21世纪经济报道记者王峰北京报道  4月19日，资深芯片研究专家汪波的著作《芯片简史》荣获第十九届文津图书奖。“预测未来最好的方式，就是把它发明出来。”汪波近日在湛庐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。

《芯片简史》一方面介绍了从真空管到目前最先进芯片的技术发展史，另一方面也描述了对芯片发展作出突出贡献的科学家、工程师和企业家，科学知识介绍得深入浅出，产业故事描述得扣人心弦。《芯片简史》也在21世纪经济报道主办的21世纪年度好书（2023）评选中获奖，评委之一、上海交通大学安泰经济与管理学院教授何帆撰写的颁奖词写道：“一部芯片史就是创新史和叛逆史，本书带着我们回到历史的现场，去感受科学家和工程师们是如何历经困顿迷茫，但是迎难而上并最终克服困难的故事。”

芯片的发展史远未终结，《芯片简史》敏锐捕捉到人工智能对GPU芯片的需求和影响，遗憾的是对黄仁勋和英伟达着墨较少。汪波在湛庐2024世界读书日活动上也对21世纪经济报道记者笑称，如果要出修订版，可能要多写一些英伟达的故事。

我们整理了汪波教授在湛庐2024世界读书日活动上的演讲，分享给大家。

（《芯片简史》2023年4月由湛庐文化、浙江教育出版社出版）

芯片不是最终的构成单位，比它更小的一个单元叫作晶体管。芯片上有很多晶体管，晶体管有两个基本功能，一个是作为开关，来实现0和1，一个是作为信号放大器，就像麦克风一样，把信号放大，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。

晶体管尺寸缩小之后

晶体管会越来越小，从最初的几十微米缩减到今天的3纳米。我们的一根头发丝直径大概是50微米。无论多么先进的光学显微镜都已看不到晶体管，因为可见光的波长最多是400纳米。

晶体管尺寸变小之后，一颗芯片上可以塞进更多的晶体管，这带来怎样巨大的变化呢？随着时代的进步，有了更小的晶体管之后，就有了第一台PC机，有了第一台笔记本电脑，第一台iPod，第一台iPhone。

1971年发明的第一颗CPU芯片，它上面只有2250个晶体管，尺寸是10微米，也就是一万纳米。2024年3月，英伟达发布了B200 GPU芯片，上面有2080亿个晶体管，比1971年的第一颗CPU芯片增加了1亿倍，它的尺寸缩小到4纳米，比一万纳米缩小了2000多倍。换句话说，如果一个10微米晶体管的大小是一头长6米的亚洲象，那么今天的晶体管就只有一只蚂蚁那么大。

芯片与人工智能

最近几年，芯片成了大家关注的热点，尤其引人注目的是ChatGPT的发布。值得注意的是，ChatGPT网站的访问量与英伟达股票的变化曲线存在正相关性，都是向上增长的趋势。为什么英伟达的股票会跟ChatGPT的曲线相关？因为这家公司做的是GPU，就是用于构建人工智能的一款处理器。

芯片可以为人工智能提供算力，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。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。

芯片未来面临的挑战

人工智能快速发展，对芯片提出了更多要求，而芯片产业现在面临一些更大的挑战，具体来说是“三堵墙”：一堵墙是内存墙，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；第二堵墙是功耗墙，英伟达发布的GPU芯片采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。现在芯片运行的热密度已经达到甚至超过了火箭喷射口的热密度，如果再继续下去而找不到解决的办法，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CPU的频率没有再继续增加了。

芯片发明出来之后，芯片上的元件数量不断增加。到了1965年，Intel公司创始人之一的戈登·摩尔受邀写过一篇文章，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表述。芯片产业的发展一直是按照摩尔定律来向前推进的。

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，最开始是基础的学科，比如量子物理的发展，然后诞生了晶体管，又诞生了芯片。芯片又按照摩尔定律在不断发展，出现了CPU或者处理器芯片，又出现了存储芯片、无线通信芯片、传感类芯片、功率芯片、光电类芯片等。

芯片的历史是一部创新的历史，也是一部叛逆的历史，因为当初很多的想法都被传统的势力打压。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，未来还有可能达到1纳米、0.5纳米，在这么小的尺寸下，我们要有波长非常短的光刻机才能制造出这些芯片。另一个挑战是，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。

现在科学家在想各种方法来解决这些问题，包括使用新的材料，比如硅以外的碳基晶体管、氧化物晶体管、模拟人脑神经元工作原理的晶体管等。除了芯片本身的挑战，我们还面临更大范围的挑战，比如：气候变暖、人口老龄化以及电力资源短缺。有数据显示，训练一次AI大模型，需要消耗2亿度电。所以有一种说法是，“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，还有国家之间的竞争，供应链短缺等挑战。这些都是我想要写一本关于芯片的书的原因，想要去讲述芯片是如何诞生并且改变世界的。奇点是不是很快就要来临？很难去预测，但是《芯片简史》里有一句话：“预测未来最好的方式，就是把它发明出来。”（本文已经演讲者审定，有删节，小标题为编者所加）