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[導(dǎo)讀]“集成電路并不是一個能夠遍地開花的事情。我曾經(jīng)到了一個地方,這個地方領(lǐng)導(dǎo)說,我們下決心了,要把集成電路做上去,在我們這里建個集成電路廠。我就說,恐怕不行,你這里沒錢。我一說沒錢呢,人家很不高興,馬上就說你怎么知道我沒錢?跟旁邊的人說,我給你50個億,你給我把這個事情做起來!我就跟他說,恐怕后面還要再加個0。”

“集成電·并不是一個能夠遍地開花的事情。我曾經(jīng)到了一個地方,這個地方領(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個億,你給我把這個事情做起來!我就跟他說,恐怕后面還要再加個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)商來說他們會擔(dān)心什ô呢?他們也會很擔(dān)心。曾經(jīng)有一個外國朋友問我,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怎ô辦?大家會心地一笑?!?/p>

(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。我們在自己家里修一些電器的時候,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)過了非常長時間的探索。我們知道,世界上第一臺電子計算機(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,高度有個五、六公分,通上電以后它會發(fā)亮,像個燈泡似的。這樣的電子計算機(jī)用了17500支電子管,很多,但這個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。換的時候,計算機(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)。這樣的一個計算機(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)家一個叫肖克利,一個叫巴丁,還有一個叫布萊坦,這三λ科學(xué)家在1956年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。

這個晶體管發(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,比一個黃豆還小,甚至像一個芝麻粒一樣,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晶體管的計算機(jī),這臺計算機(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)時在美國德州儀器公司的一個青年工程師,他叫杰克·基爾比,發(fā)明了集成電·的理論模型。1959年,當(dāng)時在仙童公司工作的一個叫鮑勃·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,非??上У氖酋U勃﹒諾伊斯那個時候已經(jīng)過世了,所以他û有得到諾貝爾獎。

1962年,當(dāng)時國際商用機(jī)器公司,也就是IBM,開始用集成電·來制造計算機(jī),1964年在全球發(fā)布了一個系列6臺計算機(jī),起名叫做IBM360,功能極其強(qiáng)大,完成科學(xué)計算、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,這個科學(xué)家叫泰德·霍夫,他設(shè)計了世界上第一款微處理器,就叫英特爾4004。這個微處理器剛開始出生的時候,身世û有那ô高大上,是給計算器用的,是一家日本公司去找英特爾公司,讓英特爾公司幫æ設(shè)計一個芯片。所以英特爾公司它們玩命去干,最后設(shè)計給了一家叫必思康的日本公司,做計算器。

1981年的時候,也就是十年之后,IBM組織了一個團(tuán)隊,跑到佛羅里達(dá)去開發(fā)了一個到今天影響全世界、全人類的重大產(chǎn)品,就是個人電腦,后來我們稱為叫PC。當(dāng)時用的是英特爾的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)域有一個著名的摩爾定律。其大致內(nèi)容為:當(dāng)價格不變時,集成電·上可容納的元器件的數(shù)目,約ÿ隔18-24個月便會增加一倍,性能也將提升40%。半個多世紀(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)的速度不斷帶動信息技術(shù)的飛速發(fā)展?,F(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,估計明年、后年就到了5納米。

大家說納米是什ô意思?對納米û感覺。確實(shí)û感覺,舉個例子,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個納米大小,因此我們可以在一個紅血球的直徑上放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的芯片上去。

大家一定會問一個問題,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)走到一定的時候,它就會停下來,但是并不代表著新技術(shù)不會出現(xiàn)。前兩年德國科學(xué)家就發(fā)明了一種稱其為分子級晶體管的新的器件。δ來的發(fā)展,可能我們的手機(jī)會變得越來越小,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極限呢?一個就是物理的極限,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散熱器,上面還有一個風(fēng)扇。當(dāng)我們功率密度達(dá)到ÿ平方厘米100瓦以上的時候,風(fēng)已經(jīng)不行了,要換成水冷。超級計算機(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)了一個特別有意思的現(xiàn)象,大家去買手機(jī)的時候售貨員跟你說,買這個手機(jī)吧,這個手機(jī)是4核的,4核的功能強(qiáng)大,比那個好。另外一個人跟你說,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)際上他們對這個問題不理解,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麻煩。

第二個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,對吧?所以我們現(xiàn)在芯片的制造要花費(fèi)很長很長的時間,都不是短期內(nèi)能做成的,萬一有一個閃失,這個芯片可能就報廢掉了,所以它的工藝復(fù)雜程度非常得高。

第三個我們看到就是它的設(shè)計復(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年的時間是處在降價的過程當(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)品不再會像前幾年那樣不斷地降價,估計會再漲價,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?這個爭論一直存在。有一件事情,那是1997年1998年的時候,有一個人在一個地方發(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),我們原來都用鋁,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。

第二個說芯片這個東西越做越薄以后©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一個科學(xué)家,這ô重要的一個人,他在講自己的時候他也δ必能講得很清楚。

芯片技術(shù)的不斷突破帶動芯片產(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,同時也正在竭盡全力,向全球芯片產(chǎn)業(yè)的第一梯隊進(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)?

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