全书完整呈现了芯片发明与发展的历程，从支撑芯片产业发展的量子力学讲起，逐渐发展到半导体物理学，进而催生了半导体器件，这些器件又由简到繁，像一颗发芽的种子，演化出了双极型晶体管、MOS场效晶体管、光电二极管等，并由此集成构造出了模拟芯片（通信和传感器芯片等）、数字芯片（CPU、存储器、FPGA等）和光电芯片等。最后，本书还展示了芯片设计方法和制造方法由手工到自动的发展过程，并指出了芯片未来面对的挑战和可能的解决路径。可以说，了解芯片，有这一本书就够了。

汪波，资深芯片研究专家。早年留学法国，获法国里昂国立应用科学学院集成电路硕士学位和利摩日大学高频微电子学博士学位，分别在华为公司、法国里昂纳米国家实验室和北京大学深圳研究生院从事集成电路设计的教学与科研工作，积累了二十余年经验。
科普作家，作品能够打通学科边界，兼具科学与人文内涵，让读者感受到思考的乐趣。已出版科普图书《时间之问》和《时间之问·少年版》。

赞誉
推荐序 如何理解芯片 宋继强 英特尔中国研究院院长
前言 和开拓者的灵魂一起踏上芯片之旅
第一部分 诞生
01 不确定的世界，从电灯泡到半导体
变黑的灯泡，真空管的发明
绝望的行动，量子之变
惊险的一跃，半导体的奇迹
02 创造性失败，晶体管诞生
雷达在警戒，半导体研究加速
协作的产物，巴丁和布拉顿发明点接触晶体管
反戈一击，肖克利发明结型晶体管
“我们也发明了晶体管”，发明之争
03 接连不断的出走，硅在扩散
“肖克利真是愚蠢之至”，蹒跚学步的晶体管
热油中的音乐播放器，硅晶体管登场
感觉“在跟上帝通话”，落地硅谷
八叛徒，出走“仙童”
04 “大规模白痴”，芯片的发明
被激怒的物理学家，霍尼发明平面晶体管
沉默的巨人，基尔比实现单片集成
暗战，诺伊斯提出互连方案
“我看不出它能走多远”，芯片之争与弃
第二部分 演进
05 创新者的窘境，MOS场效晶体管
无足轻重的发明，场效晶体管
“我们可是佼佼者”，外延工艺
规划出来的失败，贝尔的悖论
坏点子在变好，MOS场效晶体管的上升之路
06 一切过往皆可超越，摩尔定律
当摩尔遇到米德，晶体管尺寸极限
一张纸片上的推演，摩尔定律
始料未及，摩尔定律的修正
拯救行动，延续摩尔定律
07 化繁为简，计算芯片
计算梦想，从莱布尼茨到图灵
精简，霍夫提出CPU架构
以一当十，法金设计CPU电路
“最没效率的方法”，弗里曼发明FPGA
08 记忆的黏合，存储芯片
漏电的存储器，登纳德发明动态存储器
芝士蛋糕的诱惑，施敏与姜大元
发明浮栅晶体管
开窗的芯片，弗罗曼发明EPROM
就像闪光灯，舛冈富士雄发明闪存
第三部分 多样
09 知而行之，模拟世界的芯片
莫使金樽空对月，维德勒开创模拟芯片
剪掉电话线，无线通信芯片
知者行之始，彼得森与MEMES传感器
行者知之成，IGBT功率器件的发明之争
10 迅电流光，光电器件（上）
贝尔的回击，半导体太阳能电池的发明
诺奖委员会搞错了吗，图像传感器芯片的发明
群雄逐“光”，高亮度红外LED和半导体激光器的发明
11 点亮东西方，光电器件（下）
标新立“异”，半导体异质结的发明
灯火阑珊处，蓝光LED的发明
第四部分 建构
12 破除悖论，芯片设计
5美元的赌注，SPICE电路分析仿真程序
“玩具”设计方法，康韦与米德的VLSI设计革命
画不尽意，硬件描述语言的发明
蚕食鲸吞，EDA之争
共赢模式，ARM处理器的IP授权之道
13 精雕细刻，芯片制造
水利万物而不争，代工逆袭
酪乳薄饼，光刻的发明
叫停一艘“航母”，林本坚发明浸没式光刻
鱼鳍结构，胡正明发明FinFET
14 全方位挑战，不只是芯片
逼近极限，摩尔定律之困
应对挑战，三条路径
不只是芯片，彼此依存的世界
尾声
后记 在我的智慧终结处启程
附录
芯片群英谱
半导体技术发展线
缩略语
索引
参考文献
图片来源

和开拓者的灵魂一起踏
上芯片之旅
“MOS场效晶体管是谁发
明的？”一次，我和微电子
学的研究生聚餐，在酒酣耳
热之际，我随口问了一句。
在我看来，这个问题对
于微电子学专业的学生是基
本常识，因为如今芯片中
99%的晶体管都是MOS场
效晶体管。普通人不了解没
关系，但在座的是微电子学
专业的，应该张口即来。
然而，这个问题一提出
，餐桌上热闹的场面一下子
安静了下来，没有人接话。
安静了几秒钟后，我把话题
引向了MOS场效晶体管的历
史背景，然后又讲起了它的
发明过程。最后，当我讲到
它的发明人遭受公司打压、
不被准许发表论文、项目组
被撤、最后被迫出走的不幸
遭遇时，学生们面露惊讶，
这跟他们想象中的情景很不
一样。
我看学生们意犹未尽，
就趁机讲了几个其他芯片发
明的案例，包括中央处理器
（简称CPU）、蓝色发光二
极管（简称蓝光LED）、动
态随机存取存储器（简称
DRAM）等。
最后我总结道，这些发
明都有一个共同点，虽然它
们属于重大原始创新，但在
刚面世时都遭到了业界的质
疑和抵制，差点夭折。
而且这些并不是个例，
浮栅晶体管、异质结、绝缘
栅双极型晶体管（简称
IGBT）、微机电系统（简
称MEMS）、浸没式光刻等
重大发明都遭到过抵制。而
如今，这些差点被抛弃的技
术正在帮人们上网冲浪、存
储数码照片、播放视频、驱
动电动汽车、撞车时得到安
全气囊的保护、检测核酸序
列、照亮黑夜……
* * *
为什么这些发明在一开
始都不受待见呢？芯片的发
展离不开持续的创新和超越
，然而创新越大，对传统的
叛逆和颠覆也越大，因而遭
到传统势力的抵制也越大。
试举两个例子。仙童半
导体公司是集成电路的发明
公司之一，然而在1960年
，公司副总裁却对芯片项目
的负责人杰·拉斯特（Jay
Last）大喊：“你为什么要
去搞集成电路？这个玩意儿
浪费了公司整整100万美元
，却没有什么收益，必须裁
撤掉！”贝尔实验室是半导
体技术的研究重镇，但
1963年贝尔实验室的半导
体研究部主任扬·罗斯（Ian
Ross）撰文称：集成电路没
有解决半导体产业面临的基
本问题，它“只能治标，无
法治本”。
这些芯片的首创之举遭
到冷遇乃至遗弃，它们的发
明人发不了文章、资金支持
被中断、项目遭裁撤、被迫
出走……他们绝不是一群诗
意的科学家，而是一群失意
的科学家，他们为此付出了
十年甚至一生的代价。
芯片的发展史是一部创
新史和叛逆史。这也是本书
想要表达的主题。创新是对
主流的偏离、对现有规则的
破坏，它刚开始可能非常蹩
脚、很难融入主流。几乎没
有一项重大创新一出现就广
受欢迎。虽然人们口口声声
地说要创新，但其实人们更
喜欢的是改良，它的效果立
竿见影，因而大受欢迎。
如今，芯片的重要性已
经无须赘言，每个人都从近
几年发生的一系列芯片危机
事件中有了切身的体会。应
对芯片危机，我们需要原始
创新，而唯一的方法是诚挚
，实事求是地面对现实和历
史。
* * *
这本书为您完整地讲述
了芯片的发明和发展历程，
尤其是一群叛逆的人如何突
破传统、不断创新的故事。
芯片的历史只有60多年
，但要完整地理解芯片的来
龙去脉，我们需要将时间向
前回推到100多年前。在这
一个多世纪里，半导体技术
的创新故事不计其数，但本
质只是一种创新模式的不断
展开和复现，其主题仍是叛
逆。
本书从半导体的起步之
处量子力学开始讲起，它演
化出了半导体物理学，进而
催生了半导体器件，这些器
件又由简到繁，像一颗发芽
的种子，演化出了双极型晶
体管、MOS场效晶体管、光
电二极管等，并由此集成构
造出了模拟芯片（通信和传
感器芯片等）、数字芯片（
CPU、存储器、现场可编程
门阵列A芯片等）和光电芯
片等。本书最后还展示了芯
片设计和制造方法由手工到
自动化的发展过程，并指出
了芯片未来面对的挑战和可
能的解决路径。
为了创新，人们需要不
断打破过往累积起来的知识
和见解，并用新的知识和见
解不断地推陈出新。因此，
本书不打算系统讲解固有的
知识，而是讲述芯片如何被
创造出来的鲜活过程。
本书的读者可以是对芯
片感兴趣的任何人。如果您
是研发人员，您会认清半导
体技术发展的脉络，看出技
术创新的模式和规律；如果
您对行业发展感兴趣，您会
在本书中发现那些隐藏在背
后的行业发展规律；如果您
单纯对历史感兴趣，您可以
了解到芯片在社会历史发展
中所起到的作用。
芯片的创新可以是在各
个层次上的。例如，在微观
结构上，新器件颠覆了旧器
件；在芯片层面上，新的芯
片架构突破了原有设计的瓶
颈；在商业模式上，知识产
权授权模式让芯片设计更灵
活，使得自研芯片成为可能
；在半导体行业的组织形式
上，芯片代工厂的出现打破
了垂直整合制造模式，催生
出了苹果、高通和华为海思
等无厂芯片公司。本书展现
出了这种多层次的创新态势
。
本书各章大体上按照芯
片发

芯片战争的发起及由此引发的种种商业和政治摩擦将大众的目光聚焦到了芯片这样一个人们缺乏了解却又具有极端重要性的领域。
芯片是什么，它从何时起被发明出来，又是如何一步步被广泛应用于现代社会，成为现代社会运转的原动力的？
在推动芯片从实验室走向商业市场的过程中有过哪些伟大的发明家，他们又经历了怎样的艰辛探索？
在摩尔定律即将失效的当下或未来，芯片的研发又将如何超越物理条件的限制，向更高/效、更快速、更低成本的方向迈进？
对于这些问题，《芯片简史》给出了全面且细致的回答，这本书将是读者了解整个芯片发展史与芯片产业的最佳选择。

在我的智慧终结处启程
2020年6月9日下午3点多
，我坐在电脑前，突然间一
个想法击中了我的内心。那
一刻是一个起点，两年后有
了这部书稿。
“芯片简史”是个宏大的
题目，也是个巨大的挑战。
如果没有那一刻的激情，单
凭理性，我是不可能说服自
己将如此庞杂的芯片发展史
写出来的。但反过来，如果
仅有那一刻的激情，我写出
来的也将只是皮毛。
在随后的两年时间里，
我逐渐将当时的激情转换成
一种理性，将其建立在数百
篇文献以及对过去百年芯片
发展史的思考之上。
书稿写就，回顾当初，
我才恍然明白2020年6月那
一刻产生想法背后的原因。
就在产生想法的一个月前，
华为遭遇芯片彻底断供，这
件事在我心里催生了一个愿
望，希望能向公众更好地介
绍芯片。
那个夏天，我开始着手
收集资料，起点是我讲过的
一门课的绪论，介绍了微电
子的发展历程，当然这只是
起始的一小步。
10月份，我写出了一章
。16日下午，我收到行距文
化的黄一琨先生发来的信息
：“汪老师，作品写得引人
入胜。我读这样的作品，竟
然非常享受。您辛苦了，真
的很用心。”其实，我那时
只给他发了一份有22页的简
陋样章，收到这样的评价，
深感意外。
三天后的中午，我收到
了行距文化的刘诗瑶女士发
来的消息，她说跟黄老师沟
通了，建议我“按照科技史
的思路来写，让读者了解为
什么会出现这样一门学科、
科学家为什么会这样思考，
讲芯片这个领域的来龙去脉
”。如果没有这个建议，我
难以想象这本书会是现在这
个样子。
每写好一章，我就发给
刘诗瑶女士，内心忐忑。当
时一些出版机构对初稿的反
馈并不乐观，但我总能收到
她热情洋溢的鼓励、毫无保
留的打气，以及她从我那平
凡的文字中找到的一处处微
弱的闪光点。
写作过程中，行距文化
的毛晓秋老师给我分享了她
对非虚构写作的理解，让我
找到了合适的叙事方法，为
我的写作提供了持续的源泉
。后续，她又对初稿提出了
详细的修订意见。
* * *
随着写作的推进，我越
来越感受到自己的无知。我
发现自己处于一片处女地中
，大部分发明人都从未得到
过关注，不仅公众不了解他
们，甚至连业界也不知晓。
这让我变得诚惶诚恐，我既
不是历史学家，也不是科学
史专家，能写好这本书吗？
真是无知者无畏。
改变是在不知不觉中发
生的。当我沉浸在历史之中
，跟那些遭到拒绝或抵制的
发明人待在一起时，我全然
忘记了自己是怎么被“引诱”
上写作的道路的。我在时间
长河里与这些发明人相遇，
得以近距离观察他们，窥得
一二真容。我沉浸在他们的
生命当中，与他们共同经历
。他们或是被拒绝发表文章
，或是孤寂地去世，或是被
褒奖和追忆。我时而为他们
的遭遇而唏嘘垂泪，为他们
被人误解而感到悲伤；时而
为他们的经历而好奇心萌发
，为他们的发明感到喜悦，
欣欣然而忘己。
阅读他们的故事，我也
好像与他们共同经历了一生
中最精彩的数年，可谓不虚
此行。他们是世界上最不按
直觉思考的一类人，也是最
不擅长表露情感的一类人，
能够走进他们的内心，我深
感荣幸。在写作过程中，我
寻找过，感受过，记录过，
如此甚好。
集成电路的发明人之一
基尔比曾说，他并没有建造
出一座“大水坝”，只是构想
出了建造“水坝”的方法。另
外一位发明人诺伊斯说，他
并没有独自提出关于集成电
路的想法，只不过是把已有
的想法整合起来了而已。光
刻技术的发明人之一莱思罗
普说，他认为他采用的光刻
技术不是一项发明，而只是
一种应用。
我想象不出还有谁比他
们更谦逊。我不准备将这些
先驱塑造成神一样的人物，
他们只是更好奇、更独立而
已。除其中极少数天资聪颖
的人外，他们的成功大都来
自不懈追求、与人合作以及
包容的环境。
我希望向读者展示这些
开创者在当时的社会和技术
背景下、在个人的具体境遇
下是如何抉择以及行动，如
何质疑和背叛传统的，同时
传达出他们的科学精神和态
度。
我希望能在芯片领域和
大众之间架起一座桥梁，因
此在写作时我做了以下努力
：
一是高度还原历史中的
创新过程，展现曾经盛行的
观念和技术，以及新的技术
是如何萌芽并与旧的传统斗
争和最终突破的。
二是突出作为创新者的
个体，他们是大潮来临前的
一朵朵浪花、圈圈涟漪。本
书将历史的聚光灯打在实验
台前的科学家和工程师身上
，展现了他们内心的渴望、
追求、困顿、嫉妒和欣喜，
他们也是有故事的人。
三是将发明面世那一刹
那的火花清晰地呈现出来。
在本书中，知识的“剂量”被
压缩，但我希望这个最小知
识集合能激起你智识上的兴
趣，它的惊险程度不逊于一
部小说。作为“侦探故事”中
的必要“物证”，本书展现了
新知被创造出来的过程。
尽管书稿经反复考证、
校订，但芯片涉及领域众多
且个人识见肤浅，书中定有
尚未消除的错误和瑕疵，还
望赐教指正。您可以发送邮
件到wang

芯片是电子信息技术和
产业的核心与基石，芯片技
术已经成为现代科学技术发
展的制高点。如果你想了解
芯片的前世今生，汪波博士
的全新力作《芯片简史》是
一本难得的好书。该书不仅
梳理了芯片发展的脉络，还
深入浅出地阐释了芯片发展
历程中那些带有哲理且具有
启发性的精彩瞬间。
——张兴 北京大学软件
与微电子学院前院长
芯片是人类历史上最伟
大的发明之一，推动人类社
会进入了信息时代。汪波老
师凭借20多年在芯片领域的
科研和教学经历以及深厚的
文学功底，写成了这部《芯
片简史》。该书对芯片发明
和发展过程中的重要历史事
件描写得非常精彩，读起来
让人爱不释手。该书内容具
有很强的知识性、启发性和
故事性，是一部非常优/秀
的科普著作。相信无论是专
业人士还是非专业读者，都
能从中获益匪浅。
——张盛东 北京大学信
息工程学院前执行院长
这是一本每个数字时代
的原住民都应该看的书。技
术改变世界，芯片毫无疑问
是ji少数改变了每个人的桂
冠级产品。从物理学家研究
晶体内部的电子运动，到芯
片成为全球最重要的生产力
工具，只用了70多年的时间
。这当中技术、商业和战略
领域发生了哪些决定性的事
件，芯片还将如何参与构建
正在到来的元宇宙时代，相
信你在这本书里都可以找到
答案。
——葛颀 中赫集团副总
裁，工体元宇宙GTVerse创
始人
这本书回顾了60多年来
芯片壮阔恢宏的发展历史，
从某种意义说，也是一部人
类信息文明的发展史。如果
说机械的发展拓展了人类的
体力劳动，那么芯片的发展
则扩展了人类的脑力劳动。
芯片技术是属于整个人类文
明的，也必将为人类社会的
发展和文明的进步做出新的
贡献，这种发展势头绝/不
会因为各种人为和政治的原
因所停歇，必将在人类文明
的智能时代继续大放异彩。
对每个人来讲，我们也许会
与芯片结成更紧密的关系，
成为碳硅合体的新人类——
这是未来的世界图景，问题
是它值得我们期待吗？
——檀林 前海再保科技
董事长，海创汇首/席生态
官
芯片（半导体、微电子
、集成电路）真是一种神奇
的技术产物，它如此尖/端
和精/密，凝聚了人类不懈
的发明创新精神，又让全世
界如此广泛的大众可以消费
最新、最酷的电子产品。芯
片在全球市场中取得成功，
是21世纪最重要的商品。
——周健工 未尽研究创
办人，《第一财经》、《福
布斯》中文版前总编辑
《芯片简史》是一部非
典型的技术发展史。它回答
了一个重要的问题：科学发
现和商业应用的推动力是什
么？首先是质疑的精神，物
理学领域过去100年间的持
续颠覆是最好的例子；其次
是偶然的突破，运气是留给
有准备的人的；再次是军事
投资的推动，大名鼎鼎的美
国国防部高/级研究计划局
就是创新领域内的连环推手
；最后是创业的动物精神，
硅谷和芯片相互成就。
——吴晨 《经济学人·商
论》执行总编辑

01 不确定的世界，从电灯泡到半导体
1879年12月底，一场大雪降临在美国纽约。厚厚的雪花覆盖了中央火车站的穹顶，中央公园的草坪变成了洁白的世界，四周的摩天大楼矗立在雪花之中，构成了这座新兴大都会独特的风景。
市中心曼哈顿纵横交错的街道上，匆匆走过的男士戴着高高的礼帽，女士围着厚厚的围巾，嬉戏的孩童扔着雪球互相追逐，大声尖叫，乐不知返。
就在几天前，发明家爱迪生向纽约市政官员和新闻记者发出了一封邀请函，请他们到位于新泽西州的实验室，以一种特殊的方式迎接新年。
新年前夜，当衣冠楚楚的嘉宾们乘坐专列抵达后，夜幕已经降临，晶莹的白雪映照着柔和的月光。来宾们全都期待着爱迪生会带来什么样的新年惊喜。这时，爱迪生出现了，只见他走到一个开关前并轻轻按下它，290盏白炽灯同时亮了起来，四周瞬间变得灯火通明。尖叫声和掌声顿时此起彼伏。人们第一次见到如同白昼的夜晚，纷纷为这种新发明欢呼雀跃、激动不已。
在过去的几年里，爱迪生为了寻找最合适的灯丝，试验了几千种材料，最后在亚洲找到了一种竹子，将其碳化后制成碳纤维并作为灯丝。灯丝在通上电流后开始发热，温度升到数千摄氏度时，炽热的灯丝就能发出明亮而持久的光芒。从此，浓稠的黑暗之夜被光明刺破了一个小点。
不过，爱迪生还有两个烦恼……
变黑的灯泡，真空管的发明
让我们先回到灯泡诞生的19世纪。
回首19世纪，我们理应为当时人们取得的成就感到自豪。冒着蒸汽的邮轮从伦敦港出发，在世界各大洋劈波斩浪；银光闪闪的铁轨连接了莫斯科和西伯利亚，从美国东海岸延伸到西海岸；跨越大西洋海底的有线电报将“嘀嗒”作响的消息送至世界各地；高高架起的电话线传递着远方的声音……
当时世界上拥有殖民地最多的国家是大英帝国，全球到处飘扬着米字旗。俄国也在迅速壮大，疆域从波罗的海延伸到了太平洋。法国在全球范围内占领了广泛分布的岛屿和非洲大陆部分地区。统一后的德国成了后起之秀。日本历经革新，成了东亚的新兴势力。与此同时，土耳其帝国则面临土崩瓦解的危机。
美国这块新大陆正迅速崛起，其高等学府声名鹊起，工业产品门类齐全，钢铁产量领跑世界。19世纪后半期，留声机、电话机、交流电、石油精炼技术和轻巧的金属铝都诞生在这块新大陆。在这里，还诞生了一项不同寻常的发明——电灯泡，它彻底改变了这颗星球夜晚的面貌。
爱迪生发明了电灯泡不久，就碰到了他的第一个烦恼：灯泡使用过一段时间后，内表面会变黑，导致灯光暗淡。
灯泡之所以会变黑，是因为在高温下的碳纤维灯丝会释放出一些碳微粒，附着在灯泡玻璃内表面，时间久了灯泡会被熏黑。
爱迪生和助手想到了一个方法，将一枚铜片放置在灯丝和玻璃泡之间，以阻挡碳微粒飞向玻璃（见图1-1），但这个方法并没有奏效。接下来，他们又在铜片上施加了一定的电压，期望能改变碳微粒的分布，可问题依然没有解决。
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