數字時代，我們所有人的生活都離不開晶片。我們的電腦、手機，乃至出行的汽車上，都裝有大量晶片。只要有一個晶片無法正常工作，都會影響到我們的生活，輕則手機失靈，重則汽車失控……
在享受晶片便利的同時，我們有沒有想過晶片為什麼對數字時代如斯重要？它的開發和製造又為什麼這麼困難？這還要從晶片的歷史說起。
從真空管到電晶體
“上古結繩而治”。自人類文明誕生以來，計算便成了我們生活不可分離的一部分。小到一個家庭的收支平衡，大到一個國家的經濟走向，這些決定家庭或是國家命運的數字，無不需要計算才能得出。人們為此開發出了不少計算工具，如上下撥動珠子的算盤，或是可以按下按鈕的計算器，來獲得想要的結果。
隨著我們對計算需求的不斷增加，基於人力的計算方式很快就遭遇了瓶頸。戰爭催生了早期電腦的誕生：圖靈依賴電動機械原理開發的計算機，破解了德國的恩尼格瑪密碼；而為了破解德國的洛倫茲密碼，英國又開發了“巨人計算機”（Colossuscomputer），這也被認為是世界上第一臺可以程式設計的數字計算機。這些機器可以輕易完成僅靠人類難以做到，甚至不可能實現的計算。
巨人計算機的運作核心是“真空管”，它們看起來就像是一個碩大的燈泡，裡頭裝有一些金屬絲。通上電後，這些金屬絲無外乎兩種命運：有電，或是沒電，這對應了二進位制中的1和0。利用這兩個數字，理論上可以進行任何計算。我們如今的網路虛擬世界，也可以近似理解為誕生於無數個1和0之上。
基於真空管的計算機功能雖然強大，卻也有著自身的多個侷限。
一方面，真空管體積太大了。賓夕法尼亞大學制造的ENIAC機有超過1.7萬根真空管，佔地龐大，耗電量也相當恐怖；另一方面，這些海量數字的真空管，也帶來了各種隱患。據統計，平均每2天，這臺機器就會發生真空管故障，每次排查至少需要15分鐘。為了穩定地產出各種1和0，人們開始尋找真空管的替代品。
著名的貝爾實驗室做出了突破，而他們的選擇是半導體——這種材料的導電性基於導體（能讓電流自由透過，如銅製的電線），以及絕緣體（完全不導電，如玻璃）之間。在特定的條件下，它的導電特性可以發生變化。比如我們都聽說過的“矽”（Si），它本身並不導電，但只要加入某些其他材料，就可以具有導電性。“半”導體的名字，正是由此而來。
貝爾實驗室的威廉·肖克利（WilliamShockley）先提出了一個理論，認為在半導體材料附近加上電場，可以改變它們的導電性，然而他卻無法用實驗來證實自己的理論。
受到該理論啟發，他的兩名同事約翰·巴丁（JohnBardeen）與沃爾特·布拉頓（WalterBrattain）兩年後製造出了一種叫做“電晶體”的半導體器件。不甘被超越的肖克利則在一年後開發出了一種更新的電晶體。又過了十年，他們三人因為在電晶體領域的貢獻，獲得了諾貝爾物理學獎。而隨著電晶體領域的不斷擴大，迎來更多的新成員，它們也成為了數字時代的基石。
晶片和矽谷的誕生
隨著電晶體逐漸替代真空管，它們的侷限也在實際應用中暴露了出來。其中最主要的一個問題是如何在成千上萬個電晶體中佈線，組成可用的電路。
為了讓電晶體實現複雜的功能，電路中除了電晶體外，還需要電阻、電容、電感等元件，再進行焊接和電路連線。這些元件本身尺寸就沒有一個標準，製作電路的工作量巨大，而且極易出錯。當時的一個解決思路是規定每個電子元件的大小和形狀，用模組化的手段重新定義電路的設計。
德州儀器公司的傑克·基爾比（JackKilby）對這個計劃並不感冒，認為它解決不了根本上的問題——再怎麼規定，尺寸也小不了。最終造出來的模組化電路依舊龐大，無法應用到體積較小的裝置中。他的方案將一切都進行整合，把所有的電晶體、電阻以及電容都放在一塊半導體材料上，省去了大量的後續製造時間，也減少了犯錯的可能。
1958年，他用“鍺”（Ge）做出了一個原型，裡頭包含一個電晶體、三個電阻以及一個電容，在用導線連線後，能產生正弦波。這種嶄新的電路被稱為“積體電路”，後來也有了個大家更為熟知的簡稱——晶片。基爾比本人在2000年斬獲諾貝爾物理學獎，表彰他的發明。
差不多同一個時期，八名工程師同時向肖克利提出辭職，繼而一起創業，建立了仙童公司（FairchildSemiconductor）。這八個辭職者，就是半導體歷史上大名鼎鼎的“八叛逆”。羅伯特·諾伊斯（RobertNoyce）是這八名叛逆者中的領袖，也想到在一塊半導體材料上生產多個元件，製造積體電路。
與基爾比的方法不同，他的設計將導線與各個元件都整合到一塊。這種一體化的設計在生產製造上有著更大的優勢，唯一的問題是成本——諾伊斯的積體電路雖然優勢明顯，成本卻是原來的50倍。
正如幾十年前的戰火催生出了計算機的雛形，冷戰也為諾伊斯的晶片帶來了意外的商機。隨著前蘇聯發射第一顆人造衛星，並首次將人類送上太空，感慨感染到危機的美國啟動了全面追趕計劃。他們決定把人送上月球作為最終反擊，然而這一工作需要巨大的計算量（控制火箭、操縱登陸倉、計算最佳時間視窗等），美國太空總署（NASA）則把命運賭在了諾伊斯的晶片上：這種積體電路體積更小，耗電量也更低。為了把人送上月球，每一克重量，每一瓦能源都要瑣屑較量。對於這種極限專案，它無疑是更好的選擇。
在人類登月專案上，晶片向全世界展示了自己的潛力——諾伊斯說在阿波羅專案的電腦裡，它的晶片運行了1900萬個小時，只出現了2次故障，其中1次仍是外部因素造成的。
此外，登月行動也證實晶片能在外太空這個極端惡劣的環境下正常運作。仙童崛起後，來自這家公司的員工也在當地開枝散葉，建立了英特爾、AMD等公司，這塊半導體公司密佈的地區，後來也有了一個更響亮的名字——矽谷。
光刻技術
積體電路的尺寸比由零散的電晶體元件組成的電路要小許多，往往需要用到顯微鏡才能看清裡頭的結構，檢查質量。德州儀器公司的傑伊·拉斯洛普（JayLathrop）在一次觀察中突發奇想，顯微鏡從上往下看可以把東西放大，那麼從下往上看，是不是就能把東西給變小呢？
這可不是為了好玩。當時積體電路的尺寸已經接近手工製造的極限，很難再取得新的突破。而假如能把設計好的電路圖“縮印”到半導體材料上，就有可能透過自動化的技術進行製造，實現量產。
拉斯洛普很快就檢驗了他的想法。首先他從柯達公司買到了一種叫做光阻劑的化學物質，將它塗在半導體材料上。然後他按設想把顯微鏡顛倒了過來，並在鏡頭上蓋上了一塊板，只留下一個小圖案。
最後，他讓光線穿過鏡頭，照到了顯微鏡另一端的光阻劑上。在光線的作用下，光阻劑發生化學反應，慢慢溶解消失，露出了下方的矽材料。而露出的材料形狀，和他最初設計的圖案如出一轍，只是縮小了成百上千倍。在暴露出的凹槽上，製造人員可以新增新的材料，連線起電路，再洗去多餘的光阻劑。這一套流程就是製造晶片的光刻技術。
德州儀器公司隨後進一步完善了這套流程，使每個環節都能有標準進行參考，這也讓積體電路迎來了標準化的量產時代。而隨著晶片變得越來越複雜，製作一塊積體電路，至少需要重複這個過程幾十次。
仙童也緊隨其後，開發起了自己的光刻生產技術。諾伊斯之外，建立這家公司的其他七名創始人同樣並非等閒之輩。其中高登·摩爾（GordonMoore）更是其中的佼佼者。
1965年，他對積體電路的未來進行了預測，認為隨著光刻等生產技術不斷更新，晶片中的元件數量每年都會翻倍。長遠來看，晶片的算力將指數級增長，成本也會明顯下降。這帶來的一個顯而易見的後果，就是晶片會大量走入尋常百姓家，徹底改變這個世界。摩爾的這個預測後來被叫做“摩爾定律”，為全世界所知。
摩爾定律成立的前提，是製造工藝的不斷發展革新。早期一些公司開發的光刻技術近乎完美，簡直就像把光線一筆一筆勾勒在光阻劑，刻出只有一微米寬度的線路。而且這種技術還可以一次性刻出多個晶片，大大提升了晶片的產能。然而在不斷提升的晶片製造精度需求下，微米級的光刻機已經難以滿足產業的需求，奈米級的光刻機成為了新的寵兒。
但研發這種光刻機並不容易——如何在越來越小的迷你空間裡進行光刻，成了阻礙光刻技術發展的瓶頸。
極紫外光光刻技術
1992年，摩爾定律眼看就要失效——如果想要維持這一定律，晶片電路需要做得更加小巧。無論是使用的光源，仍是光照過的鏡頭，都有著全新的要求。
拉斯洛普最初開發光刻技術之時，使用的是最為簡單不過的可見光。這些光的波長在幾百奈米左右，最終在晶片上印出的極限尺寸也是幾百奈米。而如果需要在晶片上印出尺寸更小的元件（比如只有幾十奈米），那需要的光源也要超越可見光的極限，邁入紫外光的領域。
一些公司開發過使用深紫外光（DUV）的製造裝置，使用的波長不到200奈米。但從長遠看，極紫外光（EUV）才是人們想到達的領域——波長越短，能刻在晶片上的細節就越多。最終，人們的目標定在了波長為13.5奈米的極紫外光上，而荷蘭的ASML成為了世界上唯一的EUV機器生產商。
EUV技術開發了足足將近20年。為了製造可以執行的EUV機器，ASML需要在全球尋找最提高前輩的零件來滿足它的需求。作為光刻機，首先需要的就是光源：為了產生EUV，人們需要發射一個直徑僅有幾十微米的錫滴，讓它以時速300多公里的速度穿越真空，同時用鐳射精準地打到它——不是一次，而是兩次。
第一次是進行加熱，第二次是用50萬度的高溫把它轟成等離子體，這個溫度是太陽表面溫度的好幾倍。這樣的過程，每秒要重複5萬次，才能產生足夠多的EUV。可以想象，這樣的高精尖技術，需要多少提高前輩的元件。
實際操作比上述的描述更為複雜。比如為了消除鐳射照射過程中產生的大量熱量，需要用風扇進行通風，旋轉速度需要達到每秒1000次。這一速度已經超過了物理軸承的極限，因此需要用磁鐵把風扇懸停在空中進行旋轉。
此外，鐳射發射器對其中的氣體密度有著嚴格要求，還要避免鐳射照在錫滴上後產生反光，影響儀器。光是開發發射鐳射的機器，就耗費了10多年的研發時間，每臺發射器需要超過45萬個元件。
轟擊錫滴後產生的EUV來之不易，研究人員還需要學會怎麼收集這些光線，導向晶片。EUV的波長實在太短，很容易就被附近的材料吸收，而不是反射出去。最終蔡司（CarlZeiss）公司開發出了一種極為光滑的鏡子，可以反射EUV。
這面鏡子的光滑程度超出想象——用官方話語來說，如果把這面鏡子放大到整個德國這麼大，鏡子不規則的地方最大也只有0.1毫米。該公司也信心十足地相信，他們的鏡子可以導引鐳射，準確地擊中位於月球上的高爾夫球。
這麼一套繁複的裝置，需要的不僅是科學技術，還需要供應鏈的完整管理。ASML本身只生產其EUV機器的15%的元件，其餘來自全球各地的合作伙伴。當然，他們也會認真監控這些採購的產品，如有必要甚至會買下這些公司，自己親力管理。這樣一臺機器，是不同國家的技術結晶。
第一臺EUV機的原型在2006年誕生。2010年，第一臺商用EUV機發貨。而在未來幾年，ASML預計將推出新一代的EUV機，每臺造價3億美元。
晶片的應用
在提高前輩的製造工藝下，多種晶片誕生了。有人總結在21世紀，晶片可以分為三大類別。
第一種是邏輯晶片，用作我們電腦、手機，或者是網路伺服器中的處理器；
第二類是記憶芯片，經典例子包括英特爾（Intel）公司開發的DRAM晶片——在這款產品推出前，資料的儲存依賴於磁芯：磁化的元件代表1，未磁化的元件代表0。而英特爾的做法是把電晶體和電容器組合起來，充電代表1，不充電代表0。和磁芯相比，新的儲存工具原理接近，但一切都整合在晶片中，所以體積更小，出錯率也更低。此類晶片能為電腦提供執行時的短期和長期記憶；
第三類晶片則被叫做“模擬晶片”，處理模擬訊號。
在這些晶片中，邏輯晶片可能更為人所熟知。儘管英特爾公司開發出了最早的DRAM記憶晶片，但它卻在和日本公司的競爭中節節敗退。1980年，英特爾與IBM達成一項合作，為個人電腦製造中央處理器，即CPU。
隨著IBM第一臺個人電腦的問世，搭建在這臺電腦中的英特爾的處理器成為了產業的“標配”，就好像微軟的Windows系統成了大眾更為熟悉的作業系統一樣。這場豪賭也讓英特爾從DRAM領域徹底抽身，重新崛起。
CPU的開發並不是一蹴而就。其實早在1971年，英特爾就造出了第一個微處理器（和CPU相比，只能處理單個特定的任務），整套設計流程的開發用了足足半年。當時這個微處理器只有上千個元件，使用的設計工具只有彩色鉛筆和直尺，落後得像是中世紀的工匠。琳·康維（LynnConway）開發了一種程式，解決了晶片的自動化設計問題。利用這種程式，從來沒設計過晶片的學生，都可以在短短時間裡學會怎麼設計具有功能的晶片。
上世紀八十年代末，英特爾開發出了486處理器，能在一塊微小的矽晶片上放上120萬個微型元件，生成各種0和1。到了2010年，最提高前輩的微處理器晶片已經能承載10億個電晶體。這種晶片的開發，離不開少數幾家寡頭公司開發的設計軟體。
另一種邏輯晶片——圖形處理器（GPU，俗稱顯示卡）在近年也愈發受人關注。在這一領域，英偉達（Nvidia）是重要玩家。在建立初期，該公司就相信3D影象是未來的發展方向，因此設計了能處理3D圖形的GPU，並開發了一套相應的軟體，告訴晶片應該如何工作。和英特爾的中央處理器“依次計算”的模式不同，GPU的優勢在於能同時進行大量的簡單運算。
誰也沒有想到，在人工智慧時代，GPU有了全新的使命。為了訓練人工智慧模型，科學家們需要用資料不斷最佳化演算法，讓模型經過訓練完成人類佈置的任務，比如辨識貓狗，下圍棋，或者和人類對話。此時，為了同一時間進行多次運算“並行處理”資料而開發出來的GPU有著得天獨厚的優勢，它也在人工智慧時代煥發出了全新的生命。
而晶片的另一個重要應用是通訊。厄文·雅各布（IrwinJacobs）看到晶片能處理一些複雜的演算法，來編碼海量資訊，就和朋友們創立了高通公司（Qualcomm），進軍通訊領域。我們知道最早的行動電話又叫大哥大，像一塊黑色的磚頭。
隨後，通訊技術得到了飛速發展——2G技術可以傳輸圖文，3G技術可以開啟網站，4G足以流暢觀看影片，而5G則能提供更大的飛躍。這裡的每一個G，代表的都是“代”。可以看到，每一代無線技術，都讓我們透過無線電波傳遞的資訊呈指數上升。如今我們手機上看影片，稍稍有些卡頓就感到不耐煩。殊不知10多年前，我們還只能傳文字簡訊。
高通參與了之後2G到後面其他手機技術的開發。利用依照摩爾定律不斷進化的晶片，高通能透過無窮的頻譜，將更多的手機通話放到無垠的空間中。而為了升級5G網路，不僅需要在手機裡放入新的晶片，也需要在基站中安裝新的硬體。這些硬體和晶片憑藉更強大的算力，能用無線的方法更快地傳輸資料。
生產製造以及供應鏈
1976年，幾乎每家設計晶片的公司都有自己的製造基地。然而如果將晶片設計和晶片製造的工作分離開來，將製造晶片的工作交給專門的代工廠，可以大幅減少晶片設計公司的成本。
臺積電應運而生，並承諾只製造晶片，不設計晶片。這樣一來，設計晶片的公司不必擔心機密資料外洩。而臺積電也不依賴販賣更多晶片——只要客戶成功，他的公司就取得了成功。
在臺積電之前，就有一些美國晶片公司將目光望向了浩瀚的太平洋對岸：上世紀六十年代，仙童就在香港建立了中心，組裝從加州運來的各種晶片。投產的第一年，香港工廠就組裝了1.2億個裝置，人力成本極低，但品質極好。十年內，美國幾乎所有的晶片公司都在亞洲設立了組裝廠。這也為晶片如今以東亞和東南亞為中心的供應鏈格局奠定了基礎。
亞洲的高效和對質量的偏執，很快就對美國在晶片業上的地位帶來了衝擊。上世紀八十年代，負責檢測晶片質量的公司高管們意外發現，日本生產的晶片質量已經超過了美國——普通的美國晶片故障率是日本晶片的4.5倍，品質最差的美國晶片故障率是日本晶片的10倍！“日本製造”不再是廉價但質量低劣的代名詞。更可怕的是，即便是被壓榨到極限的美國生產線，效率也遠不及日本。“日本的資金成本只有6%到7%，我最好的時候，成本也要18%。”AMD的執行長傑瑞·桑德斯（JerrySanders）有一次說道。
金融環境也起到了推波助瀾的效果：美國當時為了遏制通脹，利率一度高到21.5%；而日本的晶片公司都有財團在背後扶持，民眾又習慣儲蓄，使得銀行能為晶片公司長期提供大額低息貸款。資本助力下，日本公司可以激進地搶奪市場。
此消彼長之下，最終有能力生產高階邏輯晶片的公司集中於東亞地區，製造出的晶片也隨即送至周邊進行組裝。比如蘋果公司的晶片主要在韓國和我國臺灣地區生產，然後送到富士康進行組裝。這些晶片不僅包括主處理器，也包括無線網和藍芽的晶片，拍照用的晶片，感知動作的晶片等。
隨著生產製造晶片的能力逐漸集中於少數公司，這些原本的代工公司也有了更大的權力，比如協調不同公司的需求，甚至制定規則。由於當下負責設計晶片的公司沒有製造晶片的能力，只能聽從建議。這些日益龐大的權力，也正是當下地緣政治角鬥的話題之一。
結語
從解密二戰密碼的機器，到送人上月球的飛船。從隨身播放音樂的隨身聽，到日常出行的飛機和汽車，再到我們閱讀這篇文字時所用的手機和電腦，這些裝置都離不開晶片。
每天，每個普通人的生活都會至少用到幾十上百種晶片。這一切的一切，都離不開晶片技術的發展，以及對晶片的生產製造。晶片是這個時代最重要的發明之一，想要開發出新的晶片，不僅需要科學技術的加持，更需要提高前輩的製造生產能力，以及應用這些晶片的民用市場。
晶片設計與製造能力的佈局，經過了幾十年的變遷，形成了當下的格局，也在當下這個時代產生了別樣的意義。本文期待透過回溯過去幾十年裡關於晶片的一些重要產業節點，供感興趣的讀者們參考。
數字時代，我們所有人的生活都離不開晶片。我們的電腦、手機，乃至出行的汽車上，都裝有大量晶片。只要有一個晶片無法正常工作，都會影響到我們的生活，輕則手機失靈，重則汽車失控……
在享受晶片便利的同時，我們有沒有想過晶片為什麼對數字時代如斯重要？它的開發和製造又為什麼這麼困難？這還要從晶片的歷史說起。
從真空管到電晶體
“上古結繩而治”。自人類文明誕生以來，計算便成了我們生活不可分離的一部分。小到一個家庭的收支平衡，大到一個國家的經濟走向，這些決定家庭或是國家命運的數字，無不需要計算才能得出。人們為此開發出了不少計算工具，如上下撥動珠子的算盤，或是可以按下按鈕的計算器，來獲得想要的結果。
隨著我們對計算需求的不斷增加，基於人力的計算方式很快就遭遇了瓶頸。戰爭催生了早期電腦的誕生：圖靈依賴電動機械原理開發的計算機，破解了德國的恩尼格瑪密碼；而為了破解德國的洛倫茲密碼，英國又開發了“巨人計算機”（Colossuscomputer），這也被認為是世界上第一臺可以程式設計的數字計算機。這些機器可以輕易完成僅靠人類難以做到，甚至不可能實現的計算。
巨人計算機的運作核心是“真空管”，它們看起來就像是一個碩大的燈泡，裡頭裝有一些金屬絲。通上電後，這些金屬絲無外乎兩種命運：有電，或是沒電，這對應了二進位制中的1和0。利用這兩個數字，理論上可以進行任何計算。我們如今的網路虛擬世界，也可以近似理解為誕生於無數個1和0之上。
基於真空管的計算機功能雖然強大，卻也有著自身的多個侷限。
一方面，真空管體積太大了。賓夕法尼亞大學制造的ENIAC機有超過1.7萬根真空管，佔地龐大，耗電量也相當恐怖；另一方面，這些海量數字的真空管，也帶來了各種隱患。據統計，平均每2天，這臺機器就會發生真空管故障，每次排查至少需要15分鐘。為了穩定地產出各種1和0，人們開始尋找真空管的替代品。
著名的貝爾實驗室做出了突破，而他們的選擇是半導體——這種材料的導電性基於導體（能讓電流自由透過，如銅製的電線），以及絕緣體（完全不導電，如玻璃）之間。在特定的條件下，它的導電特性可以發生變化。比如我們都聽說過的“矽”（Si），它本身並不導電，但只要加入某些其他材料，就可以具有導電性。“半”導體的名字，正是由此而來。
貝爾實驗室的威廉·肖克利（WilliamShockley）先提出了一個理論，認為在半導體材料附近加上電場，可以改變它們的導電性，然而他卻無法用實驗來證實自己的理論。
受到該理論啟發，他的兩名同事約翰·巴丁（JohnBardeen）與沃爾特·布拉頓（WalterBrattain）兩年後製造出了一種叫做“電晶體”的半導體器件。不甘被超越的肖克利則在一年後開發出了一種更新的電晶體。又過了十年，他們三人因為在電晶體領域的貢獻，獲得了諾貝爾物理學獎。而隨著電晶體領域的不斷擴大，迎來更多的新成員，它們也成為了數字時代的基石。
晶片和矽谷的誕生
隨著電晶體逐漸替代真空管，它們的侷限也在實際應用中暴露了出來。其中最主要的一個問題是如何在成千上萬個電晶體中佈線，組成可用的電路。
為了讓電晶體實現複雜的功能，電路中除了電晶體外，還需要電阻、電容、電感等元件，再進行焊接和電路連線。這些元件本身尺寸就沒有一個標準，製作電路的工作量巨大，而且極易出錯。當時的一個解決思路是規定每個電子元件的大小和形狀，用模組化的手段重新定義電路的設計。
德州儀器公司的傑克·基爾比（JackKilby）對這個計劃並不感冒，認為它解決不了根本上的問題——再怎麼規定，尺寸也小不了。最終造出來的模組化電路依舊龐大，無法應用到體積較小的裝置中。他的方案將一切都進行整合，把所有的電晶體、電阻以及電容都放在一塊半導體材料上，省去了大量的後續製造時間，也減少了犯錯的可能。
1958年，他用“鍺”（Ge）做出了一個原型，裡頭包含一個電晶體、三個電阻以及一個電容，在用導線連線後，能產生正弦波。這種嶄新的電路被稱為“積體電路”，後來也有了個大家更為熟知的簡稱——晶片。基爾比本人在2000年斬獲諾貝爾物理學獎，表彰他的發明。
差不多同一個時期，八名工程師同時向肖克利提出辭職，繼而一起創業，建立了仙童公司（FairchildSemiconductor）。這八個辭職者，就是半導體歷史上大名鼎鼎的“八叛逆”。羅伯特·諾伊斯（RobertNoyce）是這八名叛逆者中的領袖，也想到在一塊半導體材料上生產多個元件，製造積體電路。
與基爾比的方法不同，他的設計將導線與各個元件都整合到一塊。這種一體化的設計在生產製造上有著更大的優勢，唯一的問題是成本——諾伊斯的積體電路雖然優勢明顯，成本卻是原來的50倍。
正如幾十年前的戰火催生出了計算機的雛形，冷戰也為諾伊斯的晶片帶來了意外的商機。隨著前蘇聯發射第一顆人造衛星，並首次將人類送上太空，感慨感染到危機的美國啟動了全面追趕計劃。他們決定把人送上月球作為最終反擊，然而這一工作需要巨大的計算量（控制火箭、操縱登陸倉、計算最佳時間視窗等），美國太空總署（NASA）則把命運賭在了諾伊斯的晶片上：這種積體電路體積更小，耗電量也更低。為了把人送上月球，每一克重量，每一瓦能源都要瑣屑較量。對於這種極限專案，它無疑是更好的選擇。
在人類登月專案上，晶片向全世界展示了自己的潛力——諾伊斯說在阿波羅專案的電腦裡，它的晶片運行了1900萬個小時，只出現了2次故障，其中1次仍是外部因素造成的。
此外，登月行動也證實晶片能在外太空這個極端惡劣的環境下正常運作。仙童崛起後，來自這家公司的員工也在當地開枝散葉，建立了英特爾、AMD等公司，這塊半導體公司密佈的地區，後來也有了一個更響亮的名字——矽谷。
光刻技術
積體電路的尺寸比由零散的電晶體元件組成的電路要小許多，往往需要用到顯微鏡才能看清裡頭的結構，檢查質量。德州儀器公司的傑伊·拉斯洛普（JayLathrop）在一次觀察中突發奇想，顯微鏡從上往下看可以把東西放大，那麼從下往上看，是不是就能把東西給變小呢？
這可不是為了好玩。當時積體電路的尺寸已經接近手工製造的極限，很難再取得新的突破。而假如能把設計好的電路圖“縮印”到半導體材料上，就有可能透過自動化的技術進行製造，實現量產。
拉斯洛普很快就檢驗了他的想法。首先他從柯達公司買到了一種叫做光阻劑的化學物質，將它塗在半導體材料上。然後他按設想把顯微鏡顛倒了過來，並在鏡頭上蓋上了一塊板，只留下一個小圖案。
最後，他讓光線穿過鏡頭，照到了顯微鏡另一端的光阻劑上。在光線的作用下，光阻劑發生化學反應，慢慢溶解消失，露出了下方的矽材料。而露出的材料形狀，和他最初設計的圖案如出一轍，只是縮小了成百上千倍。在暴露出的凹槽上，製造人員可以新增新的材料，連線起電路，再洗去多餘的光阻劑。這一套流程就是製造晶片的光刻技術。
德州儀器公司隨後進一步完善了這套流程，使每個環節都能有標準進行參考，這也讓積體電路迎來了標準化的量產時代。而隨著晶片變得越來越複雜，製作一塊積體電路，至少需要重複這個過程幾十次。
仙童也緊隨其後，開發起了自己的光刻生產技術。諾伊斯之外，建立這家公司的其他七名創始人同樣並非等閒之輩。其中高登·摩爾（GordonMoore）更是其中的佼佼者。
1965年，他對積體電路的未來進行了預測，認為隨著光刻等生產技術不斷更新，晶片中的元件數量每年都會翻倍。長遠來看，晶片的算力將指數級增長，成本也會明顯下降。這帶來的一個顯而易見的後果，就是晶片會大量走入尋常百姓家，徹底改變這個世界。摩爾的這個預測後來被叫做“摩爾定律”，為全世界所知。
摩爾定律成立的前提，是製造工藝的不斷發展革新。早期一些公司開發的光刻技術近乎完美，簡直就像把光線一筆一筆勾勒在光阻劑，刻出只有一微米寬度的線路。而且這種技術還可以一次性刻出多個晶片，大大提升了晶片的產能。然而在不斷提升的晶片製造精度需求下，微米級的光刻機已經難以滿足產業的需求，奈米級的光刻機成為了新的寵兒。
但研發這種光刻機並不容易——如何在越來越小的迷你空間裡進行光刻，成了阻礙光刻技術發展的瓶頸。
極紫外光光刻技術
1992年，摩爾定律眼看就要失效——如果想要維持這一定律，晶片電路需要做得更加小巧。無論是使用的光源，仍是光照過的鏡頭，都有著全新的要求。
拉斯洛普最初開發光刻技術之時，使用的是最為簡單不過的可見光。這些光的波長在幾百奈米左右，最終在晶片上印出的極限尺寸也是幾百奈米。而如果需要在晶片上印出尺寸更小的元件（比如只有幾十奈米），那需要的光源也要超越可見光的極限，邁入紫外光的領域。
一些公司開發過使用深紫外光（DUV）的製造裝置，使用的波長不到200奈米。但從長遠看，極紫外光（EUV）才是人們想到達的領域——波長越短，能刻在晶片上的細節就越多。最終，人們的目標定在了波長為13.5奈米的極紫外光上，而荷蘭的ASML成為了世界上唯一的EUV機器生產商。
EUV技術開發了足足將近20年。為了製造可以執行的EUV機器，ASML需要在全球尋找最提高前輩的零件來滿足它的需求。作為光刻機，首先需要的就是光源：為了產生EUV，人們需要發射一個直徑僅有幾十微米的錫滴，讓它以時速300多公里的速度穿越真空，同時用鐳射精準地打到它——不是一次，而是兩次。
第一次是進行加熱，第二次是用50萬度的高溫把它轟成等離子體，這個溫度是太陽表面溫度的好幾倍。這樣的過程，每秒要重複5萬次，才能產生足夠多的EUV。可以想象，這樣的高精尖技術，需要多少提高前輩的元件。
實際操作比上述的描述更為複雜。比如為了消除鐳射照射過程中產生的大量熱量，需要用風扇進行通風，旋轉速度需要達到每秒1000次。這一速度已經超過了物理軸承的極限，因此需要用磁鐵把風扇懸停在空中進行旋轉。
此外，鐳射發射器對其中的氣體密度有著嚴格要求，還要避免鐳射照在錫滴上後產生反光，影響儀器。光是開發發射鐳射的機器，就耗費了10多年的研發時間，每臺發射器需要超過45萬個元件。
轟擊錫滴後產生的EUV來之不易，研究人員還需要學會怎麼收集這些光線，導向晶片。EUV的波長實在太短，很容易就被附近的材料吸收，而不是反射出去。最終蔡司（CarlZeiss）公司開發出了一種極為光滑的鏡子，可以反射EUV。
這面鏡子的光滑程度超出想象——用官方話語來說，如果把這面鏡子放大到整個德國這麼大，鏡子不規則的地方最大也只有0.1毫米。該公司也信心十足地相信，他們的鏡子可以導引鐳射，準確地擊中位於月球上的高爾夫球。
這麼一套繁複的裝置，需要的不僅是科學技術，還需要供應鏈的完整管理。ASML本身只生產其EUV機器的15%的元件，其餘來自全球各地的合作伙伴。當然，他們也會認真監控這些採購的產品，如有必要甚至會買下這些公司，自己親力管理。這樣一臺機器，是不同國家的技術結晶。
第一臺EUV機的原型在2006年誕生。2010年，第一臺商用EUV機發貨。而在未來幾年，ASML預計將推出新一代的EUV機，每臺造價3億美元。
晶片的應用
在提高前輩的製造工藝下，多種晶片誕生了。有人總結在21世紀，晶片可以分為三大類別。
第一種是邏輯晶片，用作我們電腦、手機，或者是網路伺服器中的處理器；
第二類是記憶芯片，經典例子包括英特爾（Intel）公司開發的DRAM晶片——在這款產品推出前，資料的儲存依賴於磁芯：磁化的元件代表1，未磁化的元件代表0。而英特爾的做法是把電晶體和電容器組合起來，充電代表1，不充電代表0。和磁芯相比，新的儲存工具原理接近，但一切都整合在晶片中，所以體積更小，出錯率也更低。此類晶片能為電腦提供執行時的短期和長期記憶；
第三類晶片則被叫做“模擬晶片”，處理模擬訊號。
在這些晶片中，邏輯晶片可能更為人所熟知。儘管英特爾公司開發出了最早的DRAM記憶晶片，但它卻在和日本公司的競爭中節節敗退。1980年，英特爾與IBM達成一項合作，為個人電腦製造中央處理器，即CPU。
隨著IBM第一臺個人電腦的問世，搭建在這臺電腦中的英特爾的處理器成為了產業的“標配”，就好像微軟的Windows系統成了大眾更為熟悉的作業系統一樣。這場豪賭也讓英特爾從DRAM領域徹底抽身，重新崛起。
CPU的開發並不是一蹴而就。其實早在1971年，英特爾就造出了第一個微處理器（和CPU相比，只能處理單個特定的任務），整套設計流程的開發用了足足半年。當時這個微處理器只有上千個元件，使用的設計工具只有彩色鉛筆和直尺，落後得像是中世紀的工匠。琳·康維（LynnConway）開發了一種程式，解決了晶片的自動化設計問題。利用這種程式，從來沒設計過晶片的學生，都可以在短短時間裡學會怎麼設計具有功能的晶片。
上世紀八十年代末，英特爾開發出了486處理器，能在一塊微小的矽晶片上放上120萬個微型元件，生成各種0和1。到了2010年，最提高前輩的微處理器晶片已經能承載10億個電晶體。這種晶片的開發，離不開少數幾家寡頭公司開發的設計軟體。
另一種邏輯晶片——圖形處理器（GPU，俗稱顯示卡）在近年也愈發受人關注。在這一領域，英偉達（Nvidia）是重要玩家。在建立初期，該公司就相信3D影象是未來的發展方向，因此設計了能處理3D圖形的GPU，並開發了一套相應的軟體，告訴晶片應該如何工作。和英特爾的中央處理器“依次計算”的模式不同，GPU的優勢在於能同時進行大量的簡單運算。
誰也沒有想到，在人工智慧時代，GPU有了全新的使命。為了訓練人工智慧模型，科學家們需要用資料不斷最佳化演算法，讓模型經過訓練完成人類佈置的任務，比如辨識貓狗，下圍棋，或者和人類對話。此時，為了同一時間進行多次運算“並行處理”資料而開發出來的GPU有著得天獨厚的優勢，它也在人工智慧時代煥發出了全新的生命。
而晶片的另一個重要應用是通訊。厄文·雅各布（IrwinJacobs）看到晶片能處理一些複雜的演算法，來編碼海量資訊，就和朋友們創立了高通公司（Qualcomm），進軍通訊領域。我們知道最早的行動電話又叫大哥大，像一塊黑色的磚頭。
隨後，通訊技術得到了飛速發展——2G技術可以傳輸圖文，3G技術可以開啟網站，4G足以流暢觀看影片，而5G則能提供更大的飛躍。這裡的每一個G，代表的都是“代”。可以看到，每一代無線技術，都讓我們透過無線電波傳遞的資訊呈指數上升。如今我們手機上看影片，稍稍有些卡頓就感到不耐煩。殊不知10多年前，我們還只能傳文字簡訊。
高通參與了之後2G到後面其他手機技術的開發。利用依照摩爾定律不斷進化的晶片，高通能透過無窮的頻譜，將更多的手機通話放到無垠的空間中。而為了升級5G網路，不僅需要在手機裡放入新的晶片，也需要在基站中安裝新的硬體。這些硬體和晶片憑藉更強大的算力，能用無線的方法更快地傳輸資料。
生產製造以及供應鏈
1976年，幾乎每家設計晶片的公司都有自己的製造基地。然而如果將晶片設計和晶片製造的工作分離開來，將製造晶片的工作交給專門的代工廠，可以大幅減少晶片設計公司的成本。
臺積電應運而生，並承諾只製造晶片，不設計晶片。這樣一來，設計晶片的公司不必擔心機密資料外洩。而臺積電也不依賴販賣更多晶片——只要客戶成功，他的公司就取得了成功。
在臺積電之前，就有一些美國晶片公司將目光望向了浩瀚的太平洋對岸：上世紀六十年代，仙童就在香港建立了中心，組裝從加州運來的各種晶片。投產的第一年，香港工廠就組裝了1.2億個裝置，人力成本極低，但品質極好。十年內，美國幾乎所有的晶片公司都在亞洲設立了組裝廠。這也為晶片如今以東亞和東南亞為中心的供應鏈格局奠定了基礎。
亞洲的高效和對質量的偏執，很快就對美國在晶片業上的地位帶來了衝擊。上世紀八十年代，負責檢測晶片質量的公司高管們意外發現，日本生產的晶片質量已經超過了美國——普通的美國晶片故障率是日本晶片的4.5倍，品質最差的美國晶片故障率是日本晶片的10倍！“日本製造”不再是廉價但質量低劣的代名詞。更可怕的是，即便是被壓榨到極限的美國生產線，效率也遠不及日本。“日本的資金成本只有6%到7%，我最好的時候，成本也要18%。”AMD的執行長傑瑞·桑德斯（JerrySanders）有一次說道。
金融環境也起到了推波助瀾的效果：美國當時為了遏制通脹，利率一度高到21.5%；而日本的晶片公司都有財團在背後扶持，民眾又習慣儲蓄，使得銀行能為晶片公司長期提供大額低息貸款。資本助力下，日本公司可以激進地搶奪市場。
此消彼長之下，最終有能力生產高階邏輯晶片的公司集中於東亞地區，製造出的晶片也隨即送至周邊進行組裝。比如蘋果公司的晶片主要在韓國和我國臺灣地區生產，然後送到富士康進行組裝。這些晶片不僅包括主處理器，也包括無線網和藍芽的晶片，拍照用的晶片，感知動作的晶片等。
隨著生產製造晶片的能力逐漸集中於少數公司，這些原本的代工公司也有了更大的權力，比如協調不同公司的需求，甚至制定規則。由於當下負責設計晶片的公司沒有製造晶片的能力，只能聽從建議。這些日益龐大的權力，也正是當下地緣政治角鬥的話題之一。
結語
從解密二戰密碼的機器，到送人上月球的飛船。從隨身播放音樂的隨身聽，到日常出行的飛機和汽車，再到我們閱讀這篇文字時所用的手機和電腦，這些裝置都離不開晶片。
每天，每個普通人的生活都會至少用到幾十上百種晶片。這一切的一切，都離不開晶片技術的發展，以及對晶片的生產製造。晶片是這個時代最重要的發明之一，想要開發出新的晶片，不僅需要科學技術的加持，更需要提高前輩的製造生產能力，以及應用這些晶片的民用市場。
晶片設計與製造能力的佈局，經過了幾十年的變遷，形成了當下的格局，也在當下這個時代產生了別樣的意義。本文期待透過回溯過去幾十年裡關於晶片的一些重要產業節點，供感興趣的讀者們參考。
數字時代，我們所有人的生活都離不開晶片。我們的電腦、手機，乃至出行的汽車上，都裝有大量晶片。只要有一個晶片無法正常工作，都會影響到我們的生活，輕則手機失靈，重則汽車失控……
在享受晶片便利的同時，我們有沒有想過晶片為什麼對數字時代如斯重要？它的開發和製造又為什麼這麼困難？這還要從晶片的歷史說起。
從真空管到電晶體
“上古結繩而治”。自人類文明誕生以來，計算便成了我們生活不可分離的一部分。小到一個家庭的收支平衡，大到一個國家的經濟走向，這些決定家庭或是國家命運的數字，無不需要計算才能得出。人們為此開發出了不少計算工具，如上下撥動珠子的算盤，或是可以按下按鈕的計算器，來獲得想要的結果。
隨著我們對計算需求的不斷增加，基於人力的計算方式很快就遭遇了瓶頸。戰爭催生了早期電腦的誕生：圖靈依賴電動機械原理開發的計算機，破解了德國的恩尼格瑪密碼；而為了破解德國的洛倫茲密碼，英國又開發了“巨人計算機”（Colossuscomputer），這也被認為是世界上第一臺可以程式設計的數字計算機。這些機器可以輕易完成僅靠人類難以做到，甚至不可能實現的計算。
巨人計算機的運作核心是“真空管”，它們看起來就像是一個碩大的燈泡，裡頭裝有一些金屬絲。通上電後，這些金屬絲無外乎兩種命運：有電，或是沒電，這對應了二進位制中的1和0。利用這兩個數字，理論上可以進行任何計算。我們如今的網路虛擬世界，也可以近似理解為誕生於無數個1和0之上。
基於真空管的計算機功能雖然強大，卻也有著自身的多個侷限。
一方面，真空管體積太大了。賓夕法尼亞大學制造的ENIAC機有超過1.7萬根真空管，佔地龐大，耗電量也相當恐怖；另一方面，這些海量數字的真空管，也帶來了各種隱患。據統計，平均每2天，這臺機器就會發生真空管故障，每次排查至少需要15分鐘。為了穩定地產出各種1和0，人們開始尋找真空管的替代品。
著名的貝爾實驗室做出了突破，而他們的選擇是半導體——這種材料的導電性基於導體（能讓電流自由透過，如銅製的電線），以及絕緣體（完全不導電，如玻璃）之間。在特定的條件下，它的導電特性可以發生變化。比如我們都聽說過的“矽”（Si），它本身並不導電，但只要加入某些其他材料，就可以具有導電性。“半”導體的名字，正是由此而來。
貝爾實驗室的威廉·肖克利（WilliamShockley）先提出了一個理論，認為在半導體材料附近加上電場，可以改變它們的導電性，然而他卻無法用實驗來證實自己的理論。
受到該理論啟發，他的兩名同事約翰·巴丁（JohnBardeen）與沃爾特·布拉頓（WalterBrattain）兩年後製造出了一種叫做“電晶體”的半導體器件。不甘被超越的肖克利則在一年後開發出了一種更新的電晶體。又過了十年，他們三人因為在電晶體領域的貢獻，獲得了諾貝爾物理學獎。而隨著電晶體領域的不斷擴大，迎來更多的新成員，它們也成為了數字時代的基石。
晶片和矽谷的誕生
隨著電晶體逐漸替代真空管，它們的侷限也在實際應用中暴露了出來。其中最主要的一個問題是如何在成千上萬個電晶體中佈線，組成可用的電路。
為了讓電晶體實現複雜的功能，電路中除了電晶體外，還需要電阻、電容、電感等元件，再進行焊接和電路連線。這些元件本身尺寸就沒有一個標準，製作電路的工作量巨大，而且極易出錯。當時的一個解決思路是規定每個電子元件的大小和形狀，用模組化的手段重新定義電路的設計。
德州儀器公司的傑克·基爾比（JackKilby）對這個計劃並不感冒，認為它解決不了根本上的問題——再怎麼規定，尺寸也小不了。最終造出來的模組化電路依舊龐大，無法應用到體積較小的裝置中。他的方案將一切都進行整合，把所有的電晶體、電阻以及電容都放在一塊半導體材料上，省去了大量的後續製造時間，也減少了犯錯的可能。
1958年，他用“鍺”（Ge）做出了一個原型，裡頭包含一個電晶體、三個電阻以及一個電容，在用導線連線後，能產生正弦波。這種嶄新的電路被稱為“積體電路”，後來也有了個大家更為熟知的簡稱——晶片。基爾比本人在2000年斬獲諾貝爾物理學獎，表彰他的發明。
差不多同一個時期，八名工程師同時向肖克利提出辭職，繼而一起創業，建立了仙童公司（FairchildSemiconductor）。這八個辭職者，就是半導體歷史上大名鼎鼎的“八叛逆”。羅伯特·諾伊斯（RobertNoyce）是這八名叛逆者中的領袖，也想到在一塊半導體材料上生產多個元件，製造積體電路。
與基爾比的方法不同，他的設計將導線與各個元件都整合到一塊。這種一體化的設計在生產製造上有著更大的優勢，唯一的問題是成本——諾伊斯的積體電路雖然優勢明顯，成本卻是原來的50倍。
正如幾十年前的戰火催生出了計算機的雛形，冷戰也為諾伊斯的晶片帶來了意外的商機。隨著前蘇聯發射第一顆人造衛星，並首次將人類送上太空，感慨感染到危機的美國啟動了全面追趕計劃。他們決定把人送上月球作為最終反擊，然而這一工作需要巨大的計算量（控制火箭、操縱登陸倉、計算最佳時間視窗等），美國太空總署（NASA）則把命運賭在了諾伊斯的晶片上：這種積體電路體積更小，耗電量也更低。為了把人送上月球，每一克重量，每一瓦能源都要瑣屑較量。對於這種極限專案，它無疑是更好的選擇。
在人類登月專案上，晶片向全世界展示了自己的潛力——諾伊斯說在阿波羅專案的電腦裡，它的晶片運行了1900萬個小時，只出現了2次故障，其中1次仍是外部因素造成的。
此外，登月行動也證實晶片能在外太空這個極端惡劣的環境下正常運作。仙童崛起後，來自這家公司的員工也在當地開枝散葉，建立了英特爾、AMD等公司，這塊半導體公司密佈的地區，後來也有了一個更響亮的名字——矽谷。
光刻技術
積體電路的尺寸比由零散的電晶體元件組成的電路要小許多，往往需要用到顯微鏡才能看清裡頭的結構，檢查質量。德州儀器公司的傑伊·拉斯洛普（JayLathrop）在一次觀察中突發奇想，顯微鏡從上往下看可以把東西放大，那麼從下往上看，是不是就能把東西給變小呢？
這可不是為了好玩。當時積體電路的尺寸已經接近手工製造的極限，很難再取得新的突破。而假如能把設計好的電路圖“縮印”到半導體材料上，就有可能透過自動化的技術進行製造，實現量產。
拉斯洛普很快就檢驗了他的想法。首先他從柯達公司買到了一種叫做光阻劑的化學物質，將它塗在半導體材料上。然後他按設想把顯微鏡顛倒了過來，並在鏡頭上蓋上了一塊板，只留下一個小圖案。
最後，他讓光線穿過鏡頭，照到了顯微鏡另一端的光阻劑上。在光線的作用下，光阻劑發生化學反應，慢慢溶解消失，露出了下方的矽材料。而露出的材料形狀，和他最初設計的圖案如出一轍，只是縮小了成百上千倍。在暴露出的凹槽上，製造人員可以新增新的材料，連線起電路，再洗去多餘的光阻劑。這一套流程就是製造晶片的光刻技術。
德州儀器公司隨後進一步完善了這套流程，使每個環節都能有標準進行參考，這也讓積體電路迎來了標準化的量產時代。而隨著晶片變得越來越複雜，製作一塊積體電路，至少需要重複這個過程幾十次。
仙童也緊隨其後，開發起了自己的光刻生產技術。諾伊斯之外，建立這家公司的其他七名創始人同樣並非等閒之輩。其中高登·摩爾（GordonMoore）更是其中的佼佼者。
1965年，他對積體電路的未來進行了預測，認為隨著光刻等生產技術不斷更新，晶片中的元件數量每年都會翻倍。長遠來看，晶片的算力將指數級增長，成本也會明顯下降。這帶來的一個顯而易見的後果，就是晶片會大量走入尋常百姓家，徹底改變這個世界。摩爾的這個預測後來被叫做“摩爾定律”，為全世界所知。
摩爾定律成立的前提，是製造工藝的不斷發展革新。早期一些公司開發的光刻技術近乎完美，簡直就像把光線一筆一筆勾勒在光阻劑，刻出只有一微米寬度的線路。而且這種技術還可以一次性刻出多個晶片，大大提升了晶片的產能。然而在不斷提升的晶片製造精度需求下，微米級的光刻機已經難以滿足產業的需求，奈米級的光刻機成為了新的寵兒。
但研發這種光刻機並不容易——如何在越來越小的迷你空間裡進行光刻，成了阻礙光刻技術發展的瓶頸。
極紫外光光刻技術
1992年，摩爾定律眼看就要失效——如果想要維持這一定律，晶片電路需要做得更加小巧。無論是使用的光源，仍是光照過的鏡頭，都有著全新的要求。
拉斯洛普最初開發光刻技術之時，使用的是最為簡單不過的可見光。這些光的波長在幾百奈米左右，最終在晶片上印出的極限尺寸也是幾百奈米。而如果需要在晶片上印出尺寸更小的元件（比如只有幾十奈米），那需要的光源也要超越可見光的極限，邁入紫外光的領域。
一些公司開發過使用深紫外光（DUV）的製造裝置，使用的波長不到200奈米。但從長遠看，極紫外光（EUV）才是人們想到達的領域——波長越短，能刻在晶片上的細節就越多。最終，人們的目標定在了波長為13.5奈米的極紫外光上，而荷蘭的ASML成為了世界上唯一的EUV機器生產商。
EUV技術開發了足足將近20年。為了製造可以執行的EUV機器，ASML需要在全球尋找最提高前輩的零件來滿足它的需求。作為光刻機，首先需要的就是光源：為了產生EUV，人們需要發射一個直徑僅有幾十微米的錫滴，讓它以時速300多公里的速度穿越真空，同時用鐳射精準地打到它——不是一次，而是兩次。
第一次是進行加熱，第二次是用50萬度的高溫把它轟成等離子體，這個溫度是太陽表面溫度的好幾倍。這樣的過程，每秒要重複5萬次，才能產生足夠多的EUV。可以想象，這樣的高精尖技術，需要多少提高前輩的元件。
實際操作比上述的描述更為複雜。比如為了消除鐳射照射過程中產生的大量熱量，需要用風扇進行通風，旋轉速度需要達到每秒1000次。這一速度已經超過了物理軸承的極限，因此需要用磁鐵把風扇懸停在空中進行旋轉。
此外，鐳射發射器對其中的氣體密度有著嚴格要求，還要避免鐳射照在錫滴上後產生反光，影響儀器。光是開發發射鐳射的機器，就耗費了10多年的研發時間，每臺發射器需要超過45萬個元件。
轟擊錫滴後產生的EUV來之不易，研究人員還需要學會怎麼收集這些光線，導向晶片。EUV的波長實在太短，很容易就被附近的材料吸收，而不是反射出去。最終蔡司（CarlZeiss）公司開發出了一種極為光滑的鏡子，可以反射EUV。
這面鏡子的光滑程度超出想象——用官方話語來說，如果把這面鏡子放大到整個德國這麼大，鏡子不規則的地方最大也只有0.1毫米。該公司也信心十足地相信，他們的鏡子可以導引鐳射，準確地擊中位於月球上的高爾夫球。
這麼一套繁複的裝置，需要的不僅是科學技術，還需要供應鏈的完整管理。ASML本身只生產其EUV機器的15%的元件，其餘來自全球各地的合作伙伴。當然，他們也會認真監控這些採購的產品，如有必要甚至會買下這些公司，自己親力管理。這樣一臺機器，是不同國家的技術結晶。
第一臺EUV機的原型在2006年誕生。2010年，第一臺商用EUV機發貨。而在未來幾年，ASML預計將推出新一代的EUV機，每臺造價3億美元。
晶片的應用
在提高前輩的製造工藝下，多種晶片誕生了。有人總結在21世紀，晶片可以分為三大類別。
第一種是邏輯晶片，用作我們電腦、手機，或者是網路伺服器中的處理器；
第二類是記憶芯片，經典例子包括英特爾（Intel）公司開發的DRAM晶片——在這款產品推出前，資料的儲存依賴於磁芯：磁化的元件代表1，未磁化的元件代表0。而英特爾的做法是把電晶體和電容器組合起來，充電代表1，不充電代表0。和磁芯相比，新的儲存工具原理接近，但一切都整合在晶片中，所以體積更小，出錯率也更低。此類晶片能為電腦提供執行時的短期和長期記憶；
第三類晶片則被叫做“模擬晶片”，處理模擬訊號。
在這些晶片中，邏輯晶片可能更為人所熟知。儘管英特爾公司開發出了最早的DRAM記憶晶片，但它卻在和日本公司的競爭中節節敗退。1980年，英特爾與IBM達成一項合作，為個人電腦製造中央處理器，即CPU。
隨著IBM第一臺個人電腦的問世，搭建在這臺電腦中的英特爾的處理器成為了產業的“標配”，就好像微軟的Windows系統成了大眾更為熟悉的作業系統一樣。這場豪賭也讓英特爾從DRAM領域徹底抽身，重新崛起。
CPU的開發並不是一蹴而就。其實早在1971年，英特爾就造出了第一個微處理器（和CPU相比，只能處理單個特定的任務），整套設計流程的開發用了足足半年。當時這個微處理器只有上千個元件，使用的設計工具只有彩色鉛筆和直尺，落後得像是中世紀的工匠。琳·康維（LynnConway）開發了一種程式，解決了晶片的自動化設計問題。利用這種程式，從來沒設計過晶片的學生，都可以在短短時間裡學會怎麼設計具有功能的晶片。
上世紀八十年代末，英特爾開發出了486處理器，能在一塊微小的矽晶片上放上120萬個微型元件，生成各種0和1。到了2010年，最提高前輩的微處理器晶片已經能承載10億個電晶體。這種晶片的開發，離不開少數幾家寡頭公司開發的設計軟體。
另一種邏輯晶片——圖形處理器（GPU，俗稱顯示卡）在近年也愈發受人關注。在這一領域，英偉達（Nvidia）是重要玩家。在建立初期，該公司就相信3D影象是未來的發展方向，因此設計了能處理3D圖形的GPU，並開發了一套相應的軟體，告訴晶片應該如何工作。和英特爾的中央處理器“依次計算”的模式不同，GPU的優勢在於能同時進行大量的簡單運算。
誰也沒有想到，在人工智慧時代，GPU有了全新的使命。為了訓練人工智慧模型，科學家們需要用資料不斷最佳化演算法，讓模型經過訓練完成人類佈置的任務，比如辨識貓狗，下圍棋，或者和人類對話。此時，為了同一時間進行多次運算“並行處理”資料而開發出來的GPU有著得天獨厚的優勢，它也在人工智慧時代煥發出了全新的生命。
而晶片的另一個重要應用是通訊。厄文·雅各布（IrwinJacobs）看到晶片能處理一些複雜的演算法，來編碼海量資訊，就和朋友們創立了高通公司（Qualcomm），進軍通訊領域。我們知道最早的行動電話又叫大哥大，像一塊黑色的磚頭。
隨後，通訊技術得到了飛速發展——2G技術可以傳輸圖文，3G技術可以開啟網站，4G足以流暢觀看影片，而5G則能提供更大的飛躍。這裡的每一個G，代表的都是“代”。可以看到，每一代無線技術，都讓我們透過無線電波傳遞的資訊呈指數上升。如今我們手機上看影片，稍稍有些卡頓就感到不耐煩。殊不知10多年前，我們還只能傳文字簡訊。
高通參與了之後2G到後面其他手機技術的開發。利用依照摩爾定律不斷進化的晶片，高通能透過無窮的頻譜，將更多的手機通話放到無垠的空間中。而為了升級5G網路，不僅需要在手機裡放入新的晶片，也需要在基站中安裝新的硬體。這些硬體和晶片憑藉更強大的算力，能用無線的方法更快地傳輸資料。
生產製造以及供應鏈
1976年，幾乎每家設計晶片的公司都有自己的製造基地。然而如果將晶片設計和晶片製造的工作分離開來，將製造晶片的工作交給專門的代工廠，可以大幅減少晶片設計公司的成本。
臺積電應運而生，並承諾只製造晶片，不設計晶片。這樣一來，設計晶片的公司不必擔心機密資料外洩。而臺積電也不依賴販賣更多晶片——只要客戶成功，他的公司就取得了成功。
在臺積電之前，就有一些美國晶片公司將目光望向了浩瀚的太平洋對岸：上世紀六十年代，仙童就在香港建立了中心，組裝從加州運來的各種晶片。投產的第一年，香港工廠就組裝了1.2億個裝置，人力成本極低，但品質極好。十年內，美國幾乎所有的晶片公司都在亞洲設立了組裝廠。這也為晶片如今以東亞和東南亞為中心的供應鏈格局奠定了基礎。
亞洲的高效和對質量的偏執，很快就對美國在晶片業上的地位帶來了衝擊。上世紀八十年代，負責檢測晶片質量的公司高管們意外發現，日本生產的晶片質量已經超過了美國——普通的美國晶片故障率是日本晶片的4.5倍，品質最差的美國晶片故障率是日本晶片的10倍！“日本製造”不再是廉價但質量低劣的代名詞。更可怕的是，即便是被壓榨到極限的美國生產線，效率也遠不及日本。“日本的資金成本只有6%到7%，我最好的時候，成本也要18%。”AMD的執行長傑瑞·桑德斯（JerrySanders）有一次說道。
金融環境也起到了推波助瀾的效果：美國當時為了遏制通脹，利率一度高到21.5%；而日本的晶片公司都有財團在背後扶持，民眾又習慣儲蓄，使得銀行能為晶片公司長期提供大額低息貸款。資本助力下，日本公司可以激進地搶奪市場。
此消彼長之下，最終有能力生產高階邏輯晶片的公司集中於東亞地區，製造出的晶片也隨即送至周邊進行組裝。比如蘋果公司的晶片主要在韓國和我國臺灣地區生產，然後送到富士康進行組裝。這些晶片不僅包括主處理器，也包括無線網和藍芽的晶片，拍照用的晶片，感知動作的晶片等。
隨著生產製造晶片的能力逐漸集中於少數公司，這些原本的代工公司也有了更大的權力，比如協調不同公司的需求，甚至制定規則。由於當下負責設計晶片的公司沒有製造晶片的能力，只能聽從建議。這些日益龐大的權力，也正是當下地緣政治角鬥的話題之一。
結語
從解密二戰密碼的機器，到送人上月球的飛船。從隨身播放音樂的隨身聽，到日常出行的飛機和汽車，再到我們閱讀這篇文字時所用的手機和電腦，這些裝置都離不開晶片。
每天，每個普通人的生活都會至少用到幾十上百種晶片。這一切的一切，都離不開晶片技術的發展，以及對晶片的生產製造。晶片是這個時代最重要的發明之一，想要開發出新的晶片，不僅需要科學技術的加持，更需要提高前輩的製造生產能力，以及應用這些晶片的民用市場。
晶片設計與製造能力的佈局，經過了幾十年的變遷，形成了當下的格局，也在當下這個時代產生了別樣的意義。本文期待透過回溯過去幾十年裡關於晶片的一些重要產業節點，供感興趣的讀者們參考。
數字時代，我們所有人的生活都離不開晶片。我們的電腦、手機，乃至出行的汽車上，都裝有大量晶片。只要有一個晶片無法正常工作，都會影響到我們的生活，輕則手機失靈，重則汽車失控……
在享受晶片便利的同時，我們有沒有想過晶片為什麼對數字時代如斯重要？它的開發和製造又為什麼這麼困難？這還要從晶片的歷史說起。
從真空管到電晶體
“上古結繩而治”。自人類文明誕生以來，計算便成了我們生活不可分離的一部分。小到一個家庭的收支平衡，大到一個國家的經濟走向，這些決定家庭或是國家命運的數字，無不需要計算才能得出。人們為此開發出了不少計算工具，如上下撥動珠子的算盤，或是可以按下按鈕的計算器，來獲得想要的結果。
隨著我們對計算需求的不斷增加，基於人力的計算方式很快就遭遇了瓶頸。戰爭催生了早期電腦的誕生：圖靈依賴電動機械原理開發的計算機，破解了德國的恩尼格瑪密碼；而為了破解德國的洛倫茲密碼，英國又開發了“巨人計算機”（Colossuscomputer），這也被認為是世界上第一臺可以程式設計的數字計算機。這些機器可以輕易完成僅靠人類難以做到，甚至不可能實現的計算。
巨人計算機的運作核心是“真空管”，它們看起來就像是一個碩大的燈泡，裡頭裝有一些金屬絲。通上電後，這些金屬絲無外乎兩種命運：有電，或是沒電，這對應了二進位制中的1和0。利用這兩個數字，理論上可以進行任何計算。我們如今的網路虛擬世界，也可以近似理解為誕生於無數個1和0之上。
基於真空管的計算機功能雖然強大，卻也有著自身的多個侷限。
一方面，真空管體積太大了。賓夕法尼亞大學制造的ENIAC機有超過1.7萬根真空管，佔地龐大，耗電量也相當恐怖；另一方面，這些海量數字的真空管，也帶來了各種隱患。據統計，平均每2天，這臺機器就會發生真空管故障，每次排查至少需要15分鐘。為了穩定地產出各種1和0，人們開始尋找真空管的替代品。
著名的貝爾實驗室做出了突破，而他們的選擇是半導體——這種材料的導電性基於導體（能讓電流自由透過，如銅製的電線），以及絕緣體（完全不導電，如玻璃）之間。在特定的條件下，它的導電特性可以發生變化。比如我們都聽說過的“矽”（Si），它本身並不導電，但只要加入某些其他材料，就可以具有導電性。“半”導體的名字，正是由此而來。
貝爾實驗室的威廉·肖克利（WilliamShockley）先提出了一個理論，認為在半導體材料附近加上電場，可以改變它們的導電性，然而他卻無法用實驗來證實自己的理論。
受到該理論啟發，他的兩名同事約翰·巴丁（JohnBardeen）與沃爾特·布拉頓（WalterBrattain）兩年後製造出了一種叫做“電晶體”的半導體器件。不甘被超越的肖克利則在一年後開發出了一種更新的電晶體。又過了十年，他們三人因為在電晶體領域的貢獻，獲得了諾貝爾物理學獎。而隨著電晶體領域的不斷擴大，迎來更多的新成員，它們也成為了數字時代的基石。
晶片和矽谷的誕生
隨著電晶體逐漸替代真空管，它們的侷限也在實際應用中暴露了出來。其中最主要的一個問題是如何在成千上萬個電晶體中佈線，組成可用的電路。
為了讓電晶體實現複雜的功能，電路中除了電晶體外，還需要電阻、電容、電感等元件，再進行焊接和電路連線。這些元件本身尺寸就沒有一個標準，製作電路的工作量巨大，而且極易出錯。當時的一個解決思路是規定每個電子元件的大小和形狀，用模組化的手段重新定義電路的設計。
德州儀器公司的傑克·基爾比（JackKilby）對這個計劃並不感冒，認為它解決不了根本上的問題——再怎麼規定，尺寸也小不了。最終造出來的模組化電路依舊龐大，無法應用到體積較小的裝置中。他的方案將一切都進行整合，把所有的電晶體、電阻以及電容都放在一塊半導體材料上，省去了大量的後續製造時間，也減少了犯錯的可能。
1958年，他用“鍺”（Ge）做出了一個原型，裡頭包含一個電晶體、三個電阻以及一個電容，在用導線連線後，能產生正弦波。這種嶄新的電路被稱為“積體電路”，後來也有了個大家更為熟知的簡稱——晶片。基爾比本人在2000年斬獲諾貝爾物理學獎，表彰他的發明。
差不多同一個時期，八名工程師同時向肖克利提出辭職，繼而一起創業，建立了仙童公司（FairchildSemiconductor）。這八個辭職者，就是半導體歷史上大名鼎鼎的“八叛逆”。羅伯特·諾伊斯（RobertNoyce）是這八名叛逆者中的領袖，也想到在一塊半導體材料上生產多個元件，製造積體電路。
與基爾比的方法不同，他的設計將導線與各個元件都整合到一塊。這種一體化的設計在生產製造上有著更大的優勢，唯一的問題是成本——諾伊斯的積體電路雖然優勢明顯，成本卻是原來的50倍。
正如幾十年前的戰火催生出了計算機的雛形，冷戰也為諾伊斯的晶片帶來了意外的商機。隨著前蘇聯發射第一顆人造衛星，並首次將人類送上太空，感慨感染到危機的美國啟動了全面追趕計劃。他們決定把人送上月球作為最終反擊，然而這一工作需要巨大的計算量（控制火箭、操縱登陸倉、計算最佳時間視窗等），美國太空總署（NASA）則把命運賭在了諾伊斯的晶片上：這種積體電路體積更小，耗電量也更低。為了把人送上月球，每一克重量，每一瓦能源都要瑣屑較量。對於這種極限專案，它無疑是更好的選擇。
在人類登月專案上，晶片向全世界展示了自己的潛力——諾伊斯說在阿波羅專案的電腦裡，它的晶片運行了1900萬個小時，只出現了2次故障，其中1次仍是外部因素造成的。
此外，登月行動也證實晶片能在外太空這個極端惡劣的環境下正常運作。仙童崛起後，來自這家公司的員工也在當地開枝散葉，建立了英特爾、AMD等公司，這塊半導體公司密佈的地區，後來也有了一個更響亮的名字——矽谷。
光刻技術
積體電路的尺寸比由零散的電晶體元件組成的電路要小許多，往往需要用到顯微鏡才能看清裡頭的結構，檢查質量。德州儀器公司的傑伊·拉斯洛普（JayLathrop）在一次觀察中突發奇想，顯微鏡從上往下看可以把東西放大，那麼從下往上看，是不是就能把東西給變小呢？
這可不是為了好玩。當時積體電路的尺寸已經接近手工製造的極限，很難再取得新的突破。而假如能把設計好的電路圖“縮印”到半導體材料上，就有可能透過自動化的技術進行製造，實現量產。
拉斯洛普很快就檢驗了他的想法。首先他從柯達公司買到了一種叫做光阻劑的化學物質，將它塗在半導體材料上。然後他按設想把顯微鏡顛倒了過來，並在鏡頭上蓋上了一塊板，只留下一個小圖案。
最後，他讓光線穿過鏡頭，照到了顯微鏡另一端的光阻劑上。在光線的作用下，光阻劑發生化學反應，慢慢溶解消失，露出了下方的矽材料。而露出的材料形狀，和他最初設計的圖案如出一轍，只是縮小了成百上千倍。在暴露出的凹槽上，製造人員可以新增新的材料，連線起電路，再洗去多餘的光阻劑。這一套流程就是製造晶片的光刻技術。
德州儀器公司隨後進一步完善了這套流程，使每個環節都能有標準進行參考，這也讓積體電路迎來了標準化的量產時代。而隨著晶片變得越來越複雜，製作一塊積體電路，至少需要重複這個過程幾十次。
仙童也緊隨其後，開發起了自己的光刻生產技術。諾伊斯之外，建立這家公司的其他七名創始人同樣並非等閒之輩。其中高登·摩爾（GordonMoore）更是其中的佼佼者。
1965年，他對積體電路的未來進行了預測，認為隨著光刻等生產技術不斷更新，晶片中的元件數量每年都會翻倍。長遠來看，晶片的算力將指數級增長，成本也會明顯下降。這帶來的一個顯而易見的後果，就是晶片會大量走入尋常百姓家，徹底改變這個世界。摩爾的這個預測後來被叫做“摩爾定律”，為全世界所知。
摩爾定律成立的前提，是製造工藝的不斷發展革新。早期一些公司開發的光刻技術近乎完美，簡直就像把光線一筆一筆勾勒在光阻劑，刻出只有一微米寬度的線路。而且這種技術還可以一次性刻出多個晶片，大大提升了晶片的產能。然而在不斷提升的晶片製造精度需求下，微米級的光刻機已經難以滿足產業的需求，奈米級的光刻機成為了新的寵兒。
但研發這種光刻機並不容易——如何在越來越小的迷你空間裡進行光刻，成了阻礙光刻技術發展的瓶頸。
極紫外光光刻技術
1992年，摩爾定律眼看就要失效——如果想要維持這一定律，晶片電路需要做得更加小巧。無論是使用的光源，仍是光照過的鏡頭，都有著全新的要求。
拉斯洛普最初開發光刻技術之時，使用的是最為簡單不過的可見光。這些光的波長在幾百奈米左右，最終在晶片上印出的極限尺寸也是幾百奈米。而如果需要在晶片上印出尺寸更小的元件（比如只有幾十奈米），那需要的光源也要超越可見光的極限，邁入紫外光的領域。
一些公司開發過使用深紫外光（DUV）的製造裝置，使用的波長不到200奈米。但從長遠看，極紫外光（EUV）才是人們想到達的領域——波長越短，能刻在晶片上的細節就越多。最終，人們的目標定在了波長為13.5奈米的極紫外光上，而荷蘭的ASML成為了世界上唯一的EUV機器生產商。
EUV技術開發了足足將近20年。為了製造可以執行的EUV機器，ASML需要在全球尋找最提高前輩的零件來滿足它的需求。作為光刻機，首先需要的就是光源：為了產生EUV，人們需要發射一個直徑僅有幾十微米的錫滴，讓它以時速300多公里的速度穿越真空，同時用鐳射精準地打到它——不是一次，而是兩次。
第一次是進行加熱，第二次是用50萬度的高溫把它轟成等離子體，這個溫度是太陽表面溫度的好幾倍。這樣的過程，每秒要重複5萬次，才能產生足夠多的EUV。可以想象，這樣的高精尖技術，需要多少提高前輩的元件。
實際操作比上述的描述更為複雜。比如為了消除鐳射照射過程中產生的大量熱量，需要用風扇進行通風，旋轉速度需要達到每秒1000次。這一速度已經超過了物理軸承的極限，因此需要用磁鐵把風扇懸停在空中進行旋轉。
此外，鐳射發射器對其中的氣體密度有著嚴格要求，還要避免鐳射照在錫滴上後產生反光，影響儀器。光是開發發射鐳射的機器，就耗費了10多年的研發時間，每臺發射器需要超過45萬個元件。
轟擊錫滴後產生的EUV來之不易，研究人員還需要學會怎麼收集這些光線，導向晶片。EUV的波長實在太短，很容易就被附近的材料吸收，而不是反射出去。最終蔡司（CarlZeiss）公司開發出了一種極為光滑的鏡子，可以反射EUV。
這面鏡子的光滑程度超出想象——用官方話語來說，如果把這面鏡子放大到整個德國這麼大，鏡子不規則的地方最大也只有0.1毫米。該公司也信心十足地相信，他們的鏡子可以導引鐳射，準確地擊中位於月球上的高爾夫球。
這麼一套繁複的裝置，需要的不僅是科學技術，還需要供應鏈的完整管理。ASML本身只生產其EUV機器的15%的元件，其餘來自全球各地的合作伙伴。當然，他們也會認真監控這些採購的產品，如有必要甚至會買下這些公司，自己親力管理。這樣一臺機器，是不同國家的技術結晶。
第一臺EUV機的原型在2006年誕生。2010年，第一臺商用EUV機發貨。而在未來幾年，ASML預計將推出新一代的EUV機，每臺造價3億美元。
晶片的應用
在提高前輩的製造工藝下，多種晶片誕生了。有人總結在21世紀，晶片可以分為三大類別。
第一種是邏輯晶片，用作我們電腦、手機，或者是網路伺服器中的處理器；
第二類是記憶芯片，經典例子包括英特爾（Intel）公司開發的DRAM晶片——在這款產品推出前，資料的儲存依賴於磁芯：磁化的元件代表1，未磁化的元件代表0。而英特爾的做法是把電晶體和電容器組合起來，充電代表1，不充電代表0。和磁芯相比，新的儲存工具原理接近，但一切都整合在晶片中，所以體積更小，出錯率也更低。此類晶片能為電腦提供執行時的短期和長期記憶；
第三類晶片則被叫做“模擬晶片”，處理模擬訊號。
在這些晶片中，邏輯晶片可能更為人所熟知。儘管英特爾公司開發出了最早的DRAM記憶晶片，但它卻在和日本公司的競爭中節節敗退。1980年，英特爾與IBM達成一項合作，為個人電腦製造中央處理器，即CPU。
隨著IBM第一臺個人電腦的問世，搭建在這臺電腦中的英特爾的處理器成為了產業的“標配”，就好像微軟的Windows系統成了大眾更為熟悉的作業系統一樣。這場豪賭也讓英特爾從DRAM領域徹底抽身，重新崛起。
CPU的開發並不是一蹴而就。其實早在1971年，英特爾就造出了第一個微處理器（和CPU相比，只能處理單個特定的任務），整套設計流程的開發用了足足半年。當時這個微處理器只有上千個元件，使用的設計工具只有彩色鉛筆和直尺，落後得像是中世紀的工匠。琳·康維（LynnConway）開發了一種程式，解決了晶片的自動化設計問題。利用這種程式，從來沒設計過晶片的學生，都可以在短短時間裡學會怎麼設計具有功能的晶片。
上世紀八十年代末，英特爾開發出了486處理器，能在一塊微小的矽晶片上放上120萬個微型元件，生成各種0和1。到了2010年，最提高前輩的微處理器晶片已經能承載10億個電晶體。這種晶片的開發，離不開少數幾家寡頭公司開發的設計軟體。
另一種邏輯晶片——圖形處理器（GPU，俗稱顯示卡）在近年也愈發受人關注。在這一領域，英偉達（Nvidia）是重要玩家。在建立初期，該公司就相信3D影象是未來的發展方向，因此設計了能處理3D圖形的GPU，並開發了一套相應的軟體，告訴晶片應該如何工作。和英特爾的中央處理器“依次計算”的模式不同，GPU的優勢在於能同時進行大量的簡單運算。
誰也沒有想到，在人工智慧時代，GPU有了全新的使命。為了訓練人工智慧模型，科學家們需要用資料不斷最佳化演算法，讓模型經過訓練完成人類佈置的任務，比如辨識貓狗，下圍棋，或者和人類對話。此時，為了同一時間進行多次運算“並行處理”資料而開發出來的GPU有著得天獨厚的優勢，它也在人工智慧時代煥發出了全新的生命。
而晶片的另一個重要應用是通訊。厄文·雅各布（IrwinJacobs）看到晶片能處理一些複雜的演算法，來編碼海量資訊，就和朋友們創立了高通公司（Qualcomm），進軍通訊領域。我們知道最早的行動電話又叫大哥大，像一塊黑色的磚頭。
隨後，通訊技術得到了飛速發展——2G技術可以傳輸圖文，3G技術可以開啟網站，4G足以流暢觀看影片，而5G則能提供更大的飛躍。這裡的每一個G，代表的都是“代”。可以看到，每一代無線技術，都讓我們透過無線電波傳遞的資訊呈指數上升。如今我們手機上看影片，稍稍有些卡頓就感到不耐煩。殊不知10多年前，我們還只能傳文字簡訊。
高通參與了之後2G到後面其他手機技術的開發。利用依照摩爾定律不斷進化的晶片，高通能透過無窮的頻譜，將更多的手機通話放到無垠的空間中。而為了升級5G網路，不僅需要在手機裡放入新的晶片，也需要在基站中安裝新的硬體。這些硬體和晶片憑藉更強大的算力，能用無線的方法更快地傳輸資料。
生產製造以及供應鏈
1976年，幾乎每家設計晶片的公司都有自己的製造基地。然而如果將晶片設計和晶片製造的工作分離開來，將製造晶片的工作交給專門的代工廠，可以大幅減少晶片設計公司的成本。
臺積電應運而生，並承諾只製造晶片，不設計晶片。這樣一來，設計晶片的公司不必擔心機密資料外洩。而臺積電也不依賴販賣更多晶片——只要客戶成功，他的公司就取得了成功。
在臺積電之前，就有一些美國晶片公司將目光望向了浩瀚的太平洋對岸：上世紀六十年代，仙童就在香港建立了中心，組裝從加州運來的各種晶片。投產的第一年，香港工廠就組裝了1.2億個裝置，人力成本極低，但品質極好。十年內，美國幾乎所有的晶片公司都在亞洲設立了組裝廠。這也為晶片如今以東亞和東南亞為中心的供應鏈格局奠定了基礎。
亞洲的高效和對質量的偏執，很快就對美國在晶片業上的地位帶來了衝擊。上世紀八十年代，負責檢測晶片質量的公司高管們意外發現，日本生產的晶片質量已經超過了美國——普通的美國晶片故障率是日本晶片的4.5倍，品質最差的美國晶片故障率是日本晶片的10倍！“日本製造”不再是廉價但質量低劣的代名詞。更可怕的是，即便是被壓榨到極限的美國生產線，效率也遠不及日本。“日本的資金成本只有6%到7%，我最好的時候，成本也要18%。”AMD的執行長傑瑞·桑德斯（JerrySanders）有一次說道。
金融環境也起到了推波助瀾的效果：美國當時為了遏制通脹，利率一度高到21.5%；而日本的晶片公司都有財團在背後扶持，民眾又習慣儲蓄，使得銀行能為晶片公司長期提供大額低息貸款。資本助力下，日本公司可以激進地搶奪市場。
此消彼長之下，最終有能力生產高階邏輯晶片的公司集中於東亞地區，製造出的晶片也隨即送至周邊進行組裝。比如蘋果公司的晶片主要在韓國和我國臺灣地區生產，然後送到富士康進行組裝。這些晶片不僅包括主處理器，也包括無線網和藍芽的晶片，拍照用的晶片，感知動作的晶片等。
隨著生產製造晶片的能力逐漸集中於少數公司，這些原本的代工公司也有了更大的權力，比如協調不同公司的需求，甚至制定規則。由於當下負責設計晶片的公司沒有製造晶片的能力，只能聽從建議。這些日益龐大的權力，也正是當下地緣政治角鬥的話題之一。
結語
從解密二戰密碼的機器，到送人上月球的飛船。從隨身播放音樂的隨身聽，到日常出行的飛機和汽車，再到我們閱讀這篇文字時所用的手機和電腦，這些裝置都離不開晶片。
每天，每個普通人的生活都會至少用到幾十上百種晶片。這一切的一切，都離不開晶片技術的發展，以及對晶片的生產製造。晶片是這個時代最重要的發明之一，想要開發出新的晶片，不僅需要科學技術的加持，更需要提高前輩的製造生產能力，以及應用這些晶片的民用市場。
晶片設計與製造能力的佈局，經過了幾十年的變遷，形成了當下的格局，也在當下這個時代產生了別樣的意義。本文期待透過回溯過去幾十年裡關於晶片的一些重要產業節點，供感興趣的讀者們參考。
數字時代，我們所有人的生活都離不開晶片。我們的電腦、手機，乃至出行的汽車上，都裝有大量晶片。只要有一個晶片無法正常工作，都會影響到我們的生活，輕則手機失靈，重則汽車失控……
在享受晶片便利的同時，我們有沒有想過晶片為什麼對數字時代如斯重要？它的開發和製造又為什麼這麼困難？這還要從晶片的歷史說起。
從真空管到電晶體
“上古結繩而治”。自人類文明誕生以來，計算便成了我們生活不可分離的一部分。小到一個家庭的收支平衡，大到一個國家的經濟走向，這些決定家庭或是國家命運的數字，無不需要計算才能得出。人們為此開發出了不少計算工具，如上下撥動珠子的算盤，或是可以按下按鈕的計算器，來獲得想要的結果。
隨著我們對計算需求的不斷增加，基於人力的計算方式很快就遭遇了瓶頸。戰爭催生了早期電腦的誕生：圖靈依賴電動機械原理開發的計算機，破解了德國的恩尼格瑪密碼；而為了破解德國的洛倫茲密碼，英國又開發了“巨人計算機”（Colossuscomputer），這也被認為是世界上第一臺可以程式設計的數字計算機。這些機器可以輕易完成僅靠人類難以做到，甚至不可能實現的計算。
巨人計算機的運作核心是“真空管”，它們看起來就像是一個碩大的燈泡，裡頭裝有一些金屬絲。通上電後，這些金屬絲無外乎兩種命運：有電，或是沒電，這對應了二進位制中的1和0。利用這兩個數字，理論上可以進行任何計算。我們如今的網路虛擬世界，也可以近似理解為誕生於無數個1和0之上。
基於真空管的計算機功能雖然強大，卻也有著自身的多個侷限。
一方面，真空管體積太大了。賓夕法尼亞大學制造的ENIAC機有超過1.7萬根真空管，佔地龐大，耗電量也相當恐怖；另一方面，這些海量數字的真空管，也帶來了各種隱患。據統計，平均每2天，這臺機器就會發生真空管故障，每次排查至少需要15分鐘。為了穩定地產出各種1和0，人們開始尋找真空管的替代品。
著名的貝爾實驗室做出了突破，而他們的選擇是半導體——這種材料的導電性基於導體（能讓電流自由透過，如銅製的電線），以及絕緣體（完全不導電，如玻璃）之間。在特定的條件下，它的導電特性可以發生變化。比如我們都聽說過的“矽”（Si），它本身並不導電，但只要加入某些其他材料，就可以具有導電性。“半”導體的名字，正是由此而來。
貝爾實驗室的威廉·肖克利（WilliamShockley）先提出了一個理論，認為在半導體材料附近加上電場，可以改變它們的導電性，然而他卻無法用實驗來證實自己的理論。
受到該理論啟發，他的兩名同事約翰·巴丁（JohnBardeen）與沃爾特·布拉頓（WalterBrattain）兩年後製造出了一種叫做“電晶體”的半導體器件。不甘被超越的肖克利則在一年後開發出了一種更新的電晶體。又過了十年，他們三人因為在電晶體領域的貢獻，獲得了諾貝爾物理學獎。而隨著電晶體領域的不斷擴大，迎來更多的新成員，它們也成為了數字時代的基石。
晶片和矽谷的誕生
隨著電晶體逐漸替代真空管，它們的侷限也在實際應用中暴露了出來。其中最主要的一個問題是如何在成千上萬個電晶體中佈線，組成可用的電路。
為了讓電晶體實現複雜的功能，電路中除了電晶體外，還需要電阻、電容、電感等元件，再進行焊接和電路連線。這些元件本身尺寸就沒有一個標準，製作電路的工作量巨大，而且極易出錯。當時的一個解決思路是規定每個電子元件的大小和形狀，用模組化的手段重新定義電路的設計。
德州儀器公司的傑克·基爾比（JackKilby）對這個計劃並不感冒，認為它解決不了根本上的問題——再怎麼規定，尺寸也小不了。最終造出來的模組化電路依舊龐大，無法應用到體積較小的裝置中。他的方案將一切都進行整合，把所有的電晶體、電阻以及電容都放在一塊半導體材料上，省去了大量的後續製造時間，也減少了犯錯的可能。
1958年，他用“鍺”（Ge）做出了一個原型，裡頭包含一個電晶體、三個電阻以及一個電容，在用導線連線後，能產生正弦波。這種嶄新的電路被稱為“積體電路”，後來也有了個大家更為熟知的簡稱——晶片。基爾比本人在2000年斬獲諾貝爾物理學獎，表彰他的發明。
差不多同一個時期，八名工程師同時向肖克利提出辭職，繼而一起創業，建立了仙童公司（FairchildSemiconductor）。這八個辭職者，就是半導體歷史上大名鼎鼎的“八叛逆”。羅伯特·諾伊斯（RobertNoyce）是這八名叛逆者中的領袖，也想到在一塊半導體材料上生產多個元件，製造積體電路。
與基爾比的方法不同，他的設計將導線與各個元件都整合到一塊。這種一體化的設計在生產製造上有著更大的優勢，唯一的問題是成本——諾伊斯的積體電路雖然優勢明顯，成本卻是原來的50倍。
正如幾十年前的戰火催生出了計算機的雛形，冷戰也為諾伊斯的晶片帶來了意外的商機。隨著前蘇聯發射第一顆人造衛星，並首次將人類送上太空，感慨感染到危機的美國啟動了全面追趕計劃。他們決定把人送上月球作為最終反擊，然而這一工作需要巨大的計算量（控制火箭、操縱登陸倉、計算最佳時間視窗等），美國太空總署（NASA）則把命運賭在了諾伊斯的晶片上：這種積體電路體積更小，耗電量也更低。為了把人送上月球，每一克重量，每一瓦能源都要瑣屑較量。對於這種極限專案，它無疑是更好的選擇。
在人類登月專案上，晶片向全世界展示了自己的潛力——諾伊斯說在阿波羅專案的電腦裡，它的晶片運行了1900萬個小時，只出現了2次故障，其中1次仍是外部因素造成的。
此外，登月行動也證實晶片能在外太空這個極端惡劣的環境下正常運作。仙童崛起後，來自這家公司的員工也在當地開枝散葉，建立了英特爾、AMD等公司，這塊半導體公司密佈的地區，後來也有了一個更響亮的名字——矽谷。
光刻技術
積體電路的尺寸比由零散的電晶體元件組成的電路要小許多，往往需要用到顯微鏡才能看清裡頭的結構，檢查質量。德州儀器公司的傑伊·拉斯洛普（JayLathrop）在一次觀察中突發奇想，顯微鏡從上往下看可以把東西放大，那麼從下往上看，是不是就能把東西給變小呢？
這可不是為了好玩。當時積體電路的尺寸已經接近手工製造的極限，很難再取得新的突破。而假如能把設計好的電路圖“縮印”到半導體材料上，就有可能透過自動化的技術進行製造，實現量產。
拉斯洛普很快就檢驗了他的想法。首先他從柯達公司買到了一種叫做光阻劑的化學物質，將它塗在半導體材料上。然後他按設想把顯微鏡顛倒了過來，並在鏡頭上蓋上了一塊板，只留下一個小圖案。
最後，他讓光線穿過鏡頭，照到了顯微鏡另一端的光阻劑上。在光線的作用下，光阻劑發生化學反應，慢慢溶解消失，露出了下方的矽材料。而露出的材料形狀，和他最初設計的圖案如出一轍，只是縮小了成百上千倍。在暴露出的凹槽上，製造人員可以新增新的材料，連線起電路，再洗去多餘的光阻劑。這一套流程就是製造晶片的光刻技術。
德州儀器公司隨後進一步完善了這套流程，使每個環節都能有標準進行參考，這也讓積體電路迎來了標準化的量產時代。而隨著晶片變得越來越複雜，製作一塊積體電路，至少需要重複這個過程幾十次。
仙童也緊隨其後，開發起了自己的光刻生產技術。諾伊斯之外，建立這家公司的其他七名創始人同樣並非等閒之輩。其中高登·摩爾（GordonMoore）更是其中的佼佼者。
1965年，他對積體電路的未來進行了預測，認為隨著光刻等生產技術不斷更新，晶片中的元件數量每年都會翻倍。長遠來看，晶片的算力將指數級增長，成本也會明顯下降。這帶來的一個顯而易見的後果，就是晶片會大量走入尋常百姓家，徹底改變這個世界。摩爾的這個預測後來被叫做“摩爾定律”，為全世界所知。
摩爾定律成立的前提，是製造工藝的不斷發展革新。早期一些公司開發的光刻技術近乎完美，簡直就像把光線一筆一筆勾勒在光阻劑，刻出只有一微米寬度的線路。而且這種技術還可以一次性刻出多個晶片，大大提升了晶片的產能。然而在不斷提升的晶片製造精度需求下，微米級的光刻機已經難以滿足產業的需求，奈米級的光刻機成為了新的寵兒。
但研發這種光刻機並不容易——如何在越來越小的迷你空間裡進行光刻，成了阻礙光刻技術發展的瓶頸。
極紫外光光刻技術
1992年，摩爾定律眼看就要失效——如果想要維持這一定律，晶片電路需要做得更加小巧。無論是使用的光源，仍是光照過的鏡頭，都有著全新的要求。
拉斯洛普最初開發光刻技術之時，使用的是最為簡單不過的可見光。這些光的波長在幾百奈米左右，最終在晶片上印出的極限尺寸也是幾百奈米。而如果需要在晶片上印出尺寸更小的元件（比如只有幾十奈米），那需要的光源也要超越可見光的極限，邁入紫外光的領域。
一些公司開發過使用深紫外光（DUV）的製造裝置，使用的波長不到200奈米。但從長遠看，極紫外光（EUV）才是人們想到達的領域——波長越短，能刻在晶片上的細節就越多。最終，人們的目標定在了波長為13.5奈米的極紫外光上，而荷蘭的ASML成為了世界上唯一的EUV機器生產商。
EUV技術開發了足足將近20年。為了製造可以執行的EUV機器，ASML需要在全球尋找最提高前輩的零件來滿足它的需求。作為光刻機，首先需要的就是光源：為了產生EUV，人們需要發射一個直徑僅有幾十微米的錫滴，讓它以時速300多公里的速度穿越真空，同時用鐳射精準地打到它——不是一次，而是兩次。
第一次是進行加熱，第二次是用50萬度的高溫把它轟成等離子體，這個溫度是太陽表面溫度的好幾倍。這樣的過程，每秒要重複5萬次，才能產生足夠多的EUV。可以想象，這樣的高精尖技術，需要多少提高前輩的元件。
實際操作比上述的描述更為複雜。比如為了消除鐳射照射過程中產生的大量熱量，需要用風扇進行通風，旋轉速度需要達到每秒1000次。這一速度已經超過了物理軸承的極限，因此需要用磁鐵把風扇懸停在空中進行旋轉。
此外，鐳射發射器對其中的氣體密度有著嚴格要求，還要避免鐳射照在錫滴上後產生反光，影響儀器。光是開發發射鐳射的機器，就耗費了10多年的研發時間，每臺發射器需要超過45萬個元件。
轟擊錫滴後產生的EUV來之不易，研究人員還需要學會怎麼收集這些光線，導向晶片。EUV的波長實在太短，很容易就被附近的材料吸收，而不是反射出去。最終蔡司（CarlZeiss）公司開發出了一種極為光滑的鏡子，可以反射EUV。
這面鏡子的光滑程度超出想象——用官方話語來說，如果把這面鏡子放大到整個德國這麼大，鏡子不規則的地方最大也只有0.1毫米。該公司也信心十足地相信，他們的鏡子可以導引鐳射，準確地擊中位於月球上的高爾夫球。
這麼一套繁複的裝置，需要的不僅是科學技術，還需要供應鏈的完整管理。ASML本身只生產其EUV機器的15%的元件，其餘來自全球各地的合作伙伴。當然，他們也會認真監控這些採購的產品，如有必要甚至會買下這些公司，自己親力管理。這樣一臺機器，是不同國家的技術結晶。
第一臺EUV機的原型在2006年誕生。2010年，第一臺商用EUV機發貨。而在未來幾年，ASML預計將推出新一代的EUV機，每臺造價3億美元。
晶片的應用
在提高前輩的製造工藝下，多種晶片誕生了。有人總結在21世紀，晶片可以分為三大類別。
第一種是邏輯晶片，用作我們電腦、手機，或者是網路伺服器中的處理器；
第二類是記憶芯片，經典例子包括英特爾（Intel）公司開發的DRAM晶片——在這款產品推出前，資料的儲存依賴於磁芯：磁化的元件代表1，未磁化的元件代表0。而英特爾的做法是把電晶體和電容器組合起來，充電代表1，不充電代表0。和磁芯相比，新的儲存工具原理接近，但一切都整合在晶片中，所以體積更小，出錯率也更低。此類晶片能為電腦提供執行時的短期和長期記憶；
第三類晶片則被叫做“模擬晶片”，處理模擬訊號。
在這些晶片中，邏輯晶片可能更為人所熟知。儘管英特爾公司開發出了最早的DRAM記憶晶片，但它卻在和日本公司的競爭中節節敗退。1980年，英特爾與IBM達成一項合作，為個人電腦製造中央處理器，即CPU。
隨著IBM第一臺個人電腦的問世，搭建在這臺電腦中的英特爾的處理器成為了產業的“標配”，就好像微軟的Windows系統成了大眾更為熟悉的作業系統一樣。這場豪賭也讓英特爾從DRAM領域徹底抽身，重新崛起。
CPU的開發並不是一蹴而就。其實早在1971年，英特爾就造出了第一個微處理器（和CPU相比，只能處理單個特定的任務），整套設計流程的開發用了足足半年。當時這個微處理器只有上千個元件，使用的設計工具只有彩色鉛筆和直尺，落後得像是中世紀的工匠。琳·康維（LynnConway）開發了一種程式，解決了晶片的自動化設計問題。利用這種程式，從來沒設計過晶片的學生，都可以在短短時間裡學會怎麼設計具有功能的晶片。
上世紀八十年代末，英特爾開發出了486處理器，能在一塊微小的矽晶片上放上120萬個微型元件，生成各種0和1。到了2010年，最提高前輩的微處理器晶片已經能承載10億個電晶體。這種晶片的開發，離不開少數幾家寡頭公司開發的設計軟體。
另一種邏輯晶片——圖形處理器（GPU，俗稱顯示卡）在近年也愈發受人關注。在這一領域，英偉達（Nvidia）是重要玩家。在建立初期，該公司就相信3D影象是未來的發展方向，因此設計了能處理3D圖形的GPU，並開發了一套相應的軟體，告訴晶片應該如何工作。和英特爾的中央處理器“依次計算”的模式不同，GPU的優勢在於能同時進行大量的簡單運算。
誰也沒有想到，在人工智慧時代，GPU有了全新的使命。為了訓練人工智慧模型，科學家們需要用資料不斷最佳化演算法，讓模型經過訓練完成人類佈置的任務，比如辨識貓狗，下圍棋，或者和人類對話。此時，為了同一時間進行多次運算“並行處理”資料而開發出來的GPU有著得天獨厚的優勢，它也在人工智慧時代煥發出了全新的生命。
而晶片的另一個重要應用是通訊。厄文·雅各布（IrwinJacobs）看到晶片能處理一些複雜的演算法，來編碼海量資訊，就和朋友們創立了高通公司（Qualcomm），進軍通訊領域。我們知道最早的行動電話又叫大哥大，像一塊黑色的磚頭。
隨後，通訊技術得到了飛速發展——2G技術可以傳輸圖文，3G技術可以開啟網站，4G足以流暢觀看影片，而5G則能提供更大的飛躍。這裡的每一個G，代表的都是“代”。可以看到，每一代無線技術，都讓我們透過無線電波傳遞的資訊呈指數上升。如今我們手機上看影片，稍稍有些卡頓就感到不耐煩。殊不知10多年前，我們還只能傳文字簡訊。
高通參與了之後2G到後面其他手機技術的開發。利用依照摩爾定律不斷進化的晶片，高通能透過無窮的頻譜，將更多的手機通話放到無垠的空間中。而為了升級5G網路，不僅需要在手機裡放入新的晶片，也需要在基站中安裝新的硬體。這些硬體和晶片憑藉更強大的算力，能用無線的方法更快地傳輸資料。
生產製造以及供應鏈
1976年，幾乎每家設計晶片的公司都有自己的製造基地。然而如果將晶片設計和晶片製造的工作分離開來，將製造晶片的工作交給專門的代工廠，可以大幅減少晶片設計公司的成本。
臺積電應運而生，並承諾只製造晶片，不設計晶片。這樣一來，設計晶片的公司不必擔心機密資料外洩。而臺積電也不依賴販賣更多晶片——只要客戶成功，他的公司就取得了成功。
在臺積電之前，就有一些美國晶片公司將目光望向了浩瀚的太平洋對岸：上世紀六十年代，仙童就在香港建立了中心，組裝從加州運來的各種晶片。投產的第一年，香港工廠就組裝了1.2億個裝置，人力成本極低，但品質極好。十年內，美國幾乎所有的晶片公司都在亞洲設立了組裝廠。這也為晶片如今以東亞和東南亞為中心的供應鏈格局奠定了基礎。
亞洲的高效和對質量的偏執，很快就對美國在晶片業上的地位帶來了衝擊。上世紀八十年代，負責檢測晶片質量的公司高管們意外發現，日本生產的晶片質量已經超過了美國——普通的美國晶片故障率是日本晶片的4.5倍，品質最差的美國晶片故障率是日本晶片的10倍！“日本製造”不再是廉價但質量低劣的代名詞。更可怕的是，即便是被壓榨到極限的美國生產線，效率也遠不及日本。“日本的資金成本只有6%到7%，我最好的時候，成本也要18%。”AMD的執行長傑瑞·桑德斯（JerrySanders）有一次說道。
金融環境也起到了推波助瀾的效果：美國當時為了遏制通脹，利率一度高到21.5%；而日本的晶片公司都有財團在背後扶持，民眾又習慣儲蓄，使得銀行能為晶片公司長期提供大額低息貸款。資本助力下，日本公司可以激進地搶奪市場。
此消彼長之下，最終有能力生產高階邏輯晶片的公司集中於東亞地區，製造出的晶片也隨即送至周邊進行組裝。比如蘋果公司的晶片主要在韓國和我國臺灣地區生產，然後送到富士康進行組裝。這些晶片不僅包括主處理器，也包括無線網和藍芽的晶片，拍照用的晶片，感知動作的晶片等。
隨著生產製造晶片的能力逐漸集中於少數公司，這些原本的代工公司也有了更大的權力，比如協調不同公司的需求，甚至制定規則。由於當下負責設計晶片的公司沒有製造晶片的能力，只能聽從建議。這些日益龐大的權力，也正是當下地緣政治角鬥的話題之一。
結語
從解密二戰密碼的機器，到送人上月球的飛船。從隨身播放音樂的隨身聽，到日常出行的飛機和汽車，再到我們閱讀這篇文字時所用的手機和電腦，這些裝置都離不開晶片。
每天，每個普通人的生活都會至少用到幾十上百種晶片。這一切的一切，都離不開晶片技術的發展，以及對晶片的生產製造。晶片是這個時代最重要的發明之一，想要開發出新的晶片，不僅需要科學技術的加持，更需要提高前輩的製造生產能力，以及應用這些晶片的民用市場。
晶片設計與製造能力的佈局，經過了幾十年的變遷，形成了當下的格局，也在當下這個時代產生了別樣的意義。本文期待透過回溯過去幾十年裡關於晶片的一些重要產業節點，供感興趣的讀者們參考。
