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回顾英特尔半世纪的经典创新
半导体问世一甲子

【作者: 籃貫銘】2018年06月26日 星期二

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1958年8月,任职於美国德州仪器(Texas Instruments)的Jack St. Clair Kilby率先做出了世界第一颗积体电路,正式迎来了IC商业市场的发展,同时也开启了半导体的时代。十年後,1968年7月18日,英特尔(Intel)成立,几??主宰了接下来近50年的半导体市场。



图1 : 英特尔8080处理晶片被称为二十一世纪最重要的产品,它实现了个人电脑市场。(source:英特尔)
图1 : 英特尔8080处理晶片被称为二十一世纪最重要的产品,它实现了个人电脑市场。(source:英特尔)

而作为当今IC市场的龙头,英特尔在半导体技术上的创新可说是至今无人项背,包含创新了微处理器的设计,定义了行动处理器的架构,3D记忆体架构的研发,尽管目前的声势不若以往,但其在技术上的领导地位,依旧坐得稳稳的。


英特尔是由罗伯特诺伊斯(Robert Norton Noyce)、高登摩尔(Gordon Earle Moore)和安迪葛洛夫(Andrew Stephen Grove)所共同创立,当时的公司名字是「整合电子(INTegrated Electronics)」,主要生产SRAM晶片。後来因为商标专利的问题,改名为Intel。


世界首款单晶片微处理器

以记忆体制造起家的英特尔,对於半导体一直有着更大的梦想,尽管记忆体事业成功,但丝毫没有停止过在先进技术上的追求。


1971年,英特尔在知名的物理学家Federico Faggin的带领下,制造出世界第一颗商用的微处理器━4004。4004是一款4位元的处理器,尺寸为3mm×4mm,有16只针脚,内有2,300个电晶体,使用10微米制程。但五个月不到,英特尔就迅速推出了下一代产品━8008,世界第一款8位元的处理器。



图2 : 奔腾(Pentium)处理器问世,开创了「Intel inside」的时代。(source:英特尔)
图2 : 奔腾(Pentium)处理器问世,开创了「Intel inside」的时代。(source:英特尔)

根据英特尔的说法,对於微处理器,Faggin一直有着更大的想像,也就是希??研发出真正的「单晶片(Single chip)」处理器。之前的4004和8008其实都只是元件等级(四个晶片的组合),不是真正的单晶片设计。因此他与团队都不停的钻研单晶片架构的可能性。


1974年,一颗扭转英特尔与电脑世界的处理器晶片正式问世━英特尔8080。这颗被称为二十一世纪最重要的产品,具备了8位元的处理能力,它整合了6000个电晶体,每秒能进行29万次运算。史上第一台成功的商业电脑Altair 8800就是基於8080所开发,而这部电脑後来成为微软成功的基础。


Federico Faggin说:「8080真正创造出了个人电脑市场。」「4004和8008暗示了这个时代将来临,但8080实现了它。」


而8080问世後,也为了英特尔带来了空前的获利,不仅一举弭平了先前投入开发的投资,甚至超过了其记忆体销售业务,更让英特尔拥有了开发新市场的能力,朝着成为一家足以撼动全球半导体市场的龙头企业前进。


揭幕行动运算时代

8080成功量产後,後续英特尔的产品研发可说是一帆风顺,不停在处理器技术上突破,除了运算性能持续倍增,晶片的整合度也不断提高。其中包含16位元的8086处理器,32位元的80386(x86架构,开始使用快取记忆体),以及後来「Intel inside」时代的奔腾(Pentium,1992年)处理器。


到了奔腾时代,英特尔可以说是已经主宰了个人电脑市场,其处理器晶片组在运算能力与整合能力上,遥遥领先其他的竞争对手,几??成为桌上型电脑处理器的代名词。


而在同样的时间点,IBM发表了第一部以「ThinkPad」为名的笔记型电脑ThinkPad700C。这个产品线的诞生不仅开创出一个新的个人电脑市场,同时也为处理器的发展带来第二条路。


在此之前,英特尔的处理器架构主要是针对桌上型电脑所设计,其核心的技术理念就是高效率与高性能,对於电耗与晶片体积并没有太多的着墨。但随着笔记型电脑的推出,英特尔也开始注意到其独特的使用需求,尤其是在低功耗的考量,因此也着手发展专门提供行动电脑使用的处理器。


另一方面,笔记型电脑的问世也加速了无线网路技术的发展,尤其是Wi-Fi技术的演进。1997年,802.11规范正式提出,紧接着在1999年,产业界便成立了Wi-Fi联盟,以解决802.11标准产品的生产和相容性问题。接着802.11a和802.11b各自在1999年里被提出,而无线网路的应用也开始雨後春笋。


2003年1月8日,英特尔发表了一个专门针对笔记型电脑所设计的全新处理器架构━迅驰平台(Centrino),该构架包括了代号为Banias的Pentium-M行动处理器、Intel855晶元组,以及一个具备802.11b/a连线的WLAN网路接收器。



图3 : 英特尔的迅驰平台(Centrino)为笔记型电脑代带来了全新的使用体验(source:英特尔)
图3 : 英特尔的迅驰平台(Centrino)为笔记型电脑代带来了全新的使用体验(source:英特尔)

尽管无线网路的传输速度并非顶尖,但其行动处理器优异的电耗控制,以及精巧的晶片组体积,完完全全符合笔记型电脑的使用需求,不仅延长了笔电的使用时间,也让制造商可以设计更轻薄的笔电,几??可以说是为行动运算时代带来了最隹的解决方案。而此後,笔记型电脑也成为了英特尔的天下。


探索量子电脑的商业可能

在摩尔定律的推动下,英特尔的处理器技术不断在性能上精进,一代比一代强大,即便是微缩制程受到挑战而转往多核心技术发展,英特尔也没有减弱其在处理器性能上的推动。然而,处理器性能的快速提升,最终导致了性能过剩的局面,个人电脑市场的高成长时代,也随之进入尾声。


另一方面,而随着半导体制程的持续演进,让晶片的尺寸越来越小,性能也越来越强大,再加上无线网路技术的不断发展,网路几??可说是无所不在,而这些技术的整合,迎来了智慧型手机的时代,这也成为英特尔的最大挑战。


虽然在个人电脑市场上取得成功,但面临需要超低功耗的智慧手机市场,英特尔却始终无法跨入,也因此公司的成长遭遇了史无前例的挑战。为此,英特尔被迫进行了大规模的裁员,并将事业重心从原来的PC转往其他的领域,如:人工智慧、物联网、5G和汽车等。



图4 : 今年的CES展上,英特尔发表了49超导体量子位元(qubit)的测试晶片。(source:英特尔)
图4 : 今年的CES展上,英特尔发表了49超导体量子位元(qubit)的测试晶片。(source:英特尔)

然而,物联网和5G应用产生了庞大的数据与资料,而人工智慧也对运算性能的需求有更高一层次的需要,这两者相加促使了市场对於超级电脑的需求逐渐加温,於是量子电脑开始揭开了它的面纱。


不同於传统电脑,量子电脑的运算架构采用量子位元(quantum bits; qubits),它允许在同一个时间下存在不同的状态,因此可以有同时处理非常大量且复杂运算的潜力,因此被视为人工智慧最隹的处理器解决方案。


然而,量子电脑要商业化仍有许多挑战,其中一个是物理条件,它必须要在零下460度才能运行;另一方面,由於量子晶片并不包含电晶体,必须要透过RF讯号来运行,因此在生产制程上完全不同於目前的半导体,因此目前的成本也难以估计。


但看好量子电脑的发展潜能,英特尔在2015年就着手投入量子电脑的研发,虽然比IBM晚起步,但在商业化的进展却十分快速。在今年的CES展上,英特尔就发表了一款代号为Tangle Lake的49超导体量子位元(qubit)的测试晶片,效能已逼近它的竞争对手。



图5 : 英特尔采传统晶片制程,正在进行目前业界最小的自旋量子晶片的测试。(source:英特尔)
图5 : 英特尔采传统晶片制程,正在进行目前业界最小的自旋量子晶片的测试。(source:英特尔)

除了超导体量子晶片外,英特尔近期也表示,正在进行目前业界最小的自旋量子晶片的测试。英特尔特别指出,该晶片是在美国奥勒冈州采传统晶片制程所生产,但仍需要在超低温下运行。


一代半导体巨人的转身

去年,台积电的市值一度超越了英特尔,让这位坐了25年龙头宝座的半导体巨人首度位居第二。虽然英特尔後来又回升第一,但龙头的位置已是备受挑战。


而从目前的发展局势来看,英特尔被超越已是必然的结果,而且恐怕也会在这两年内就发生。因为光靠目前的晶片销售业务,恐怕难以支撑它庞大的身躯,进行改变和调整也是必然的事。


只是从目前的策略和成果来看,尚不足以得知而这位半导体巨人未来将要朝什麽方向和事业发展,但作为这半世纪的半导体传奇,它的转身肯定会是人们关注的焦点。


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