摘要：然后分别用一个数字和一个字母建立起对应关系，比如65对应大写字母A，66对应大写字母B，这样就可以用0和1的排列表达所有的英文单词。中文汉字也是一样的，英文只需要对应26个字母，而中文无非就是有多少个汉字，对应成多少个数字。

我们继续聊克里斯·米勒的《芯片战争》。

如何用0和1构建一个世界？

在讲故事之前，我们先用最简单的方式搞搞清楚，什么是芯片。

大家应该知道，计算机的运行基于二进制，最底层全部都是1和0。你有没有想过，计算机是怎么用1和0来表达世间万物的呢？

首先，怎么表达数字和文字符号？

在二进制中，一是01、二是10、三是11、四是100、五是101，以此类推就可以表达所有的数字。

然后分别用一个数字和一个字母建立起对应关系，比如65对应大写字母A，66对应大写字母B，这样就可以用0和1的排列表达所有的英文单词。中文汉字也是一样的，英文只需要对应26个字母，而中文无非就是有多少个汉字，对应成多少个数字。

然后，怎么表达图片、音频与视频？

如果你在电脑上用PS、AU、剪映这些软件就很好理解了。

一张图片其实是由若干个只有一种颜色的小方块组成的。如果一张图片的像素是500，那就是有500个色块。所有颜色都是由红绿蓝三种基本颜色构成，也就是我们在绘图软件中看到的RGB。当我们把这三个基本颜色分成从0-255的阶梯，就可以用三组数字表示出任何一种颜色，再把每个色块依次排布，就可以得到任意的一张图片。

音频的逻辑和图片也是一样的，一段声音被拆分成若干小段，每一段都有不同的振幅与频率，同样用数字加以对应，就可以用0和1进行表达。

视频就更好理解了，一段视频无非就是被连续播放的图片，我们所说的60帧视频，就是一秒钟60张图片，120帧，就是一秒钟120张图片。

接下来，电脑如何进行运算？

我们习惯十进制运算，而计算机之所以使用二进制，就是因为它处理起来更简单。

在小说《三体》中有一个情节，是冯·诺依曼穿越到秦朝，在秦始皇的号令下，3000万秦军组成了一台“人列计算机”，试图用它来解答“三体问题”。这就很形象地说明了计算机运算的底层逻辑。

二进制的运算使用到布尔代数，它把运算问题转化成了逻辑问题，基本的运算规则只有4条，“与”“或”“非”和“异或”，这里就不展开介绍了。

《三体》里的“人列计算机”，尽管人数庞大，每个人都是一个计算单元，但每个秦国士兵要其实要做的事情非常简单，两只手分别拿着红白两色灯笼，就代表0和1。只需要遵循布尔代数最基本的逻辑规则，分别举起左手或者右手就可以了。3000万人组成的人列计算机，尽管运算速度很慢，但它却可以完成复杂的运算。

以上说的这些就是为了让我们明白，无论你现在手中的智能手机，还是办公桌上的计算机，它们所呈现出来的东西多么的复杂，多么的酷炫，但它的最最底层其实就是0和1。

芯片=半导体+集成电路

使用二进制不仅运算逻辑更简单，更重要的是在物理上更容易实现。一个机械开关就可以表示，开关合上就是1，断开就是0。

之前的电子计算机就是这样，核心部件是大量的像是灯泡一样的可以被点亮或关闭的真空管。

1945年，世界上第一台通用电子计算机诞生，名叫埃尼阿克，美军本来是打算用它来计算炮弹轨迹，可等造出来二战都已经结束了，于是就用它来计算氢弹研制中的数学问题。整台计算机非常庞大，占地140平方米，有30吨重，里面装了一万八千只真空管，每一个都跟拳头一样大小。

真空管会发光吸引昆虫，需要手动的清理，而且它也跟灯泡一样会烧坏，只要坏掉一个，整台机器就没法运转，非常的不可靠。所以技术人员每天都在围着这台庞然大物，清理虫子，替换灯泡。

我们拿它和今天iphone16里的A18芯片做个简单对比。

埃尼阿克重30吨，功耗是150千瓦，非常的耗电，据说当时只要一开机，整个街区的电灯都要黯淡一些。里面有18000个真空管，每秒钟可以进行5000次加法和500次的乘法运算。

而A18芯片，峰值功耗也只有10瓦左右，指甲盖大小的硅片上集成了200亿个晶体管，每秒钟可以进行38亿次的运算。你看，这可以说是天差地别了吧。

从埃尼阿克到今天的iphone，无论是便携性，功耗还是运算速度，都是提升了几个数量级。而这巨大的进步中，有2个关键的质变跨越，那就是半导体晶体管与集成电路的发明。

就在埃尼阿克诞生的同一年，贝尔实验室有位物理学家威廉·肖克利，提出了“固态阀门”理论，这成为后来用半导体制作晶体管的理论基础。

我们所知道的绝大多数材料，要么导电，像是金属，要么绝缘，像是玻璃和橡胶。而半导体材料硅本身并不导电，如果我们往里面加磷或硼并施加电场，就可以导电。

基于此，肖克利就发明了晶体管，这是人类20世纪最重要的发明之一，他自己也因此获得了诺贝尔物理学奖，也是日后大名鼎鼎的贝尔实验室获得的第一个诺贝尔奖。

什么是晶体管？

我们想象一下：现在有一条封闭的高速公路，两边有行人都想到对面去，可没有天桥过不去。这些行人就是处于绝缘的状态下电子，动弹不得。刚才我们说半导体的特性是施加电场之后就可以导电。于是通电之后，在高速公路的上空就出现了一座人行天桥，电子可以通过了。而只要电压消失，天桥也就跟着消失。

这就是所谓的“固态阀门”。

我们经常听说的7纳米，5纳米，3纳米芯片，这个多少纳米所指的不是芯片的大小，也不是晶体管的大小，而就是晶体管内这条高速公路的宽度。那道凭空出现的人行天桥叫做“栅极”，它的长度越短，距离越近那么电流通过的路径越短，效率越高，功耗越小。

别忘了，我们刚才说，计算机的底层逻辑就是0个1。在物理上表现出来，就是一个开关的合上与断开。在此之前，人们只能用机械开关物理隔离的方式来控制电的通断。

现在有了晶体管，说到底它依然还是一个开关，我们靠电压的变化就能直接实现导体和绝缘体之间的切换，实现了用电来控制电。

这标志着人类从电气时代进入到了电子时代。

拥有贝尔实验室的美国电话电报公司并不是从事计算机业务的，它将晶体管用于放大传输电话的信号。而肖克利则相信自己的发明大有可为，于是自己成立了一家公司，招募来了一帮非常厉害的年轻人。

肖克利在科研方面是绝对的天才，但他却是一个非常难以相处的人，一个糟糕的公司管理者。没过多久，8个顶尖的工程师与肖克利的管理方式和技术路线产生了不可调和的矛盾，愤然离去，一同创立了仙童半导体公司。

这八个人可不得了，后来成为了一代传奇，被誉为美国硅谷的创始人，史称“八叛徒”。

其中有日后提出摩尔定律，用一个预言指引了未来半导体产业几十年发展的戈登·摩尔。还有一个更厉害的，是“八叛徒”的领袖，后来被称为“硅谷的市长”，他叫做罗伯特·诺伊斯。

我们再回到芯片，想要实现复杂的功能，就必须把大量的晶体管连接在一起形成电路。埃尼阿克不仅有18000个真空管，还有7万多个电容和1万个电阻，有超过500万个手工焊点。

晶体管的体积比真空管小得多，需要连接在一起的数量也多得多，如果还要用手工一个一个地焊接起来根本不现实。

诺伊斯提出了一个天才的想法：干脆把晶体管和线路直接就在一块硅片上给雕刻出来，这样无论晶体管的数量再多，体积再小，线路再复杂都可以实现，于是就有了集成电路。

而用来雕刻晶体管与线路的这把刀是光，没错，就是我们经常听说的光刻。

光刻机当然很复杂了，上期节目我们也说到了，里面有几十万个零部件。但光刻的基本原理不复杂，可以简单理解为两个步骤。

第一步，和老式的胶片电影放映机差不多。都是用光做了杠杆，电影是放大，而光刻是缩小。放电影的时候，让光线穿过一个放大镜，再穿过一层电影胶片，就可以把胶片上的图案投射到银幕上。

光刻是让一束光穿过相当于电影胶片的掩膜板，再穿过一个“缩小镜”，把掩膜板上画好的电路图投射到制作芯片的衬底，也就是晶圆片上。

第二步，在晶圆片上会涂抹一层对光线极为敏感的光刻胶，没有被掩膜版挡住的光照射到光刻胶上，就会让其发生变化，很容易被融化清洗掉。

再把晶圆片衬底放到特殊的化学溶液中进行蚀刻，没有光刻胶保护的部分就会受到腐蚀，于是电路图就被刻了上去。

所谓光刻简单来说，就是先像放电影一样把电路图投射到晶圆片衬底上，再像洗照片一样，把它给蚀刻上去，于是我们就得到了想要的芯片。说起来原理很简单，但光刻发展到今天，其复杂性和精确度，代表了人类科技的高峰。

到这里我们也就算说清楚到底什么是芯片了，就是刚才提到那两个关键的技术突破的叠加，芯片=半导体+集成电路。

半导体时代的黎明

8个年轻有为的工程师，被判了肖克利成立了仙童公司，他们都认为自己手里的芯片拥有无比巨大的潜力，但当时制造集成电路的成本是焊接电路板的50倍，谁来为他们的伟大发明买单呢？

就在诺伊斯他们成立仙童公司三天后的晚上8点55分，天空中划过的一颗“流星”预示着答案。那是苏联发射的世界上第一颗人造卫星，正在以每小时18000英里的速度环绕地球运行。

4年后，苏联宇航员加加林成为了第一个进入太空的人类，苏联连续两次震动了全世界，当然也包括美国。以世界科技超级大国自诩的美国，知道自己已经落后了，肯尼迪总统宣布了阿波罗登月计划，要与苏联展开太空竞赛。

诺伊斯立刻就意识到，自己的芯片有市场了。

登月的太空船必须搭载计算机做实时的导航计算，但如果使用当时流行的真空管，计算机得有冰箱那么大，耗电量比整艘太空船的用电量还要多，这肯定是行不通的。

美国国家航天航空局也就是NASA，发现由一群年轻工程师经营的新公司仙童有自己需要的芯片，体积小又省电，就拿来做了一系列的测试，发现相当的靠谱，喜出望外。

要知道阿波罗这种国家级别的重大计划，看重的是成败，成本根本就不重要，贵点就贵点，钱都不是问题，于是给了仙童公司一大笔订单。

多年之后，载着阿姆斯特朗登上月球表面的阿波罗11号，就是使用的仙童公司的芯片。

后来诺伊斯炫耀地说：自己公司生产的芯片，在阿波罗计划不同的计算机中累计已经运行了1900万小时，超过2200年，只发生过两次故障，而且其中一次还是搬运的时候碰坏的。足以证明其可靠性，哪怕是在外太空那样的恶劣环境之中。

随着美苏军备竞赛开始，美国军方也向仙童公司投来大批的采购订单，导弹、卫星、鱼雷、雷达，各种武器都逐步用上了芯片。

从1962年到1964年，来自NASA和美军的大量订单，短短两年时间就让仙童从一家初创公司成长为拥有超过1000名员工的大公司，销售额从50万美元飙升到2100万美元。

1965年的时候，仙童公司生产的所有芯片几乎全部都供给了美国军方，但即便有军方这棵叶茂根深的大树，仙童也并没有让自己变成完全依附于它的藤蔓。

在这里就可以看到诺伊斯和摩尔的远见卓识。他们不希望跟军方走得太近，拒绝美国国防部干涉公司的研发计划。他们眼睛盯着的是更加广阔的民用市场，幻想着民用计算机的出现与普及。

而也就是在这个时候，摩尔提出了那个在之后几十年的指导整个半导体行业发展的预言：“每过18～24个月，集成电路上可容纳的晶体管数量将翻一番，而成本保持不变”。这条精准的预言被称之为摩尔定律。

当然，直到最近几年，半导体技术的发展已经逼近了物理极限，摩尔定律也随之失效。

回到1965年，随着仙童公司芯片量产规模的增长，诺伊斯得以把芯片的售价不断地下调，从最开始的120美元，降到了20美元，然后又降到了2美元。甚至有时候为了让更多的客户愿意尝试，不惜低于制造成本出售产品。

芯片售价的不断降低，终于打开了民用市场。此后10年，美国个人计算机的年销量增长了18倍。1966年，一家计算机公司一口气向仙童订购了2000万只芯片，这可是整个阿波罗计划的20倍。

此时，民用计算机行业采购的芯片已经和军方一样多，而80%的芯片都来自仙童。可以说是仙童公司一手推动了芯片的民用化，他们也在这个自己亲手打开的市场中获得了丰厚的回报。

后来摩尔骄傲地回忆说，当年诺伊斯的降价推广策略，和他发明集成电路是同样重大的创新！

有技术，有市场，美国整个半导体行业被完全激活，风险投资纷纷涌入初创公司。

但是，仙童公司在创立的时候拉了投资，公司一直都归东海岸的一位百万富翁所有，他给员工丰厚的薪酬，但不愿意分享股票期权。这帮有能力的年轻人谁又不想借着这波浪潮发大财呢？

最终，公司解体，当年的“八叛徒”开枝散叶，纷纷创立了自己的公司，其中诺伊斯和摩尔成立的那家公司叫做英特尔。

那个时代给予他们的，比自己所预想的还要多，还要好，他们真的都发了大财，也成就了硅谷。

美国又一次走在了世界的前列，而挑战也随之而来，苏联人也以“举国之力”，建造了自己的“硅谷”要与美国一争高下。

后来怎么样了呢？我们下期节目接着聊。

来源：晓书童频道