高质量发展如何从“芯”突破？

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。

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。

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。

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！

大家也许会觉得，我们国家的芯片产业发展好像不那么好，我觉得大家有这种感触是很正常的。

比如前两年，我们有很多话说得比较大，我用了一个词叫“吓尿体”。我给大家念几段，很有意思的现象，他说“某某某芯片突飞猛进，为什么美国人都害怕了？”还有说“我们的什么什么东西站到了世界之巅”，还有一个说“我们某某老人从美国回来了，美国人慌了”。

当我们去年碰到一些事情的时候，态度就180度大转弯，转而自己“吓尿了”，也给大家念几段，比如说：“你不知道中国芯有多烂，你只有读了本文之后你就知道它有多烂”。“中国芯片到底怎么样了，跟人家一比我就彻底失望了”。我不知道我们怎么就这么脆弱，对自己一点信心都没有呢？前两年那种豪情壮志又到哪儿去了呢？

芯片的发展它有它的客观规律，既没有像大家想象的那么好，也没有像大家想象那么坏，当然我们现在还不能满足需求，但是只要坚持不懈走下去，我们的发展就一定可以走到我们所希望的那个水平上去。

中国的芯片产业发展速度非常快，从2004年到2018年中国的芯片产业的发展的曲线图中可以看到，我们从2004年545亿元涨到了去年6532亿元，1000亿美元，这个增长速度是当期全球增长速度的四倍左右。6500多亿元，其实是我们的设计、封测业和芯片制造业三业叠加的结果。

我们看到芯片的设计业去年达到了2500多亿元，这是真正意义上的产品，而我们的封测业2190亿元和芯片制造业1800多亿元，这个更多的是一种加工。那么，设计、封测、芯片的制造这三者之间是什么关系？

举一个例子，设计业就是相当于作家写书，制造业就相当于印刷，封测业就相当于装订，各自的特点是不一样的。

我们国家的企业，经过这么多年的发展以后，无论是设计制造还是封测都已经进入世界前列，比如在全球的集成电路设计这个行业当中，前十位有两家企业，在全球的代工企业当中，前十位也有两家企业，而在全球的封测企业当中，前十当中有三个企业。

但是我们跟国际先进水平相比还有相当大的差距。看看我们的设计业，也就是我们经常讲的集成电路产品，我们从1999年全行业只有3亿元人民币，到去年我们已经到了2519亿，合370亿美元左右，已经做到世界第二大。

虽然很大，但是我们看一看的话，我们的产品在全球占比只有7.9%，如果当时大家还记着刚才那张胶片，中国市场1500多亿美元，占了全球市场的34%，而这里面我们只有7.9%，那我们有26%就要靠进口。

有些同志很担心，说我们买了这么多的芯片，万一哪天人家不卖给我怎么办呢？这是不是受制于人等等，对吧？有这种担心很自然，但是如果我们换位思考一下，作为生产供应商来说他们会担心什么呢？他们也会很担心。曾经有一个外国朋友问我，他说你们买了我们这么多芯片，哪天你们要不买了的话我们怎么办？大家会心地一笑。

这是一个很有意思的现象，我们怕别人不卖给我们，人家怕我们不买。所以这种情况下，最好的办法就是我们自己发展，我们自己多生产点儿，大家都相安无事，这才最好。

需求旺盛、供给不足是我们中国芯片产业面临的一个挑战，这是个现实问题，也是我们下一步作供给侧结构性改革的时候一个关注的点。

如果大家今后从事芯片技术的话，我相信从我今天的讲演当中，至少可以掌握到几个重要的点：

第一个点，我觉得芯片的发展大概不以人的意志为转移，一直走下去，还会成长一百年；

第二个点，芯片的发展不容易，不是那么简单的，需要高额的投入，需要我们长期坚持。一百年不仅仅是一个数字、一个年份，而是说长期坚持才会有结果。