十七、集成电路和摩尔定律

过去6集我们聊了软件，从早期编程方式到现代软件工程。在大概50年里，软件从纸带打孔变成面向对象编程语言、在集成开发环境中写程序。但是如果没有硬件的大幅度进步，软件是不可能做到这些的。
为了体会硬件性能的爆炸式增长，我们要回到电子计算机的诞生年代。1940s-1960s这段时间里，计算机都由独立部件组成，这些组件叫做“分立元件(discrete components)”，然后不同组件再用线连在一起（分立元件：只有一个电路元件的组件，可以是被动的——例如电阻、电容、电感或主动的——晶体管或真空管）。举例，ENIAC有1万7千多个真空管，7万个电阻，1万电容器…如果想提升性能，就要加更多部件，这导致更多电线、更复杂，这个问题叫做“数字暴政(tyranny of numbers)”。1950s中期，晶体管开始商业化(市场上买得到)，开始使用进计算机里。晶体管比电子管更小、更快、更可靠，但晶体管依然是分离元件。
1959年，IBM把709计算机从原本的电子管全部换成晶体管。诞生的新机器IBM7090速度快6倍，价格只有一半，晶体管标志着“计算2.0时代”的到来。虽然更快更小，但是晶体管的出现还是没有解决“数字暴政”的问题。有几十万个独立元件的计算机不但难设计、而且难生产。1960s年代，这个问题的严重性达到顶点，电脑内部常常一大堆电线缠绕在一起。对此解决办法就是引入一层新抽象，封装复杂性。突破性进展在1958年，当时Jack Kilby在德州仪器工作，他演示了一个“将电路的所有组件集成在一起的”电子部件。简单来说，与其把多个独立部件用电线连起来，拼装出计算机，我们把多个组件包在一起，变成一个新的独立组件，这就叫做集成电路（Integrated Circuits，IC）。Kilby使用锗做集成电路，锗很稀少也不稳定。几个月后，在1959年Robert Royce的仙童半导体让集成电路变成现实。仙童半导体公司使用硅，而硅的蕴藏量很丰富、也更加稳定可靠。所以Robert Noyce被公认为现代集成电路之父，他开创了电子时代，并创造了硅谷——也就是仙童公司所在地。之后越来越多的半导体企业出现在硅谷。起初，一个IC只有几个晶体管，而这几个晶体管就可以把简单电路、逻辑门封装成单独的组件。
工程师可以使用IC创建更大更复杂的电路——比如计算机，但是这些IC还是需要通过某种方式“连接”起来。因此工程师再度创新，发明了印刷电路板(printed circut boards,PCB)。PCB可以大规模生产，无需焊接或用一大堆线，它通过蚀刻金属线的方式把零件连接到一起。印刷电路板就代替了连接各个IC之间的“电线”的作用。将PCB和IC相组合，可以大幅度减少独立组件和电线，而且更小、更便宜、更可靠。
许多早期IC将很小很小的分立元件封装成一个独立单元，但是即使组件很小，塞入5个以上的晶体管还是非常困难。为了实现更加复杂的设计，必须采用全新的设计工艺——“光刻(photolithography)”。简单来说就是用光把复杂图案印到材料上，比如半导体。它只有几个基础操作，但是可以制作出复杂的电路。我们先从一片硅开始，叫做“晶圆(wafer)”，它就像一片薄饼干，硅是一种半导体，我们可以利用其特性控制硅的导电性。我们可以以晶圆为基础，把复杂的金属电路放在上面，集成所有东西。下一步，我们在硅片顶部加一层薄薄的“氧化层”作为保护层，并加上一层特殊化学品——“光刻胶(photoresisit)”，光刻胶在被光照射后，会变得可溶，从而可以被一种特殊的化学药剂洗掉。光刻胶需要和“光掩模(photomask)”配合使用才会有效。光掩模类似于胶片，在上面我们印上要转移到晶圆上的图案。

我们用强光照射光掩模的时候，被光掩模挡住光的地方，光刻胶不会变化；没有被挡住光的地方，光刻胶会发生化学变化。然后我们使用之前所说的特殊药剂洗涤光刻胶，光刻胶暴露在光照下的部分就会被洗走，然后下面的氧化层就会暴露。我们移去光掩模，再用一种酸洗掉上层没有光刻胶的、暴露的氧化层部分，并蚀刻到硅层。
然后我们再使用之前用过的化学药剂清洗走氧化层上的光刻胶，我们可以使用一种化学过程，来让暴露出来的硅的导电性更加好，这个化学过程叫做“掺杂(doping)”。掺杂的方法通常为：用高温气体（比如磷）渗透进暴露出的硅，并改变电学性质。

我们还需要几轮光刻法来做晶体管，大致过程是在上述过程的半成品上在完全地盖上氧化层、光刻胶、光掩模，然后重复前面的强光、移走光掩模并化学药剂冲走部分光刻胶——强酸冲走部分氧化层——化学药剂洗走全部光刻胶——气体掺杂过程。只不过这一次掺杂的是另外一种气体，因此将一部分硅转换为另外一种形式，注意，我们要控制时机避免新掺杂的区域超过之前掺杂的区域。

现在所有需要的组件都有了。最后一步就是在氧化层上做通道，并用细小金属导线连接不同晶体管。我们再使用光刻胶和光掩模加在上面，然后重复先前的步骤在氧化层上蚀刻出校通道。然后我们使用新的处理方法——“金属化(metalization)”。

放一片薄薄的金属，比如铝或铜，但我们不会用金属盖住所有东西，我们想蚀刻具体的电路。而这一层蚀刻是蚀刻在金属化层上的，而不是像之前那样蚀刻到进氧化层上。步骤还是和之前一样，使用光刻胶和光掩模然后再用强光、化学药剂、酸配合冲洗的方法。最终我们就看到一个做好的晶体管，它有三根线，连接着硅的三个不同区域。每个区域的掺杂方式不同，这就叫双极型晶体管(Bipolar Junction Transistor,BJT)。

使用类似步骤，光刻可以将其他电子元件（比如电阻和电容）制作在一片硅，而且互相连接的电路也做好了。
在现实中，光刻法一次会做上百万个细节。我们还可以将光掩模聚焦到极小的区域，制作出非常精细的细节。因此一片晶圆可以做许多IC，整块都做完后，可以切割然后包装进微型芯片中。微型芯片(microchips)就是在电子设备中那些小长方体，而植入的IC也就组成了芯片的核心。

随着光刻技术发展，晶体管变小，密度变高。1965年，戈登·摩尔看到了趋势：每两年左右，得益于材料和制造技术的发展，能塞进两倍数量的晶体管。这就是“摩尔定律(Moore’s Law)”。此外芯片的价格也急剧下降，1962年平均50美元下降到1968年的2美元左右，再到如今的几美分。晶体管更小、密度更高，还有其他好处。晶体管越小、要移动的电荷量就越少，能更快切换状态，耗电更少；电路更紧凑，还意味着信号延迟更低、导致时钟速度更快。1968年，Robert Noyce和Gordon Moore联手从成立了一家新公司，结合Intergrated和Electronics两个词，取名为Intel，如今也成为了最大的芯片制造商。Intel 4004 CPU（之前讲过）是重要里程碑，发布于1971年，是第一个用IC做的处理器，也叫作微型处理器(microprocessor)，包含了2300个晶体管。其里程碑意义在于整个CPU被封装在一个芯片里，而在20年前由分立元件组建的CPU要占满一整个屋子。从Intel 4004只是一个开始，CPU晶体管数量爆发增长，1980年3万晶体管、1990年100万晶体管、2000年3000万晶体管、2010年一个芯片里已经有10亿个晶体管。为了达到这种密度，光刻的分辨率从大约一万纳米，大概是人类头发直径的1/10，发展到如今的14纳米（这是截止视频发布的数据，现在应该更加小了）。
现代工程师设计电路时，当然不是手工一个个设计晶体管，这不是人力能做到的。1970年开始，超大规模继承(very-large-scale integration，VLSI)软件用来自动生产芯片设计。使用比如“逻辑综合(logic synthesis)”这种技术，可以放一整个高级组件（比如内存缓存），软件内部会自动生成电路。
摩尔定律即将迎来极限，原因有二：1.光掩膜把图案弄到晶圆上，因为光的波长，精度已经达到极限。所以科学家在寻找更短波长的光源以投射更小的形状。2.晶体管非常小，以至于电极之间的距离只有几个原子的大小时，电子可以直接从一个电极跳跃到另一个电极，这就叫做量子隧穿效应，它影响晶体管的导电性。实验室中已经制造出了小于1纳米的晶体管，但是能否用其量产还是问题。
以下是本节课的重点：