数字时代，我们所有人的生活都离不开芯片。我们的电脑、手机，乃至出行的汽车上，都装有大量芯片。只要有一个芯片无法正常工作，就会影响到我们的生活，轻则手机失灵，重则汽车失控……
在享受芯片便利的同时，我们有没有想过芯片为什么对数字时代如此重要？它的开发和制造又为什么这么困难？这还要从芯片的历史说起。
从真空管到晶体管
随着我们对计算需求的不断增加，基于人力的计算方式很快就遭遇了瓶颈。这就催生了早期电脑的诞生：巨人计算机。
巨人计算机的运作核心是“真空管”，它们看起来就像是一个硕大的灯泡，里头装有一些金属丝。通上电后，这些金属丝无外乎两种命运：有电，或是没电，这对应了二进制中的1和0。利用这两个数字，理论上可以进行任何计算。我们如今的网络虚拟世界，也可以近似理解为诞生于无数个1和0之上。
真空管的计算机功能虽然强大，却也有着自身的多个局限。一方面，真空管体积太大了；另一方面，这些海量数字的真空管，也带来了各种隐患。据统计，平均每2天，巨人计算机就会发生真空管故障，每次排查至少需要15分钟。为了稳定地产出各种1和0，人们开始寻找真空管的替代品。
知名的贝尔实验室做出了突破，而他们的选择是半导体——这种材料的导电性基于导体（能让电流自由通过，如铜制的电线），以及绝缘体（完全不导电，如玻璃）之间。在特定的条件下，它的导电特性可以发生变化。比如我们都听说过的“硅”，它本身并不导电，但只要加入某些其他材料，就可以具有导电性。“半”导体的名字，正是由此而来。
贝尔实验室的威廉·肖克利先提出了一个理论，认为在半导体材料附近加上电场，可以改变它们的导电性，然而他却无法用实验来证实自己的理论。
受到该理论启发，他的两名同事约翰·巴丁与沃尔特·布拉顿两年后制造出了一种叫作“晶体管”的半导体器件。不甘被超越的肖克利则在一年后开发出了一种更新的晶体管。又过了十年，他们三人因为在晶体管领域的贡献，获得了诺贝尔物理学奖。而随着晶体管领域的不断扩大，迎来更多的新成员，它们也成为了数字时代的基石。
芯片的诞生
随着晶体管逐渐替代真空管，它们的局限也在实际应用中暴露了出来。其中最主要的一个问题是如何在成千上万个晶体管中布线，组成可用的电路。
为了让晶体管实现复杂的功能，电路中除了晶体管外，还需要电阻、电容、电感等元件，再进行焊接和电路连接。这些元件本身尺寸就没有一个标准，制作电路的工作量巨大，而且极易出错。当时的一个解决思路是规定每个电子元件的大小和形状，用模块化的手段重新定义电路的设计。
德州仪器公司的杰克·基尔比对这个计划并不感冒，认为它解决不了根本上的问题——再怎么规定，尺寸也小不了。最终造出来的模块化电路依旧庞大，无法应用到体积较小的设备中。他的方案将是一切都进行集成，把所有的晶体管、电阻以及电容都放在一块半导体材料上，省去了大量的后续制造时间，也减少了犯错的可能。
1958年，他用“锗”做出了一个原型，里头包含一个晶体管、三个电阻以及一个电容，在用导线连接后，能产生正弦波。这种崭新的电路被称为“集成电路”，后来也有了个大家更为熟知的简称——芯片。基尔比本人也在2000年斩获诺贝尔物理学奖。
差不多同一个时期，工程师罗伯特·诺伊斯也想到在一块半导体材料上生产多个元件，制造集成电路。与基尔比的方法不同，他的设计将导线与各个元件都整合到一块。这种一体化的设计在生产制造上有着更大的优势，唯一的问题是成本——诺伊斯的集成电路虽然优势明显，成本却是原来的50倍。
随着前苏联发射第一颗人造卫星，并首次将人类送上太空，感受到危机的美国启动了全面追赶计划。他们决定把人送上月球作为最终反击，然而这一工作需要巨大的计算量（控制火箭、操纵登陆仓、计算最佳时间窗口等），美国太空总署则把命运赌在了诺伊斯的芯片上：这种集成电路体积更小，耗电量也更低。为了把人送上月球，每一克重量，每一瓦能源都要斤斤计较。对于这种极限项目，它无疑是更好的选择。
在人类登月项目上，芯片向全世界展示了自己的潜力——诺伊斯说在阿波罗项目的电脑里，它的芯片运行了1900万个小时，只出现了2次故障，其中1次还是外部因素造成的。
光刻技术
集成电路的尺寸比由零散的晶体管元件组成的电路要小许多，往往需要用到显微镜才能看清里头的结构，检查质量。德州仪器公司的杰伊·拉斯洛普在一次观察中突发奇想，显微镜从上往下看可以把东西放大，那么从下往上看，是不是就能把东西给变小呢？
这可不是为了好玩。当时集成电路的尺寸已经接近手工制造的极限，很难再取得新的突破。而如果能把设计好的电路图“缩印”到半导体材料上，就有可能通过自动化的技术进行制造，实现量产。
拉斯洛普很快就检验了他的想法。首先他从柯达公司买到了一种叫作光阻剂的化学物质，将它涂在半导体材料上。然后他按设想把显微镜颠倒了过来，并在镜头上盖上了一块板，只留下一个小图案。
最后，他让光线穿过镜头，照到了显微镜另一端的光阻剂上。在光线的作用下，光阻剂发生化学反应，慢慢溶解消失，露出了下方的硅材料。而露出的材料形状，和他最初设计的图案如出一辙，只是缩小了成百上千倍。在暴露出的凹槽上，制造人员可以添加新的材料，连接起电路，再洗去多余的光阻剂。这一套流程就是制造芯片的光刻技术。
德州仪器公司随后进一步完善了这套流程，使每个环节都能有标准进行参考，这也让集成电路迎来了标准化的量产时代。
拉斯洛普最初开发光刻技术时，使用的是最为简单不过的可见光。这些光的波长在几百纳米左右，最终在芯片上印出的极限尺寸也是几百纳米。而如果需要在芯片上印出尺寸更小的元件（比如只有几十纳米），那需要的光源也要超越可见光的极限，迈入紫外光的领域。
一些公司开发过使用深紫外光的制造设备，使用的波长不到200纳米。但从长远看，极紫外光才是人们想到达的领域——波长越短，能刻在芯片上的细节就越多。最终，人们的目标定在了波长为13.5纳米的极紫外光上。
第一台极紫外光机的原型在2006年诞生。2010年，第一台商用极紫外光机发货。而在未来几年，新一代极紫外光机每台造价将达到3亿美元。
芯片的应用
在先进的制造工艺下，多种芯片诞生了。
在21世纪，芯片可以分为三大类别。
第一类是逻辑芯片，用作我们电脑、手机，或者是网络服务器中的处理器。
第二类是记忆芯片，经典例子包括英特尔公司开发的DRAM芯片——在这款产品推出前，资料的储存依赖于磁芯。而英特尔的做法是把晶体管和电容器组合起来，充电代表1，不充电代表0。和磁芯相比，新的储存工具原理接近，但一切都整合在芯片中，所以体积更小，出错率也更低。此类芯片能为电脑提供运行时的短期和长期记忆。
第三类芯片则被叫作“模拟芯片”，处理模拟信号。
在这些芯片中，逻辑芯片可能更为人所熟知。尽管英特尔公司开发出了最早的DRAM记忆芯片，但它却在和日本公司的竞争中节节败退。1980年，英特尔与IBM达成一项合作，为个人电脑制造中央处理器，即CPU。
另一种逻辑芯片——图形处理器（GPU，俗称显卡）在近年也愈发受人关注。在这一领域，英伟达是重要玩家。在建立初期，该公司就相信3D图像是未来的发展方向，因此设计了能处理3D图形的GPU，并开发了一套相应的软件，告诉芯片应该如何工作。和英特尔的中央处理器“依次计算”的模式不同，GPU的优势在于能同时进行大量的简单运算。
谁也没有想到，在人工智能时代，GPU有了全新的使命。为了训练人工智能模型，科学家们需要用数据不断优化算法，让模型经过训练完成人类布置的任务，比如辨识猫狗，下围棋，或者和人类对话。此时，为了同一时间进行多次运算“并行处理”数据而开发出来的GPU有着得天独厚的优势，它也在人工智能时代焕发出了全新的生命。
而芯片的另一个重要应用是通信。厄文·雅各布看到芯片能处理一些复杂的算法，来编码海量信息，就和朋友们创立了高通公司，进军通信领域。我们知道最早的移动电话又叫大哥大，像一块黑色的砖头。
随后，通信技术得到了飞速发展——2G技术可以传输图文，3G技术可以打开网站，4G足以流畅观看视频，而5G则能提供更大的飞跃。这里的每一个G，代表的都是“代”。可以看到，每一代无线技术，都让我们通过无线电波传递的信息呈指数上升。如今我们手机上看视频，稍稍有些卡顿就感到不耐烦。殊不知十几年前，我们还只能传文字短信。
生产制造以及供应链
1976年，几乎每家设计芯片的公司都有自己的制造基地。然而如果将芯片设计和芯片制造的工作分离开来，将制造芯片的工作交给专门的代工厂，可以大幅减少芯片设计公司的成本。
于是台积电应运而生，并承诺只制造芯片，不设计芯片。这样一来，设计芯片的公司不必担心机密资料外泄。而台积电也不依赖贩卖更多芯片——只要客户成功，他的公司就取得了成功。
之后，美国几乎所有的芯片公司都在亚洲设立了组装厂。这也为芯片如今以东亚和东南亚为中心的供应链格局奠定了基础。
亚洲的高效和对质量的偏执，给美国在芯片业上的地位带来了冲击。金融环境也起到了推波助澜的效果。
此消彼长之下，最终有能力生产高级逻辑芯片的公司集中于东亚地区，制造出的芯片也随即送至周边进行组装。这些芯片不仅包括主处理器，也包括无线网和蓝牙的芯片，拍照用的芯片，感知动作的芯片等。
随着生产制造芯片的能力逐渐集中于少数公司，这些原本的代工公司也有了更大的权力，比如协调不同公司的需求，甚至制定规则。由于当下负责设计芯片的公司没有制造芯片的能力，只能听从建议。
从播放音乐的随身听，到日常出行的飞机和汽车，再到我们阅读这篇文字时所用的手机和电脑，这些设备都离不开芯片。
每天，每个普通人的生活都会至少用到几十上百种芯片。这一切的一切，都离不开芯片技术的发展，以及对芯片的生产制造。芯片是这个时代最重要的发明之一，想要开发出新的芯片，不仅需要科学技术的加持，更需要先进的制造生产能力，以及应用这些芯片的市场。
芯片设计与制造能力的布局，经过了几十年的变迁。通过回溯过去关于芯片的一些重要产业节点，不难发现，一颗小小的芯片，其研制绝不是一件简单的事情。
据《科普中国》
