芯片的事，清华教授说了大实话
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直击我国芯片产业当前的“痛点”，探索芯片产业突破性高质量发展之路，重量级专家魏少军为您深度解读《高质量发展如何从“芯”突破？》。
芯片的事，清华教授说了大实话
文/魏少军
（清华大学微电子所所长，“核高基”国家科技重大专项技术总师，国际电气和电子工程师协会会士）
来源/网络
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谁缔造了芯片奇迹？
集成电路是一种芯片，我们天天都在用，比如说家庭当中用到的集成电路有三百块之多。我们在自己家里修一些电器的时候，你可以看见有很多黑黑的方块，这些黑黑的方块是什么？就是我们说的集成电路和芯片。（为什么日本学者写的中国历史却风靡全国政商圈？）
这里面有大量的集成电路的基本元件，叫晶体管，可能有几十亿支甚至上百亿支。晶体管的原理非常简单，但是真正要把这样的晶体管发明出来，人类还是经过了非常长时间的探索。
我们知道，世界上第一台电子计算机是1945年在美国的宾夕法尼亚大学发明的，我们用的是所谓的电子管，大概直径在两公分左右，高度有个五、六公分，通上电以后它会发亮，像个灯泡似的。
这样的电子计算机用了17500支电子管，很多，但这个电子管的可靠性非常差，六分多钟就烧坏一支，一旦烧坏了怎么办呢？就得去换。
换的时候，计算机的机房里的一些女士就要跑去把电关了，换一支电子管，再重新开机。这样的一个计算机使用效率是非常低的，因此我们迫切的需要能找到一种能代替电子管的元器件。
1947年在美国贝尔实验室，有三位科学家就发明了后来我们称之为晶体管的这种新的元器件，这三位科学家一个叫肖克利，一个叫巴丁，还有一个叫布莱坦，这三位科学家在1956年获得了诺贝尔物理学奖。
这个晶体管发明以后，我们看到它比起我们所熟知的电子管要小了很多，比一个黄豆还小，甚至像一个芝麻粒一样，可靠性非常高，而且它反应速度很快。
在1954年，美国贝尔实验室用800支晶体管组建了世界上第一台晶体管的计算机，这台计算机是给B—52重型轰炸机用的，它耗电量只有100瓦，最重要它的运算速度非常快，达到每秒钟100万次。
晶体管非常好，但是大家还在想，我是不是能把晶体管做得更小？为什么呢？你用这么多晶体管，它还是有焊点，焊点会虚焊，有了虚焊以后可靠性变差，那么我们是不是可以找到可靠性更好的东西呢？所以后面我们就出现了集成电路，也就是今天我们要讲的芯片。
1958年9月12日，由当时在美国德州仪器公司的一个青年工程师，他叫杰克·基尔比，发明了集成电路的理论模型。
1959年，当时在仙童公司工作的一个叫鲍勃·诺伊斯的人，也是后来英特尔公司创始人，他就发明了今天我们都在用的集成电路的制造方法——掩膜版曝光刻蚀技术。
所以我们今天讲来讲去，其实我们用的技术是六十年前发明的技术，只是我们今天不断地在规模上、精度上变小而已，这两位科学家发明的集成电路对人类的影响是非常巨大的。
在集成电路发明了42年以后， 杰克﹒基尔比获得了2000年的诺贝尔物理学奖，非常可惜的是鲍勃﹒诺伊斯那个时候已经过世了，所以他没有得到诺贝尔奖。
1962年，当时国际商用机器公司，也就是IBM，开始用集成电路来制造计算机，1964年在全球发布了一个系列6台计算机，起名叫做IBM360，功能极其强大，完成科学计算、事务处理等各种各样的内容。
又过了几年，英特尔公司有一位年轻的科学家，这个科学家叫泰德·霍夫，他设计了世界上第一款微处理器，就叫英特尔4004。
这个微处理器刚开始出生的时候，身世没有那么高大上，是给计算器用的，是一家日本公司去找英特尔公司，让英特尔公司帮忙设计一个芯片。
所以英特尔公司它们玩命去干，最后设计给了一家叫必思康的日本公司，做计算器。
1981年的时候，也就是十年之后，IBM组织了一个团队，跑到佛罗里达去开发了一个到今天影响全世界、全人类的重大产品，就是个人电脑，后来我们称为叫PC。当时用的是英特尔的8088微处理器，其实它的速度很慢，但是在当时是非常了不起的。
所以，集成电路和芯片的进步，不断地从原来的政府应用到民间的应用，比如我们从军事应用到一般的民用，而且从一般的、常规的市场商业应用换成老百姓家里。
芯片领域有一个著名的摩尔定律。其大致内容为：
当价格不变时，集成电路上可容纳的元器件的数目，约每隔18-24个月便会增加一倍，性能也将提升40%。
半个多世纪以来，芯片制造工艺水平的演进不断验证着这一定律，持续推进的速度不断带动信息技术的飞速发展。
现阶段芯片技术发展到了什么水平？未来的发展是否会遇到极限呢？摩尔定律还能继续有效吗？芯片产业的奇迹还能延续多少年？
2
芯片技术有多神奇？
今天的芯片技术到底有多神奇？它不断地在微缩，不断地在缩小。缩小到什么程度呢？我们现在已经做到了7纳米，估计明年、后年就到了5纳米。
大家说纳米是什么意思？对纳米没感觉。确实没感觉，举个例子，大家可以想像一下有多小。我们看见过我们自己的红血球吗？肯定没看过，但是大家知道我们的一滴血是红色的，因为红血球是红色，映出来血液是红的。
红血球的直径有多大呢？红血球的直径是8微米，就是8000纳米。按照我们今天的技术，比如说14纳米工艺制造的芯片，大概是40个纳米大小，因此我们可以在一个红血球的直径上放200支晶体管。
所以大家可以想，这么精密的东西，正是因为它这么小，所以我们能够把大量的东西集成在单个的芯片上去。
大家一定会问一个问题，如果按照我们现在的走法，走到5纳米，再往下走到3纳米，能不能再走下去呢？我们认为可能某一种特定技术走到一定的时候，它就会停下来，但是并不代表着新技术不会出现。前两年德国科学家就发明了一种称其为分子级晶体管的新的器件。
未来的发展，可能我们的手机会变得越来越小，小到了我们今天不可想象的地步。当然这个小不是说体积变小，是手机芯片的尺寸变小，功能变得越来越大。
但是任何技术都有它的极限，不可能没有极限，那从芯片角度来说它有哪几个极限呢？一个就是物理的极限，它尺寸太小了，其实还有功耗的极限。举个例子，我们家里都有电熨斗，电熨斗的功率密度每平方厘米5瓦。5瓦很小，但是很烫手，我们绝对不敢拿手去直接碰它。
但是集成电路芯片呢？一般的芯片都在每平方厘米几十瓦，所以我们看到的芯片上往往要背一个散热器，上面还有一个风扇。
当我们功率密度达到每平方厘米100瓦以上的时候，风已经不行了，要换成水冷。超级计算机当中要通水，这边凉水进去那边就变成温水出来。
这样的一种热的耗电，这种热效应是非常非常厉害的，如果不加控制，到2005年前后，我们芯片的温度已经达到了核反应堆的温度，到2010的时候大概已经可以达到太阳表面的温度了，那么这么热的东西可能用吗？不可能用。
因此人们想了一个办法，我们要想办法把这功耗降下来，把原来的单核变成双核。
后来延伸到手机，就出现了一个特别有意思的现象，大家去买手机的时候售货员跟你说，买这个手机吧，这个手机是4核的，4核的功能强大，比那个好。
另外一个人跟你说，别买那4核的，我这儿有8核的，8核的比4核好。什么意思呀？实际上他们对这个问题不理解，是因为我们做不成单核，我们把它做成双核，做成4核、8核。
从可编程性来说，单核是最好的，但是如果要达到四个核要跑的功率的话，单核的功耗要做得很高，太热了。
热了怎么办呢？我只好把它拆开，实际上是以系统的复杂性为代价来解决我们的功耗问题。所以，功耗问题成为制约我们发展的非常重要的一个麻烦。
第二个就是工艺的难度非常非常大。
集成电路制造过程当中，它的掩膜的层数实际上在不断地变化，从65纳米的40层，到7纳米的时候，到了85层。
这么多层，每层跑一天的话，要80几天才能跑完，对吧？所以我们现在芯片的制造要花费很长很长的时间，都不是短期内能做成的，万一有一个闪失，这个芯片可能就报废掉了，所以它的工艺复杂程度非常得高。
第三个我们看到就是它的设计复杂度很高。
那么正是因为有如此多的晶体管放在一颗芯片上，它的通用性变得越来越差，所以出现了所谓叫“高端通用芯片”，要去寻找更通用的解决方案，那就把软件引进来。
因此我会经常讲一句话：“芯片、软件两者密不可分，没有芯片的软件是孤魂野鬼，没有软件的芯片是行尸走肉。”我们经常在教学当中也好，工作当中也好，都是要把两者有机地结合起来。
当然所有这些工艺问题，那还都是技术问题，最最重要的是经济问题。摩尔定律50多年的发展过程当中，集成电路大概有55年的时间是处在降价的过程当中，直接的效益就是我们电子产品很便宜，便宜到什么程度？我们很多年轻人每半年换一部手机，现在大家不敢换了，因为什么呢？手机变得贵起来了。
原因就是芯片的发展由于投入的增加、复杂度的增加，它的成本其实是在缓慢地增加的，28纳米之前我们的成本是不断在下降，28纳米之后我们的成本在逐渐地上升。
因此我们也可以预测一下，就是未来我们的电子产品不再会像前几年那样不断地降价，估计会再涨价，当然是缓慢地涨。所以我们说，芯片技术的发展过程到今天为止，我们仍然没有看到它的终点。
摩尔定律是不是走到头了？这个争论一直存在。有一件事情，那是1997年1998年的时候，有一个人在一个地方发表了一篇文章讲，说芯片、摩尔定律死了，没戏了。他说你看铜互联，我们原来都用铝，现在铜互联搞了这么多年都搞不下去，没戏，铜肯定走不下去了。
第二个说芯片这个东西越做越薄以后漏电，控制不住，所以芯片最小做到50纳米也走不下去了。他还举了个例子，他说光刻机因为用的是193纳米波长的光源，我们知道波长到一定程度以后它会衍射，变虚了，所以摩尔定律完了。
大家后来知道，我们用电镀的技术解决了铜的问题；用所谓高K-金属栅的技术解决了所谓介质的问题；然后用一个特别特殊的方法；我们把镜头放水里，利用水的折射把波长一下缩短了。所以现在的光刻机不但可以用到我们今天的14纳米，还可以用到5纳米。
这三个技术全突破了，大家又问，谁这么不开眼？怎么这么说摩尔定律？谜底揭晓了，是戈登·摩尔本人说的。我们看到这么一个科学家，这么重要的一个人，他在讲自己的时候他也未必能讲得很清楚。
芯片技术的不断突破带动芯片产业持续发展。2018年，全球芯片市场的产值高达4688亿美元，我国不仅是全球芯片最重要的消费市场之一，同时也正在竭尽全力，向全球芯片产业的第一梯队进发。我国芯片产业到底处在怎样的发展阶段？追赶过程中，我们面临哪些严峻挑战？
3
谁是全球芯片市场最大的买家？
我们以2014年作为一个节点的话，到2020年，这6年当中，计算机还会增长46%，手机增长81%，而消费类电子还要增长48%。所以说，电子产品的增长是越来越多、越来越快。
我个人判断，在我们有生之年，如果找不到能代替半导体的东西，大概现在的电子产品还会按照这种方式继续走下去。
我们会一直去享受电子产品带来的各种各样的便利，但是它背后的根本因素在于芯片技术的突破。正因为有如此强劲的需求，全球芯片产业的发展就是非常快。
那半导体的市场是怎么分布的？我们看到红色的是中国，最下面这个紫色是美洲的市场，蓝色的是欧洲市场，灰色的是日本市场，上面的绿色的是除了中国和日本之外的亚洲其它市场。
这个数字有点惊人，因为中国市场占了全球市场的34% ，1584亿美元，超过三分之一，这是指中国市场用到的。
同时，2018年中国也是增长最快的半导体市场，中国半导体市场增长了20.5%。我想大家可以想象中国要买多少集成电路，很多！
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