【科普創作評論】創新之路，遍布荊棘——評《芯片簡史：芯片是如何誕生并改變世界的》

芯片被稱為現代科技的“心臟”。這一小小的電子元器件，從誕生至今不足70年時間，卻已經一躍成為現代社會運轉的核心控制單元。與它有關的發明，更是滲透到了人們生活中的方方面面——從智能手機到電動汽車，從計算機到各種常見家電：空調、電視、洗衣機……芯片的應用，已然成為數字時代最重要的特征之一。

作為數字時代的原住民，當今讀者在享受著芯片技術帶來的便利的同時，也同樣好奇它的起源與發展。資深芯片研究專家、科普作家汪波在《芯片簡史：芯片是如何誕生并改變世界的》（浙江教育出版社2023年版，圖1，以下簡稱《芯片簡史》）一書中對這一問題進行了詳細解答。這部書以半導體技術發展的時間線為主軸，將芯片的發明和創新歷程娓娓道來，也記錄了科學家們的艱辛探索和難忘瞬間——驚喜的、振奮的，抑或是帶有遺憾的。前海再保科技董事長檀林在推薦語中寫道：“這本書回顧了60多年來芯片壯闊恢宏的發展歷史，從某種意義上說，也是一部人類信息文明的發展史。”[1]102024年3月，《芯片簡史》獲得第十九屆國家圖書館“文津圖書獎”；同年12月，入選科技部評選的“全國優秀科普圖書作品名單”。閱讀這本書，或許能幫助讀者推開一扇硅基文明的大門，了解芯片是怎樣從實驗室的科研成果演變為驅動現代文明的核心力量的。

圖1 《芯片簡史：芯片是如何誕生并改變世界的》（浙江教育出版社，2023年4月）

一

芯片，不是從“片”開始

提起芯片，許多人的腦海中都會浮現一塊方方正正、體積小巧的黑色薄片，外觀科技感十足，上面用金屬焊接了密密麻麻的管腳……這完全符合公眾對現代芯片的印象，但也僅限于“現代”。假如沿著時間軸回溯幾十年，人們會驚訝地發現，芯片的最初形態和現在存在天壤之別，甚至不能稱之為“片”，而是一些形狀各異、體積較大的真空管。這也是《芯片簡史》的故事為何要從半導體技術講起的原因。飲水必思源，要追溯芯片的發展，先要回顧它的前身——半導體器件。從簡到繁的半導體器件，像一顆發芽的種子，演化出了雙極型晶體管、MOS場效應晶體管①、光電二極管等產物，又由此集成構造出了模擬芯片、數字芯片和光電芯片。這一體系如同大樹的樹杈層層向外延伸（圖2），人們所了解的，或者說印象中的芯片，其實只是參天大樹的枝葉一隅。

圖2 與芯片相關的科技樹[1]5

在本書的前言部分，作者記錄了自己和學生的一段對話。話題圍繞MOS場效應晶體管的發明，延伸到了發明人遭遇的一系列困境：被公司打壓、被禁止發表論文、項目組被裁撤、被迫出走……而這并非個例，芯片史上具有開創意義的一些發明，諸如中央處理器（CPU）、藍色發光二極管（藍光LED）、動態隨機存取存儲器（DRAM），都是在問世之初就遭到質疑和抵制，以至于差點夭折。藍光LED正式推出之前，在原材料選擇方面一直存在硒化鋅還是氮化鎵的爭議。其中一個發明者中村修二（Nakamura Shuji）選擇了氮化鎵，為此在公司飽受排擠。浮柵晶體管誕生時，則被斷言“毫無用處”。這項半導體領域最重要的發明之一，甚至沒有機會進入生產線，只能發表在公司內部的期刊上，閱讀者寥寥。

不斷重現的歷史，似乎在提醒旁觀者。這一切并非巧合，也不是發明人的運氣太差。《芯片簡史》的作者針對該現象，誠懇地道出了自己的觀點，“創新越大，對傳統的叛逆和顛覆也越大，因而遭到傳統勢力的抵制也越大”“創新是對主流的偏離、對現有規則的破壞”。也就是說，那些偏離主流的創新發明被抵制并不是偶然，而是必然，甚至已經成為一種默認的規則。這樣的見解，瞬間就為芯片發展史增添了幾分殘酷意味。試想，懷抱著夢想的科學家們，兢兢業業、嘔心瀝血完成一項重大創新規劃，以為自己會迎來鮮花和掌聲，但得到的只有質疑、否定和冷落，被業界的“叢林法則”所圍剿。顛覆傳統技術的代價是被驅逐、被遺棄，這和讀者想象中的發明過程大不相同。

二

技術創新是一條曲折的道路

拋卻對命運的唏噓，假如有人能回到那個年代，成為投資人、公司高層、實驗室領導，抑或是任何一個能主導這些發明生死的人，是否能夠作出正確的選擇？答案恐怕不盡然。以MOS場效應晶體管為例，它問世時，業界仍以結型晶體管的研究為主導。后者的優勢顯而易見——性能穩定、開關速度快，而且已經在諸多領域有過應用記錄，其表現十分優異。而MOS場效應晶體管只有結構簡單、制造成本低一個優點，性能方面并不出色。況且當時外延工藝的提出，又讓結型晶體管的運行速度如虎添翼。業界更看好哪一種晶體管的前景，答案已經不言自明。

創新對于科技進步至關重要，但有些時候創新也需要承擔一定的風險。作為芯片界的“菜鳥”，MOS場效應晶體管被掃地出局，遭到母公司貝爾實驗室的雪藏，兩位發明人穆罕默德·阿塔拉（Mohamed Atalla）和姜大元（Dawon Kahng）黯然離場，甚至沒來得及為自己的研究成果命名。比起無形的驅逐，有形的抵制就更加殘酷——19世紀末，尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）設計的交流電系統一經投入使用，即遭受到以愛迪生（Thomas Edison）為首的商人的強烈抵制。愛迪生作為直流電技術的擁護者，不能容忍交流電技術進入市場，搶占原本屬于直流電的業務，為此他動用各種手段，如開展動物電擊實驗、設計電椅處決犯人等，以近乎極端的方式來驗證交流電的危險性。技術博弈最后演化成一場商業大戰，特斯拉不得不花費數年時間參與輿論斗爭，才打消公眾心中的疑慮，令交流電技術得以推廣。

時代的選擇是為了順應生產力。每一項“破壞性”新技術②的出現，都會招致人們的恐慌和排斥。技術變革的成本很大，與之相比，沿用一項成熟的已知技術，再沿著既定的方向繼續優化和改進，成本就要小得多。這一規律在芯片研發過程中反復得到驗證。集成電路出現的時候，同樣受到電子工程師的排斥。因為用集成電路技術制成的芯片一體性太強，不能單獨挑選、替換其中元件，這和他們原有的工作思維相沖突。業界也認為觸發器集成電路的制作成本太高，不值得大規模開發。同理，1970年法金（Federico Faggin）發明CPU芯片的時候，英特爾公司也不打算支持這一項目，因為他們判定這種芯片只能用于計算器，成長空間十分有限，而公司若是銷售CPU芯片，還會分走核心業務，也就是存儲器業務的資源。這些剛問世的新發明，都遭到了不同程度的抵制。原因很好總結，市場上的競品已經發展得十分成熟，而新產品的優勢不夠。大多數人都不愿意冒著風險，去開拓未知的新領域，尤其是該領域已經被唱衰的前提下。

但是，誠如作者所說，“芯片的發展史，就是一部持續的創新史和叛逆史”[1]15。在叛逆精神的加持下，總有一小部分人站出來，打破常規的桎梏，把這些不被業界看好的研究繼續下去。有時候是一個人單打獨斗，有時候則是一群人在接力。貝爾實驗室對MOS場效應晶體管的研究終結后，美國無線電公司拿過了接力棒，優化了晶體管的制造工藝，并將其轉為商用。仙童半導體公司的萬拉斯（Frank Wanlass）又在MOS場效應晶體管的基礎上加以創新，開發出了CMOS場效應晶體管。接下來，格魯夫（Andy Grove）、迪爾（Bruce Deal）、斯諾（Ed Snow）等新人紛紛登場。經過近10年的努力后，MOS場效應晶體管的穩定性、速度和集成度都大大提升，從而具備了與結型晶體管一戰的實力。到如今，人們所使用的芯片中99%的晶體管都是MOS場效應晶體管。“破壞性”新技術的取勝，既出人意料，又在情理之中。

時間會給出答案。曾經被論證為“不可行”的集成電路，卻成了芯片制造技術的主流，開啟了一個又一個傳奇故事，以至于晶體管時代后的所有芯片史，都以它來命名：集成電路時代、大規模集成電路時代、超大規模集成電路時代……險些“被關進小黑屋”的CPU芯片，如今卻鋪滿全球，連太空深處的探測器上都有它的身影。黎明的曙光總會沖破黑暗，但是在那之前，一定不能忘了打著手電筒在黑夜里摸索前進的人，所有科技工作者的付出都值得感謝。

三

發明史、創造史，也是人才流動史歷史

材料中常有類似這樣的記錄：“1745年，荷蘭萊頓的兩個科學家發明了蓄電池；1752年，富蘭克林（Benjamin Franklin）進行了著名的費城電風箏實驗……”時間、地點、人物和發明，往往被簡縮成兩三句陳述，從而給人一種風平浪靜的錯覺，讀者難以窺見其中的暗流涌動。而《芯片簡史》則致力于將海面下醞釀的風暴展示給讀者，使讀者有機會來到歷史現場，見證更加真實的科研故事。這段旅途并不平和，而是充滿斗爭，處處可見劍拔弩張的氛圍。晶體管的發明者，貝爾實驗室的“三巨頭”——肖克利（William Shockley）、巴丁（John Barteen）、布拉頓（Walter Brattain），因為專利的申請產生嫌隙，昔日親密無間的好友，最終分道揚鑣[2]。肖克利辭職后獨自創業，幾年后，不滿他管理的8位下屬集體離職，成立仙童半導體公司。媒體給了肖克利犀利的評價——“從萬眾矚目到眾叛親離”。沖突、反目，或是“出走”的情節，常常在科研界上演。

芯片產業的發展，帶來了巨大的利益市場。每一項新發明的問世，都意味著日后可能有源源不斷的金錢進賬。對于很多人來說，這樣的誘惑難以拒絕。于是，芯片界不少參與科學研究、技術研發的學者們，紛紛踏上了“爭名逐利”之路。爭名，爭的是專利所有權，以及業界對發明權的認可。20世紀50年代，德州儀器公司和仙童半導體公司因為集成電路的專利申請打得不可開交，雙方因此對簿公堂，甚至去摳對方申請書上的字眼，尋找漏洞。如此大的陣仗，當然不是為了論證輸贏，而是為了拿到專利授權后向其他公司收取使用許可費。最后雙方選擇庭外和解，在拿到訴訟結果前，兩家公司已經向全球企業收取了數億美元的使用許可費，各自賺得盆滿缽滿。

“先到咸陽為王上”，誰搶到了芯片研發的先機，誰就有機會名載史冊。公司與公司之間是如此，同僚之間也難幸免。1974年，發明了CPU芯片的法金，意外發現自己的“埋柵”工藝被上司沃達斯（Leslie Vadasz）悄悄申請了專利，交涉無果后，法金憤而從英特爾出走，創辦了自己的公司齊洛格。齊洛格公司開發的Z80和Z8000處理器迅速席卷市場，給英特爾造成了巨大的壓力——這樣的情形，顯然是“老東家”英特爾未曾預料到的。

芯片的研發史，也是人才的流動史。人才是發明創造的主導性力量。無數次的苦思冥想或是靈光一現，都是“人”的力量在其中起到決定作用。巴丁和布拉頓做實驗時意外洗掉了鍺表面的氧化物，結果未能成為場效應晶體管的發明者（他們后來推出的是點接觸式晶體管）[3]。庫爾特·彼得森（Kurt Petersen）觀察到噴墨打印機的漏墨現象，從而產生了微機電系統的研究靈感……這些人猶如盜取火種的普羅米修斯，帶來了新世界的展望。在產業集群的引導下，科技人才不斷流動。有人工作了一段時間后，從原公司辭職，去其他地方再就業，也有人干脆選擇自己創業，或是借著訪問交流的機會，去往更高的平臺發展，“火種”就這樣被帶往全球各地。

以仙童半導體公司為例，這家公司本是由肖克利手下出走的“八叛徒”創辦。在仙童從黃金時期走向衰落后，不少人因為各種各樣的原因陸續離開。霍尼（Jean Hoerni）、拉斯特（Jay Last）和羅伯茨（Sheldon Roberts）負氣出走，成立阿梅爾克公司；諾伊斯（Robert Noyce）和摩爾（Gordon Moore）離開后則創辦了大名鼎鼎的英特爾；西格尼蒂克公司的創始人也同樣來自仙童；克萊納（Eugen Kleiner）后來更是改行，創辦了知名風投企業凱鵬華盈（KPCB）……在幾十年間，涌進仙童的大批人才精英又紛紛出走自行創業。這些“小仙童”們聚集在一起，逐漸形成了硅谷地區的高科技企業群[4]。屬于硅谷的傳奇，由此揚帆起航。蘋果公司前CEO喬布斯（Steve Jobs）形容說：“仙童半導體公司就像個成熟了的蒲公英，你一吹它，這種創業精神的種子就隨風四處飄揚了。”[5]人才的流動促進了芯片制造業的繁榮，也推動了全球范圍內的技術共享。

四

絕妙的比喻與精準的概括，一本外行也能看懂的“芯片科普手冊”

1872年，馬克思（Karl Marx）在《資本論》（Das Kapital）第一卷法文版序言和跋中寫道：“在科學上沒有平坦的大道，只有不畏勞苦沿著陡峭山路攀登的人，才有希望達到光輝的頂點。”[6]量子物理學出現在人類歷史上只有百年左右時間，這一學科延伸出的理論體系和實踐應用已經多到令人難以想象。半導體物理學作為其中的一個小分支，內容亦復雜到足以讓外行望而卻步。在此前提下，要撰寫一本芯片題材的科普性書籍，作者必須考慮諸多問題。怎樣用通俗易懂的語言闡述物理學的基本原理，將半導體的材料分類、晶體結構、導電機制、能帶理論等抽象的知識，用一種相對簡單的方式展示給讀者？怎樣讓讀者理解芯片在微觀結構、功能設計乃至商業模式運營方面的創新？怎樣才能讓枯燥的科研故事讀起來更加有趣？

在《芯片簡史》出版之際，汪波在專欄中敘述了自己的創作想法：“面對如此龐大的芯片話題的寫作，唯一的方式也是誠摯。如果不是誠實地面對真實的困難和問題，而是盲目樂觀、急于求成，最后只能一地雞毛。”[7]從某種程度上講，文學創作和科學研究一樣，都需要誠摯的精神。汪波本人也參與芯片設計工作，知曉其中的困難和不易。在芯片版式設計完成后，通常還需要經歷一道“印刷”或“流片”的工藝，才能得到成品。而在流片時，若一個小疏忽導致連錯了芯片上的一根線，芯片就會整個報廢，少則幾萬元、多則十幾萬元的流片費用也付諸東流。而此時，逃避沒有任何意義——唯有誠實地面對問題并解決問題，工作才能繼續推進下去。

書中很多地方都體現出了汪波關于芯片科普的“巧思”。比如在講解平頂晶體管（MESA）和平面晶體管（PLANAR）的區別時，讀者可以通過書中的插圖來比較這二者的結構差異（圖3）。而作者又通過詳細的比喻，細化了兩種晶體管的特征：平頂晶體管像是有著圓形平頂的“火山”，平面晶體管則是將“火山”徹底壓扁、碾平，讓山頂陷入山腰，山腰陷進地面以下的產物。這種趣味化的說明，即便是不掌握任何芯片知識的門外漢，也能輕易看懂。“三明治”形狀的硅晶體管，“芝士蛋糕”結構的浮柵晶體管，“開天窗”的EPROM存儲器①……《芯片簡史》摒棄了流水式寫作的思維，轉而將技術發明與歷史發展故事融合起來，從而賦予了這些發明活的靈魂。

圖3 平頂晶體管與平面晶體管對照圖[1]113

在《芯片簡史》的記錄之外，屬于芯片的故事遠未畫上句號。翻過技術壟斷的高山，踏著改革開放的浪潮，我們得以聆聽到更多的“中國芯片故事”。先是以中芯國際為代表的半導體制造企業崛起，包攬了全球主要的芯片制造業務。而后國產芯片設計行業迎來蓬勃發展，銷量超過1000萬片的飛騰系列、穩居世界超算第一方陣的申威、從指令系統到內核設計全部自主研發的龍芯3A600……從技術突破到生態構建，國產CPU芯片的每一步征途都格外不易，有時甚至需要“斷臂求生”。從2020年到2025年，美國針對在華企業的芯片制裁不斷收緊，華為、海康威視、浪潮等品牌紛紛受到波及，華為更是首當其沖，被迫出售旗下的榮耀手機品牌以自救。芯片領域的戰爭，不再只是企業與企業之間的針鋒相對，而是系于民族命運，成為大國戰略競爭下的縮影。置身于數字時代的我們，應更加理性地看待前沿科技的發展，正視創新之路上的種種困難，攜手面對新的挑戰。

通信作者：

楊瑩，天津科學技術館館員，研究方向為科學傳播。

①目前市場上最常用的一種晶體管類型，被譽為20世紀最重要的發明之一。

②也稱破壞式創新，相較于“延續性”技術而言，破壞性技術往往與現有的主流市場發展趨勢相悖，一經引入，即容易帶來大規模社會變革。

參考文獻

[1] 汪波 . 芯片簡史：芯片是如何誕生并改變世界的 [M]. 杭州：浙江教育出版社，2023.

[2] 潛偉 . 信息時代的物質基礎——晶體管的發明 [J]. 科技導報，2019(19)：120-120.

[3] 樊春良 . 貝爾實驗室的半導體研究——晶體管的發明，兼論戰略研究 [J]. 自然辯證法研究，1997(7)：47-50.

[4] 張海霞 . 從仙童到硅谷的“芯”路歷程 [J]. 金融博覽，2019(3)：66-66.

[5] 李智暉，霍永學 . 硅谷熱——高科技文化的成長 [M]. 北京：電子工業出版社，2018.

[6] 卡爾·馬克思 . 資本論 [M]. 郭大力，王亞南，譯 . 北京：中央編譯出版社，2024.

[7] 一次冒險但不倉促的嘗試——寫在《芯片簡史》出版之際 [EB/OL].（2023-05-31）[2025-04-25]. https://book.douban.com/review/15205782.

本文轉自《科普創作評論》2025年第2期

《科普創作評論》期刊征稿信息

編輯：齊　鈺

審核：鄒　貞

終審：陳　玲