從沙子到半導(dǎo)體，一場(chǎng)遠(yuǎn)未結(jié)束的蝴蝶效應(yīng)

在解構(gòu)從微觀半導(dǎo)體元件到整個(gè)數(shù)字時(shí)代的過(guò)程中，我們刻意跳過(guò)了一個(gè)環(huán)節(jié)。那就是如何將電子元件做成CPU、內(nèi)存和存儲(chǔ)。

從最開(kāi)始那些晦澀難懂的電路圖中我們就發(fā)現(xiàn)，即便是最簡(jiǎn)單的加法器和乘法器都需要大量簡(jiǎn)單元件的海量堆疊，而如果要實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的功能和更強(qiáng)大的計(jì)算能力，這樣的結(jié)構(gòu)勢(shì)必會(huì)大到無(wú)法想象。

第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)——ENIAC

實(shí)際上，第一臺(tái)投入實(shí)用的電子計(jì)算機(jī)就是一臺(tái)重達(dá)30噸、占地150平方米的龐然大物，而它的計(jì)算能力卻僅有每秒5000次。但即便如此，這臺(tái)計(jì)算機(jī)仍舊在當(dāng)時(shí)的炮彈彈道研究中發(fā)揮了極其重要的作用。

在看到計(jì)算機(jī)的廣闊應(yīng)用前景之后，人們開(kāi)始研究如何將這30噸的大家伙給小型化。顯然，在這條半導(dǎo)體小型化的道路上，光靠心靈手巧和一副好視力是不行的。

“八仙童”，左一為戈登·摩爾

1950年代，8位才華橫溢的科學(xué)家在硅谷租下了一間小屋，并成立了仙童半導(dǎo)體。在這里，他們開(kāi)始利用光刻技術(shù)制造小型化的半導(dǎo)體元件。這種光刻工藝可以理解為“逆向工作的投影機(jī)”。

首先，仙童們將一個(gè)高純度的硅片進(jìn)行表面的氧化，再覆上一層極薄的金屬層，然后是一層可以和特定波長(zhǎng)的光波發(fā)生反應(yīng)并腐蝕金屬的光刻膠。之后，仙童們會(huì)將一張大尺寸的掩模（相當(dāng)于投影機(jī)中的膠片）投影到小尺寸的硅片上，一段時(shí)間之后，沒(méi)有被掩模圖案遮擋的光波便會(huì)引起硅片上的光刻膠腐蝕金屬，而沒(méi)有被照射的部分則會(huì)保留。而后，洗去光刻膠的硅片上便留下了腐蝕帶來(lái)的細(xì)小凹痕。通過(guò)離子注入，仙童們可以將其他物質(zhì)滲透進(jìn)凹槽之內(nèi)，形成構(gòu)建場(chǎng)效應(yīng)管所必須的P結(jié)（硼元素）和N結(jié)（磷元素）。

仙童半導(dǎo)體的第一代IC產(chǎn)品，場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)清晰可見(jiàn)

通過(guò)這一方法，仙童們的第一代產(chǎn)品在1961年誕生：在數(shù)個(gè)毫米的硅晶圓上集成了4個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管和5個(gè)電阻。隨后，經(jīng)過(guò)不斷改進(jìn)工藝，仙童半導(dǎo)體已經(jīng)能夠在越來(lái)越小的硅晶圓上集成更多的半導(dǎo)體元件。1965年，仙童半導(dǎo)體創(chuàng)始人之一的戈登·摩爾終于在《電子學(xué)》雜志上發(fā)表了那個(gè)半導(dǎo)體領(lǐng)域中最著名的預(yù)言——摩爾定律。

1968年，8仙童中的羅伯特·諾伊斯和戈登·摩爾共同成立了英特爾公司。而通過(guò)在制造工藝、設(shè)計(jì)上的不斷探索創(chuàng)新，今天，英特爾已經(jīng)能夠制造出10nm大小的場(chǎng)效應(yīng)管。對(duì)比仙童的初代產(chǎn)品，如今的英特爾已能夠在指甲蓋大小的硅晶片上集成數(shù)十億個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管，并用這樣的處理器、內(nèi)存、存儲(chǔ)等產(chǎn)品驅(qū)動(dòng)整個(gè)數(shù)字時(shí)代所需的計(jì)算。

目前，作為全球最大的半導(dǎo)體企業(yè)，英特爾不僅在研究更先進(jìn)的架構(gòu)和制造更強(qiáng)大的處理器，更造出了容量更高且斷電不會(huì)丟失數(shù)據(jù)的內(nèi)容以及容量更大的閃存芯片。而借助在半導(dǎo)體領(lǐng)域內(nèi)無(wú)人出其右的深厚積累，英特爾更將自身對(duì)于半導(dǎo)體及整個(gè)數(shù)字未來(lái)的理解推進(jìn)到傳統(tǒng)半導(dǎo)體之上的領(lǐng)域，進(jìn)而構(gòu)建了以制程&封裝、架構(gòu)、內(nèi)存及存儲(chǔ)、互聯(lián)、安全、軟件為核心的六大技術(shù)支柱。

在這一戰(zhàn)略的支持下，我們不僅能夠在PC及服務(wù)器上看到英特爾的處理器，更能看到采用領(lǐng)先半導(dǎo)體技術(shù)的數(shù)據(jù)中心持久內(nèi)存、SSD硬盤(pán)、網(wǎng)卡、FPGA、ASIC、eASIC和AI加速芯片以及專(zhuān)為這些硬件優(yōu)化的英特爾驅(qū)動(dòng)、開(kāi)發(fā)工具和API程序。

這一切，不僅為了算的更快、存的更多，更為了這個(gè)偉大的數(shù)字時(shí)代。

回望145年前那塊呈現(xiàn)出單向?qū)щ娔芰Φ姆姐U礦，我們?nèi)耘f處在這場(chǎng)蝴蝶效應(yīng)的中心，并且，還遠(yuǎn)未到達(dá)頂點(diǎn)。