好书推荐：《芯片简史》，不只是芯片，彼此依存的世界

2023-06-11 11:06

每周的好书赠送栏目又来了，本周我们推荐赠送的是《芯片简史》。这本书是关于芯片如何改变世界的。我们和往常一样，点赞排名前三会赠送一本《芯片简史》的书。

如果说芯片产业是一棵大树，那么这棵大树起源于一颗很小的种子。这棵树的根是物理、化学和材料等基础学科，树干是半导体技术，各种器件和芯片组成了它的枝叶，这棵树不断地向上、向外扩展。

我们现在已经抵达高高的树冠。微风拂过，细枝颤动，在枝丫的末端，最新的嫩芽刚刚萌发。

为了生长，大树需要将水分和养料从根部“泵”到如此高的枝头，同时它还需要在地下朝着几乎与树冠相近的深度继续扎根下去。芯片产业也是如此，它也要向更深的基础科学扎根，吸取养分；而有创意的应用会在顶端萌芽冒出，带动下面的营养物质向上输送。

当芯片产业的种子刚从地面冒出一个尖时，驱动它的是来自地下的力量，即基础科学。而今，芯片产业作为一棵大树，则是器件和芯片的更新需求拉动“下方”的基础学科和半导体技术发展。

过去，蓬勃发展的新技术驱动着器件和芯片创新，这是一种自下而上的创新。而后来，应用侧的需求从上往下拉动着技术创新。这些应用侧的需求包括应对气候变暖、治理环境污染、与疾病斗争、探索宇宙和生命等，无不与人类的福祉息息相关。

为防止气候变暖，我们需要进一步扩大低碳能源的应用比例。但风能和太阳能因自身的特点只能间歇性发电，造成电网波动，这就要求我们用传感器、智能芯片和大数据技术来控制和平衡电网。同样，我们需要发明低成本、高效率的太阳能电池，这使我们需要找出更高效的太阳能材料，如钙钛矿等。

恶劣天气威胁着我们的生命，而污染则影响着我们的长期发展。我们需要时时监测气象信息，发现污染源头，要做到这些，离不开卫星上的高清红外图像传感器和可见光图像传感器的帮助。同时，我们也要研究如何抵御来自太空的宇宙射线的辐射，防止数据丢失。

健康是人类永远的关注点。我们要研究疾病的成因、研发疫苗、预测蛋白质结构、测定基因序列、研究合成新药的方法，这些都离不开算力更强大的计算机和芯片。

探索宇宙一直都是拉动芯片发展的重要动力。在征服了火星之后，人类的下一个目标是金星，但它的表面温度高达476℃，现有电子设备无法在如此高温下开展工作。而碳化硅半导体能抵抗500℃的高温，它能安装在金星着陆器上。

相较于解决具体技术问题的困难，也许更难的是省察自身。我们也要考虑为了解决问题而消耗的能源和产生的热量，反省对环境产生的不利影响。制造芯片要消耗大量的水和电力，每制造一颗芯片，需要消耗一加仑（约3.8升）的水。而且，废弃的芯片无法自行降解，需要经过额外的步骤处理，才能不对环境造成污染，否则我们将被电子垃圾包围。

半导体制造虽然以硅为主要原料，但实际上为了造出最尖端的芯片，人们已经将元素周期表中的一半元素都已经应用在芯片中，其中一些元素有极大的毒性，在制造过程中不能外泄。早在仙童半导体公司和英特尔公司刚刚成立的年代，人们还没有意识到这个问题，一些有害元素就这样进入了土壤层。现在，人们正尽可能地减少有害元素的排放。

目前，人工智能、云计算需要大量CPU和GPU芯片，消耗的电力和产生的热量惊人，许多服务器机房不得不建在了寒冷或电力充沛的地方。如果我们不对微电子器件的功耗做出改善，那么到2030年，全世界1/4的电力将消耗在各种微电子器件上。而考虑到目前全球的电力仍主要由化石燃料供应，这将对碳排放控制造成巨大的压力。

进入21世纪，以台积电和中芯国际为代表的亚洲半导体制造企业兴起，包揽了全球一大半的芯片制造业务，而美国的芯片制造业从20世纪60年代开始尝试外包以来，制造份额从90年代开始逐渐下降，降到了约10%。欧洲的制造份额也在不断下跌。

2020年以来，美国正积极地让芯片制造回归，并通过了专门的“芯片法案”（CHIPS）。而欧盟也提出到2030年将生产全球1/3的芯片。

2019年5月15日，特朗普宣布美国进入紧急状态，制裁华为并停止给华为供应芯片。世界的目光聚焦到华为身上。因为在不到20年的时间里，华为从一家只能设计交换机上的简单芯片的小公司变成了世界上仅有的几家能用最先进的工艺设计5G通信芯片的行业先锋。

16日深夜，华为海思公司总裁何庭波给全体员工发了一封信：“多年前，公司做出了极限生存的假设，预计有一天，所有美国的先进芯片和技术将不可获得，而华为仍将持续为客户服务。为了这个以为永远不会发生的假设，数千海思儿女，走上了科技史上最为悲壮的长征，为公司的生存打造‘备胎’。数千个日夜中，我们星夜兼程，艰苦前行……今天，是历史的选择，所有我们曾经打造的‘备胎’，一夜之间全部转‘正’……今后，不会再有另一个十年来打造‘备胎’然后再换胎了，缓冲区已经消失，每一个新产品一出生，将必须同步‘科技自立’的方案。”

台积电公司的态度决定了华为能否挺过芯片断供这一关，因为华为海思是一家“无厂模式”设计公司，自己只负责完成芯片设计，要依靠台积电公司等晶圆代工厂来实现芯片加工。一个星期后，台积电公司评估后表示，自己的技术中来自美国的部分少于25%，没有违反出口管制规范，会继续为华为海思制造芯片。

第二波制裁在一年后到来。2020年5月16日，美国援引“长臂管辖”原则，要求全世界范围内使用美国技术的公司，都不准给华为供货，否则一并制裁。台积电公司由此受到限制，华为的高端芯片面临彻底断供。台积电公司赶在4个月缓冲期限内将代工的最后一批芯片交付华为，从此“麒麟”高端芯片成了绝响。

8月7日，华为终端总裁余承东表示：“很遗憾，在半导体制造方面，在需要重资产投入的领域和产业，华为没有参与，我们只是做了芯片的设计，没搞芯片的制造。对我们来说，制裁是很痛苦的，但同时又是一个重大的机遇，逼迫我们尽快地（实现）产业升级。”

然而，美国没有给华为的产业升级留下时间，第三波制裁于8月17日到来，制裁范围扩大到了软件与服务领域，华为的38家关联公司也被列入“实体清单”，华为被断绝了所有后路，岌岌可危。9月，余承东在华为开发者大会的背景墙上打出了一行大字：“没有人能够熄灭满天星光。”11月，华为不得不割爱出售自家的荣耀手机品牌以自救。

2021年3月，新上任的拜登政府宣布对华为进行第四轮制裁，导致5G射频模组的供货渠道被封锁，华为之前囤积的“麒麟”5G芯片被废掉“武功”，只能当成4G芯片来使用。

11月，美国再次出手，拜登签署了《2021年安全设备法》，以“确保像华为和中兴这样的公司的不安全装备不会再进入美国的通信网络”。美国威胁各国，如果不禁用华为，就停止共享情报。

2021年，华为的消费者业务下降了近50%，手机市场份额骤降到个位数。华为海思公司跌出了全球十大设计公司之列，位列25名之后，营收大跌81%。

美国的制裁清单越来越长，其中不仅增加了海康威视、浪潮、中芯国际等企业，还添加了同济大学、西安交通大学、哈尔滨工业大学、天津大学、四川大学、北京航空航天大学、北京理工大学等20所中国高校。

由于美国打压造成供应链持续紧张，很多厂商人人自危，不自觉地囤积了一两年的货，再叠加上2020年开始的全球新型冠状病毒肺炎疫情，造成汽车、家电等行业长期缺芯，欧洲、亚洲的各大厂商因为不能向华为等实体清单上的公司供货，损失高达数百亿美元。一切变得史无前例的混乱。

每一种重大发明都可以将人类带往更安全舒适的角落，芯片也不例外。回过头来看，由于有了芯片和信息技术，短短几十年间，我们已经从信息匮乏时代进入了信息过剩时代。

不过，我们有时候也会在技术的助力下冒进，缩到一个远离大自然和亲友的偏僻角落里，缩在一个只有自我的信息茧房里。我们生产了海量的数据，而且新数据仍在以指数级增长，过去十多年中增加的数据超过了人类历史上所有数据的总和。但这些数据如何才能转化为有效的信息？我们如何才能在海量的信息中坚定自我，避免被其淹没？我们的隐私如何在大数据时代得到保护？

我们需要停下脚步反思一下，技术带来的一切是否都是甜蜜与福祉？技术能否消除所有的不平等和偏见？如何保证新技术不被滥用，尤其是不被别有用心的人利用，成为奴役别人的工具？为此，我们还能做些什么？

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