北京青年报
新知|芯片如何改变世界?
北京青年报客户端 2024-04-30 13:00

◎汪波(资深芯片研究专家)

“预测未来最好的方式,就是把它发明出来。”资深芯片研究专家、《芯片简史》作者汪波教授近日在湛庐2024世界读书日活动上这样总结芯片诞生对人类发展的巨大影响力。在4月19日,《芯片简史》荣获第十九届文津图书奖科普类图书,文津奖组委会这样评价《芯片简史》:“作者不辞艰辛地梳理和呈现了芯片发明与发展的历程,详细地讲述了一群叛逆者突破传统、不断创新的故事。”

人工智能的飞速发展,也对芯片提出了更多的、更大的要求,芯片未来又将面临什么样的挑战?本文为汪波教授在湛庐2024世界读书日活动上的演讲精华。

从图书的视角看芯片

我们都知道一本书是由很多书页来组成的,每一个书页上面又有很多的文字。类似的,一颗芯片是由一大张硅晶圆组成的,大概有比萨那么大。把它加工好之后,我们把它切成很多很多的小方块,就是每一颗的芯片。芯片还不是最终的构成单位,比它更小的一个单元叫做晶体管。芯片上有很多晶体管,晶体管有两个最基本的功能,一个是作为开关,来实现0和1,或者是作为信号放大器,就像我们有一个麦克风一样,把这个信号来放大,就可以用于通信。有了晶体管,才有了我们信息时代的计算机、互联网、无线通信等。

芯片和书籍的相似之处在于,它们都是首先把一个想法变成了一个版式或者版图,或者我们书籍的排版,然后用光照的方式,把它“印刷”到这个介质上。光刻机制造其实是一种化学印刷,这种介质硅晶圆就像纸张。

除了这些之外,芯片和书籍其实还有一些相似点,比方说字符。我们可以缩小它的字号,晶体管也是类似的,我们可以逐渐缩小它的尺寸。字的字体可以改变,晶体管的样式也可以改变,让它速度更快,或者让它功耗更低,等等,还有很多很多。

今天的晶体管只有一只蚂蚁那么大

我们刚才提到,晶体管会越来越小,晶体管尺寸变小之后带来怎样巨大的变化呢?在一颗芯片上可以塞进更多的晶体管,就像一个书页上可以塞进更多的文字一样。举一个具体的例子,1971年发明的第一颗CPU芯片,它上面只有2250个晶体管,它使用的尺寸是10微米,也就是1万纳米。

随着时代的进步,有了更小的晶体管之后,就有了PC机,有了第一台笔记本电脑,第一个iPod,第一台iPhone。2024年3月,英伟达发布了B200GPU芯片,上面有2080亿个晶体管,比1971年增加了1亿倍,它的尺寸缩小到4纳米。比1万纳米缩小了2000多倍。换句话说,一个10微米的芯片大小是一头长6米的亚洲象,那么今天的晶体管就只有一只蚂蚁那么大。

芯片的发展与人工智能的发展密切相关

最近几年,大家都知道,芯片成了大家关注的一个热点,有很多相关的新闻事件引起了广泛的关注,尤其引人注目的就是ChatGPT的发布。

有了ChatGPT,有了非常强大的GPU芯片的加持,我们就可以做出更加超越想象的东西,比方说人形机器人,它可以理解人的话语,甚至能够通过理解物理世界来做出正确的反应,所以我们自然而然地就会问一个问题,我们距离奇点是不是更近了?为什么芯片跟人工智能如此密切相关,简单说来,芯片可以为人工智能提供巨大的算力,也就是强大的计算能力。目前提供算力的主要是GPU芯片,它比我们传统的CPU芯片的计算能力更强,因为它投入了90%以上的资源用于计算,而CPU只投入了25%的资源,而且GPU是并行的计算。

芯片未来的发展面临“三堵墙”

人工智能如今这么快速的发展,也对芯片提出了更多的、更大的要求,而芯片产业现在面临一些更大的挑战,具体来说就是三堵墙,一堵墙叫做内存墙,就是当CPU去存储数据的时候,它要翻过一堵高墙,速度非常慢;第二堵墙叫做功耗墙,英伟达发布的GPU芯片用的制冷方式是水冷,而不是通过空气对流来散热。为什么需要水冷?因为它运行中会产生很多的热量,而热量散发不出去,现在我们芯片上的热密度已经达到甚至超过了火箭喷射口的热密度,我们目前还没有找到解决的办法。如果再继续下去,芯片就会被自己产生的热量烧毁。第三堵墙是频率墙,已经有几十年芯片的CPU的频率没有再继续增加了。

在芯片诞生之前,其实只有一种非常笨重的器件叫做真空管,它是由灯泡改造而来的,大家都知道,灯泡非常大,而且表面是玻璃做的,非常脆弱。所以第一个由真空管制成的计算机体积非常庞大。直到1947年,贝尔实验室的三个科学家发明了晶体管,它的尺寸远远比真空管要小,而且更加可靠,因为它没有一个所谓的玻璃罩,它能实现刚才我说的两个基本的功能,一个是放大信号,另外一个是作为开关:0和1。

但是随着晶体管的数量越来越多,又产生了新的问题,这些晶体管在一个电路里面要怎么互联起来,怎么把它组装起来,人们找不到解决方法。10年之后,基尔比想到了一个主意,他想把所有的晶体管原件都集成在一个硅的基座上面,就可以让这个体积更小,但是还没有解决另外一个问题,就是这些晶体管怎么互联起来。而另外一个工程师诺伊斯,想到了一个方法来解决元件互联的问题,所以我们今天认为是基尔比和诺伊斯共同发明了芯片。

芯片发明出来之后,芯片上的元件数量就不断增加,到了1965年,摩尔受邀写一篇文章,他总结了过去几年芯片发展的规律,发现每过一年,芯片上的元件数量就翻一倍,这就是摩尔定律最初的一个表述,非常简单的一个定义。一开始是1,然后是2、4、8、16……这样逐渐翻倍。一开始的数量非常小,但发展的速度是指数倍的,到了40年、50年之后,这个数字将变得非常庞大。芯片产业发展的脚步是一直按照摩尔定律来向前推进的。

1957年,仙童半导体公司成立了,这是一家伟大的公司,同时也是一家管理失败的公司,很多员工跳槽出去,在周围创办新的企业,从之前的公司分化出大约400家企业。他们所在的地点就是今天的硅谷,所以就有了我们今天这些人工智能、互联网,也包括芯片领域这些最先进的公司。

如果我们简单总结一下芯片的发展规律,可以用一棵树来表达出来,最开始是基础的学科,量子力学的发展,经由这个诞生了晶体管,然后又诞生了芯片,芯片又按照摩尔定律在不断发展,其中一个典型的代表就是CPU或者处理器芯片,然后有了我们的计算机等。还有一个就是存储,有了我们的flash,另外一方面就是跟我们的通信——放大信号有关的,有了无线通信的这些芯片,此外还有各种传感类芯片,包括我们的智能手表等上面使用的芯片。还有一个很重要的就是新能源汽车上面用来驱动汽车,把电池的能量转换成电力来驱动的,叫做功率芯片。

我们每天都在用的是光电类芯片,用于手机拍照,用于光伏发电。我觉得大自然对人类非常慷慨,而人类也非常幸运得到了硅这种半导体材料,这种材料分布非常广泛,而且它居然可以有这么多功能,可以放大信号,又可以作为开关,甚至还能捕捉光的信号——把它变成一个一个的像素点保存下来,变成我们的照片。最后一个就是反过来把电信号转换成光,所以有了LED的照明和显示,这些都是基于芯片技术发展起来的。

用手机充点电就会导致电力资源短缺吗?

回顾芯片的历史,它就是一部创新的历史,同时也是一部叛逆的历史,因为当初很多想法都是被传统的势力打压,然后他们突破了这些打压,才走到了今天。今天我们又面临新的挑战,首先是芯片里面的晶体管的尺寸已经逼近了物理的极限,我们讲到3纳米,未来还有可能1纳米,0.5纳米,在这么小的尺寸下,我们要非常短波长的光刻机才能制造出来这些芯片。另外一个挑战就是,即便我们制造出这么小的晶体管,可能它也没法正常工作,因为它还受到另外一个物理极限的影响,就是隧穿效应,当晶体管非常非常小,只有原子尺寸的时候,电子就能从晶体管中逃逸出来,就像穿透一堵墙一样,让晶体管失效,这样我们保存的照片数据就会自动消失。

当然现在科学家还在尽量想尽各种方法来解决这些问题,包括使用新的材料,比如硅以外的材料,比方说碳基的晶体管,比如说氧化物的晶体管,模拟人脑神经元的工作原理的晶体管,等等。除了芯片领域本身的这些挑战,我们还面临着很多更大范围内的挑战,比如气候变暖、人口的老龄化以及电力资源的短缺。我们可能会问,用手机充点电就会导致电力资源短缺吗?还真有可能,有一个数据是,训练一次AI大模型,需要消耗2亿度电。有一种说法是,“所有的transformer要消耗掉所有的transformer”。第一个transformer指的是大模型,第二个transformer指的是变压器,就是我们的电力。除了这些技术方面的挑战之外,还有很多在技术以外的,国与国之间的竞争,供应链短缺,等等。这些在过去几年中都发生过,也是我想要写这样一本关于芯片的书的原因,想要给大家去讲述芯片是怎么回事,然后它是如何诞生并且改变世界的。

最后,回到大会的主题,奇点是不是很快就要来临,很难去预测,但是有一句话,《芯片简史》里面也有提到,那就是预测未来最好的方式,就是把它发明出来。

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