本书是一本芯片科普书，内容系统全面、循序渐进。第一篇着重介绍芯片的前世今生及发展历史，包括 x86、ARM、RISC-V 三大主流指令集及其应用和市场现状。第二篇主要介绍芯片从设计、制造到封测出厂的全过程，并从技术和应用等层面解读人们关心的诸多问题。第三篇介绍我国的芯片发展历史，并分析了现阶段国内半导体产业的现状和格局。第四篇介绍芯片工程师群体的工作日常，以及如何成为一名合格的芯片工程师，并展望未来芯片的发展方向。

前言 写作背景 多年前的一个夏天，在苏州石湖蠡岛上的一间茶馆里，我和几位同事一边品茶，一边憧憬着自己将来理想的职业生涯。当被问到自己时，我毫不犹豫地表示想成为一名作家。 想成为作家的念头和我小时候读了很多名著有关，我痴迷于《西游记》中惊险刺激的故事，也沉迷于儒勒·凡尔纳在《海底两万里》中描绘的奇幻瑰丽的海底世界；既会因为诸葛亮病逝五丈原而难过，也会在看到唐·吉诃德种种荒唐的行为时笑得前仰后合。那时没有手机，是书籍陪我度过了漫长的童年时光。有时，我不满足于书中的情节，或者不喜欢书中的结局，就会在日记本上改写或者续写小说的情节，让它变得更加波澜壮阔、曲折离奇。 2016年，我在校参与编写了《西电人的故事2》，当时奶奶打趣称我为小作家，我心里虽然开心，但深知要成为一名作家，我做的还远远不够。2020年，我在知乎上看见一个问题“芯片为什么每年都能进步？”，便随手写了一篇回答，竟然得到了不少赞同。从那时起，我便开启了芯片科普创作之路，写作的习惯也一直保持至今。近年来，芯片逐渐成为科技行业的热点话题，我希望有一本书可以让大家更全面、系统地了解芯片。因此，出书的想法犹如一粒种子在我心中生根发芽，而与张爽编辑的结识则让种子结出了果实。 写作的过程也是学习的过程，尽管现在新媒体极其发达，短视频、直播、网课等资源十分丰富，但想高效、系统地学习一门知识，阅读依然是无可替代的。我家里的书架、书桌、沙发、厨房、卫生间等随处都放着书，以便我随时都能阅读。书籍是人类进步的阶梯，希望每个人都能在阅读中体会到人生乐趣。 畅想未来的时光，有一件可以肯定的事——我会坚持写作。如果有一天，你看到我出版了小说、散文或诗歌，请不必惊讶，那是我在奔向心中神圣的文学殿堂！ 本书内容 本书是一本芯片科普图书，共分10章，各章内容如下。 第0章为绪论，开篇点题，主要讲述“了不起的芯片”是如何改变我们的生活的。科技的发展要造福人类，推动社会进步，才能焕发出璀璨夺目的光彩。 第1章介绍芯片相关的基本概念、发展历史及半导体产业。 第2章介绍三大指令集——x86、ARM和RISC-V，以及它们的特点和应用领域。 第3章是重点章节，详细讲述芯片的设计流程、EDA、人工智能芯片等，探秘芯片的工作原理及其中的艺术。 第4章讲解芯片的制造流程，包括光刻机、制造工艺等。 第5章主要介绍芯片的封装和测试，以及国内的封测现状。 第6章介绍国内的半导体学科及产业的发展历史，以及半导体行业中了不起的人物。 第7章从我国不同地区和各大公司的角度分别介绍国内的半导体产业布局。 第8章也是重点章节，主要展示芯片工程师群体的工作日常，以及成为一名芯片工程师所需掌握的知识体系。同时，本章还介绍了职业发展方向，为即将进入芯片行业及初入职场的读者提供参考。 第9章主要介绍芯片的前沿发展方向，并展望芯片的未来。 本书特色 （1）兼具广度与深度 从半导体物理基础到芯片的架构，从摩尔定律到超越摩尔，从芯片设计到制造再到封测，从国外到国内的行业发展，从过去到未来……本书尽可能多地覆盖芯片相关的知识，并对一些重要的知识点，如芯片设计、可测性设计等进行了深入的探讨。 （2）兼具严肃性与可读性 对一本科普图书来讲，严谨是它的底座。本书内容力求严谨，但考虑读者的背景不尽相同，因此作者在写作过程中非常注重趣味性。比如，“摩尔定律：真的是定律吗”“芯片中上百亿晶体管是怎么设计的”“CPU是如何识别代码的”等内容很容易引起读者的兴趣，只需几分钟，便可学习到一个有趣的知识点。 （3）层层递进，知识体系完整 有的读者可能对芯片一无所知，那么本书是一本极佳的入门书。从什么是半导体讲起，再到晶体管、集成电路，各个概念被串联起来，让读者对整个行业有清晰的认知。 （4）图示丰富，紧跟时事 书中配有大量插图，更加生动、形象地展示了行业历史，帮助读者理解较为晦涩的知识。此外，本书结合大量当下的行业热点事件及政策，力求呈现时代前沿的内容。 序一 芯片已经成为一个家喻户晓的名词，每个人的工作和生活都离不开各种各样的芯片。提到芯片，有人会联想到半导体、晶体管、集成电路，有人会联想到CPU、内存、传感器，还有人会联想到EDA、晶圆、光刻机，等等。总之，芯片犹如孩子手中的万花筒，包罗万象却又纷繁复杂。 网络上充斥着各种关于芯片的新闻与资料，但鲜有专业且全面的科普读物。于是，人们便经常对芯片产生各种误解，在此略举几例。 误解一：芯片都由晶体管组成，所以芯片都差不多。虽然今天所有芯片的技术源头都可以追溯到1947年肖克利、布拉顿和巴丁发明的第一个晶体管以及1958年基尔比发明的第一块集成电路，但肖克利、基尔比这些半导体领域的先驱肯定未曾想象到，如今全球每年会生产上万亿颗芯片，而中国每年进口芯片量超过5000亿颗。这些芯片在功能、外形、规模上早已千差万别：有的芯片只有几个晶体管，有的芯片则有上万亿个晶体管；有的芯片只有一种功能，有的芯片支持运行几百万种App；有的芯片几分钟工作一次，有的芯片每秒运算几百亿次；有的芯片一颗只需几分钱，有的芯片一颗价值上万元……差异程度甚至超过十个数量级（1010）！ 如何刻画芯片之间这种巨大的差异性？我经常用生物这个概念作类比。如今，地球上大大小小的生物超过150万种，它们也是千差万别的。2022年发布的《中国生物物种名录》中共收录物种及种下单元138293个，其中物种125034个、种下单元13259个。在这些生物中，既有单细胞生物，也有拥有数万亿个细胞的大型哺乳动物；既有功能单一的病毒，也有拥有高级智慧的人类……这和芯片的种类是何等相似！如今的芯片已经发展出几十种大类、上千种小类、几十万种产品，比如，仅德州仪器一家公司便拥有约十万种各类芯片产品。芯片，能和大自然所孕育的生命体相类比，神奇而又了不起。 误解二：芯片制造很难，设计很简单。近年来，芯片产业成为世界各国展开激烈竞争的产业高地，而中国的芯片产业正面临着严峻的“卡脖子”问题。国内各界人士普遍认为芯片制造是中国落后最多的方向，尤其是在高端设备制造领域，以致于“光刻机”成了大众耳熟能详的术语。同时，很多人又认为芯片设计很简单，中国的芯片设计产业已达到国际一流水平，只是芯片制造不行；只要芯片制造实现自主并达到国际一流水平，那么中国芯片产业的“卡脖子”问题将不复存在。这个观点是一个不折不扣的认识误区，造成这种误区的根源也在于上一个误解——确实一些小规模芯片的设计相对简单，但由于芯片种类太多、差异性太大，对高端处理器芯片（如中央处理器CPU、图形处理器GPU等）而言，其设计难度极其巨大。 高端处理器芯片的设计需要一整套技术体系的支撑：从程序特征分析技术、微架构设计空间探索技术、高精度模拟器技术、系统仿真技术到芯片验证技术；从各种IP核、物理层接口PHY、串并转换模块SerDes、集成SoC到EDA工具；从BIOS/UEFI固件、操作系统、编译器到运行时环境……高端处理器芯片本身只是冰山露出水面的部分，而支撑处理器芯片设计的整套技术体系则是看不到的、冰山在水面下的部分。构建一套技术体系的难度不亚于构建一条先进制造工艺生产线，至今只有美国完全掌握这套技术体系。中国在高端处理器芯片设计方面和国际最先进的水平仍有相当大的差距，这种差距并不会因为先进制造工艺的突破而奇迹般地自行消失。事实上，在过去十多年中，即使在全球先进制造工艺都对中国开放的情况下，中国自研的高端处理器芯片（如桌面CPU、通用GPU等）占全球市场份额仍然长期不到1%。提高中国高端处理器芯片的设计能力，任重而道远，不可忽视。 误解三：处理器芯片的性能功耗取决于指令集。芯片领域备受关注的术语之一当属“指令集”了，这是处理器芯片区别于其他类型芯片的关键特征。半个多世纪以来，全世界诞生了几十种指令集，但它们各自命运起伏，迄今已所剩无几，于是x86、ARM、RISC-V、LoongArch、MIPS等依然活跃的指令集便成为国内大众的热议话题。有人把指令集视为包治百病的“万能药”，认为只要有一个先进的指令集，中国就能研制出性能与功耗卓越的世界一流的处理器芯片，中国处理器芯片产业的“卡脖子”问题就迎刃而解了。遗憾的是，这只是一个美好的幻想。现实是指令集只是一种标准规范，它会决定处理器芯片的功能、影响软件生态的开发效率，但并不能决定一款处理器芯片各项指标的先进程度。 多年前，许多人认为Intel/AMD处理器芯片的性能高是因为采用x86指令集，而ARM处理器芯片的功耗低是因为采用ARM指令集。2013年，来自威斯康辛大学麦迪逊分校的研究团队公布了他们的研究成果——对7款处理器（Intel、AMD、ARM、LoongArch等）使用26组测试程序开展量化实验分析，最终证实三条结论：（1）芯片的性能与指令集无关；（2）芯片的功耗与指令集无关；（3）芯片的性能功耗只与微架构设计实现相关。由此可见，决定一款处理器芯片先进程度的关键是微架构设计，而非指令集。一个团队如果具备处理器芯片的微架构设计与实现能力，那么甚至可以很轻松地更换指令集。我身边正好就有这样的实践案例：在2022年的全国大学生计算机系统能力大赛上，两位来自中国科学院大学的本科生展示了他们设计的一款充满创意的CPU作品——基于同一套微架构设计代码，只需设置不同的编译选项，就能指定生成一款RISC-V处理器或者一款LoongArch处理器。因此，从芯片设计角度来看，指令集似乎不那么重要；当然，从软件开发角度来看，指令集又很重要，它会影响软件生态的发展。 以上只是从众多误解中列举了三个具体的例子，却反映了大众对芯片知识的了解仍有很多不足。虽然大众十分渴望了解芯片知识，但很容易在碎片化的资料中形成错误的认识。王健老师的《了不起的芯片》一书就如一场及时雨。这是一本高级科普读物，在本书中，读者将了解到芯片究竟是怎么诞生和发展起来的，如何从沙子神奇地变出芯片，中国芯片产业的发展如何，做芯片需要掌握哪些技能……这些科普知识会让读者更好地认识芯片、理解芯片，相信每位读者都能从本书中找到自己感兴趣的内容。 包云岗 中科院计算所副所长、研究员 序二 对“集成电路”的研究，顾名思义，首先要研究“电路”，其次要研究“集成”。通过电路来建模和解决现实世界中的离散问题和连续问题，因此就有了数字电路和模拟电路。与此同时，若想将超大规模的电路集成于单硅片中，就必须把芯片越做越小，把电路越做越“微”，这也是集成电路的尺寸当量是微米、纳米级的原因。而“摩尔定律”就是这样被总结出来的，用于描述集成电路尺寸逐渐微缩化的发展历程，指导和预判微缩化的未来。 此外，如果一味地通过在二维平面平铺的方式来提高集成度，那么电子系统会遇到功耗和面积的天花板，就如同通过建很多一层的平房来增加房间数量，一定会浪费很多土地。显而易见，有效利用土地面积的绝佳途径是盖楼房，因此，近年来三维集成电路蓬勃发展。 不管是电路设计，还是电路集成，工程师都需要得心应手的工具才能完成数十亿晶体管规模、微小至纳米尺度的工程，因此EDA工具应运而生。 综上，集成电路是一门集材料、器件、工艺、制造、电路设计、算法工具于一体的综合性学科，每个环节都纷繁复杂，无一不是人类智慧的结晶。而上述所有环节背后蕴藏的问题，都能在本书中找到准确而丰富、翔实而有趣的答案，书中还有与现实生活息息相关的案例。 除了上述干货知识，本书还具有多层次的人文内涵。 第一，他山之石，可以攻玉；以史为鉴，可知兴替。本书不仅在第一篇中回顾了集成电路行业波澜壮阔的历史，还在第三篇中回忆了“中国芯”走过的筚路蓝缕，知往者之不谏，知来者之可追。 第二，纳须弥于芥子，藏日月于壶中。本书第4章通过“工业皇冠——光刻机”和“芯片中的5纳米、3纳米到底指什么”等几个广受关注的话题，充分且清晰地展现了集成电路如何将“须弥”（超大规模电路）纳于“芥子”（纳米尺度的硅片）之中，正所谓“一粒沙里有一个天堂”。 第三，见微知著，明“芯”现志。行业的蓬勃发展离不开兴旺的人才，当下，集成电路人才显得尤为重要。难能可贵的是，本书第8章从多个维度介绍了如何成为芯片设计工程师，以及如何规划自己的职业生涯，从而实现职业价值。以此期望更多学子加入集成电路行业，为“中国芯”崛起做出自己的贡献。 最后，感谢作者的邀请，非常荣幸为本书作序。希望本书能够在读者心中种下集成电路的种子，并在未来生根发芽。 邸志雄 西南交通大学信息学院电子系副系主任、副教授

第0章 绪论 1 0.1 芯片是人造物的巅峰 1 0.2 芯片是信息科技的基石 4 0.3 芯片改变生活 6 0.4 本章小结 8 第一篇 芯片的前世今生 第1章 半导体发展简史 11 1.1 半导体百科 11 1.1.1 什么是半导体 11 1.1.2 半导体和集成电路、芯片之间的区别 17 1.1.3 为什么半导体适合做芯片 18 1.2 晶体管的诞生 20 1.2.1 晶体管小史 20 1.2.2 晶体管的分类 24 1.3 集成电路的发明 27 1.4 半导体巨头的鼻祖——仙童半导体 30 1.5 摩尔定律：真的是定律吗 34 1.6 半导体舞台上的美、日、韩 37 1.7 半导体产业没有夕阳 43 1.7.1 半导体技术的发展 43 1.7.2 芯片的国产替代化和市场需求 46 1.8 本章小结 47 第2章 三分天下的指令集 48 2.1 什么是指令集 48 2.2 宝刀未老的x86 51 2.3 异军突起的ARM 54 2.4 拥抱未来的RISC-V 58 2.5 决斗吧！指令集 61 2.6 两强相争还是三分天下 64 2.7 本章小结 67 第二篇 一颗芯片的诞生 第3章 高深且艺术——芯片设计面面观 71 3.1 芯片设计流程 71 3.1.1 市场调研 72 3.1.2 架构定义 75 3.1.3 前端设计及验证 76 3.1.4 可测性设计 79 3.1.5 后端设计 80 3.1.6 SoC设计 85 3.2 EDA——芯片设计之母 86 3.2.1 EDA领域的三足鼎立 88 3.2.2 国产EDA的突围 90 3.2.3 EDA的核心 95 3.3 芯片中的上百亿晶体管是如何设计的 96 3.4 芯片设计之难 98 3.5 CPU为什么很少损坏 100 3.6 计算机如何计算1+1=2 103 3.7 CPU是如何识别代码的 110 3.8 异构集成之路 113 3.9 “X”PU芯片竞技场 115 3.10 人工智能与芯片设计 127 3.10.1 人工智能芯片设计 127 3.10.2 人工智能赋能芯片设计 132 3.11 芯片设计中的艺术 133 3.12 本章小结 137 第4章 隐秘而伟大——芯片制造 138 4.1 芯片制造流程 139 4.2 工业皇冠——光刻机 144 4.2.1 什么是光刻机 144 4.2.2 光刻机和核弹相比，哪个更难造 146 4.2.3 为什么最好的光刻机来自荷兰，而不是美国 147 4.3 芯片中的5纳米、3纳米到底指什么 154 4.4 More Moore与More Than Moore 158 4.5 本章小结 160 第5章 慎终亦如始——芯片封装与测试 161 5.1 花样百出的芯片封装类型 161 5.2 封装新贵——2.5D封装和3D封装 166 5.3 芯片是如何进行出厂测试的 168 5.3.1 芯片测试概述 168 5.3.2 芯片测试分类 170 5.3.3 芯片测试流程 173 5.4 我国的封测现状 177 5.5 军用芯片与商用芯片 179 5.6 本章小结 180 第三篇 中国的“芯”路历程 第6章 早期的中国半导体产业 185 6.1 半导体学科的发展 185 6.2 早期的光刻机 188 6.3 国内芯片制造的领航者——中芯国际 189 6.4 中国芯片商海先驱 191 6.5 半导体领域那些了不起的她 192 6.6 本章小结 199 第7章 中国“芯”再出发 200 7.1 中国半导体产业布局地图 200 7.1.1 中国的“硅谷” 201 7.1.2 长三角地区——走在前沿 203 7.1.3 环渤海地区——协同跟进 204 7.1.4 珠三角地区——稳扎稳打 205 7.1.5 中西部地区——不甘落后 206 7.1.6 台湾省——实力雄厚 206 7.2 手机厂商自研芯片 208 7.2.1 华为海思 208 7.2.2 OPPO哲库 213 7.2.3 小米玄戒 215 7.3 互联网公司逐鹿“芯”赛道 216 7.3.1 百度昆仑 216 7.3.2 阿里巴巴平头哥 217 7.3.3 腾讯 219 7.3.4 字节跳动 220 7.4 GPU赛道百舸争流 220 7.5 本章小结 223 第四篇 携手共创“芯”未来 第8章 成为芯片工程师 226 8.1 了解芯片设计工程师 226 8.1.1 芯片设计工程师的日常 227 8.1.2 芯片设计工程师的特点 229 8.2 芯片设计工程师技能树 232 8.2.1 数字芯片前端设计 232 8.2.2 数字芯片设计验证 235 8.2.3 数字芯片可测性设计 237 8.2.4 数字芯片后端设计 252 8.2.5 模拟芯片设计 255 8.2.6 模拟版图设计 258 8.3 芯片工程师的工匠精神 260 8.3.1 性能篇 260 8.3.2 面积篇 261 8.3.3 功耗篇 263 8.4 芯片工程师的职业发展路线 270 8.4.1 职业发展路线概览 270 8.4.2 技术路线 274 8.4.3 管理路线 277 8.4.4 深度工作 281 8.4.5 终身学习 284 8.4.6 架构师之路 288 8.5 热爱芯片行业是一种怎样的体验 292 8.6 本章小结 294 第9章 未来的芯片 295 9.1 生物芯片 295 9.2 碳基芯片 296 9.3 量子芯片 297 9.4 后硅时代的材料舞台 299 9.5 本章小结 301 参考文献 302