從硅片到算力：芯片技術(shù)演進(jìn)史

   現(xiàn)代芯片技術(shù)的起源可追溯至1947年貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明的晶體管，這個(gè)拇指大小的器件徹底改變了電子設(shè)備的形態(tài)。當(dāng)肖克利、巴丁和布拉頓將鍺晶體上的兩個(gè)金觸點(diǎn)間距縮小到0.05毫米時(shí)，他們可能沒(méi)想到這個(gè)發(fā)明會(huì)在七十年后催生出指甲蓋大小卻集成百億晶體管的處理器。芯片制造工藝的演進(jìn)遵循著摩爾定律的預(yù)測(cè)，每1824個(gè)月晶體管數(shù)量翻倍，這種指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)使得今天的智能手機(jī)算力已超越上世紀(jì)登月計(jì)算機(jī)的百萬(wàn)倍。值得注意的是，7納米工藝節(jié)點(diǎn)相當(dāng)于在人類(lèi)頭發(fā)絲橫截面上雕刻出30條完整的高速公路，而3納米技術(shù)更將晶體管柵極寬度壓縮至12個(gè)硅原子直徑的尺度。

異構(gòu)計(jì)算：芯片設(shè)計(jì)新范式

   隨著人工智能應(yīng)用的爆發(fā)式增長(zhǎng)，傳統(tǒng)CPU架構(gòu)面臨能效瓶頸，這催生了GPU、TPU、NPU等專(zhuān)用計(jì)算芯片的繁榮。英偉達(dá)的A100顯卡包含540億個(gè)晶體管，其張量核心可提供312TFLOPS的AI算力，相當(dāng)于15萬(wàn)臺(tái)1990年代超級(jí)計(jì)算機(jī)的總和。更值得關(guān)注的是chiplet技術(shù)的興起，AMD的EPYC處理器通過(guò)3D堆疊將13個(gè)小芯片集成在單個(gè)封裝內(nèi)，既降低了制造成本又提升了互聯(lián)帶寬。這種模塊化設(shè)計(jì)使得不同工藝節(jié)點(diǎn)的計(jì)算單元、內(nèi)存和IO模塊能像樂(lè)高積木般自由組合，英特爾公布的Ponte Vecchio顯卡就融合了5種制程工藝的47個(gè)芯片單元。

半導(dǎo)體制造：人類(lèi)精密工藝的巔峰

   極紫外光刻（EUV）設(shè)備堪稱當(dāng)今最復(fù)雜的工業(yè)機(jī)器，ASML的NXE:3400C系統(tǒng)使用波長(zhǎng)僅13.5納米的極紫外光，相當(dāng)于將整個(gè)太陽(yáng)系縮小到餐桌上進(jìn)行微雕。每臺(tái)價(jià)值1.5億美元的EUV設(shè)備包含10萬(wàn)個(gè)精密零件，其真空環(huán)境要求比月球表面低5個(gè)數(shù)量級(jí)。在晶圓廠的無(wú)塵車(chē)間里，空氣潔凈度達(dá)到醫(yī)院手術(shù)室的千分之一，工作人員穿著特制防護(hù)服以防止0.1微米以上的顆粒污染。臺(tái)積電的3納米工藝需要經(jīng)歷1000多個(gè)制造步驟，從硅錠到成品芯片需要耗費(fèi)三個(gè)月時(shí)間，期間要完成上百次光刻、蝕刻和離子注入工序。

存算一體：突破馮·諾依曼瓶頸

   傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)架構(gòu)中數(shù)據(jù)需要在處理器和內(nèi)存間頻繁搬運(yùn)，這種"內(nèi)存墻"問(wèn)題消耗了60%以上的系統(tǒng)能耗。新型存內(nèi)計(jì)算芯片將運(yùn)算單元嵌入存儲(chǔ)陣列，IBM的相變內(nèi)存芯片能在每個(gè)存儲(chǔ)單元執(zhí)行8位精度計(jì)算，使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)推理能效提升200倍。更革命性的方案是憶阻器芯片，惠普實(shí)驗(yàn)室的Memristor陣列通過(guò)電阻狀態(tài)變化實(shí)現(xiàn)模擬計(jì)算，其運(yùn)行卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的速度可達(dá)傳統(tǒng)GPU的10萬(wàn)倍。這類(lèi)神經(jīng)形態(tài)芯片特別適合邊緣設(shè)備，一顆紐扣電池就能讓智能攝像頭持續(xù)工作數(shù)年。

量子芯片：計(jì)算技術(shù)的下一個(gè) frontier

   谷歌的Sycamore量子處理器在200秒內(nèi)完成傳統(tǒng)超算需1萬(wàn)年才能完成的任務(wù)，其核心是54個(gè)超導(dǎo)量子比特的相干操控。這些鋁制電路需要在接近絕對(duì)零度的稀釋制冷機(jī)中運(yùn)行，其工作溫度比宇宙深空還低100倍。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的"九章"光量子計(jì)算機(jī)則采用144個(gè)光學(xué)干涉路徑，在玻色采樣問(wèn)題上實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性。盡管當(dāng)前量子芯片的糾錯(cuò)能力仍待提升，但I(xiàn)BM規(guī)劃的1121量子位處理器已顯示該技術(shù)正加速邁向?qū)嵱没?，未?lái)可能在藥物研發(fā)、密碼破解等領(lǐng)域引發(fā)顛覆性變革。