戰(zhàn)

人工智能快速發(fā)展，對芯片提出了更多要求，而芯片產(chǎn)業(yè)現(xiàn)在面臨一些更大的挑戰(zhàn)，具體來說是“三堵墻”：一堵墻是內(nèi)存墻，就是當(dāng)CPU去存儲數(shù)據(jù)的時候，它要翻過一堵高墻，速度非常慢；第二堵墻是功耗墻，英偉達(dá)發(fā)布的GPU芯片采用的制冷方式是水冷，而不是通過空氣對流來散熱。為什么需要水冷？因為它運行中會產(chǎn)生很多的熱量?，F(xiàn)在芯片運行的熱密度已經(jīng)達(dá)到甚至超過了火箭噴射口的熱密度，如果再繼續(xù)下去而找不到解決的辦法，芯片就會被自己產(chǎn)生的熱量燒毀；第三堵墻是頻率墻，已經(jīng)有幾十年CPU的頻率沒有再繼續(xù)增加了。

芯片發(fā)明出來之后，芯片上的元件數(shù)量不斷增加。到了1965年，Intel公司創(chuàng)始人之一的戈登·摩爾受邀寫過一篇文章，他總結(jié)了過去幾年芯片發(fā)展的規(guī)律，發(fā)現(xiàn)每過一年，芯片上的元件數(shù)量就翻一倍，這就是摩爾定律最初的表述。芯片產(chǎn)業(yè)的發(fā)展一直是按照摩爾定律來向前推進的。

如果我們簡單總結(jié)一下芯片的發(fā)展規(guī)律，可以用一棵樹來表達(dá)，最開始是基礎(chǔ)的學(xué)科，比如量子物理的發(fā)展，然后誕生了晶體管，又誕生了芯片。芯片又按照摩爾定律在不斷發(fā)展，出現(xiàn)了CPU或者處理器芯片，又出現(xiàn)了存儲芯片、無線通信芯片、傳感類芯片、功率芯片、光電類芯片等。

芯片的歷史是一部創(chuàng)新的歷史，也是一部叛逆的歷史，因為當(dāng)初很多的想法都被傳統(tǒng)的勢力打壓。今天我們又面臨新的挑戰(zhàn)，首先是芯片里面的晶體管的尺寸已經(jīng)逼近了物理的極限，我們講到3納米，未來還有可能達(dá)到1納米、0.5納米，在這么小的尺寸下，我們要有波長非常短的光刻機才能制造出這些芯片。另一個挑戰(zhàn)是，即便我們制造出這么小的晶體管，可能它也沒法正常工作，因為它還受到另外一個物理極限的影響，就是隧穿效應(yīng)。當(dāng)晶體管非常小，只有原子尺寸的時候，電子就能從晶體管中逃逸出來，就像穿透一堵墻一樣，讓晶體管失效。

現(xiàn)在科學(xué)家在想各種方法來解決這些問題，包括使用新的材料，比如硅以外的碳基晶體管、氧化物晶體管、模擬人腦神經(jīng)元工作原理的晶體管等。除了芯片本身的挑戰(zhàn)，我們還面臨更大范圍的挑戰(zhàn)，比如：氣候變暖、人口老齡化以及電力資源短缺。有數(shù)據(jù)顯示，訓(xùn)練一次AI大模型，需要消耗2億度電。所以有一種說法是，“所有的Transformer要消耗掉所有的Transformer”。第一個Transformer指的是大模型，第二個Transformer指的是變壓器，就是我們的電力。除了這些技術(shù)方面的挑戰(zhàn)之外，還有國家之間的競爭，供應(yīng)鏈短缺等挑戰(zhàn)。這些都是我想要寫一本關(guān)于芯片的書的原因，想要去講述芯片是如何誕生并且改變世界的。奇點是不是很快就要來臨？很難去預(yù)測，但是《芯片簡史》里有一句話：“預(yù)測未來最好的方式，就是把它發(fā)明出來?！保ū疚囊呀?jīng)演講者審定，有刪節(jié)，小標(biāo)題為編者所加）