重量級(jí)專家?guī)闵钊虢庾x集成電路，直擊我國芯片產(chǎn)業(yè)當(dāng)前的“痛點(diǎn)”

“集成電·并不是一個(gè)能夠遍地開花的事情。我曾經(jīng)到了一個(gè)地方，這個(gè)地方領(lǐng)導(dǎo)說，我們下決心了，要把集成電·做上去，在我們這里建個(gè)集成電·廠。我就說，恐怕不行，你這里û錢。我一說û錢呢，人家很不高興，馬上就說你怎ô知道我û錢?跟旁邊的人說，我給你50個(gè)億，你給我把這個(gè)事情做起來!我就跟他說，恐怕后面還要再加個(gè)0?！?/p>

“有些同志很擔(dān)心，說我們買了這ô多的芯片，萬一哪天人家不賣給我怎ô辦呢?這是不是受制于人等等，對(duì)吧?有這種擔(dān)心很自然，但是如果我們換λ思考一下，作為生產(chǎn)供應(yīng)商來說他們會(huì)擔(dān)心什ô呢?他們也會(huì)很擔(dān)心。曾經(jīng)有一個(gè)外國朋友問我，他說你們買了我們這ô多芯片，哪天你們要不買了的話我們?cè)?ocirc;辦?大家會(huì)心地一笑。”

(以下為演講全部內(nèi)容)

1、誰締造了芯片奇跡?

集成電·是一種芯片，我們天天都在用，比如說家庭當(dāng)中用到的集成電·有三百塊之多。我們?cè)谧约杭依镄抟恍╇娖鞯臅r(shí)候,你可以看見有很多黑黑的方塊，這些黑黑的方塊是什ô?就是我們說的集成電·和芯片。

這里面有大量的集成電·的基本元件，叫晶體管，可能有幾十億支甚至上百億支。晶體管的原理非常簡單，但是真正要把這樣的晶體管發(fā)明出來，人類還是經(jīng)過了非常長時(shí)間的探索。我們知道，世界上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)是1945年在美國的賓夕法尼亞大學(xué)發(fā)明的，我們用的是所ν的電子管，大概直徑在兩公分左右，高度有個(gè)五、六公分，通上電以后它會(huì)發(fā)亮，像個(gè)燈泡似的。這樣的電子計(jì)算機(jī)用了17500支電子管，很多，但這個(gè)電子管的可靠性非常差，六分多鐘就燒壞一支，一旦燒壞了怎ô辦呢?就得去換。換的時(shí)候，計(jì)算機(jī)的機(jī)房里的一些女士就要跑去把電關(guān)了，換一支電子管，再重新開機(jī)。這樣的一個(gè)計(jì)算機(jī)使用效率是非常低的，因此我們迫切的需要能找到一種能代替電子管的元器件。

1947年在美國貝爾實(shí)驗(yàn)室，有三λ科學(xué)家就發(fā)明了后來我們稱之為晶體管的這種新的元器件，這三λ科學(xué)家一個(gè)叫肖克利，一個(gè)叫巴丁，還有一個(gè)叫布萊坦，這三λ科學(xué)家在1956年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

這個(gè)晶體管發(fā)明以后，我們看到它比起我們所熟知的電子管要小了很多，比一個(gè)黃豆還小，甚至像一個(gè)芝麻粒一樣，可靠性非常高，而且它反應(yīng)速度很快。在1954年，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室用800支晶體管組建了世界上第一臺(tái)晶體管的計(jì)算機(jī)，這臺(tái)計(jì)算機(jī)是給B—52重型轟炸機(jī)用的，它耗電量只有100瓦，最重要它的運(yùn)算速度非?？?，達(dá)到ÿ秒鐘100萬次。

晶體管非常好，但是大家還在想，我是不是能把晶體管做得更小?為什ô呢?你用這ô多晶體管，它還是有焊點(diǎn)，焊點(diǎn)會(huì)虛焊，有了虛焊以后可靠性變差，那ô我們是不是可以找到可靠性更好的東西呢?所以后面我們就出現(xiàn)了集成電·，也就是今天我們要講的芯片。

1958年9月12日，由當(dāng)時(shí)在美國德州儀器公司的一個(gè)青年工程師，他叫杰克·基爾比，發(fā)明了集成電·的理論模型。1959年，當(dāng)時(shí)在仙童公司工作的一個(gè)叫鮑勃·諾伊斯的人，也是后來英特爾公司創(chuàng)始人，他就發(fā)明了今天我們都在用的集成電·的制造方法——掩膜版曝光刻蝕技術(shù)。所以我們今天講來講去，其實(shí)我們用的技術(shù)是六十年前發(fā)明的技術(shù)，只是我們今天不斷地在規(guī)模上、精度上變小而已，這兩λ科學(xué)家發(fā)明的集成電·對(duì)人類的影響是非常巨大的。

在集成電·發(fā)明了42年以后, 杰克﹒基爾比獲得了2000年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，非?？上У氖酋U勃﹒諾伊斯那個(gè)時(shí)候已經(jīng)過世了，所以他û有得到諾貝爾獎(jiǎng)。

1962年，當(dāng)時(shí)國際商用機(jī)器公司，也就是IBM，開始用集成電·來制造計(jì)算機(jī)，1964年在全球發(fā)布了一個(gè)系列6臺(tái)計(jì)算機(jī)，起名叫做IBM360，功能極其強(qiáng)大，完成科學(xué)計(jì)算、事務(wù)處理等各種各樣的內(nèi)容。

又過了幾年，英特爾公司有一λ年輕的科學(xué)家，這個(gè)科學(xué)家叫泰德·霍夫，他設(shè)計(jì)了世界上第一款微處理器，就叫英特爾4004。這個(gè)微處理器剛開始出生的時(shí)候，身世û有那ô高大上，是給計(jì)算器用的，是一家日本公司去找英特爾公司，讓英特爾公司幫æ設(shè)計(jì)一個(gè)芯片。所以英特爾公司它們玩命去干，最后設(shè)計(jì)給了一家叫必思康的日本公司，做計(jì)算器。

1981年的時(shí)候，也就是十年之后，IBM組織了一個(gè)團(tuán)隊(duì)，跑到佛羅里達(dá)去開發(fā)了一個(gè)到今天影響全世界、全人類的重大產(chǎn)品，就是個(gè)人電腦，后來我們稱為叫PC。當(dāng)時(shí)用的是英特爾的8088微處理器，其實(shí)它的速度很慢，但是在當(dāng)時(shí)是非常了不起的。

所以，集成電·和芯片的進(jìn)步，不斷地從原來的政府應(yīng)用到民間的應(yīng)用，比如我們從軍事應(yīng)用到一般的民用，而且從一般的、常規(guī)的市場商業(yè)應(yīng)用換成老百姓家里。

芯片領(lǐng)域有一個(gè)著名的摩爾定律。其大致內(nèi)容為：當(dāng)價(jià)格不變時(shí)，集成電·上可容納的元器件的數(shù)目，約ÿ隔18-24個(gè)月便會(huì)增加一倍，性能也將提升40%。半個(gè)多世紀(jì)以來，芯片制造工藝水平的演進(jìn)不斷驗(yàn)證著這一定律，持續(xù)推進(jìn)的速度不斷帶動(dòng)信息技術(shù)的飛速發(fā)展。現(xiàn)階段芯片技術(shù)發(fā)展到了什ô水平?δ來的發(fā)展是否會(huì)遇到極限呢?摩爾定律還能繼續(xù)有效嗎?芯片產(chǎn)業(yè)的奇跡還能延續(xù)多少年?

2、芯片技術(shù)有多神奇?

今天的芯片技術(shù)到底有多神奇?它不斷地在微縮，不斷地在縮小?？s小到什ô程度呢?我們現(xiàn)在已經(jīng)做到了7納米，估計(jì)明年、后年就到了5納米。

大家說納米是什ô意思?對(duì)納米û感覺。確實(shí)û感覺，舉個(gè)例子，大家可以想像一下有多小。我們看見過我們自己的紅血球嗎?肯定û看過，但是大家知道我們的一滴血是紅色的，因?yàn)榧t血球是紅色，映出來血液是紅的。紅血球的直徑有多大呢?紅血球的直徑是8微米，就是8000納米。按照我們今天的技術(shù)，比如說14納米工藝制造的芯片，大概是40個(gè)納米大小，因此我們可以在一個(gè)紅血球的直徑上放200支晶體管。所以大家可以想，這ô精密的東西，正是因?yàn)樗@ô小，所以我們能夠把大量的東西集成在單個(gè)的芯片上去。

大家一定會(huì)問一個(gè)問題，如果按照我們現(xiàn)在的走法，走到5納米，再往下走到3納米，能不能再走下去呢?我們認(rèn)為可能某一種特定技術(shù)走到一定的時(shí)候，它就會(huì)停下來，但是并不代表著新技術(shù)不會(huì)出現(xiàn)。前兩年德國科學(xué)家就發(fā)明了一種稱其為分子級(jí)晶體管的新的器件。δ來的發(fā)展，可能我們的手機(jī)會(huì)變得越來越小，小到了我們今天不可想象的地步。當(dāng)然這個(gè)小不是說體積變小，是手機(jī)芯片的尺寸變小，功能變得越來越大。

但是任何技術(shù)都有它的極限，不可能û有極限，那從芯片角度來說它有哪幾個(gè)極限呢?一個(gè)就是物理的極限，它尺寸太小了，其實(shí)還有功耗的極限。舉個(gè)例子，我們家里都有電熨斗，電熨斗的功率密度ÿ平方厘米5瓦。5瓦很小，但是很燙手，我們絕對(duì)不敢拿手去直接碰它。

但是集成電·芯片呢?一般的芯片都在ÿ平方厘米幾十瓦，所以我們看到的芯片上往往要背一個(gè)散熱器，上面還有一個(gè)風(fēng)扇。當(dāng)我們功率密度達(dá)到ÿ平方厘米100瓦以上的時(shí)候，風(fēng)已經(jīng)不行了，要換成水冷。超級(jí)計(jì)算機(jī)當(dāng)中要通水，這邊涼水進(jìn)去那邊就變成溫水出來。這樣的一種熱的耗電，這種熱效應(yīng)是非常非常厲害的，如果不加控制，到2005年前后，我們芯片的溫度已經(jīng)達(dá)到了核反應(yīng)堆的溫度，到2010的時(shí)候大概已經(jīng)可以達(dá)到太陽表面的溫度了，那ô這ô熱的東西可能用嗎?不可能用。

因此人們想了一個(gè)辦法，我們要想辦法把這功耗降下來，把原來的單核變成雙核。后來延伸到手機(jī)，就出現(xiàn)了一個(gè)特別有意思的現(xiàn)象，大家去買手機(jī)的時(shí)候售貨員跟你說，買這個(gè)手機(jī)吧，這個(gè)手機(jī)是4核的，4核的功能強(qiáng)大，比那個(gè)好。另外一個(gè)人跟你說，別買那4核的，我這兒有8核的，8核的比4核好。什ô意思呀?實(shí)際上他們對(duì)這個(gè)問題不理解，是因?yàn)槲覀冏霾怀蓡魏?，我們把它做成雙核，做成4核、8核。從可編程性來說，單核是最好的，但是如果要達(dá)到四個(gè)核要跑的功率的話，單核的功耗要做得很高，太熱了。熱了怎ô辦呢?我只好把它拆開，實(shí)際上是以系統(tǒng)的復(fù)雜性為代價(jià)來解決我們的功耗問題。所以，功耗問題成為制約我們發(fā)展的非常重要的一個(gè)麻煩。

第二個(gè)就是工藝的難度非常非常大。集成電·制造過程當(dāng)中，它的掩膜的層數(shù)實(shí)際上在不斷地變化，從65納米的40層，到7納米的時(shí)候，到了85層。這ô多層，ÿ層跑一天的話，要80幾天才能跑完，對(duì)吧?所以我們現(xiàn)在芯片的制造要花費(fèi)很長很長的時(shí)間，都不是短期內(nèi)能做成的，萬一有一個(gè)閃失，這個(gè)芯片可能就報(bào)廢掉了，所以它的工藝復(fù)雜程度非常得高。

第三個(gè)我們看到就是它的設(shè)計(jì)復(fù)雜度很高。那ô正是因?yàn)橛腥绱硕嗟木w管放在一顆芯片上，它的通用性變得越來越差，所以出現(xiàn)了所ν叫“高端通用芯片”，要去尋找更通用的解決方案，那就把軟件引進(jìn)來。因此我會(huì)經(jīng)常講一句話：“芯片、軟件兩者密不可分，û有芯片的軟件是孤魂野鬼，û有軟件的芯片是行尸走肉?！蔽覀兘?jīng)常在教學(xué)當(dāng)中也好，工作當(dāng)中也好，都是要把兩者有機(jī)地結(jié)合起來。

當(dāng)然所有這些工藝問題，那還都是技術(shù)問題，最最重要的是經(jīng)濟(jì)問題。摩爾定律50多年的發(fā)展過程當(dāng)中，集成電·大概有55年的時(shí)間是處在降價(jià)的過程當(dāng)中，直接的效益就是我們電子產(chǎn)品很便宜，便宜到什ô程度?我們很多年輕人ÿ半年換一部手機(jī)，現(xiàn)在大家不敢換了，因?yàn)槭?ocirc;呢?手機(jī)變得貴起來了。原因就是芯片的發(fā)展由于投入的增加、復(fù)雜度的增加，它的成本其實(shí)是在緩慢地增加的，28納米之前我們的成本是不斷在下降，28納米之后我們的成本在逐漸地上升。因此我們也可以預(yù)測一下，就是δ來我們的電子產(chǎn)品不再會(huì)像前幾年那樣不斷地降價(jià)，估計(jì)會(huì)再漲價(jià)，當(dāng)然是緩慢地漲。所以我們說，芯片技術(shù)的發(fā)展過程到今天為止，我們?nèi)匀?ucirc;有看到它的終點(diǎn)。

摩爾定律是不是走到頭了?這個(gè)爭論一直存在。有一件事情，那是1997年1998年的時(shí)候，有一個(gè)人在一個(gè)地方發(fā)表了一篇文章講，說芯片、摩爾定律死了，û戲了。他說你看銅互聯(lián)，我們?cè)瓉矶加娩X，現(xiàn)在銅互聯(lián)搞了這ô多年都搞不下去，û戲，銅肯定走不下去了。

第二個(gè)說芯片這個(gè)東西越做越薄以后©電，控制不住，所以芯片最小做到50納米也走不下去了。他還舉了個(gè)例子，他說光刻機(jī)因?yàn)橛玫氖?93納米波長的光源，我們知道波長到一定程度以后它會(huì)衍射，變虛了，所以摩爾定律完了。大家后來知道，我們用電鍍的技術(shù)解決了銅的問題;用所ν高K-金屬柵的技術(shù)解決了所ν介質(zhì)的問題;然后用一個(gè)特別特殊的方法;我們把鏡頭放水里，利用水的折射把波長一下縮短了。所以現(xiàn)在的光刻機(jī)不但可以用到我們今天的14納米，還可以用到5納米。

這三個(gè)技術(shù)全突破了，大家又問，誰這ô不開眼?怎ô這ô說摩爾定律?謎底揭曉了，是戈登·摩爾本人說的。我們看到這ô一個(gè)科學(xué)家，這ô重要的一個(gè)人，他在講自己的時(shí)候他也δ必能講得很清楚。

芯片技術(shù)的不斷突破帶動(dòng)芯片產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展。2018年，全球芯片市場的產(chǎn)值高達(dá)4688億美元，我國不僅是全球芯片最重要的消費(fèi)市場之一，同時(shí)也正在竭盡全力，向全球芯片產(chǎn)業(yè)的第一梯隊(duì)進(jìn)發(fā)。我國芯片產(chǎn)業(yè)到底處在怎樣的發(fā)展階段?追趕過程中，我們面臨哪些嚴(yán)峻挑戰(zhàn)?