一文读懂芯片发展史：从半导体到集成电路的奇妙之旅

题图：Cheva用AI创作

在《芯片战争》这本书中，作者在介绍完芯片在全球产业链中的重要地位及它的战略价值之后，就开始回顾芯片发明与发展的历史。涉及到的人物繁多，看一遍也记不住这么多外国人的名字，我就大致梳理了一下，也只能大概聊一聊。

芯片的功能就是计算。进入电器时代之后，人们对计算的需求越来越大。但是在二战之前，对计算能力的需求主要是在商业和金融业，要计算各种各样的报表，以及对保险人的保险进行精算等等。但当时并没有计算机，因此这些公司都聘用大量的人员进行计算工作，而他们使用的工具就是对数表。

对数表是一种能够极大地提高一些复杂运算的速度的工具，但它仍然是依靠人力的。所以在一些大公司的办公楼里面会有整层整层的雇员埋头查表计算，这应该就是最早的人力计算机的雏形了。比如说对数表这种东西，我在中学读书的时候还有学习过，现在应该是被彻底淘汰了吧，可见学校里面教学的内容与社会有多么脱节。

这样的人力运算方式在商业界还是勉强地应付得过来，无非就是成本高一点而已。但是在二战开始以后，战争是一个分秒必争、对人力和各种资源的消耗都是平常时期的数倍甚至数十倍，对计算能力的需求也是如此。人力计算不光是算力不够，而且时效性也完全不能满足要求。等你把这个密码破译出来，敌人已经更换新的密钥了；而等你把炮弹弹道计算出来，敌人的目标很可能已经转移了。

于是，在战争的催生下，计算进入了机器计算的时代，而最早的电子计算机就诞生于二战的后期。机器电子计算机的原理很多科普都有讲，在计算机当中，所有的计算任务都是转换为二进制来进行的。原因很简单，就是二进制的计算规则最简单，电路也最容易设计。二进制只有1和0两个数字，这样就可以用是否有电流流过和电路断开分别表示1和0就行了。

而最早的电子计算机使用的是真空管，说穿了就是一个个的大灯泡，通电灯泡亮就是1，灯泡灭就是0。这样的计算机相对于人力计算机来说，运算速度快，相对于人力计算机来说已经是飞跃式的发展了。它在前面提到的破译密码和弹道计算方面发挥了非常重要的作用。到了二战的中后期，轴心国的密码，德国和日本的密码都被盟军完全破译，几乎就是在裸奔的状态下和盟军作战。

但是真空管电子计算机也有很多缺陷，第一个就是体积庞大，几乎要占据一整栋楼的空间；第二就是维护频繁而且复杂，我们都知道一个典故叫飞蛾扑火，而真空管计算机就是由一串串的灯泡组成的。这些光源是飞蛾们理想的栖息地，对飞蛾来说是抵御不了的诱惑，所以工作人员必须频繁地清理这座计算机。另一个难以让计算机大规模应用的问题就是电子管就是大灯泡，而且它是通过通电或者断电来区分1和0的，在工作时这些灯泡要频繁地通电断电，而我们知道灯泡本来就是有寿命的，而这种频繁通断电的情况会更快地损耗它的寿命，所以它的可靠性也非常差。需要不停地更换掉那些坏掉的电子管。

不过到了战后，随着量子物理的发展，人们对原子结构有了更深刻、更透彻的理解。同时，人们又发现了半导体的现象，就是有一些元素，虽然是绝缘体，但是在加上足够大的电场的情况下，会产生很短时间的微弱电流，而最普遍的半导体就是硅。另一位天才物理学家立刻想到了，如果在硅中掺入一定量的杂质，就可以让它具备单向导电性能，可以持续地在电场中产生电流，于是晶体管就诞生了。

晶体管可以做到体积很小，而且不发光，不招惹昆虫，而且也不像灯泡那样容易坏掉，所以很快就取代了电子管计算机。只是这时候的晶体管还是被做成一个个分离的元件，中间用导线连接起来。虽然不像电子管计算机那样要占据整整一栋楼的空间，但是体积依然很庞大。但是这种结构的计算机已经能够满足当时人们对算力的需求了。

不过科学家们仍然不满意，又有一位天才想到了一个更好的解决方案。既然晶体管只是在硅元素中掺入杂质，那为什么非要把它做成一个个的元件再用导线连接呢？可以在一个纯净的硅片上面，在我想要的点上掺入杂质，在适当位置上划线，就可以完成一个功能完全一致的机器。当时人们把这种通过在硅片上的特定位置掺入杂质制成的计算机叫做集成电路。不过，当时这项技术并没有多大的市场需求，真正推动这项技术并让它能够发展壮大的，竟然是美苏之间的太空竞赛。