《晶元簡史》作者汪波：AI時代，面臨什麼樣的挑戰？

潮新聞客戶端 記者 趙茜

「預測未來最好的方式，就是把它發明出來。」4月20日，資深晶元研究專家，《晶元簡史》作者汪波教授在湛廬2024世界讀書日活動上這樣總結晶元誕生對人類發展的巨大影響力。

而在此前4月19日，《晶元簡史》榮獲第十九屆文津圖書獎科普類圖書，文津獎組委會這樣評價《晶元簡史》：「作者不辭艱辛地梳理和呈現了晶元發明與發展的歷程，詳細地講述了一群叛逆者突破傳統，不斷創新的故事。」

晶元的過去，我們才能看到晶元的未來。人工智慧的飛速發展，也對晶元提出了更多的、更大的要求，晶元未來又將面臨什麼樣的挑戰？我們整理了汪波教授在湛廬2024世界讀書日活動上演講，分享給大家。

作者：汪波 出版時間：2023年4月 出品：湛廬文化/浙江教育出版社

從圖書的視角看晶元

我們都知道一本書是由很多書頁來組成的，每一個書頁上面又有很多的文字。類似的，一顆晶元是由一大張硅晶圓組成的，大概有比薩那麼大。那把它加工好之後，我們把它切成很多很多的小方塊，就是每一顆的晶元，類似這個樣子，那晶元還不是最終的構成單位，比它更小的一個單元叫做晶體管。晶元上有很多晶體管，那晶體管有什麼功能呢？只有兩個最基本的功能，一個是作為開關，來實現0和1，或者是作為信號放大器，就像我們有一個麥克風一樣，把這個信號來放大，就可以用於通信。有了晶體管，才有了我們信息時代的計算機、互聯網、無線通信等。

晶元和書籍的相似之處在於，它們都是首先把一個想法變成了一個版式或者版圖，或者我們書籍的排版，然後接下來用光照的方式，把它「印刷」到這個介質上。光刻機製造其實是一種化學印刷，那這種介質硅晶圓就像紙張。

除了這些之外，晶元和書籍其實還有一些相似點，大家可以打開一下腦洞去想像一下，比方說字元。我們可以縮小它的字型大小，那晶體管也是類似的，我們可以逐漸縮小它的尺寸。字的字體可以改變，晶體管的樣式也可以改變，讓它速度更快，或者讓它功耗更低，等等。那除此之外還有很多很多，這裡簡單的把它列出來，大家可以看一下。

那我相信在現場有很多聽眾，比如說出版人員，對這些詞會非常熟悉：校對、行距。印刷就相當於我們晶元製造中的光刻，最後的步驟是把它封裝起來，就像把書裝訂起來。

晶體管尺寸縮小之後

我們剛才提到，晶體管會越來越小，那逐漸變小之後有什麼變化嗎？下面這張圖裡面顯示的是晶體管的尺寸，從最初的幾十微米縮減到今天的3納米，圖中最大的、紫色的圓代表直徑為10微米，我們的一根頭髮絲大概是50微米。然後它不斷地縮小，到1微米，然後0.1微米，然後是0.01 微米……縮減到這個圖裡面最小的那個點，就比這個HIV病毒的直徑還要小。

換句話說，通過我們的光學顯微鏡，無論多麼先進的光學顯微鏡都看不到，因為可見光的波長最多是400納米。而現在我們的晶元只有幾十個納米。那晶體管尺寸變小之後有帶來怎樣巨大的變化呢？就在一顆晶元上可以塞進更多的晶體管，就像一個書頁上可以塞進更多的文字一樣。舉一個具體的例子，在這張圖的一個左下角，是1971年發明的第一顆CPU晶元，它上面只有2250個晶體管，那它使用的尺寸是10微米，也就是一萬納米。

隨著時代的進步，有了更小的晶體管之後，就有了PC機，有了第一台筆記本電腦，第一個iPod，第一台iPhone。

2024年3月，英偉達發布了 B200 GPU晶元，上面有2080億個晶體管，比1971年增加了1億倍，它的尺寸縮小到4納米。比一萬納米縮小了2000多倍。換句話說，一個10微米的晶元大小是一頭長6米的亞洲象，那麼今天的晶體管就只有一隻螞蟻那麼大。

晶元的發展與人工智慧的發展密切相關

最近幾年，大家都知道，晶元成了大家關注的一個熱點，有很多相關的新聞事件引起了廣泛的關注，包括華為被列入到實體名單，EUV的光刻機沒法出口到中國，還有在疫情期間，我們的很多的汽車廠商由於缺少晶元被迫減產甚至停產等。尤其引人注目的就是ChatGPT的發布。2022年底，ChatGPT發布。

下圖左上角展示的是ChatGPT網站的訪問量的變化：

右下角展示的是英偉達股票的一個變化曲線。

對比一下就會發現，這兩條曲線都是向上增加的一個趨勢，換句話說存在正相關性，那為什麼英偉達這家公司的股票會跟ChatGPT的曲線相關？因為這家公司做的是GPU，就是用於構建人工智慧的一款處理器。

有了ChatPGT，有了非常強大的GPU晶元的加持，我們就可以做出更加超越想像的東西，比方說人形機器人，它可以理解人的話語，甚至能夠通過理解物理世界來做出正確的反應，所以我們自然而然就會問一個問題，我們距離奇點是不是更近了？

為什麼晶元跟人工智慧如此密切相關，簡單說來，晶元可以為人工智慧提供巨大的算力，也就是強大的計算能力。目前提供算力的主要是GPU晶元，它比我們傳統的CPU晶元的計算能力更強，因為它投入了90%以上的資源用於計算，而CPU只投入了25%的資源，而且GPU是並行的計算。

晶元發展簡史及晶元未來面臨的挑戰

人工智慧如今這麼快速的發展，也對晶元提出了更多的、更大的要求，而晶元產業現在面臨一些更大的挑戰，具體來說就是三堵牆，一堵牆叫做內存牆，就是當CPU去存儲數據的時候，它要翻過一堵高牆，速度非常的慢；第二堵牆叫做功耗牆，怎麼理解，就是英偉達發布的GPU晶元，它用的製冷方式是水冷，而不是通過空氣對流來散熱。為什麼需要水冷？因為它運行中會產生很多的熱量，而熱量散發不出去，現在我們晶元上的熱密度已經達到甚至超過了火箭噴射口的熱密度，我們目前還沒有找到解決的辦法。如果再繼續下去，晶元就會被自己產生的熱量燒毀。第三堵牆是頻率牆，已經有幾十年晶元的CPU的頻率沒有再繼續增加了。

在晶元誕生之前，其實只有一種非常笨重的器件叫做真空管，它是由燈泡改造而來的，大家都知道，燈泡非常大，而且表面是玻璃做的，非常脆弱。所以第一個由真空管製成的計算機體積非常龐大。那直到1947年，貝爾實驗室的三個科學家發明了晶體管，它的尺寸遠遠比真空管要小，而且更加可靠，因為它沒有一個所謂的玻璃罩，它能實現剛才我說的兩個基本的功能，一個是放大信號，另外一個是作為開關：0和1。

但是隨著晶體管的數量越來越多，又產生了新的問題，這些晶體管在一個電路裡面要怎麼互聯起來，怎麼把它組裝起來，人們找不到解決方法。10年之後，基爾比想到了一個主意，他想把所有的晶體管原件都集成在一個硅的基座上面，就可以讓這個體積更小，但是它還沒有解決另外一個問題，就是這些晶體管怎麼互聯起來。而另外一個工程師諾伊斯，想到了一個方法來解決元件互聯的問題，所以我們今天認為是基爾比和諾伊斯共同發明了晶元。

晶元發明出來之後，晶元上的元件數量就不斷增加，到了1965年，就是7年之後，摩爾受邀寫一篇文章，他總結了過去幾年晶元發展的規律，發現每過一年，晶元上的元件數量就翻一倍，非常簡單的一個規律，所以他就寫成一篇文章發表出來了。這就是摩爾定律最初的一個表述，非常簡單的一個定義。一開始是1，然後是2、4、8、16……這樣逐漸翻倍。一開始的數量非常小，但這個發展的速度是指數倍的，到了40年、50年之後，這個數字將變得非常龐大。晶元產業發展的腳步是一直按照摩爾定律來向前推進的。

1957年，仙童半導體公司成立了，這是一家偉大的公司，同時也是一家管理失敗的公司，很多員工跳槽出去，在周圍創辦新的企業，從之前的公司分化出大約400家企業。他們所在的地點就是今天的矽谷，所以就有了我們今天這些人工智慧、互聯網，也包括晶元領域這些最先進的公司。

如果我們簡單總結一下晶元的發展規律，可以用一棵樹來表達出來，最開始是基礎的學科，量子力學的發展，然後經由這個誕生了晶體管，然後又誕生了晶元，晶元又按照摩爾定律在不斷發展，其中一個典型的代表就是CPU或者處理器晶元，然後有了我們的計算機等。還有一個就是存儲，有了我們的flash，另外一方面就是跟我們的通信——放大信號有關的，有了無線通信的這些晶元，此外還有各種感測類晶元，包括我們的智能手錶等上面使用的晶元。還有一個很重要就是新能源汽車上面用來驅動汽車，把電池的能量轉換成電力來驅動的，叫做功率晶元。

最後一種，也是我們每天都在用的，就是光電類晶元，用於手機拍照，用於光伏發電。（我覺得大自然對人類非常的慷慨，而人類也非常幸運得到了硅這種半導體材料，這種材料分布非常廣泛，而且它居然可以有這麼多功能，可以放大信號，又可以作為開關，甚至還能捕捉光的信號——把它變成一個一個的像素點保存下來，變成我們的照片。）最後一個就是反過來把電信號轉換成光，所以有了LED的照明和顯示，這些都是基於晶元技術發展起來的。

回顧晶元的歷史，它就是一部創新的歷史，同時也是一部叛逆的歷史，因為當初很多的想法都是被傳統的勢力打壓，然後他們突破了這些打壓才走到了今天。今天我們又面臨新的挑戰，首先是晶元裡面的晶體管的尺寸已經逼近了物理的極限，我們講到3納米，未來還有可能1納米，0.5納米，在這麼小的尺寸下，我們要非常短波長的光刻機來才能製造出來這些晶元。

另外一個挑戰就是，即便我們製造出這麼小的晶體管，可能它也沒法正常工作，因為它還受到另外一個物理極限的影響，就是隧穿效應，當晶體管非常非常小，只有原子尺寸的時候，電子就能從晶體管中逃逸出來，就像穿透一堵牆一樣，讓晶體管失效，這樣我們保存的照片數據就會自動消失。

當然現在科學家還在盡量想各種方法來解決這些問題，包括使用新的材料，比如硅以外的材料，比方說碳基的晶體管，比如說氧化物的晶體管，模擬人腦神經元的工作原理的晶體管，等等。除了晶元領域本身的這些挑戰，我們還面臨著很多更大範圍內的挑戰，比如氣候變暖、人口的老齡化以及電力資源的短缺。我們可能會問，用手機充點電就會導致電力資源短缺嗎？還真有可能，有一個數據是，訓練一次AI大模型，需要消耗2億度電。有一種說法是，「所有的transformer要消耗掉所有的transformer」。

第一個transformer指的是大模型，第二個transformer指的是變壓器，就是我們的電力。除了這些技術方面的挑戰之外，還有很多在技術以外的，國與國之間的這種競爭，供應鏈短缺，等等。這些在過去幾年中都發生過，也是我想要寫這樣一本關於晶元的書的原因，想要給大家去講述晶元是怎麼回事，然後它是如何誕生並且改變世界的。

結束語

晶元跟書籍還有一個共同點，那就是一旦付印就沒法再去修改。我們的書籍一旦印出來就沒法修改，晶元也是，所以這就要求我們在付印之前不斷地去打磨它，修訂它，把它盡量做到完善。在這個過程中非常感謝湛廬及浙江教育社的編輯，他們非常認真地校對，核對每一個數據、每一個人名，每一個專業術語。當然也感謝行距文化的老師，在我寫作的初期跟我一起討論寫作的方向。

在這本書出版以後，很多的媒體來幫忙宣傳，比方說像騰訊新聞「芯事重重」專欄，我們對一些晶元的熱點問題展開了一些解讀，以幫助大家更好地了解目前發生的這些新聞，晶元方面的事件與我們的關聯，有利於公眾更好地理解晶元產業。

最後，回到大會的主題，奇點是不是很快就要來臨，很難去預測，但是有一句話，《晶元簡史》裡面也有提到，那就是預測未來最好的方式，就是把它發明出來。

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