大咖带你了解我国芯片产业当前的“痛点”在哪?又将怎样高质量从“芯”突破?

2019-05-20 17:54:23 来源: 电子工程世界
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集成电路并不是一个能够遍地开花的事情。我曾经到了一个地方,这个地方领导说,我们下决心了,要把集成电路做上去,在我们这里建个集成电路厂。我就说,恐怕不行,你这里没钱。我一说没钱呢,人家很不高兴,马上就说你怎么知道我没钱?跟旁边的人说,我给你50个亿,你给我把这个事情做起来!我就跟他说,恐怕后面还要再加个0。”

 

“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。”

 

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?》。

 

嘉宾简介

 

 

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。

 

(以下为演讲全部内容)

 

1、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。

 

 

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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