作者李铁夫工作在清华大学微电子研究所，研究领域是量子芯片， 芯片作为核心技术， 是我们的进口产品中芯片排第二，仅次于石油。芯片作为通信和互联网产业的基础也很大程度上影响了我国企业的发展。本课程讲述了芯片的使用基础，产业现状和技术前沿。
1. 什么是芯片
l芯片是物理世界和数字世界的结合点，是数字世界的基石。任何数据需要数字化，要进行技术都需要芯片。每当数据被数字化后就可以被快速传播，计算和存储。芯片不只是CPU, 还有5G, 蓝牙，Wi-fi这种通信芯片，还有存储芯片，还有传感芯片。半导体+ 集成电路 = 芯片。 半导体出现人类才能用电来控制电以前都是机械。芯片中的晶体管就是用半导体实现的。最新的Apple M1 有160亿个晶体管。
2. 为什么人类选择了芯片
直接操作微观的电子进行计算，比机械计算速度快，效率高，能耗低。一个晶体管完成一次开关在纳秒级是机械开关的100万分之一，晶体管体积小可以大规模的集成在一起，而且芯片是高度可靠的, 1994年Intel 召回一批芯片，这个芯片平均每2万7千年会发生一次浮点运算错误。作为程序员的我工作的其中一个原则是如果发现错误一定是我错了，电脑运算不会出错。芯片的制造过程中的要求也非常高，包括纯度和精度，这也是为什么整个芯片产业链都是高科技。
3. 芯片的理论极限在哪里
晶体管芯片的发展随着摩尔定律发展非常快，但它的极限很快就要来了。半导体两级之间的沟道最短长度是晶体管的理论极限，晶体管的速度，功耗，大小等主要的参数都和这个沟道的长度有关。沟道越短，电子通过沟道时间越短，性能越好，过去芯片的发展主要就是盯着这个沟道参数，也就是我们常说的14纳米，7纳米，5纳米。沟道长度的理论极限是一个硅原子的长度0.2纳米。如果比硅原子还小那两集就连在一起了，沟道就不存在了。在没到0.2纳米之前，晶体管的大小还收到散热和量子遂穿效应的影响，现在看来单个晶体管的极限大概1纳米。量产集成电路能不能量产2纳米的芯片现在还不好说。
4. 为什么芯片行业还能繁荣100年?
芯片技术本身还会发展，摩尔定律还会生效。虽然晶体管极限就要到来，那芯片如何发展? 虽然晶体管不能再缩小，我们可以在芯片排列方式，存储芯片都做出128层了，还有以前分开的CPU,GPU,存储器芯片都是单独的，现在把他们做到一起，比如最新苹果的M1芯片就是这个思路，第一代的ARM芯片比Intel的 i7还强。此外软件的算法提升也可以做很大的优化。所以未来很长时间，信息处理还是会依赖芯片。
5. 芯片的挑战和未来
如手机芯片，即要求运算速度高，还要求功耗低，大规模量产，所以这些芯片是现在要求工艺最高的芯片。最重要的就是设计阶段的Eda软件和光刻机。芯片的未来技术包括SOC, SIP以及向AI芯片，FPGA和定制化这种专用芯片。也包括比如碳基芯片，自旋器件和量子计算芯片。
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