21世紀(jì)經(jīng)濟(jì)報(bào)道記者王峰北京報(bào)道  4月19日，資深芯片研究專家汪波的著作《芯片簡(jiǎn)史》榮獲第十九屆文津圖書(shū)獎(jiǎng)。“預(yù)測(cè)未來(lái)最好的方式，就是把它發(fā)明出來(lái)?！蓖舨ń赵谡繌]2024世界讀書(shū)日活動(dòng)上這樣總結(jié)芯片誕生對(duì)人類發(fā)展的巨大影響力。

《芯片簡(jiǎn)史》一方面介紹了從真空管到目前最先進(jìn)芯片的技術(shù)發(fā)展史，另一方面也描述了對(duì)芯片發(fā)展作出突出貢獻(xiàn)的科學(xué)家、工程師和企業(yè)家，科學(xué)知識(shí)介紹得深入淺出，產(chǎn)業(yè)故事描述得扣人心弦?！缎酒?jiǎn)史》也在21世紀(jì)經(jīng)濟(jì)報(bào)道主辦的21世紀(jì)年度好書(shū)（2023）評(píng)選中獲獎(jiǎng)，評(píng)委之一、上海交通大學(xué)安泰經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院教授何帆撰寫(xiě)的頒獎(jiǎng)詞寫(xiě)道：“一部芯片史就是創(chuàng)新史和叛逆史，本書(shū)帶著我們回到歷史的現(xiàn)場(chǎng)，去感受科學(xué)家和工程師們是如何歷經(jīng)困頓迷茫，但是迎難而上并最終克服困難的故事?！?/p>

芯片的發(fā)展史遠(yuǎn)未終結(jié)，《芯片簡(jiǎn)史》敏銳捕捉到人工智能對(duì)GPU芯片的需求和影響，遺憾的是對(duì)黃仁勛和英偉達(dá)著墨較少。汪波在湛廬2024世界讀書(shū)日活動(dòng)上也對(duì)21世紀(jì)經(jīng)濟(jì)報(bào)道記者笑稱，如果要出修訂版，可能要多寫(xiě)一些英偉達(dá)的故事。

我們整理了汪波教授在湛廬2024世界讀書(shū)日活動(dòng)上的演講，分享給大家。

（《芯片簡(jiǎn)史》2023年4月由湛廬文化、浙江教育出版社出版）

芯片不是最終的構(gòu)成單位，比它更小的一個(gè)單元叫作晶體管。芯片上有很多晶體管，晶體管有兩個(gè)基本功能，一個(gè)是作為開(kāi)關(guān)，來(lái)實(shí)現(xiàn)0和1，一個(gè)是作為信號(hào)放大器，就像麥克風(fēng)一樣，把信號(hào)放大，就可以用于通信。有了晶體管，才有了我們信息時(shí)代的計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)、無(wú)線通信等。

晶體管尺寸縮小之后

晶體管會(huì)越來(lái)越小，從最初的幾十微米縮減到今天的3納米。我們的一根頭發(fā)絲直徑大概是50微米。無(wú)論多么先進(jìn)的光學(xué)顯微鏡都已看不到晶體管，因?yàn)榭梢?jiàn)光的波長(zhǎng)最多是400納米。

晶體管尺寸變小之后，一顆芯片上可以塞進(jìn)更多的晶體管，這帶來(lái)怎樣巨大的變化呢？隨著時(shí)代的進(jìn)步，有了更小的晶體管之后，就有了第一臺(tái)PC機(jī)，有了第一臺(tái)筆記本電腦，第一臺(tái)iPod，第一臺(tái)iPhone。

1971年發(fā)明的第一顆CPU芯片，它上面只有2250個(gè)晶體管，尺寸是10微米，也就是一萬(wàn)納米。2024年3月，英偉達(dá)發(fā)布了B200 GPU芯片，上面有2080億個(gè)晶體管，比1971年的第一顆CPU芯片增加了1億倍，它的尺寸縮小到4納米，比一萬(wàn)納米縮小了2000多倍。換句話說(shuō)，如果一個(gè)10微米晶體管的大小是一頭長(zhǎng)6米的亞洲象，那么今天的晶體管就只有一只螞蟻那么大。

芯片與人工智能

最近幾年，芯片成了大家關(guān)注的熱點(diǎn)，尤其引人注目的是ChatGPT的發(fā)布。值得注意的是，ChatGPT網(wǎng)站的訪問(wèn)量與英偉達(dá)股票的變化曲線存在正相關(guān)性，都是向上增長(zhǎng)的趨勢(shì)。為什么英偉達(dá)的股票會(huì)跟ChatGPT的曲線相關(guān)？因?yàn)檫@家公司做的是GPU，就是用于構(gòu)建人工智能的一款處理器。

芯片可以為人工智能提供算力，也就是強(qiáng)大的計(jì)算能力。目前提供算力的主要是GPU芯片，它比我們傳統(tǒng)的CPU芯片的計(jì)算能力更強(qiáng)，因?yàn)樗度肓?0%以上的資源用于計(jì)算，而CPU只投入了25%的資源，而且GPU是并行的計(jì)算。有了ChatGPT，有了非常強(qiáng)大的GPU芯片的加持，我們就可以做出更加超越想象的東西，比方說(shuō)：人形機(jī)器人，它可以理解人的話語(yǔ)，甚至能夠通過(guò)理解物理世界來(lái)做出正確的反應(yīng)。

芯片未來(lái)面臨的挑戰(zhàn)

人工智能快速發(fā)展，對(duì)芯片提出了更多要求，而芯片產(chǎn)業(yè)現(xiàn)在面臨一些更大的挑戰(zhàn)，具體來(lái)說(shuō)是“三堵墻”：一堵墻是內(nèi)存墻，就是當(dāng)CPU去存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的時(shí)候，它要翻過(guò)一堵高墻，速度非常慢；第二堵墻是功耗墻，英偉達(dá)發(fā)布的GPU芯片采用的制冷方式是水冷，而不是通過(guò)空氣對(duì)流來(lái)散熱。為什么需要水冷？因?yàn)樗\(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生很多的熱量?，F(xiàn)在芯片運(yùn)行的熱密度已經(jīng)達(dá)到甚至超過(guò)了火箭噴射口的熱密度，如果再繼續(xù)下去而找不到解決的辦法，芯片就會(huì)被自己產(chǎn)生的熱量燒毀；第三堵墻是頻率墻，已經(jīng)有幾十年CPU的頻率沒(méi)有再繼續(xù)增加了。

芯片發(fā)明出來(lái)之后，芯片上的元件數(shù)量不斷增加。到了1965年，Intel公司創(chuàng)始人之一的戈登·摩爾受邀寫(xiě)過(guò)一篇文章，他總結(jié)了過(guò)去幾年芯片發(fā)展的規(guī)律，發(fā)現(xiàn)每過(guò)一年，芯片上的元件數(shù)量就翻一倍，這就是摩爾定律最初的表述。芯片產(chǎn)業(yè)的發(fā)展一直是按照摩爾定律來(lái)向前推進(jìn)的。

如果我們簡(jiǎn)單總結(jié)一下芯片的發(fā)展規(guī)律，可以用一棵樹(shù)來(lái)表達(dá)，最開(kāi)始是基礎(chǔ)的學(xué)科，比如量子物理的發(fā)展，然后誕生了晶體管，又誕生了芯片。芯片又按照摩爾定律在不斷發(fā)展，出現(xiàn)了CPU或者處理器芯片，又出現(xiàn)了存儲(chǔ)芯片、無(wú)線通信芯片、傳感類芯片、功率芯片、光電類芯片等。

芯片的歷史是一部創(chuàng)新的歷史，也是一部叛逆的歷史，因?yàn)楫?dāng)初很多的想法都被傳統(tǒng)的勢(shì)力打壓。今天我們又面臨新的挑戰(zhàn)，首先是芯片里面的晶體管的尺寸已經(jīng)逼近了物理的極限，我們講到3納米，未來(lái)還有可能達(dá)到1納米、0.5納米，在這么小的尺寸下，我們要有波長(zhǎng)非常短的光刻機(jī)才能制造出這些芯片。另一個(gè)挑戰(zhàn)是，即便我們制造出這么小的晶體管，可能它也沒(méi)法正常工作，因?yàn)樗€受到另外一個(gè)物理極限的影響，就是隧穿效應(yīng)。當(dāng)晶體管非常小，只有原子尺寸的時(shí)候，電子就能從晶體管中逃逸出來(lái)，就像穿透一堵墻一樣，讓晶體管失效。

現(xiàn)在科學(xué)家在想各種方法來(lái)解決這些問(wèn)題，包括使用新的材料，比如硅以外的碳基晶體管、氧化物晶體管、模擬人腦神經(jīng)元工作原理的晶體管等。除了芯片本身的挑戰(zhàn)，我們還面臨更大范圍的挑戰(zhàn)，比如：氣候變暖、人口老齡化以及電力資源短缺。有數(shù)據(jù)顯示，訓(xùn)練一次AI大模型，需要消耗2億度電。所以有一種說(shuō)法是，“所有的Transformer要消耗掉所有的Transformer”。第一個(gè)Transformer指的是大模型，第二個(gè)Transformer指的是變壓器，就是我們的電力。除了這些技術(shù)方面的挑戰(zhàn)之外，還有國(guó)家之間的競(jìng)爭(zhēng)，供應(yīng)鏈短缺等挑戰(zhàn)。這些都是我想要寫(xiě)一本關(guān)于芯片的書(shū)的原因，想要去講述芯片是如何誕生并且改變世界的。奇點(diǎn)是不是很快就要來(lái)臨？很難去預(yù)測(cè)，但是《芯片簡(jiǎn)史》里有一句話：“預(yù)測(cè)未來(lái)最好的方式，就是把它發(fā)明出來(lái)?！保ū疚囊呀?jīng)演講者審定，有刪節(jié)，小標(biāo)題為編者所加）