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你手中握着的智能手机，或许是人类工程史上“最密集”的奇迹之一。把它拆开，找到那枚指甲盖大小的主芯片。显微镜下，你会看到一座“微观城市”：亿座“建筑”层层叠叠，千万条“街道”纵横交错，一群被称为“电子”的居民在其中日夜奔流，以接近光速的速度传递信息。

半个多世纪以来，为了让这座城越来越大、越来越快，人类遵循着一个看似简单的法则：把城里的每一栋“建筑”，也就是晶体管，做得尽可能小——这便是著名的摩尔定律。不过就在前两日，一个由中国企业提出的全新概念——“韬（τ）定律”，正在向这套统治了六十年的“霸权”发起挑战。今天，不妨来了解一下这座“微观城市”的建造史。

来源：东方IC

开天辟地晶体管取代庞然大物

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要理解芯片，首先要理解晶体管，而要理解晶体管，就得回到一个更早的年代。1946年，世界上第一台通用计算机ENIAC诞生。它重达30吨，占地170平方米，“肚子”里塞满了近1.8万根真空管。这台庞然大物，第一次让人类看到了电子计算的曙光。

一年后，贝尔实验室的三位科学家——巴丁、布拉顿和肖克利——发明了一种全新的电子开关：晶体管。它不需要加热灯丝，不需要巨大的玻璃管壳，靠的是一小块半导体材料就能实现真空管的全部功能。更重要的是，它不仅小巧，而且可以大规模、低成本地制造。

1959年，德州仪器工程师杰克·基尔比做出了一个划时代的创举：他把好几个晶体管连同电阻、电容一起，做在了同一块半导体材料上。这就是世界上第一块集成电路，芯片的雏形就此诞生。随后，仙童公司发明了平面制造工艺，让芯片的大规模量产成为可能。

“瘦身”竞赛摩尔定律统治的时代

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1965年，英特尔联合创始人戈登·摩尔在《电子学》杂志上发表了一篇文章。他观察到一个规律：集成电路上可容纳的晶体管数量，大约每两年就会翻一倍。这个预言后来被称为“摩尔定律”。它的影响是革命性的：每隔一两年，同样大小的芯片上可以塞进多一倍的晶体管，算力翻倍。

于是，一场席卷全球的“晶体管瘦身竞赛”正式打响——1971年，英特尔推出了世界上第一款微处理器4004，上面集成着2200多个晶体管，每个晶体管的尺寸大约是10微米；1993年，奔腾处理器问世，晶体管数量迈过300万大关；到了2023年，苹果的M2 Ultra芯片已经集成了1340亿个晶体管……如今最先进的制程已经推进到3纳米甚至2纳米。

这股疯狂的“瘦身动力”，驱动着人类手机从“砖头”变成“掌上电脑”，驱动着互联网、AI和万物互联的全面到来。有专家点评说，摩尔定律是过去六十年人类科技文明最重要的引擎之一。

资料图：2025世界人工智能大会上，展商展示其芯片与算法摄影：陈梦泽

前方“拥堵” 当“瘦身”已无路可走

然而，“竞赛”终有尽头。为什么晶体管不可能无限缩小？答案藏在最基本的物理学里——

晶体管像一个微型的“水龙头”，通过一个叫“栅极”的开关来控制电流的通过。制程越先进，栅极长度（或晶体管的沟道长度）就越短。

当一个晶体管小到栅极的绝缘层只有几个到十几个原子厚时，问题出现了：栅极下方的绝缘层变得极薄，薄到部分电子失控。这意味着，当晶体管缩到原子尺度，整个物理规则都变了，经典的控制方式彻底失效。

不仅是物理极限，还有经济极限。建设一条先进制程的生产线，成本高得令人咋舌。一座3纳米晶圆厂的建设费用超过百亿美元；5纳米芯片的设计成本超过5亿美元。如此巨大的投资，能换来多少性能提升呢？答案是：制程越先进，继续“瘦身”的性价比正在断崖式下跌。

当下，晶体管的“几何缩微”之路正在同时撞上物理的南墙和经济的冰山。一个所有人都心知肚明的问题浮出水面：摩尔定律见顶之后，芯片性能还能靠什么继续提升？

换条赛道 “瘦身”到“提速”的思维革命

今天，故事来到“韬定律”——别让晶体管瘦身了，改成让信号跑得更快。这就是“时间缩微”替代“几何缩微”的核心含义。

值得关注的是，当摩尔定律这棵大树生长速度放缓，全球半导体产业的创新力量正在多个方向上“开枝散叶”——其中一个热门的方向叫“芯粒技术”，它的思路是，与其把所有功能都挤在一颗超大芯片上，不如把它们拆成一个个“积木块”，最后用先进封装技术把它们“拼”在一起；还有一个方向是硅光子技术，科学家的设想是，用光来取代电，作为芯片之间，乃至未来芯片内部的高速通信方式，从而实现超高速、低功耗的数据传输；此外，新材料探索也在如火如荼地推进——人类正在寻找硅材料的接班者。

来源：东方IC