芯片发展简史

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来源：本文 编译自 techtarget ，谢谢。

半导体是现代科技的基础，广泛应用于汽车、笔记本电脑、医疗设备和智能手机等日常电子设备中。

半导体是一种材料，通常指硅，它可以作为导体或绝缘体，是计算机和其他电子设备的基础。该术语现在广泛用于集成电路。

使电流流动的物质称为导体，而减少电流流动的物质称为绝缘体。半导体介于导体和绝缘体之间，其特性介于导体和绝缘体之间。半导体可以在需要时阻断和传导电流，就像一个开关。

近几十年来，随着智能手机和计算机等技术的发展，半导体的重要性日益凸显。随着科技扩展到现代生活的各个领域，全球经济越来越依赖于先进芯片的稳定供应。随着人工智能、电动汽车、风力涡轮机等技术的出现以及5G网络的发展，半导体通过制造用于存储数据、控制电子信号和处理信息的晶体管、集成电路和组件，成为创新的基础。

半导体的早期发展（19 世纪至 20 世纪 40 年代）

尽管第一个实用的半导体直到 1947 年才由贝尔实验室的约翰·巴丁、沃尔特·布拉顿和威廉·肖克利发明，但可以追溯到 19 世纪初的早期发展和观察为半导体的诞生奠定了基础。

1821年，德国物理学家托马斯·约翰·塞贝克发现两种不同金属之间的温差能够产生电压。这种现象被称为塞贝克效应，它通过强调不同材料的不同特性值及其对温度的响应，间接促成了半导体的发明。

1833年，英国科学家迈克尔·法拉第（电容单位法拉（F）以他的名字命名）在研究中发现，硫化银的电导率随温度升高而增加。

1874 年，德国电气工程师 Karl Ferdinand Braun 发现了第一个半导体整流效应；将交流电(AC) 重新定向为直流电 (DC)的过程。

1901年，印度物理学教授贾格迪什·钱德拉·博斯（Jagadish Chandra Bose）申请了第一个使用晶体探测无线电波的半导体整流器的专利。

1906年，李·德·福雷斯特发明了三极真空管（Audion），它增强了微弱信号并控制了电流。Audion为无线电和电话技术的发展奠定了基础。

1927年，美国电气工程师朱利叶斯·利利菲尔德（Julius Lilienfeld）申请了场效应半导体器件的专利。该器件基于硫化铜的半导体特性。

20世纪30年代。20世纪30年代量子力学的出现奠定了半导体的理论基础，并解释了如何操纵材料来制造集成电路等器件。1931年，艾伦·威尔逊出版了《电子半导体理论》。

1940年，拉塞尔·奥尔发现了pn结（p型半导体和n型半导体的连接点）以及硅中的光伏效应。这一发现揭示了硅独特的电学特性，这对于晶体管的制造至关重要。

晶体管的发明

1947年，贝尔实验室的约翰·巴丁、沃尔特·布拉顿和威廉·肖克利发明了点接触晶体管，标志着半导体创造史上的一个重要时刻。

1956年，贝尔实验室的团队凭借这颗首个功能性晶体管荣获诺贝尔物理学奖。该奖项表彰了他们“在半导体领域的研究以及晶体管效应的发现”。这个小小的器件能够操控电信号，彻底改变了电子学的格局，其影响至今仍在我们身上体现。

该晶体管由锗基座、两个金箔触点和一个将各个元件固定在一起的塑料三角形构成。它充当电子开关，放大电信号，并且工作时功耗远低于真空管。

点接触晶体管的发明在半导体历史上具有举足轻重的地位。晶体管是现代计算机的基础，并推动了电子设备的小型化。

转向硅

虽然早期晶体管使用的是锗，但硅的使用标志着半导体历史上的一个关键时刻。20世纪50年代之前，人们通常使用锗而不是硅，因为硅具有以下不稳定的特性：

• 与强碱有较高的反应性。

• 暴露在空气中就会氧化。

• 对电离辐射的敏感性。

• 易受电磁干扰。

• 热膨胀。

虽然这些不稳定的特性最初促使制造商转向锗，但最终硅的丰富性和低成本使其成为工业的有效材料。1954年，贝尔实验室的化学家莫里斯·塔南鲍姆（Morris Tanenbaum）利用生长结技术（一种在制造过程中将P型和N型杂质混合到单晶中的技术）制造出了第一个硅晶体管。同年晚些时候，德州仪器的戈登·蒂尔（Gordon Teal）独立制造出了第一个商用硅晶体管。虽然塔南鲍姆是第一个发明硅晶体管的人，但真正将这项发明商业化的却是德州仪器。

众所周知，在 1954 年的无线电工程师协会全国会议上，戈登·蒂尔 (Gordon Teal) 宣布：“与我的同事告诉你们的有关硅晶体管黯淡前景的说法相反，我手里恰好有几个这样的晶体管。”

虽然硅确实存在一定的挑战，但它比锗有几个优势，包括：

• 更好的氧化物形成能力（这对于集成电路至关重要）。

• 自然界更加丰富。

• 更高的热稳定性。

• 更稳定和可预测的电气特性。

• 可承受更高的电压。

• 尽管德州仪器很快就与雷神等公司联手将硅晶体管商业化，但德州仪器的早期起步确立了其在半导体行业的主要参与者地位。

集成电路的发展

1958年，德州仪器的杰克·基尔比（Jack Kilby）和仙童公司的罗伯特·诺伊斯（Robert Noyce）开发出第一块集成电路（IC）。这促使它们在20世纪60年代得到广泛应用和商业化生产。

集成电路 (IC) 是一种小型器件，将晶体管、电阻器和电容器等元件集成到一种半导体材料上。1958 年之前，人们使用真空管代替集成电路，但真空管不节省空间，而且运行需要大量电力。

集成电路具有许多关键优点，其中包括：

• 性价比高。

• 增强可靠性。

• 更高的设计灵活性。

• 提高了性能。

• 节省空间。

1965年，英特尔联合创始人戈登·摩尔提出了摩尔定律。摩尔观察到，每24个月，集成电路上的晶体管数量就会翻一番，而成本则会减半。这一观察意义非凡，因为它展现了半导体进步的速度，并推动了半导体行业的投资。如今，尽管速度略有放缓，但摩尔定律仍然基本成立。

微处理器时代

微处理器是一种半导体，具体来说是一种单个半导体芯片。它是一种集成电路，充当计算机的中央处理器（CPU）。它在单个芯片上包含数百万个晶体管，执行计算机程序的基本操作。微处理器的工作原理是解码指令，然后执行计算。如今，微处理器每秒可以执行数十亿次运算。

1971年，英特尔推出了首款商用微处理器4004。到1978年，该公司又推出了8086处理器。与之前的处理器不同，8086能够处理更大的数据块，并且运行速度更快。8086开启了“x86”处理器系列，该系列处理器至今仍在为计算机提供动力。

微处理器的发展极大地影响了半导体行业，它使个人电脑更加强大、更加实用。微处理器的出现也为半导体行业开辟了新的市场，包括存储芯片和接口电路。从本质上讲，微处理器的发明促进了全球对半导体的需求增长。

现代半导体产业

21 世纪初，随着个人电脑成为现代生活必需品，以及智能手机推动移动处理器需求的兴起，半导体行业持续呈指数级增长。随着技术发展，消费者对更长电池寿命、更高功率和更小尺寸设备的需求也随之转变，电源效率成为芯片设计的核心。动态电压、睡眠状态和高效晶体管设计等节能技术通过降低能耗，帮助人们应对技术挑战。

云计算同样影响了半导体行业，尤其是在芯片需求方面。随着数据中心的扩张和对专用处理器的需求，能够处理更大量数据的内存芯片以及支持更快连接的网络处理器变得至关重要。

云计算时代也为半导体行业创造了新的市场。亚马逊和微软等公司成为了重要的芯片买家。其他云计算公司开始设计自己的芯片，随着创新蓬勃发展以满足需求，新型内存和存储芯片应运而生。

如今，人工智能已成为半导体行业的重要参与者。对人工智能驱动硬件的需求空前高涨，德勤预测，到2025年，新一代人工智能芯片的价值将达到1500亿美元。预计未来几年将迎来新的增长周期，Yole集团首席分析师Pierre Cambou预测，得益于人工智能和机器学习等数字化转型，到2030年，半导体行业将达到1万亿美元的市场规模。

截至 2025 年 4 月，根据 Statista 的数据，最大的半导体制造商有：英伟达、博通、台积电、三星和阿斯麦。

半导体行业的行业挑战

随着半导体行业的发展，它面临着多项挑战，其中包括：

供应链脆弱性。半导体行业依赖于供应链，而由于制造业高度集中在亚洲，供应链可能存在波动。关键材料的供应商数量有限，而且设备和材料的交货周期较长，需求量很大。

地缘政治紧张局势。由于制造业转移到海外，任何形式的地缘政治紧张局势都可能损害该行业。新的关税、供应链中断以及成本上升正在影响制造商和消费者。中美贸易限制和技术管控正在改变市场动态，并带来诸多不确定性。地缘政治紧张局势也体现在半导体主权竞争和出口管制法规的加强上。

环境挑战。半导体制造涉及高能耗。据麦肯锡公司称，一家典型的半导体制造厂一年的耗电量相当于5万户家庭的用电量。生产还涉及大量的用水和化学废物管理。极端天气条件也可能扰乱生产，并损害半导体芯片的全球供应链。

https://www.techtarget.com/whatis/feature/The-history-of-semiconductors-and-the-chip-making-industry

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