約71年前，被譽為「21世紀最偉大發明」的電晶體誕生，這項發明涉及科學和技術、團體和社會之間的微妙關係。一起來回顧改變了計算乃至數字世界的偉大晶片，並講述它們背後的人和故事。
1947年12月23日，第一個基於鍺半導體的具有放大功能的點接觸式電晶體面世，標誌著現代半導體產業的誕生和資訊時代正式開啟。
點接觸式電晶體：把間距為50 μm的兩個金電極壓在鍺半導體上，微小的電信號由一個金電極 (發射極) 進入鍺半導體 (基極) 並被顯著放大，然後通過另一個金電極 (集電極) 輸出，這個器件在1kHz的增益為4.5。來源：貝爾實驗室
在電晶體誕生之前，放大電信號主要是通過電子管 (真空三極體)，但由於製作困難、體積大、耗能高且使用壽命短，人們一直希望能夠用固態器件來替換它。
1945 年，貝爾實驗室開始對包括矽和鍺在內的幾種新材料進行研究，探索其潛在應用前景。一個專門的「半導體小組」成立了，威廉·肖克利 (William Shockley) 擔任組長，成員包括約翰·巴丁 (John Bardeen) 和沃爾特·布拉頓 (Walter Brattain)。
在經過多次失敗之後，他們終於在71年前的今天，實現了第一個半導體電晶體，也就是上文所述的基於鍺半導體的具有放大功能的點接觸式電晶體。肖克利、巴丁和布拉頓也因此獲得了諾貝爾物理學獎。
巴丁 (左)、布拉頓 (右) 和肖克利因為電晶體的發明，共同獲得了1956年的諾貝爾物理學獎 從實用的角度看，點接觸式電晶體的產量非常有限，不能算是商業上的成功；但它的發明意義重大，巴丁、布拉頓和肖克利也因此獲得了1956年的諾貝爾物理學獎。
電晶體被譽為「20世紀最偉大的發明」，它的出現為集成電路、微處理器以及計算機內存的產生奠定了基礎。 20世紀五六十年代，肖克利在推動電晶體商業化的同時，造就了如今加州電子工業密布的矽谷地區。電晶體發明的歷史非常複雜，牽扯到科學和技術、團體和社會之間的微妙關係。 現如今，從播放音樂、合成語音、存儲數據、數碼攝影、GPS定位到傳輸和處理網際網路上的海量數據，我們的日常生活中晶片已經成為不可或缺的產品。 這其中，有一些晶片直接或間接地為改變世界的一些產品賦能，影響了整個計算世界。 就在
電晶體誕生71周年的今天，讓我們一起來回顧這些偉大的晶片，並講述它們背後的人和故事。以下內容來自 IEEE Spectrum 2018年最新的「晶片名人堂」 (Chip Hall of Fame)。 Fairchild Semiconductor μA741 Op-Amp
該晶片成為了模擬放大器集成電路事實上的標準。該晶片目前仍在生產，在電子產品中隨處可見。 運算放大器就像模擬設計界的切片麵包。你可以用它們夾上任何東西，並且都能得到滿意的結果。設計者使用它們來製作音頻或視頻的前置放大器，電壓比較器，精密整流器，以及其他許多日常電子系統中重要的子系統。 1963年，26歲的工程師 Robert Widlar 在仙童半導體公司（Fairchild Semiconductor）設計了第一個單塊集成運算放大器電路，即 μA702。當時它的售價是300美元。Widlar 隨後對設計進行了改進，設計出 μA709，並獲得了巨大的商業成功。據說，Widlar 因此要求加薪，但沒有得到滿足，於是離開了仙童半導體。美國國家半導體公司（現在是德州儀器的一部分）如獲至寶，迅速挖來了 Widlar。Widlar 後來幫助國家半導體建立了模擬IC設計部門。1967年，Widlar 為國家半導體公司研發出一個更好的運算放大器，即 LM101，其中一個版本（LM101A-N ）現在仍在生產。 雖然仙童半導體的領導們對 Widlar 突然發起的競爭感到焦頭爛額，但在仙童的研發實驗室，新加入的 David Fullagar 對 LM101 進行了仔細的檢查，發現這款晶片的設計雖然非常巧妙，但還是存在一些缺陷。其中最大的缺陷是，由於半導體質量的變化，有些晶片在IC的輸入級，即所謂的前段，對噪聲過於敏感。 Fullagar 於是開始了自己的設計。前端問題的解決方案非常簡單，Fullagar 為晶片增加了一對額外的電晶體。額外的電路使得放大更加平滑。 Fullagar 將他的設計交給仙童研發部門的老大，一位名叫戈登·摩爾 (Gordon Moore) 的人。摩爾將他的設計交給公司的商業部門。這枚新的晶片被命名為 μA741，後來成為運算放大器的標準。這個 IC，以及後來仙童半導體的競爭對手所創造的各種翻版型號，已經賣出數百萬個。 當時初版的μA702價格是300美元，現在300美元大約可以買2000枚μA741晶片。 Intersil ICL8038 波形發生器（1983）
Intersil ICL8038 Waveform Generator
Intersil的ICL8038波形發生器為消費電子產品帶來了複雜的聲音 一個好的基本波形——隨時間變化的電壓——是構建更複雜行為的原材料。Intersil的ICL8038 集成電路的設計是為了方便地獲得精確的波形，能夠同時產生正弦波、矩形波和鋸齒波等周期信號，只需要很少的外部元件。 最初，ICL8038 被嘲笑性能有限，而且具有表現不穩定的傾向。確實，這個晶片有點不可靠。但共生是們很快學會了如何可靠地使用它，然後8038取得了重大的成功，最終銷售了數百萬個，並被用在無數應用程式中——包括「電話飛克」（phreaker）們在20世紀80年代使用的「藍盒子」（blue boxes）。 Intersil 公司在2002年停產了8083，但愛好者們至今仍在收集 ICL8038，用來自製函數發生器和模塊化模擬合成器。 微開半導體MAS3507 MP3解碼器（1997）
Micronas Semiconductor MAS3507 MP3 Decoder 在 iPod 出現之前，是Diamond Rio PMP300。PMP300於1998年推出，幾乎立刻就火了，不過這一熱潮很快就消減了。不過，這個播放器有一件事很重要，就是它支持 MAS3507 MP3解碼晶片——一個基於RISC的數位訊號處理器，具有為音頻壓縮和解壓縮優化的指令集。 它的開發者是Micronas（現在是TDK-Micronas），它讓Rio能夠將十多首歌曲壓縮到其快閃記憶體中。對於今天的標準來說可能有點可笑，但在當時相比可攜式CD播放器已經足夠有競爭力了。Rio以及它的後續產品為iPod鋪平了道路，現在你已經能夠在口袋裡裝上數千首歌曲。 正如這個 Micronas 的設計文件所顯示的，MAS3507是只為做好一件事設計的，即只能很好地解碼 MPEG Audio Layer III（即MP3）數據。 Texas Instruments TMC0281 Speech Synthesizer 如果沒有TMC0281，E.T.可能永遠沒辦法「打電話回家」。因為 TMC0281 是世界上第一款單晶片語音合成器，是德州儀器的 Speak＆Spell 學習玩具的「心臟」（或者應該說是「嘴巴」）？在1982年的《E.T.外星人》電影中，外星人E.T.黑進玩具中，搭建了一個星際通訊設備。 今天，我們已經越來越習慣與消費電子產品交談；TMC0281 是無處不在的合成語音世界的第一步。 TMC0281於1978年發布，使用被稱為線性預測編碼（linear predictive coding，LPC）的技術產生語音，所產生的聲音是一些嗡嗡聲、嘶嘶聲和爆裂聲的組合。對於「產生語音」這件被認為是「不可能在集成電路中實現的」的事情，這是一個令人驚訝的解決方案。 TMC0281的變體型號被用於雅達利的街機遊戲和克萊斯勒的K型車。2001年，德州儀器將它的語音合成晶片生產線賣給Sensory公司，Sensory在2007年底停產這個晶片。不過，在eBay上花50美元左右可以買到品相非常不錯的 Speak＆Spell 玩具。 Tripath Technology 的 TA2020 音頻放大器（1998） Tripath Technology TA2020 Audio Amplifier
這是一個固態、大功率的放大器，為便宜的設備帶來大音量 有些音響發燒友堅持認為真空管放大器能產生最好的聲音，而且永遠是這樣。因此，當音頻界出現一些聲音，稱一個完全依賴半導體的放大器發出的聲音就像真空管放大器一樣圓潤而且充滿活力時，引起了很大的反響。 這個放大器是由矽谷的一家公司Tripath Technology設計的D類放大器。D類放大器的工作原理是不直接放大輸入的模擬音頻信號，而是先將模擬音頻轉換為可用於開啟或關閉功率電晶體的數字脈衝串。所得到的信號被轉換成具有較高振幅的模擬信號。 Tripath的訣竅是使用一個50兆赫茲的採樣系統來驅動放大器。該公司表示，TA2020的性能更好，而且成本遠低於任何類似的固態放大器。為了在交易展覽上展示這款晶片，他們特意播放了電影《鐵達尼號》的那首著名主題曲。 像大多數D類放大器一樣，TA2020的能效非常高; 它不需要散熱器，並且可以使用緊湊的封裝。Tripath的低端，15瓦型號的TA2020售價為3美元，用於內置揚聲器和麥克風。索尼，夏普，東芝等的家庭影院，高端音響系統以及電視機都採用其他型號——最強大的擁有1000W的輸出。 後來，其他大型半導體公司迎頭趕上，創造出類似的晶片，Tripath 漸漸被人遺忘。現在Sure Electronics和Audiophonics等公司仍提供基於TA2020及其姐妹晶片的音頻放大器套件和產品。 Amati通信公司的Overture ADSL晶片組（1994）
Amati Communications Overture ADSL Chip Set 還記得ADL（數字用戶線路）出現時，你將可憐的每秒56.6k的調製調解器扔進垃圾桶的場景嗎？好吧，幾年之後，隨著專用的基於光纖的寬帶網絡的出現，你又將ADL調製調解器扔進了垃圾桶。但對於許多消費者來說，DSL是高速網際網路所能做的第一個嘗試，尤其是作為音樂和電影的分發系統。這是一個偉大的過渡技術：只要用戶距離交換機不是很遠，DSL都能將現有的常規音頻電話線轉變為高速數字連接。 這個寬帶革命的中心是從史丹福大學出來的創業公司 Amati Communications。20世紀90年代，該公司提出一種稱為離散多音（DMT）的DSL調製方法。該方法基本上是使一條電話線看起來像數百個子信道，並使用反向羅賓漢策略改進傳輸的方式。 John M. Cioffi 是 Amati的共同創始人，現在是史丹福大學工程教授，他說：「比特被從最貧乏的信道搶走，然後被給到最富有的信道。」 DMT打敗了它的競爭對手，包括AT＆T等巨頭，成為DSL的全球標準。在20世紀90年代中期，Amati的DSL晶片組（一個模擬，兩個數字）售出了少量，但到2000年，每年的銷量已經達到數百萬組。在 21世紀初，年銷售量突破了1億組。德州儀器在1997年收購了Amati。 Western Digital WD1402A UART 戈登·貝爾（Gordon Bell）以在20世紀60年代在迪吉多公司（DEC）推出PDP系列小型計算機而聞名。這迎來了網絡和交互式計算機的時代，在20世紀70年代隨著個人電腦的出現而達到全盛。雖然小型計算機現在已經進入歷史教科書，但貝爾還發明了一些雖然相對不那麼知名但絕非不重要的技術，而且這些技術現在仍在世界各地被採用：通用異步收發傳輸器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter），簡稱UART。 UART用於讓兩個數字設備通過串行接口一次發送一個比特進行通信，而不會使設備的主處理器與細節幹擾。 今天，我們可以使用更複雜的串行設置，例如無處不在的USB標準。但很長一段時間以來，在諸如將調製調解器連接到PC之類的使用中，UART都是統治性的方式。即便現在，簡單的UART仍然有它的地位，尤其是作為與很多現代網絡設備連接的終極方式。 UART的發明是由于貝爾自己需要將一個電傳印表機（Teletype）連接到一個PDP-1，需要將並行信號轉換為串行信號。貝爾於是設計了一個使用大約50個獨立部件的電路。這個想法被證明是受歡迎的。當時威騰電子公司（Western Digital）是一家製造計算機晶片的小公司，它設計了單晶片版的UART。 威騰電子的創始人 Al Phillips 仍記得當時公司的工程副總裁向他展示準備製作的 Rubylith 的設計圖時的場景。他說：「我看了一會兒，發現一個斷開的電路，副總裁都快抓狂了。」威騰電子在1971年左右發布WD1402A，其他版本也在隨後陸續發布。 IBM Deep Blue 2 Chess Chip 1997年，當IBM的西洋棋計算機「深藍」（Deep Blue）擊敗世界冠軍 Garry Kasparov 時，人類終於在計算機面前敗下陣來。深藍的每個晶片包含150萬個電晶體，這些電晶體集成在專門的塊中，例如一個走子生成器（move-generator）的邏輯陣列，以及一些RAM和ROM。這些晶片一起的運算速度是每秒2億步棋。深藍的策劃者許峰雄（Feng-hsiung Hsu），現在是微軟亞洲研究院高級研究院，他回憶說，這些走子「給對手施加了非常大的心理壓力」。 自深藍勝利以來，人工智慧在越來越多原本是人類智能佔上風的遊戲上擊敗了人類，例如谷歌的AlphaGo分別在2016年和2017年擊敗了圍棋世界冠軍李世乭和柯潔。 那是在1970年的夏天。晶片設計師Hans Camenzind當時是矽谷半導體公司西格尼蒂克（Signetics）的顧問。當時經濟下滑，他每年收入不足15000美元，而家裡有賦閒的妻子和四個孩子。他真的迫切需要發明一些好賣的東西。 他真的做到了。而且，他的這一發明可以說是史上最偉大的晶片之一。555定時器是一款易於使用的集成電路晶片，常被用於定時器和振蕩電路。由於其易用性、低廉的價格和良好的可靠性，這款晶片時至今日仍被廣泛應用於廚房電器、玩具、宇宙飛船等數千種電子電路的設計中。 「它險些沒能面世。」幾年前 Camenzind 在接受 IEEE Spectrum 訪問時回憶道。Camenzind於2012年去世。 萌發555的點子時，Camenzind正在設計被稱為「鎖相環路」（ phase-locked loop）的電路。只要對做一些修改，這個電路就能變成一個簡單的定時器：觸發它後它能運行特定的一段時間。這聽起來很簡單，當時還沒有類似這樣的東西。 最初，Signetics的工程部門反對這個想法。當時公司已經有可以組裝成定時器的組件銷售。555的命運險些就這樣結束了。但Camenzind堅持他的idea。他去找Signetics的市場經理 Art Fury。幸運的是，Fury很喜歡這個idea。 Camenzind花了將近一年的時間測試模擬板原型，在紙上繪製電路元件，裁剪紅片覆蓋膜。Camenzind回憶說：「這一切都是手工完成的，沒有使用電腦。」最終的設計有23個電晶體，16個電阻器和2個二極體。 555定時器在1971年投入市場，引起了轟動。1975年，Signetics被飛利浦半導體公司（現在的恩智浦半導體）收購，據該公司說，555的銷量已經達到數十億枚。今天的工程師們仍然使用555設計一些有用的電子模塊，或一些沒什麼用處的小東西，例如「霹靂遊俠」的戰車前燈。 早在20世紀80年代初，晶片設計者們一直試圖充分利用電路中的每一個電晶體的功效。後來Ross Freeman提出一個相當激進的想法。他設計了一個包含許多電晶體的晶片，這些電晶體組成鬆散的邏輯塊，其連接可以通過軟體進行重新配置。其結果是有時候一部分電晶體不會被使用到，但是Freeman認為摩爾定律最終會讓電晶體成本變得低廉，不再有人關心電晶體浪費的問題。他是對的。他把這個晶片命名為「現場可編程門陣列」（FPGA），並且為了推銷這個晶片，作為共同創始人創立了賽靈思公司（Xilinx）。 1985年，賽靈思公司的第一個產品XC2064面世時，員工們被賦予一個任務：使用XC2064的邏輯單元手工繪製一個示例電路，就像他們的客戶要做的那樣。賽靈思前首席技術官Bill Carter回憶起當時他走近 CEO Bernie Vonderschmitt時，看到他「在繪製時遇到了一點困難」。Carter 單純很高興幫到老闆。他說：「我們站在那兒，用紙和彩色鉛筆幫Bernie 繪製！」 如今，由賽靈思以及其他公司生產出售的FPGA被用於各種各樣的東西，在這裡很難全部列舉。在例如軟體定義的無線電，神經網絡，數據中心路由器等等都有FPGA的應用。 莫斯特克MK4096 4-Kilobit DRAM（1973）
Mostek MK4096 4-Kilobit DRAM
當需要用到大量RAM時，這款晶片的存儲架構仍被廣泛使用 計算機在運行程序時使用隨機訪問存儲器（random access memory），簡稱RAM，作為其工作空間。現在的RAM晶片有兩種特性：靜態RAM和動態RAM，或簡稱SRAM和DRAM。只要計算機開啟後，SRAM就保持內容不變，但DRAM必須不斷更新。DRAM相對SRAM的優點是每個存儲單元都很簡單，這意味著可以將更多的數據打包到給定的空間中。今天大多數計算機都使用DRAM作為主存儲器。 第一款DRAM晶片是英特爾推出的。但Mostek的4KB DRAM晶片帶來了一個關鍵的創新，一種被稱為地址復用（address multiplexing）的電路技術，由Mostek共同創始人Bob Proebsting發明。通常，晶片使用相同的引腳來訪問內存的行和列。這是通過依次發送行和列尋址信號實現的。因此，晶片不需要太多的引腳，同時由於內存密度增加，製作成本降低。它只存在一點兼容性上的問題。Mostek 的4096使用16針腳，而德州儀器，英特爾和摩託羅拉出品的內存則有22針腳。 Mostek將未來壓在了這款晶片上。高管們開始到處向客戶、合作夥伴、新聞媒體甚至自己的員工進行宣傳。當時剛被僱用的 Fred K Beckhusen 被安排對4096進行測試。Beckhusen 回憶道，有天Proebsting和CEO LJ Sevin半夜2點來到他的夜班崗位進行了一次研討會。 Beckhusen說：「他們當時大膽地預測，只需6個月，就不會有人關心22針腳的DRAM了。」他們是對的。4096和它的後續者成為了主流的DRAM，地址復用技術也成為了處理更大的內存的標準方式。 Toshiba NAND Flash Memory 當東芝的一名工廠經理舛岡富士雄（Fujio Masuoka）決定重新開發半導體內存時，快閃記憶體（flash memory）的發明傳奇也就此拉開了序幕。不過我們過會兒再講快閃記憶體。首先，讓我們了解一點歷史。 在快閃記憶體出現之前，存儲大量數據的唯一方式是使用磁帶，軟盤或硬碟。許多公司都在努力設計固態的替代方案，但是當時可以得到的選擇，例如EPROM（可擦可編程只讀存儲器，需要用紫外線照射來擦除數據）和EEPROM（多出的E代表「電」，不需要紫外線擦除）都無法低成本地存儲大量數據。 進入東芝後，舛岡在1980年聘請了四名工程師共同進行一個半秘密的項目，目的是研發一個可以存儲大量數據，而且成本低廉的內存晶片。他們的策略很簡單。「我們知道只要電晶體的尺寸縮小，晶片的成本就會持續下降。」 舛岡說道，他現在是Unisantis電子公司的首席技術官。 舛岡的團隊設計了EEPROM的一種變體，它的特徵是一個存儲單元只包含單個電晶體。當時，傳統的EEPROM每個存儲單元需要兩個電晶體。這是一個看似很小的改動，但大大地降低了晶片的成本。 為了尋找一個吸引人的名字，他們根據晶片的超快速擦除功能而取名「閃」（flash）。你也許會認為東芝很快就將這個發明投入生產，並且看著它帶來滾滾財富。錯了。你們對這家龐大的公司如何利用它內部的創新不夠了解。實際情況是，舛岡的老闆對他說，好了，忘掉這個發明吧。 當然了，舛岡怎麼可能忘記他的發明。在1984年，舛岡在舊金山的IEEE國際電子設備大會展示了他的快閃記憶體的設計圖紙。這促使英特爾公司開始開發基於「或非」（NOR）邏輯門類型的快閃記憶體。1988年，英特爾發布了一款256KB的晶片，用於汽車、計算機以及其他大眾市場設備，為英特爾帶來了不俗的新業績。 最終，這促使東芝將舛岡的發明投入生產。舛岡的快閃記憶體晶片基於NAND技術，能夠提供更高的存儲密度，但被證明在製造工藝上更複雜。在1989年，東芝的第一款NADA快閃記憶體終於投入市場，並取得了成功。而且正如舛岡所預測的那樣，價格不斷下降。 20世紀90年代末，數碼攝影開始採用快閃記憶體，使得快閃記憶體出現了爆發，東芝成為這個數十億美元市場中最大的玩家之一。但與此同時，舛岡與東芝其他高管的關係惡化，最終離開了東芝。（後來舛岡以智慧財產權糾紛起訴東芝公司，並獲得了8700萬日元的賠償。） 今天，NAND快閃記憶體已經成為手機、照相機、音樂播放器等各種小設備，甚至航天探測器的關鍵部分，並且開始取代硬碟成為筆記本和桌上型電腦的首選存儲介質。 Kodak KAF-1300 Image Sensor 現在的圖像傳感器非常小巧而且便宜，幾乎沒有手機是不帶內置攝像頭的。這在在1991年科達公司發布柯達DCS 100數位相機時可能很難想像得到。 DCS 100的成本高達25,000美元，光是外置數據存儲器就有5公斤重，而且用戶必須得隨身扛著。相機的電子部件裝在尼康F3的機身內，包含一個令人印象深刻的硬體：一枚拇指大小的晶片，能夠以130萬像素的解析度捕獲圖像，足夠以5×7英寸的尺寸進行衝洗。 該晶片首席設計師Eric Stevens說：「在當時，100萬的像素已經是夢幻一般了。」 這個晶片是一個真正的兩相電荷耦合器件，是未來的CCD傳感器的基礎，啟動了數字攝影的革命。順帶一提，用KAF-1300拍攝的第一張照片是什麼呢？「呃，」Stevens說道，「我們把傳感器指向了實驗室的牆。」 Texas Instruments Digital Micromirror Device 製造商：德州儀器（Texas Instruments） 在1999年6月18日，Larry Hornbeck與妻子Laura約會。他們在加州伯班克的一家電影院觀看了電影《星球大戰I：魅影危機》。Hornbeck並不是絕地的粉絲。他們去那裡是因為那家電影院有一臺真正的放映機。 這臺放映機的核心是Hornbeck在德州儀器研發的數字微鏡器件（DMD）晶片。DMD使用數萬個鉸鏈式微鏡將光線引導通過放映機的投影鏡頭射出。電影屏幕上顯示了一行字：「第一部數字電影放映」。 現在，電影放映機都是使用這種數字黃處理技術（或稱DLP），背投電視、投影儀、手機微型投影機等也都使用DLP晶片。為了獎勵他的發明，Hornbeck於2015年被授予奧斯卡獎。
NASA雖然不想要它，但它卻推廣了人們拍攝照片和視頻的技術 1992年，Eric Fossum在加州帕薩迪納的噴氣推進實驗室 (JPL) 工作。JPL負責NASA一些最雄心勃勃的太空探測器的建造和運行，那一年美國宇航局向其工作人員發出要求：讓一切關於太空的任務「更快，更好，更便宜」。 作為JPL圖像傳感器研究的負責人，Fossum負責重新發明NASA太空船上巨大的大型相機。 與當時的其他設備一樣，太空飛行器相機使用電荷耦合器件（CCD）技術。CCD是第一代成功的數字圖像傳感器，它們使用一系列微小電容器，這些電容器累積的電荷與落在它們上的光的亮度成比例。然後電荷從CCD上的電容器混頻到電容器，直到它們可以通過陣列邊緣處的電路轉換成電壓，然後轉換成像素。 這種技術雖然有效，但轉換過程需要消耗大量的能量，以及除了CCD之外其他進行輔助的晶片。Fossum及其團隊分析發現，如果能夠消除在成像陣列中反覆轉移電荷的需要，那麼這兩個問題都將消失。 由此，互補金屬氧化物半導體（CMOS）有源像素傳感器誕生了：具有像素的「相機晶片」，每個像素都可以進行自己的電荷轉換，從而顯著減少能量和產生圖像所需的支持電路。此外，CMOS傳感器採用與大多數微處理器和存儲器晶片相同的材料和技術製造，使其更容易製造並且最具成本效益。 1995年，Fossum和他當時的妻子同時也是JPL同事的Sabrina Kemeny共同創辦了Photobit公司。一年後，Fossum離開JPL，全職加入Photobit。 Photobit的第一個現成產品是1998年的PB-159，但該公司在第二年取得了巨大的成功，推出了PB-100：一款為突破性的英特爾Easy PC相機、網絡攝像頭和後期版本的Logitech QuickCam提供動力的晶片。 PB-100的名字來源於它的像素——大約100M（352×288），這款晶片最終導致了整個行業對CMOS的支持。隨著投資的增加，CMOS逐漸佔據CCD的市場份額。 根據市場研究公司IC Insights，如今無處不在的手機和筆記本電腦，以及可穿戴設備和醫療設備，每秒鐘生產120多個新的CMOS成像器。每年產值40億美元，遠遠超出了Fossum的預期。 Acorn Computers ARM1 Processor
假如你正在手機上看這篇文章，那麼你正用到這款晶片的直系後代 20世紀80年代初，艾康電腦（Acorn Computers）是一家擁有偉大產品的小公司。該公司總部設在英國的劍橋，通過BBC的全國計算機認知計劃（Computer Literacy Project），已經售出超過150萬臺8位BBC Micro臺式計算機。現在是它設計新計算機的時候了。艾康的工程師們對市場上可用的處理器不滿意，決定自己設計32位微處理器。 他們為這個微處理器取名 Acorn RISC Machine，簡稱ARM。RISC 是「reduced-instruction-set computer」（ 精簡指令集計算機）的縮寫，這是設計處理器的一種方法，能夠更高效地處理複雜的機器代碼。工程師們心知這不容易實現，實際上，他們預期有一半的概率會遇到無法解決的障礙，最終導致廢除整個項目。曼徹斯特大學計算機工程系教授 Steve Furber 說，「這支團隊人太少了，每個設計的決策都不得不選擇簡化的方案，否則我們永遠都無法完成。」最終，簡單性大獲成功。ARM體積小巧，功耗低，易於編程。設計指令集的Sophie Wilson仍然記得當他們首次測試晶片時，「我們在提示下做了『PRINT PI』的命令，它給出了正確的答案，」她說，「我們開了瓶香檳慶賀。」 1990年，Acorn剝離了它的ARM部門，ARM架構繼續成為嵌入式應用的主流32位處理器。各種各樣的小設備中已經使用超過100億個ARM內核，包括蘋果最成功的iPhone手機和最失敗的牛頓掌上電腦。事實上，ARM晶片現在已經遍布在全球超過95％的智慧型手機。
Arduino 第一代開發板的核心，由兩個學生發明 Atmel 的 ATmega8 是現代晶片製造商運動的成果之一。它是 Arduino 第一代開發板的核心，被各種類型的電子產品廣泛採用，這些廉價、強大而且易於使用的電路板已經進入無數項目。 ATmega8來自AVR微控制器系列，最初於20世紀90年代初由挪威理工大學兩名學生Alf-Egil Bogen和Vegard Wollan開發。AVR微控制器與常規處理器不同，它們具有自己的板載程序存儲器和RAM，而不是依賴外部晶片來存儲這些資源：Bogen和Wollan還在大學期間，嵌入式應用程式已經很常見，但是當時他們對市場上的微控制器不滿意。他們決定設計一個基於RISC的處理器（具有有限的機器代碼指令以提高處理效率），特別是要設計得易於編程而且相對強大。 AVR微控制器與大多數人日常使用的計算機有顯著的差異。普通計算機通常使用馮·諾依曼（von Neumann）架構，其中程序加載到RAM中，並在RAM上執行。AVR使用「哈佛架構」，其中程序存儲器和工作RAM是分開的。在Bogen和Wollan設計的原型中，程序以ROM的形式存儲，一旦寫入就無法重新編程。但是，他們在Atmel公司的AVR設計中找到了一個解決方案。易於編程（且可重新編程）的快閃記憶體被添加到處理器核心，第一個商用AVR晶片AT90S8515於1996年發布。 但是，ATmega8和它的姐妹晶片ATmega328P才是Bogen和Wollan夢想中的晶片，它們易於使用，高性能，並且擁有很好的開發工具，達到了最好的表現。 Computer Cowboys Sh-Boom 處理器（1988）
你可能從沒有聽說過這款晶片，但這一處理器的高速架構在每一臺現代計算機中反覆出現。 兩名晶片設計師走近一家酒吧。他們是Russell H. Fish III 和 Chuck H. Moore（Forth語言的發明者），然後這家酒吧叫Sh-Boom。這是真事，不是一個玩笑的開頭。實際上，這個技術傳奇充滿了不和和訴訟。 這一切始於1988年，當時，Fish和Moore創造了一個名叫Sh-Boom的怪異處理器。這個晶片非常精簡，比驅動計算機其餘部分的時鐘運行得更快。於是兩位設計師找到了一種讓處理器運行自己的超快內部時鐘，同時保持與計算機其餘部分同步的方法。Sh-Boom從來沒有獲得商業上的成功，在取得專利後，Moore和Fish就散了。 Intel 8088 Microprocessor 有沒有哪個晶片是推動英特爾進入「財富」500強的？英特爾表示有：8088。這是IBM為它的原始PC系列選擇的16位CPU，後來主導了臺式機市場。 有點兒奇怪的是，這個被稱為x86架構的晶片的名字上沒有「86」兩字。8088實際上是在8086的基礎上稍作修改的微處理器，8086是英特爾的第一個16位CPU。正如英特爾工程師、8086設計師 Stephen Morse 曾經說過的那樣，8088是「8086的簡化版本」。這是因為8088的主要創新從技術上來說並不算一個進步：8088擁有16比特的內部寄存器和8比特的外部數據總線。 直到8086的設計完成，英特爾一直對8088項目保密。8086項目的首席工程師Peter Stoll說：「管理層不希望8086延遲哪怕一天，甚至告訴我們他們已經有8088變體的想法了。」 在第一個實用的8086出來之後，英特爾才將8086的圖稿和文檔發送到以色列海法的設計部門，兩名工程師Rafi Retter和Dany Star將晶片改為8位總線。 這一修改被證明是英特爾最睿智的決定之一。29000電晶體的8088 CPU比8086要求更少，更便宜的支持晶片，並且「與8位硬體完全兼容，同時還為過渡到16位處理器提供更快的處理和平滑」，英特爾的Robert Noyce和Ted Hoff在IEEE微型雜誌的一篇文章中寫道。 使用8088的第一臺PC是IBM的5150型，這是一臺價格3000美元的單色機。現在全世界幾乎所有PC都的CPU都可以說其祖先是8088。 Microchip Technology PIC 16C84微控制器（1993）
Microchip Technology PIC 16C84 Microcontroller
在主辦上增加了能存儲軟體的可編程內存，革新了未處理器未來 20世紀90年代初，8位微控制器還是摩託羅拉的天下。隨後，出現了 Microchip Technology，一個並不起眼的競爭者。Microchip 開發了 PIC 16C84，它採用了8位微控制器，並添加了一種稱為EEPROM的存儲器，用於電可擦除可編程只讀存儲器。EEPROM不需要紫外光擦除，其前任 EPROM也是如此。這種只讀存儲器通常用於存儲程序代碼或少量數據。 該晶片的首席設計師，現在是Microchip的總監Rod Drake說，消除對UV燈的需求意味著「用戶可以即時更改代碼」。更好的是，整個晶片的成本低於5美元，或當時其他產品的成本的四分之一。 16C84用於智慧卡、遙控器和無線車鑰匙。這是一系列微控制器的開始，Microchip也成為財富500強公司和粉絲口耳相傳的電子巨星。16C84已經退休，PIC系列仍在生產中，銷量已達數十億，用於工業控制器，無人駕駛飛行器，數字妊娠測試，晶片控制煙花，LED珠寶和稱為Turd警報的化糞池監視器 。 Microchip專利的草案顯示了PIC控制器與其他計算機的不同之處。在大多數計算機中，例如您的PC，程序和工作數據都存儲在同一個內存中——一種被稱為「馮·諾依曼架構」的布局。但PIC控制器將程序和工作數據存儲器分開保存——這種安排被稱為「哈佛架構」。這樣可以將程序存儲在便宜的只讀存儲器中。 MOS Technology 6502微處理器（1975）
MOS Technology 6502 Microprocessor
來自英雄時代的8位CPU，這款處理器驅動著 Apple II，Commodore 64，BBC Micro等。 當一個胖臉極客將一個特別的晶片加到一個特別的計算機電路板並啟動它時，時代改變了。這個極客是 Steve Wozniak，計算機是蘋果，晶片是由MOS Technology開發的8位微處理器6502。該晶片及其變體成為像 Apple II，Commodore PET，Commodore 64 和 BBC Micro 這樣的可怕計算機的主要大腦，更不用說像任天堂娛樂系統和 Atari 2600 這樣的遊戲系統（也稱為Atari VCS）。6502不僅僅比競爭對手速度更快，而且還比較便宜，售價為25美元，而英特爾的8080和摩託羅拉的6800都接近200美元。 用 Peddle 創造6502的Bill Mensch說，取得成本下降的突破在於一個最小化的指令集，加上製作流程「比競爭對手高10倍」，6502幾乎單槍匹馬帶動了處理器的價格下降，這推動了個人計算機鵝革命。該晶片的修訂版本仍在生產中，一些製造商仍然在使用它——在商業嵌入式系統以及許多愛好者當中。 由於價格低廉，8位6502 在 1975年發布的時候，對市場造成了巨大震動。 照片：Dirk Oppelt
Motorola MC68000 Microprocessor
該處理器驅動了最早的蘋果 Macintosh，以及可愛的Amiga 計算機。 16位的微處理器的派對上，摩託羅拉姍姍來遲，所以它決定高調亮相。混合16位/ 32位的MC68000封裝在68,000個電晶體中，是英特爾8086的兩倍以上。它內部是一個32位處理器，但32位地址和/或數據總線本可能使其成本大漲，所以68000使用了24位地址和16位數據線。 68000似乎是使用鉛筆和紙張設計的最後一個主要處理器。設計了68000邏輯的Nick Tredennick說：「我將縮減的流程圖副本、執行單元的資料、解碼器和控制邏輯分發給了其他項目成員。」 這些副本很小，難以閱讀，他的同事們最終找到了一種方式顯示清楚。「有一天我來到我的辦公室，發現我桌子上放著信用卡大小的流程圖副本。」Tredennick回憶說。 68000 用於所有早期的Macintosh電腦，以及Amiga和Atari ST。大量銷量也來自雷射印表機、街機遊戲和工業控制器的嵌入式應用。但是，68000也經歷了歷史上最大的錯失良機，就如同當時 Pete最終失去了他作為甲殼蟲樂隊鼓手的地位。 IBM本想在其PC系列中使用68000，但後來還是用了英特爾的8088，因為當時68000還比較少。正如一位觀察家後來所說，如果當時用了摩託羅拉的68000，Windows-Intel形成的 Wintel 可能就會是Winola 了。 金蓋下面是一個32位處理器，但是連接它和外部世界的封裝內，只有16位數據引腳。照片：Arnold Reinhold Sun Microsystems SPARC處理器（1987）
Sun Microsystems SPARC處理器
使用未經證實的新架構，該處理器宣告了 Sun Microsystems的登場 很久以前（20世紀80年代初），微處理器架構師們試圖增加CPU指令的複雜性，作為在每個計算周期中完成更多任務的一種方式。但是，加州大學伯克利分校的一個小組做出了相反的呼籲：簡化指令集。由 David Patterson 率領的伯克利團隊稱之為降低指令集計算的 RISC 方法。 作為一項學術研究，RISC 聽起來很棒。但是它是否可銷售？Sun Microsystems（現在是 Oracle 的一部分）賭了一把。1984年，一小隊 Sun 工程師開始研發一款稱為SPARC（可擴展處理器架構）的32位RISC處理器，想在Sun的新系列工作站中使用該晶片。有一天，Sun的執行長Scott McNealy出現在SPARC開發實驗室。SPARC項目顧問Patterson回憶說，「McNealy表示，SPARC將把Sun從一家每年5億美元的公司變為每年10億美元的公司。」 如果沒有足夠的壓力，Sun 以外的許多人懷疑公司可能會下馬這一項目。更糟糕的是，Sun的營銷團隊面臨一個可怕的實現：SPARC 反著拼是... CRAPS！團隊成員不得不發誓，他們不會向任何人說出這個詞，甚至在 Sun裡面，免得這個秘密讓對手 MIPS Technologies 知道，他們也探索RISC的概念。 首席SPARC架構師——現任IBM研究員——Robert Garner說：「極簡主義SPARC的第一個版本包括一個」20,000門陣列處理器，甚至沒有整數乘法/除法「指令。然而，每秒1000萬條指令，它的運行速度是當時複雜指令集計算機（CISC）處理器的三倍。 Sun將在未來幾年使用SPARC為工作站和伺服器提供支持。1987年推出的第一個基於SPARC的產品是Sun-4系列工作站，它迅速佔據市場份額，並推動了公司收入超過十億美元的標準 - 正如McNealy所預言的那樣。 1988年的SPARC團隊，首個基於SPARC的產品推出後，Sun Microsystems成為一個矽谷的大玩家之一。照片：Robert B. Garner 德州儀器TMS32010數位訊號處理器（1983）
德克薩斯州給了我們許多偉大的東西，包括10加侖的帽子，炸雞排，胡椒博士，還有比較低調的TMS32010數位訊號處理器（DSP）晶片。複雜的模擬信號在被轉換為原始數字流後通常用 DSP 處理。通用CPU 搞不定這樣的流，但DSP可以使用專門的算法和硬體將流處理成整個系統可以處理的東西。 由德州儀器公司創建，TMS32010並不是第一個DSP（第一個是AT＆T / Western Electric的DSP1，1980年推出的），但肯定是最快的。它可以在200納秒內進行乘法運算。此外，它可以執行片上ROM和片外RAM的指令。 DSP設計團隊和IEEE研究員的成員Wanda Gass說：「這使TMS32010的程序開發靈活，就像微控制器和微處理器一樣。每片500美元，第一年晶片售出約1000臺。銷售額最終取得了增長。DSP成為數據機、醫療設備和軍事系統的一部分。 哦，另一個應用是——世界的奇蹟Julie 娃娃，一種可以唱歌和談話的令人毛骨悚然的娃娃。該晶片是大型DSP系列中的第一個，並且仍然在為德州儀器賺錢。 1987年， Julie娃娃。Photo: Janet M. Baker
一個雄心勃勃的失敗，這款處理器驅動了第一臺16位家用計算機。 很少有一個晶片接近真正的偉大，多是功敗垂成。德州儀器公司的TMS 9900有很多的應用。20世紀70年代初，TI 已經意識到，由英特爾4004在1971年開端的微處理器新興市場 - 將迎來對遠強於 8 位處理器的晶片的需求。該公司最終掌握了金屬氧化物半導體技術，這取代了早期的雙極技術，用於製造集成電路電晶體。TI本就具有雄厚的研發資源和營銷力量。 但是，由此產生的16位處理器將會失去作為IBM個人計算機處理器的大好機會。「在1976年出現TMS 9900時，有幾個問題，」TI分部經理Walden C. Rhines解釋了該晶片的不走運，「其中最大的兩個問題：「9900架構與TI小型機系列相同，只有16位的地址空間，與當時的8位微處理器相同；另一個是戰略問題，電子設備行業的競爭對手不願意認可已經擁有大型計算機和消費產品業務的公司架構。」 TMS900成為TI-99/4和TI-99 / 4A 微型計算機的核心，在家用計算機中擁有第一個16位CPU。CPU的速度也加快了，時鐘速度 3MHz，比像Commodore 64這樣的競爭對手的1到2 MHz的時鐘速度快得多。與Commodore的價格戰導致TI-99 / 4A獲得了顯著的市場份額， 但這是以犧牲利潤為代價的。它本可存活下來，如果不是TMS9900的系統設計問題縈繞不去，且 TI對第三方軟體開發人員的態度能客氣一點的話。 後來又出現了一些後續晶片，如TMS995——它被認為是嵌入式控制器，但這一系列從沒能從最初的失敗中恢復過來：當進入PC市場時，TI最終使用的是英特爾的處理器。 TMS9900 處理器具有遠見卓識的目的，但是其複製小型計算機體系結構的嘗試是失敗的。照片：Konstantin Lanzet Transmeta Corp. Crusoe處理器（2000）
Transmeta Corp. Crusoe處理器
這個晶片預示了移動時代的到來，能耗，而非處理能力，成為了最重要的規格參數。 功率越大，散熱器越大，電池壽命越短，耗電越瘋狂。因此，Transmeta的目標是設計一款羞辱英特爾和AMD的低功耗處理器。該計劃是：軟體可以將x86指令轉換成Crusoe自己的機器代碼，其更高的並行度將節省時間和力量。它被稱為切片矽片以來最偉大的事情。 Transmeta 的共同創始人，現在Esperanto Technologies 的 David Ditzel表示，Crusoe及其繼任者Efficeon證明了動態二進位翻譯在商業上是可行的。不幸的是，他補充說，這些晶片在低功耗計算機市場起飛幾年前就起飛了，最終只出現在了幾個產品中。最後，雖然Transmeta沒有實現其商業承諾，但它確實指向了處理器的功耗與其處理性能一樣重要的世界，而一些Transmeta的技術也已經進入到英特爾、AMD和Nvidia晶片中。
來自8位時代的另一個傳奇，這款處理器驅動了第一臺可攜式計算機以及受歡迎的「Trash-80」 Federico Faggin 知道銷售微處理器需要多少和人手。而在英特爾，他曾為 4004和8080 這兩個開創性設計作出了貢獻。所以當Faggin與前英特爾同事Ralph Ungermann建立Zilog時，他們決定從一個更簡單的方面開始：一個單片微控制器。 但是工程師很快意識到，微控制器市場已經有很多很好的晶片了。即使他們比別人更好，他們也只不過能夠追求薄利多銷。Zilog必須瞄準更高的食物鏈，於是Z80微處理器項目誕生了。 目標是超過8080，同時提供與8080軟體的完全兼容性，吸引客戶遠離英特爾。幾個月之前， Faggin、Ungermann和另外一名前英特爾工程師Masatoshi Shima在80多個星期的時間裡守在桌子邊，畫著Z80的電路。Faggin很快就知道，當涉及到微晶片時，越小越美麗，就是對眼睛不太好。 該團隊的研發從1975年延續到1976年。那年3月，他們終於有了一個原型晶片，Z80 是MOS Technology’s 6502的當代翻版，它不僅設計優雅，而且還便宜（約25美元）。 Z80最終進入了成千上萬的產品，包括Osborne I（第一個可攜式或「可移動」）計算機，KayPro II，Radio Shack TRS-80和MSX家用電腦，以及印表機，傳真機， 複印機，數據機和衛星。Zilog仍然在某些嵌入式系統中使用著 Z80。 早期的陶瓷封裝中的Z80晶片。批量生產版使用塑料包裝。圖文：CPU-World
英特爾4004是世界上第一個微處理器——一個完全通用的單片CPU。4004於1971年3月發布，採用了最先進的矽柵技術，標誌著英特爾在處理器行業崛起並成為全球霸主。 當時英特爾還是一家羽翼未豐的公司，它的全部資源都投入到了這個開創性的項目中。但事實上，4004隻是一個人手不足的輔助項目，一項幾近崩潰的緊急任務，它只是為了在英特爾開發其真正的產品線(內存晶片)時籌集一些現金。 正如Ken Shirrif在2016年7月IEEE Spectrum的一篇文章中所描述的那樣，20世紀60年代電晶體數量的增加和集成電路的複雜性意味著多個組織都在向微處理器進軍。 其中一些公司，例如Texas Instruments，擁有比英特爾更多的資源。那麼，為什麼成立僅幾年的英特爾在1968年率先衝過終點線呢?這在
很大程度上要歸功於四位工程師，其中一位甚至沒有為公司工作。 第一位是
Masatoshi Shima，他在日本辦公計算器公司Busicom工作，該公司想要開發一種新的計算機計算器。 1969年4月，Busicom和Intel籤署了一份臨時協議，讓英特爾為計算器開發一套定製的晶片。因此，1969年6月，Shima和其他一些人前往英特爾，對計劃進行了更詳細的討論。 Shima提出了一個八晶片系統：三個晶片與外圍設備(如鍵盤和印表機)連接，一個晶片存儲數據，一個晶片存儲程序代碼，以及兩個晶片一起構成CPU。 計算機歷史博物館2009年獎上的學者Masatoshi Shima；Busicom計算器是世界上第一個微處理器的目標應用。 第二位工程師是
Ted Hoff，他是英特爾應用部門的主管，當時正在和Busicom談判。 Hoff擔心英特爾將難以生產這麼多晶片，尤其是因為該系統需要每個晶片上有很多pin才能相互連接，這將會突破英特爾使用的陶瓷封裝技術的極限。 他提議將晶片數量減半：一個256位元組的程序存儲晶片，稱為4001；一個40位元組的數據存儲晶片，稱為4002；一個外圍接口晶片，稱為4003；被稱為mcs -4的整個系統將是4位的，大大減少了晶片互連所需的pin數量。Hoff請來了第三位工程師，英特爾的
Stanley Mazor。Hoff和Mazor一起為每個晶片制定了一套規格和一個擬議的生產計劃。 在1969年10月的一次後續會議上，英特爾提出了反對意見。Busicom對此很感興趣，Shima回到日本為新的計算器設計了原型軟體，以確保MCS-4架構能夠支持Busicom的需求。雙方於1970年2月達成協議，Busicom計劃在Hoff和Mazor的時間表基礎上推出計算器。他們決定讓Shima在1970年4月回到加利福尼亞檢查進展情況。從1970年7月到10月，這些晶片以錯開的時間表投入生產，從4001開始，到4004結束。 然而，Shima和Busicom不知道的是，4004項目在1970年初在英特爾內部停止了。 問題是Hoff和Mazor並不是晶片設計者——他們可以採用規格並創建詳細的邏輯門圖。這些圖表反過來又被用來精確地計算電晶體和其他元件在物理晶片上的模式和位置。 事實上，當時英特爾公司沒有人能勝任這項工作，因為當時該公司正專注於開發內存晶片。 最後，第四位工程師登場——
Frederico Faggin，這位年輕的工程師特別適合這份工作。 在他職業生涯的初期，Faggin曾為義大利的奧利維蒂(Olivetti)從頭開始設計和製造一臺電腦。然後在20世紀60年代末，他加入了矽谷的Fairchild Semiconductor，在那裡，他為英特爾晶片依賴的先進金屬氧化物半導體(MOS)技術做出了關鍵貢獻。Faggin希望在一個比Fairchild更具創業精神的環境中工作，因此在1970年4月接受了英特爾的邀請。 在Faggin上任的第一天，Mazor向他簡單介紹了Busicom的項目。 正如Faggin在2009年冬季期刊「IEEE固態電路」雜誌上發表的關於4004開發的個人報導中所寫，當他看到時間表時：「我快驚呆了！不到六個月要設計4個晶片？！」 從左至右，Federico Faggin, Ted Hoff和Stanley Mazor在1996年的國家發明家名人堂上手持英特爾4004處理器。
最初的進度表是基於適用於設計內存晶片(使用許多重複元素)的估計值，而不是使用複雜多樣邏輯電路的處理器晶片。此外，Faggin沒有支持人員，也沒有其他公司用來幫助創建和測試數字邏輯設計的工具和基礎設施。 在Faggin開始幾天後，Shima登陸美國進行進度檢查。 Mazor和Faggin從機場接他並將他帶回英特爾。「當Shima發現在五個月內沒有任何進展時非常生氣」，Faggin寫道。 意法半導體 STA2056 GPS 接收器（2004）
廉價又小巧，這個 GPS 接收器助推了行動裝置中的集成導航技術 在晶片製造領域，一個小高潮是單晶片殺死雙晶片單晶片的運動。早在2004年，意法半導體在GPS接收器裡這麼做了。之前，是一個晶片容納GPS無線電前端，拾取從軌道GPS衛星發送的導航信號，另一個晶片包含一個微處理器、一些存儲器和一個信號器，GPS通過比較來自多個衛星的信號來確定每個接收機的位置。 隨著STA2056 的出現，這兩個晶片整合在了一起。雖然手持式GPS系統已經上市，但STA2056設定了尺寸和功耗的新標準，而8美元的價格推動了GPS設備的成本下降，並為他們開闢了一個大眾市場。 菲亞特在幾個阿爾法羅密歐車型中使用了該晶片，而GPS供應商Becker將其放在了手機中。這也推動GPS的概念成為了可以集成到設備中的東西，而不僅僅是用作獨立的產品或模塊。今天幾乎每一個手機，還有不少手錶，都有一個GPS晶片，通常與其他技術（如Wi-Fi信標映射）一起使用，即使在衛星不在視野中也能夠導航。而且，當然，將兩個晶片合二為一的招數仍然是各地晶片製造商的最愛。
第一款可配置的圖形處理器，為機器學習革命打開了大門 現在，許多研究人員選擇性能強大的GPU來運行氣候模型、從事其他科學項目，許多科技和金融巨頭則使用大量GPU來訓練機器學習算法。這些晶片可以進行大量的並行數字運算，對於遊戲發燒友來說，GPU能夠快速生成豐富的圖形，快速跟上遊戲中快節奏的目標運動。 當然，遊戲玩家不是推動圖形技術發展的唯一因素。1995年，皮克斯公司推出《玩具總動員》動畫電影，這是第一部完整的數字動畫電影，展示了高質量電腦動畫的無窮潛力。但遊戲玩家的需求，將圖形加速技術推向了一個非常具體的方向。 自20世紀70年代主流視頻遊戲問世以來，人們對更快、更優質的圖形處理技術的需求一直在增加。到了20世紀90年代末，面向遊戲市場的圖形晶片性能有了很大的提升。2001年以GeForce 3系列發布的Nvidia NV20是一個關鍵轉折點，並在不經意間開闢了科學計算和人工智慧的新視野。 在1998年，當Nvidia團隊開始研究NV20時，為視頻遊戲動態生成豐富的圖像仍然是一項巨大的挑戰。「我一直對能夠實時創建超逼真圖像的想法著迷，」NV20系統架構師Steven Molnar說。當時的圖形處理器無法實時生成複雜的紋理，逼真的反射表面和陰影。由於採用了新架構，NV20可以為遊戲開發商提供所有這些功能。 NV20的首席架構師John Montrym說，當時GPU的市場競爭非常激烈。製造商必須在提供遊戲設計師可能最終未使用的新功能（可能代價昂貴）與現有功能之間取得謹慎的平衡，並確保新的晶片仍能有效地運行現有的圖形程序。Nvidia決定用NV20系列冒一次險，制定一項雄心勃勃且難以製造的設計方案，該方案需要對公司現有的圖形晶片的架構進行重大變革。 Montrym和Molnar努力簡化晶片的操作。他們改變了內存的分區方式，將128位數據塊分成4個32位塊，使得從內存中獲取數據的過程更加高效。他們還搭建了一種名為z-cull的系統，該系統可以預測3D場景中的哪些像素會被其他對象遮擋，然後將不需要的像素數據從存儲器中放出，以節約處理能力。所有這些改進的目的都是為了更快地生成更豐富的圖形，但這樣的晶片製造難度很大。 為了將這些新功能加入到NV20當中，硬體工程師John Robinson不得不採用當時最新的半導體技術，150納米製程。Robinson今天回想起當時的選擇，嘆了口氣。他說：「當時150納米晶片很難生產。但經過反覆多次試驗，糾正了無數錯誤之後，他最終獲得了成功。 另一個重大風險是讓開發人員承受NV20的缺憾和修補。「當時有一種感覺，如果你想要得到真正逼真的圖像，需要向開發人員展示可編程性，」Molnar說。NV20不是完全可編程的，但Nvidia首次推出了一些可供遊戲開發者配置的板載功能。藉助NV20，開發人員可以調整GPU的像素和頂點著色器。 像素著色器是使計算機圖形看起來逼真的關鍵部分。一件物體可能具有精緻逼真的3D形狀，但如果看上去不是由特定材料製成，並且以特定的方式反光，那麼看起來仍然會很假。頂點著色器有助於將3D對象變得更加真實。比如，Molnar解釋說，開發人員可以編寫一個功能，改變目標表面的高度，來模擬水上的波浪，還可以用動畫圖形逼真地顯示出關節的運動。 NV20系列允許遊戲開發人員根據他們的需求調整著色器配置，甚至可以從頭開始自己編寫頂點著色器的某些功能，而不用被GPU設計師的選擇所束縛，他們可以在不犧牲運算速度的情況下，創建更逼真的遊戲環境。 這個決定打開了將GPU用於圖形以外的其他領域的大門。隨後的GPU提供了越來越靈活的可編程功能，開發人員開始為了自己的目的來配置。這最終導致GPU用於科學計算，後來又被用於訓練機器學習算法，因為遊戲設計者按照自己的偏好，來處理屏幕上並行的海量像素，其實就是大規模並行數學計算問題，比如調整神經網絡的權重，也屬於這類問題。Montrym說，NV20系列是在這條道路上邁出的第一步。 最初的XBox使用了NV20的一個版本，將微軟推向了遊戲也的最前沿 這些風險在短期內就得到了回報。微軟選擇了該晶片的自定義版本作為其首款Xbox遊戲機的圖形處理器，Xbox成為全球大賣的熱門遊戲主機。具有諷刺意味的是，NV20的主要工程師都沒有玩視頻遊戲的習慣，他們對後來的科學計算和人工智慧更感興趣。 「我沒有時間玩電子遊戲，因為太忙了！「蒙特裡姆說。「計算機遊戲的火熱，支持了我們繼續發展，現在，如果你看看誰使用我們的晶片，其實更多的是GPU通用計算中，更多人在這個領域獲得了巨大的價值。」 來源：悅智網，版權歸作者所有，僅代表作者個人觀點，如有侵權，請聯繫刪除，謝謝！
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