了不起的芯片

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。

本书是一本芯片科普书，内容系统全面、循序渐进。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。

王健（笔名“温戈”），毕业于西安电子科技大学，曾就职于全球芯片测试公司Teradyne，现为某芯片大厂数字芯片设计经理。成功参与多款高性能CPU、GPU、服务器等超大规模SoC芯片产品的流片。在芯片设计、可测性设计、芯片测试及应用开发等领域具有丰富的实战经验。知乎平台芯片（集成电路）、中央处理器（CPU）话题优秀答主，数码盐究员。腾讯新闻特约撰稿人，四川卫视《了不起的分享》节目嘉宾，微信公众号“OpenIC”主理人。累计创作内容高达百万字，涉及科技热点解读、芯片科普、技术分享、职场成长等主题，深受读者好评，全网关注人数超过30万，阅读量过亿。

第0章 绪论 1 
0.1 芯片是人造物的 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 

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

本书是一本芯片科普书，内容系统全面、循序渐进。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。

王健（笔名“温戈”），毕业于西安电子科技大学，曾就职于全球芯片测试公司Teradyne，现为某芯片大厂数字芯片设计经理。成功参与多款高性能CPU、GPU、服务器等超大规模SoC芯片产品的流片。在芯片设计、可测性设计、芯片测试及应用开发等领域具有丰富的实战经验。知乎平台芯片（集成电路）、中央处理器（CPU）话题优秀答主，数码盐究员。腾讯新闻特约撰稿人，四川卫视《了不起的分享》节目嘉宾，微信公众号“OpenIC”主理人。累计创作内容高达百万字，涉及科技热点解读、芯片科普、技术分享、职场成长等主题，深受读者好评，全网关注人数超过30万，阅读量过亿。

本书从工程师的视角出发介绍了半导体的前世今生，以及芯片设计工程师的成长路线和心得体会，既会让你对芯片行业有更直观的体会，也会带给你更多有意义的启发。

苏州纳芯微电子有限公司联合创始人兼CTO  盛云

本书囊括了芯片设计包含的主要步骤及生态链上所需的工具，以及国内外产业布局和竞争格局。本书适用于所有对芯片领域感兴趣的人士，它会让你对芯片设计及我国芯片行业的发展现状有相对客观且真实的了解。

EETOP创始人 毕杰

本书阅读门槛恰到好处，适合所有想了解芯片行业的读者。本书包含芯片的行业历史、开发流程、技术发展、职业分工等话题，不仅能让更多的人揭开芯片的科技面纱，也有望吸引更多的朋友从事芯片领域的工作。

路科验证创始人 路桑

本书既可以为行业外的人士了解芯片行业提供一个窗口，也可以作为有志于投身芯片研发工作的年轻学生的入门读物，还可以作为业内工程师案头的一本有趣的参考书。

上海奎芯集成电路设计有限公司市场及战略副总裁 唐睿

本书是一本芯片领域的百科全书，兼顾专业性与科普性。作者既能深入浅出地阐述专业知识，又能从宏观角度分析产业结构与技术趋势。有兴趣了解芯片、有志于加入芯片行业的青年及芯片领域的资深从业者，阅读本书后都能受益匪浅。

某公司芯片设计总监 姚华

王健是业内一线的研发人员和科普文章创作者。他从半导体的发展史、芯片的设计生产流程及未来发展趋势等多个角度，为读者揭开芯片的神秘面纱。作为一名从事芯片设计工作20余年的专业人士，我依然可以从本书中获得很多宝贵的知识和信息。

广州鸿博微电子技术有限公司CTO 宋振宇

本书语言通俗易懂，同时专业性非常强，对芯片行业各个领域的竞争格局，甚至地方产业政策都予以言简意赅的总结。对于产业链各个环节的从业者、在校师生、投资人、政府工作人员等，这都是一本总览全局的好书。

湖南越摩先进半导体有限公司CEO 谢建友

本书将历经半个多世纪风雨，依然朝气蓬勃、欣欣向荣的芯片行业写得生动有趣，字里行间充满热爱之情。这是一本既能让你收获知识，又能引发你思考的了不起的芯片书！

AMD Fellow 费君

本书作者是芯片行业从业者，同时是“知乎”平台的优秀答主，他以问答探秘的互动方式，吸引读者带着好奇心阅读，带领读者走进芯片的奇妙世界。

摩尔精英创始人兼CEO 张竞扬

作为一本芯片类的科普读物，本书对芯片领域的介绍全面且深入浅出。书中穿插了很多吸引人的历史小故事，可读性和趣味性很强，没有专业背景的人读起来也不会费力。

模拟集成电路设计领域的老兵 董志伟

本书用丰富的实例让读者更好地理解芯片设计的过程，还着重探讨了芯片设计工程师的技能要求，既是芯片设计工程师的读物，也是芯片设计爱好者的绝佳选择。

地平线副总裁、软件平台产品线总裁 余轶南

本书既有科普性，又有专业性，同时涉及芯片设计、制造等复杂技术，深入挖掘芯片技术的精髓。无论是初学者，还是专业人士，阅读后都能获得丰富的知识和启示。

中科院计算所副研究员、自媒体账号“老石谈芯”主理人  石侃