自芯片发明至今，它已经从电路集成走到了系统集成。本书重点讲述了早期电子器件、半导体器件，以及芯片的生产、设计、科技发展的历史，记录了芯片产业历次发展的科技原理、生产工艺、产业进化和未来展望．以及关于芯片产业发展的重要人物和重要事件，是一本芯片科普读物。

钱纲 现就职于美国德州仪器公司，从事半导体工艺及半导体器件的开发与研究工作。科学网人气作者，其作品在线获得超过千万人次的浏览量。钱纲的作品以涉及历史、科技的杂文、随笔为主。主要作品有美国历史及人物纪事《美国往事》，硅谷历史《硅谷简史》等。

前言
导言 芯片简历
第一篇 半导体材料和半导体器件的前世今生
01 晶体三极管之前的半导体
02 晶体三极管之前最重要的电子器件：真空管
03 无线电通信和真空管收音机
04 真空管带来的全新电子技术和最初的电子计算机
05 发明晶体管：贝尔实验室的奇迹
06 晶体管时代的到来
07 芯片概念的形成
08 芯片工艺：贝尔实验室奠定的半导体工艺基础
第二篇 创造奇迹的芯片
09 发明芯片：德州仪器和基尔比的奇迹
10 美国传奇：芯片产业之父罗伯特·诺伊斯
11 硅谷传奇：“叛逆八人帮”和仙童半导体公司的诞生
12 芯片产业的摇篮：仙童半导体公司
13 改进的器件和技术：场效应管技术
14 芯片的制造流程
15 摩尔定律：芯片产业的发展路径
16 第三次工业革命的种子：诺伊斯领导下的美国芯片产业
第三篇 改变世界的芯片
17 半导体芯片的种类、设计流程、生产流程和应用领域
18 工业革命3.0的发端：格鲁夫缔造的英特尔传奇
19 芯片上的存储器：人脑记忆功能的拓展
20 芯片上的计算机：泰德·霍夫的微处理器
21 改变世界的微处理器
22 ARM传奇：ARM处理器的诞生
23 移动通信设备的大脑：ARM处理器的成长
24 人机界面的核心：图形处理器芯片GPU
25 通向专用芯片之路：未来GPU的发展方向
26 西风东渐：中国工业革命中的芯片产业
27 芯片业代工模式的代表：台湾积体电路制造股份有限公司
28 带领中国芯片业进入工业革命4.0的芯片人：中芯国际公司创始人张汝京
第四篇 未来的芯片
29 硅工艺制程的极限：摩尔定律的终结
30 未来的芯片
附录A 改变世界的芯片之一：英雄时代（1970～1980年）
附录B 改变世界的芯片之二：成熟时期（1980～2018年）
参考文献

要是有人问起20世纪世界历史上最重要的事件是什么
，很多人会说是第二次世界大战（以下简称二战），也有
人会说是苏联和东欧社会主义国家的兴起与衰落，还有人
会说是中国的崛起。当然，这些事件都很重要。但是，从
影响人们生活方式的角度来看，20世纪发生的最大的事件
非晶体管和芯片的发明莫属。
从人类发明蒸汽机开始，改变人类生活方式的技术发
明不断出现，其中以蒸汽机、铁路运输、石油工业、汽车
、电子管、原子能、晶体管和芯片为代表。这些技术发明
，不仅改变了当时的战争形势和世界格局，而且改变了我
们的日常生活形态。这些技术发明把这个世界变得很小，
把人的力量变得很大，同时也把人的大脑变得极为强大。
和地球上的其他生物相比，人类在这些技术发明的帮助下
获得了堪称上帝般的能力。
成就一项改变人类历史和生活方式的技术发明，需要
具备哪些条件呢？
第一，要有实际的应用需求。二战结束后，电子工业
在战争和通信上有了极大的应用。雷达、计算弹道的计算
机、有线及无线通话设备等大量战时发明对高效的电子放
大器和高速的电子开关产生了极大的需求。
第二，要有足够的知识积累。20世纪初，以量子力学
为代表的现代物理和化学为新型固体电子器件的产生奠定
了物理与工艺基础。二战后，美国的贝尔实验室和斯坦福
大学等研究机构在理论与工艺上为新型电子器件和随之而
来的芯片产业做好了准备。
第三，要有市场。随着“冷战”的深入，美国和苏联
在军备与太空开发领域中展开了竞赛。这是一个巨大的市
场，以往以真空电子管为代表的常规电子器件，在太空这
种极端环境下已无法满足需要。此时，理论和工艺都已成
熟的固体电子器件应运而生。晶体管、芯片和整个半导体
工业就是在“冷战”的刺激下诞生的。
第四，要有勇于开创的发明家和企业家。他们是改革
家和梦想家，且大多数出身于不太富裕的家庭，但他们从
小就有梦想。他们对身边的一些习以为常的事情表现得很
不耐烦，他们要用自己的智慧去改变令人生厌的环境。他
们确信靠自己的头脑和经验可以完成一些看似不可能完成
的事情。他们是真正的社会改革者，为这个世界带来了真
正意义上的变革，他们改变了我们的生活方式，同时为人
类提供了更多的自由和财富。
20世纪前半叶，第一个广泛应用的电子器件—真空管
，在通信、雷达和电脑业中大显身手。此后无论是在军事
、工业还是在民用行业中，真空管大大改善了人们的工作
和生活。二战后，真空管已成为无可替代的产品。但是，
真空管的质量和寿命都使其无法胜任当时最前沿的应用。
20世纪50年代，晶体三极管的出现让人们看到了新希
望。在不到10年的时间里，晶体管代替了真空管。晶体管
的生产工艺、质量和寿命也得到了极大的改善。随着晶体
管收音机的出现，晶体管成了人们日常生活中不可或缺的
电子器件。
20世纪60年代，芯片的出现彻底改变了电子工业的现
状。过去需要几个房间才能放下的电子设备所实现的计算
能力，现在可以在几个平方厘米大小的芯片上实现。此后
，芯片技术和其应用改变了当时从衣食住行到天气预报，
从日常通信到卫星技术的所有产业。正是芯片技术开启了
以电脑和互联网为代表的工业革命3.0。
20世纪80年代，以微处理芯片为核心的个人电脑出现
。英特尔和ARM两种微处理器的设计理念展开竞争。由于英
特尔和微软广大的市场与惊人的资金投入，英特尔以性能
为先的微处理器设计理念在20世纪八九十年代大行其道。
而以ARM为代表的更为先进的能耗和性能并进的微处理器设
计理念则在一些边缘产品中慢慢成长。
20世纪90年代，个人电脑、无线通信、光纤通信、卫
星通信及定位技术的应用已经日益普及。这是第三次工业
革命达到高潮的10年，以ARM为代表的微处理器芯片、以
GPS为代表的卫星通信芯片，以及以汽车雷达为代表的微电
机芯片等不断推陈出新，让人应接不暇。在这10年里，芯
片技术从20世纪90年代初期的0.6微米制程发展为2000年
的90纳米制程。芯片制造前端的制程技术进步了六代，芯
片制造后端的连线金属层也达到了十几层，芯片工艺的复
杂程度超出了所有人的想象。以微处理器为例，芯片上的
晶体管数量已超过了10亿，厂家生产12英寸芯片的造价超
过10亿美元，一张微处理器芯片的晶圆价值几百万美元。
芯片产业的格局也从设计、制造、产品、营销一体化，演
变成设计与产品一家，制造、封装、测试另起炉灶的局面
。在这10年里，中国政府和企业真正认识到了芯片对国家
未来的重要性，这也是中国政府开始放手让芯片企业大干
的10年。
2000年是科技史上的一个分水岭。此前，人类的知识
与技术积累已经为我们的生活带来了数字电脑、远程通信
、卫星通信、互联网。2000年，综合了这些高新科技、改
变世界进程的工业革命4.0发生了。这是一次由芯片和电脑
发端、以互联网为触角，并以人们日常生活中的信息交流
为中心，即将改变我们生活中每个方面的工业革命

在数字化时代，芯片是世界经济发展的主角，也是中国信息产业的短板。2018年，中国购买芯片支出超过3000亿美元，是中国最大的外汇支出。
离开了芯片，我们就不会有手机、电脑、国际空间站，更不会有硅谷和苹果、三星、微软、谷歌、Facebook、亚马逊、阿里巴巴等巨无霸式的高科技公司。人类已经须臾离不开芯片了。
今天，芯片对我们日常生活的影响无处不在。普通大众对芯片的来历大多一无所知，对手机、电脑、互联网的产生、原理和芯片技术的界限同样知之甚少。
芯片是什么？芯片源于何处？芯片的工作原理是什么？芯片是怎样被设计、制造出来的？今天的芯片技术已经发展到了怎样的程度？今后，芯片会把我们带到哪里？
本书就是要解答这样的问题，作者带人们了解芯片的诞生、芯片产业发展的三次重要变革，以及未来芯片会怎样发展，揭示中国的芯片产业如何赶超领先者，从而摆脱缺“芯”的窘境。
这是一本关于芯片和芯片产业的百科全书，是一本让普通读者了解芯片的入门书。

历史是故事，芯片是技术。这是一部故事与技术
交织而成的当代最新科技发展史。作者以他多年的芯
片从业经验，简洁生动地描绘了芯片产业中的科学家
、发明家和企业家的工作及他们取得的成果。这是一
部了解芯片产业的必读之作。
——张汝京 中芯国际创始人、前CEO和董事长，
芯恩公司董事长
芯片的发明，让历史真正地进入了数字化时代。
以芯片为代表的高技术，拉开了第三次工业革命波澜
壮阔的序幕。古人说：往古者，所以知今也；同样，
知道一个产业的历史，就能让我们更看清它在历史中
的作用，以及它会把未来指向何处。该书就是介绍芯
片发展史的一本好书。作者以他超过二十年的从业经
历与扎实的专业功底，向读者娓娓道来了人类在芯片
发明与发展历程中的艰辛探索，更让读者感受到了诸
如德州仪器、英特尔等优秀企业在技术与商业上的不
朽功勋。我郑重地将这本书推荐给各位读者。
——崔阳 北京大学博士，英特尔中国制程整合
工程师，知乎人气作者
芯片是数字社会的内核动力。本书从产业演化的
视角切入，讲述芯片和半导体等如何渗透到我们生活
中的方方面面，从而开启了一个绚丽多彩的时代。
科技大爆炸时代，人类将以前所未有的模式进行
芯片探索和新商业尝试。凭借更为便捷的创新资源、
风险资金的支持，以及比以往任何时候更有效的方法
论来实现产品与市场契合，芯片也必将以前所未有的
速度走向未来。我对此非常期待。
《芯片改变世界》不仅可以帮你理解芯片产业的
巨幅画卷，还可以让你从中汲取产业创新规律与产品
生命周期节奏管理的相关知识。
我愿意将钱纲先生的书推荐给您。
——唐兴通 创新点略顾问、畅销书《种子用户
方法论》作者
科技时代的芯片，就是工业时代的石油。了解芯
片，也就更了解我们所处的时代。
——冀勇庆 著名财经作家

01 晶体三极管之前的半导体
芯片（chip）在电子学中是一种把电路小型化，并制造在一块半导体（semi-conductor）晶圆（wafer）上的一种具有特殊功能的微型电路。
半导体，是一种在常温下导电性能介于导体（conductor）与绝缘体（insulator）之间的物质。半导体在收音机、电视机、电脑和芯片上有着广泛的应用。半导体电子器件有很多种，最常见的电子器件如电阻、电容、电感都可以由半导体材料制造出来。完全基于半导体特性的电子器件为具有整流作用的二极管和具有开关及放大作用的三极管。半导体的导电性可被人为地控制，其导电范围处于绝缘体和导体之间。无论是从科技或是经济的角度来看，半导体都非常重要。今天，我们绝大部分的电子产品，如电脑、手机、电视机中的核心单元都是用半导体材料制造的芯片。常见的半导体材料有硅、锗、砷化镓、氮化镓、碳化硅等，在各类半导体材料中，硅是应用最广泛的半导体材料。
半导体有本征半导体和掺杂半导体之分。本征半导体是不含杂质且无晶格缺陷的半导体。受到热激发后，本征半导体会产生电子和空穴对，这种由于电子和空穴对的产生而形成的混合型导电即为本征导电。
掺杂半导体，是在本征半导体中掺杂某种元素而形成的半导体，最常见的是最外电子层具有四个电子的四价元素硅和锗。此外，化合物半导体也是掺杂形成的半导体，最常见的化合物半导体是砷化镓。
半导体材料的历史
人类发现半导体的历史很短。第一个发现半导体的人是英国科学家迈克尔·法拉第（Michael Faraday）。1833年，法拉第发现了硫化银的电阻随着温度的变化而显现出的特性与一般金属不同。通常，金属的电阻随温度升高而增加，法拉第发现硫化银的电阻随着温度的升高而降低。这是人类首次发现的半导体现象。
1839年，法国科学家亚历山大·贝克雷尔（Alexandre Edmond Becquerel）发现了光伏现象。那是一个半导体和电解质接触形成的结，在光照下会产生电压，这是半导体的第二个特征。
1873年，英国科学家史密斯（W.smith）发现了硒晶体材料在光照下电阻减弱的现象，这是半导体第三个特性。
1880年，半导体的霍尔效应被发现。
1874年，德国的费迪南德·布劳恩（Ferdinand Braun）发现了硫化物半导体的整流效应。同年，氧化铜的整流效应也被发现。
至此，半导体的四个特性：电阻率的负温度特性、光照导电效应、光伏现象、整流效应均被发现。但半导体这个名词到1911年才首次被使用。
有关半导体的常识
制造半导体器件最重要的环节是掺杂（dope），就是把杂质材料用扩散（diffusion）或离子注入（ion implantation）法掺入晶体材料，使晶体材料成为半导体。
半导体中的杂质对电阻率的影响很大。在晶体中掺人微量杂质时，杂质原子附近的周期势场受到干扰形成附加的束缚态，会产生附加的杂质能级。例如，在四价元素锗或硅晶体中掺入五价元素磷、砷、锑等杂质原子时，杂质原子作为晶格的一分子，其最外电子层的五个价电子中有四个与周围的锗（或硅）原子形成共价键，多余的一个电子被束缚于杂质原子附近，这个电子很易被激发而成为电子载流子（electron）。
在锗或硅晶体中掺人微量三价元素杂质原子时，杂质原子与周围四个锗（或硅）原子形成共价键时尚缺少一个电子，因而存在一个空穴，电子很易被激发到杂质能级上填补这个空穴，使杂质原子成为负离子，这样就形成了空穴载流子（hole）。
掺入五价元素杂质的半导体，属电子型半导体，称N型半导体。掺入三价元素杂质的半导体属空穴型半导体，称P型半导体。半导体在任何温度下都能产生电子一空穴对，N型半导体中也会有少量导电空穴，P型半导体中也会有少量导电电子，它们被称为少数载流子。在半导体器件中，少数载流子非常重要。
P型半导体与N型半导体接触时，其接触区域称为PN结（PN iunction）。P区中的自由空穴和N区中的自由电子会向对方区域扩散，造成正负电荷在PN结两侧积累，形成电偶极层。电偶极层中的电场方向正好阻止扩散的进行。当载流子密度不等引起的扩散作用与电偶层中电场的作用达到平衡时，P区和N区之间就会形成一个电位差，即接触电位差（0.6伏左右）。P区中的空穴向N区扩散后与N区中的电子复合，而N区中的电子向P区扩散后与P区中的空穴复合，这使电偶极层中自由载流子数减少而形成高阻层，故电偶极层也叫阻挡层，阻挡层的电阻值往往是组成PN结的半导体的原有阻值的几十倍乃至几百倍（见图1-1）。
P2-4