图说芯片技术60多年的发展史（中篇）

来源：芯论语

前言：上篇简述了188年前，在长达114年的时间里，科学家开始逐步发现、认识和研究了半导体，也简述了电子管、晶体管、集成电路、以光刻为核心的硅平面加工技术、CMOS电路、非挥发存储器、单管DRAM等重大发明。在晶体管发明后的20多年里，这些发明为芯片技术快速发展打下了基础，为芯片技术沿着摩尔定律前行铺平了道路。此文为中篇，介绍从1970年开始，芯片技术日新月异的发展历史。

1971年，美国Intel公司推出全球第一个微处理器4004芯片。它是一个4位的中央处理器(CPU)芯片,采用MOS工艺制造，片上集成了2250个晶体管。这是芯片技术发展史上的一个里程碑。同年，Intel公司推出1kb动态随机存储器(DRAM)，标志着大规模集成电路(Large Scale Integrated circuits，LSI)出现。

图25.Intel 4004 CPU芯片的显微照片

和封装后的外观图

1974年，美国RCA公司推出第一个CMOS微处理器1802芯片。它是一个8位的CPU芯片,首次采用了CMOS电路结构，处理器的耗电量要小很多。RCA 1802是第一款应用在航天领域的微处理器，例如，Viking、Galileo和 Voyager等航天项目都应用了该芯片。

图26.RCA 1802 CPU芯片的显微照片

和封装后的外观图

1976年，16kb DRAM和4kb SRAM问世。

1978年，Intel发布了新款16位微处理器8086，x86世代王朝创立。Intel 8086上集成了约4万个晶体管，采用 HMOS工艺制造，+5V电源，时钟频率为4.77MHz～10MHz，外部数据总线均为16位，地址总线为4+16位。在8086推出不久，Intel还发布了其变化版本8088。Intel 8086开创了x86架构计算机时代。x86架构是一种不断扩充和完善的CPU指令集，也是一种CPU芯片内部架构，同时也是一种个人计算机(PC)的行业标准。

图27.Intel 8086 CPU芯片的显微照片

和封装后的外观图

也是在1978年，64kb动态随机存储器诞生，不足0.5平方厘米的硅片上集成了多达15万个晶体管，线宽为3微米。标志着芯片技术进入了超大规模集成电路(Very Large Scale Integrated circuits，VLSI)时代。

以x86命名的桌面计算机的时代。Intel公司基本上每3～4年推出一款创新的微处理器。早期以8086、80186、80286、80386、80486为代表，Intel CPU芯片基本主导了台式计算机和笔记本电脑的天下，PC型号大多数以CPU的名称来命名，例如286、386、486等。Intel CPU代表全球最先进芯片技术，也引领了芯片前沿技术的发展方向。

图28. Intel 80286/386/486 CPU芯片

的显微照片和封装后的外观图

1980年，日本东芝(Toshiba)公司的舛岡富士雄(Fujio Muoka)发明了NOR 闪速存储器(NOR Flash Memory)，简称NOR闪存(NOR Flash)。1987年，他又发明了NAND闪速存储器(NAND Flash Memory)，简称NAND闪存(NAND Flash)。

图29.日本东芝的舛岡富士雄发明Flash

1981年，IBM基于8088推出全球第一台个人计算机(PC)。第一台IBM PC用的Intel 8088主频为4.77MHz，操作系统采用Microsoft的MS-DOS。有人评价说PC的历史就是IBM80年代的历史。IBM PC的研制项目主管是唐.埃斯特利奇(Don Estridge)，他被誉为是IBM PC之父。

从IBM PC机开始，PC真正走进了人们的工作和生活，它标志着计算机应用普及时代的开始，也标志着PC消费驱动芯片技术创新和产业发展的时代开启。也是在1981年，256kb DRAM和64kb CMOS SRAM问世。

图30.埃斯特利奇与最早的IBM PC

1982年，Intel推出80286微处理器(图28)。

1984年，日本宣布推出1MbDRAM和256kb SRAM。

1985年，微软公司推出Windows操作系统。早期的Windows1.X、2.X和3.X可以说是MS-DOS的图形界面外壳软件。1995年，微软公司推出Windows 95后，逐步以Windows取代了之前15年采用的MS-DOS底层系统。后来，微软公司与Intel公司强强联合，形成所谓的Wintel计算机架构，大大促进桌面计算机普及，全球网络化、信息化也大力促进了芯片产业的发展。也是在1985年，Intel推出80386微处理器(图28)。

1988年，Intel看到闪存(Flash)的巨大潜力，推出了首款商用闪存芯片，成功取代了EPROM产品，主要用于存储计算机软件。也是在1988年，16M DRAM问世，1平方厘米大小的硅片上可集成约3500万个晶体管，标志着芯片技术进入了特大规模集成电路(Ultra LargeScale Integrated circuits，ULSI)阶段。

1989年，Intel推出80486微处理器(图28)。1Mb DRAM进入市场。

1992年，64Mb随机存储器问世。

1993年，Intel推出奔腾CPU芯片，计算机的“奔腾”时代到来。在Intel 80486推出四年之后，人们预测80586 CPU即将推出。但Intel公司1993年向用户展示的是新的CPU系列，命名为奔腾(Pentium)。奔腾CPU每个时钟周期可以执行两条指令，在相同时钟速度下，奔腾CPU执行指令的速度大约比80486快五倍。

图31. Intel奔腾CPU芯片的显微照片

和封装后的外观图

奔腾CPU经过四代升级后，Intel推出了新系列的奔腾CPU。1997年Intel开始推出奔腾Ⅱ系列CPU芯片；1999年Intel开始推出奔腾Ⅲ系列CPU芯片；2000年Intel开始推出奔腾Ⅳ系列CPU芯片。每种奔腾产品都有几代的升级版本或者特色款式。

图32. Intel奔腾Ⅱ/Ⅲ/Ⅳ CPU芯片的显微照片

和封装后的外观图

1994年，由于集成1亿个元件的1G DRAM的研制成功，标志着芯片技术进入了巨大规模集成电路（Giga Scale Integrated circuits，GSI）时代。

1997年，IBM公司开发出芯片铜互联技术。当时的铝互连工艺对180nmCMOS而言已不够快。IBM最初的研究，铜的电阻比铝低40%，导致处理器速度暴增15%以上，铜的可靠性更是比铝高100倍。在1998年生产出第一批PowerPC芯片时，与上一代300MHz的PowerPC芯片相比，铜互连版本速度提高了33%。也是在1997年，Intel开始推出奔腾Ⅱ系列CPU芯片(图32)。

图33. IBM公司开发出芯片铜互联技术

1999年，胡正明教授开发出了鳍式场效晶体管(FinFET)技术。他被誉为是3D晶体管之父。当晶体管的尺寸小于25nm时，传统的平面晶体管尺寸已经无法缩小，FinFET的出现将晶体管立体化，晶体管密度才能进一步加大，让摩尔定律在今天延续传奇。

这项发明被公认是50多年来半导体技术的重大创新。FinFET是现代纳米电子半导体器件制造的基础，现在7nm芯片使用的就是FinFET设计。2016年5月19日，美国总统奥巴马在白宫为2015年度美国最高科技奖项获得者颁奖，其中包括FinFET的发明者胡正明教授。胡教授还获得了2020年IEEE最高荣誉奖章。也是在1999年，Intel开始推出奔腾Ⅲ系列CPU芯片(图32)。

图34. FinFET技术的发明人胡正明教授

2000年，Intel开始推出奔腾Ⅳ系列CPU芯片(图32)。同年，1Gb RAM投放市场。

Intel酷睿CPU时代来临，多核心CPU登上历史舞台。 “奔腾”处理器时代长达12年，之后的2006年1月，Intel推出了命名为“酷睿”(Core)的微处理器芯片，开始时Core CPU主要用于移动计算机，上市不久即被Core2系列取代，后续推出了Core i3、Core i5、Core i7和Corei9等多核心CPU系列。

2006年1月，Intel Core Solo和Core Duo上市，8月Intel就推出了桌面版和移动版的2核心的酷睿2，型号是Core2 Duo，采用了65nm的工艺制造。

2007年，苹果公司推出iPhone手机，树立了智能手机的样板。从此之后，智能手机都以平板+触屏的面貌出现。它促进了移动智能终端(包括智能电话、平板电脑等)的普及，对移动互联网产业发展起到重要的促进作用。之后，移动互联网逐步替代桌面互联网，成为了驱动芯片产业发展的主要力量。详见【芯论语】科普：图说芯片技术60多年的发展史（下篇）。

2008年，Intel推出4核心的酷睿2，型号是Core2 Quad，采用了45nm的工艺制造。

2010年，采用领先的32nm工艺Intel酷睿i系列全新推出，其中包括Corei3系列(2核心)、Core i5系列(2核心、4核心)、Core i7系列(2核心、4核心和6核心)、Core i9(最多12核心)系列等，下一代22nm工艺的版本也陆续推出。

图35. Intel酷睿(Core)系列CPU的全家福

(2013年留影)

图36. Intel酷睿(Core)系列多核心CPU举例

2011年，Intel推出了商业化的FinFET工艺，用在了其22nm的工艺节点。

桌面电脑CPU芯片二哥，AMD公司神一样地存在着。AMD公司立于1969年，AMD从血缘来讲应该是Intel的族弟，在50多年的发展中，他与Intel很好地比肩而行。Intel作为全球CPU芯片老大，偶尔欺负一下老二AMD也鲜有成功，更不敢有灭掉族弟的念头。客观上AMD的存在让Intel没有了行业垄断之嫌，这是Intel最看重的。

两家公司沿着x86路线同向而行，在技术努力创新，互相借鉴，对芯片技术发的发展做出了贡献。Intel和AMD的芯片发展历程可以用他们的桌面CPU天梯图简要表达。

图37. Intel和AMD桌面电脑CPU天梯图

2012年，三星发明了堆叠式3D NAND Flash，芯片技术迎来了3D时代。2013年推出第一代24层3D NAND闪存芯片，2014年推出第二代32层V-NAND芯片。

图38.三星前两代3D NAND Flash技术比较

2018年，Intel推出的服务器CPU芯片Xeon W-3175X，采用14nm工艺制造，28核心56线程，主频3.1～4.3GHz，三级缓存38.5MB，内存支持六通道DDR4-2666 ECC/512GB，封装接口LGA3647，搭配芯片组C621，售价高达2999美元(2万多元人民币)。

图39. Intel Xeon W-3175X 28核心的

服务器CPU举例

未完待续。

后记：1970～2010年的40年间，芯片产业链全球化分工协作良好，芯片技术发展快速。CPU、PC机、大规模存储器的发明，拉开了全球计算机化和信息化大幕，Wintel计算机架构形成，桌面互联网成为了拉动芯片技术进步和产业发展的主力。Intel CPU成为芯片技术进步的旗帜，先后经历了x86 CPU的升级，奔腾CPU的迭代，目前是酷睿CPU技术的不断创新。与Intel CPU比肩发展的AMD CPU也是神一样的存在，对芯片技术发展也起到了促进作用。摩尔定律预言的芯片发展规律在这期间很好地被验证。

下篇主要介绍移动互联网拉动芯片技术进步和产业发展的历史。

参考资料：

1.蔺晓峰，风风雨雨38年 英特尔桌面处理器发展史，中关村在线：https://biz.zol.com.cn/45/454098.html，2006.11.14

2.Andrew Huang，電腦達人養成計畫 2-6：中古前期 CPU 發展史，网站：https://isite.tw/2016/01/26/14760，2016.1.26

3.Andrew Huang，電腦達人養成計畫 2-7：中古時代後期 CPU 發展史 (上)，网站：https://isite.tw/2016/01/27/14785，2016.1.27

4.Andrew Huang，電腦達人養成計畫 2-8：中古時代後期 CPU 發展史 (中)，网站：https://isite.tw/2016/01/28/14819，2016.1.28

5.Andrew Huang，電腦達人養成計畫 2-9：中古時代後期 CPU 發展史 (下)，网站：https://isite.tw/2016/01/30/14850，2016.1.30

6.红巨星，CPU、SOC芯片图dieshot收集，知乎：https://zhuanlan.zhihu.com/p/114554933，2020.11.23

7.QbitAl，3D晶体管之父胡正明获IEEE最高荣誉，他是台积电前CTO，为摩尔定律续命十几年...，CSDN博客：https://blog.csdn.net/QbitAI/article/details/104765123，2020.3.9

8.摩尔芯闻，一文看懂3D NAND Flash，搜狐：https://www.sohu.com/a/110141175_465984，2016.8.11

9.王新兵，深入了解存储系统之闪存 （FlashMemory），知乎：https://zhuanlan.zhihu.com/p/28347814，2017.8.7

10. DOIT学院，1967年至今，闪存的发展史，搜狐：https://www.sohu.com/a/333668728_120172415，2019.8.14

11.爱活网，酷睿i9-10900K处理器首测：游戏之巅不胜寒，看点快报：https://kuaibao.qq.com/s/20200520A0PBKT00?refer=spider，2020.5.20

12.李博潮，8核5960X配DDR4 Intel Haswell-E首测，中关村在线：https://cpu.zol.com.cn/475/4755866_all.html?_t_t_t=0.7139762167843171，2014.8.30