魏少军：高质量发展如何从“芯”突破？

芯片是人类最伟大的发明之一，是现代电子信息产业的基础和核心。

从手机、电脑、数码相机到5G、物联网、云计算，一切都是基于芯片技术的不断突破。

如今，芯片越来越小，集成度越来越高。

很快就会达到极限吗？我国芯片需求极其旺盛，但整个芯片产业尚未进入全球第一梯队。

大部分计算机和服务器通用处理器、95%的高端专用芯片、70%以上的智能终端处理器、绝大多数存储芯片依赖进口。

。

如何分析和观察我国芯片产业现状？可以从后面来吗？ 《中国经济大讲堂》特邀重量级嘉宾魏少军为您深度讲解《高质量发展如何从“芯”突破？》。

魏少军，清华大学微电子研究所所长，“核高技术重大国家科技专项”首席技术工程师，国际电气电子工程师学会会士。

致力于超大规模集成电路设计方法论、嵌入式系统设计技术和可重构计算芯片技术等领域的研究。

拥有数十项中国、美国发明专利，曾荣获国家科技进步二等奖、国家技术发明奖。

二等奖。

-------------------------------------------------- ----------谁创造了芯片奇迹？集成电路是我们日常使用的一种芯片。

例如，我们家里使用的集成电路就有三百个之多。

我们在家里维修一些电器的时候，可以看到很多黑色的方块。

这些黑色方块是什么？这些就是我们所说的集成电路和芯片。

集成电路的基本元件有大量，称为晶体管，可能有数十亿甚至数百亿。

晶体管的原理很简单，但是要真正发明这样的晶体管，人类还是经历了非常漫长的探索期。

我们知道世界上第一台电子计算机是2001年在美国宾夕法尼亚大学发明的，我们用的是所谓的电子管，它的直径大约有两厘米，高度有五六厘米。

当它通电时，它就会发出电流。

明亮，像灯泡一样。

这种电子计算机使用0个电子管，数量很多，但这些电子管的可靠性很差。

一根管子在六分多钟内就烧坏了。

一旦烧坏了该怎么办？只是必须改变它。

换衣服的时候，机房里的一些女士会跑去关掉电源，换上一根管子，然后再打开。

这样的计算机效率很低，因此我们迫切需要找到一种可以替代真空管的元件。

在美国贝尔实验室，三位科学家发明了这种新元件，我们后来称之为晶体管。

这三位科学家之一是肖克利、巴丁和布莱坦。

三位科学家获得了当年的诺贝尔物理学奖。

这种晶体管发明之后，我们看到它比我们熟悉的电子管小很多，比黄豆小，甚至有芝麻那么大。

它非常可靠，而且响应速度非常快。

2007年，美国贝尔实验室利用晶体管建造了世界上第一台晶体管计算机。

这台计算机曾用于 B-52 重型轰炸机。

它仅消耗瓦特的功率。

最重要的是，它的计算速度非常快。

达到每秒数千次。

晶体管很好，但是人们仍然在想，我可以把晶体管做得更小吗？为什么？如果用了这么多晶体管，它们还是有焊点的，而且焊点会虚焊。

接头焊接后，可靠性会变差。

那么我们能找到更可靠的东西吗？所以后来我们就有了集成电路，也就是我们今天要讲的芯片。

2011年9月12日，在美国德州仪器公司工作的一位名叫杰克·基尔比（Jack Kilby）的年轻工程师发明了集成电路的理论模型。

1999年，一位名叫鲍勃·诺伊斯（Bob Noyce）的人，曾在仙童公司工作，后来成为英特尔的创始人，发明了我们今天都使用的集成电路制造方法——掩模曝光蚀刻。

技术。

那么今天我们就来说一下吧。

事实上，我们使用的技术是六十年前发明的。

只是我们今天的规模和精度不断变小。

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。

集成电路发明四十二年后，杰克。

基尔比于2006年获得诺贝尔物理学奖，可惜的是鲍勃。

当时诺伊斯已经去世，因此他没有获得诺贝尔奖。

2008年，国际商业机器公司（又称IBM）开始使用集成电路制造计算机。

2006年，它在全球发布了一系列6款计算机，命名为IBM。

它们的功能极其强大，可以完成科学计算、交易处理等各种任务。

内容。

几年后，英特尔迎来了一位年轻的科学家，名叫特德·霍夫(Ted Hoff)。

他设计了世界上第一个微处理器，称为英特尔。

这个微处理器刚诞生的时候，还没有那么高端，是用来做计算器的。

一家日本公司去找英特尔帮忙设计一款芯片。

于是英特尔苦苦挣扎，最后把设计交给了一家叫Biscon的日本公司来制作计算器。

2000年，也就是十年后，IBM组织了一个团队，前往佛罗里达州，开发了一款影响当今世界和全人类的重大产品，这就是个人电脑，我们后来称之为PC。

当时使用的是Intel微处理器，速度其实很慢，但在当时却是非常令人印象深刻的。

因此，集成电路和芯片的进步不断从原来的政府应用转向民用。

比如我们从军事应用转向一般民用应用，从一般、常规市场商业应用转向寻常百姓家。

芯片技术到底有多神奇？如今的芯片技术有多神奇？一直在缩小，一直在缩小。

可以减少到什么程度呢？我们现在已经做到了7纳米，预计明年或者后年我们会达到5纳米。

纳米是什么意思？我对纳诺没有任何感情。

我真的没感觉。

例如，你可以想象它有多小。

我们见过自己的红细胞吗？我肯定没见过，但是大家都知道，我们的一滴血是红色的，因为红细胞是红色的，反射出来的血液也是红色的。

红细胞的直径是多少？红细胞的直径是8微米，也就是纳米。

按照我们目前的技术，比如采用14纳米工艺制造的芯片，尺寸约为40纳米，因此我们可以在红细胞的直径上放置一个晶体管。

所以你可以认为这么复杂的东西正是因为它很小所以我们可以在一个芯片上集成大量的东西。

大家肯定会问一个问题，如果按照我们现在的路，到5纳米，再到3纳米，还能继续走得更远吗？我们认为某种技术到了一定程度可能会停止，但并不意味着新技术不会出现。

两年前，德国科学家发明了一种称为分子级晶体管的新器件。

随着未来的发展，我们的手机可能会变得越来越小，到了今天我们难以想象的程度。

当然，这个小尺寸并不是说尺寸变小了，而是手机芯片的尺寸变得越来越小，功能却越来越大。

但任何技术都有其局限性，不可能没有限制。

那么从芯片角度来看它的局限性是什么？一是身体极限。

它的尺寸太小了。

事实上，还有一个功耗限制。

例如，我们家里都有电熨斗。

电熨斗的功率密度为每平方厘米5瓦。

5瓦虽然小，但是很热。

我们绝对不敢直接去触碰它。

但是集成电路芯片呢？一般芯片每平方厘米都有几十瓦，所以我们看到的芯片往往背面有一个散热片，顶部有一个风扇。

当我们的功率密度达到每平方厘米瓦以上时，风就不再可用，需要用水冷来代替。

水必须通过超级计算机。

冷水从这里流入，温水从那里流出。

这种热力的消耗，这种热效应是非常非常强大的。

如果不控制的话，我们芯片的温度就已经达到了核反应堆的温度，到时候很可能就达到了太阳表面的温度。

，那么可以使用这么热的东西吗？无法使用。

于是人们就想了一个办法，我们得想办法降低功耗，把原来的单核变成双核。

后来扩展到手机上时，出现了一个特别有趣的现象。

当大家去买手机的时候，销售人员告诉你，买这款手机。

这款手机有4核。

4核比那个核强大而且更好。

另一个人告诉你，不要买4核的。

我有一台8核的，8核的比4核的好。

你是什??么意思？事实上，他们不明白这个问题，因为我们不能把它做成单核。

我们将其做成双核、4核或8核。

从可编程性来说，单核是最好的，但如果要达到四核的威力，单核的功耗必须非常高，太热了。

如果天气热了怎么办？我不得不把它拆开，以牺牲系统复杂性为代价来实际解决我们的功耗问题。

因此，电力消耗问题已成为制约我们发展的一个非常重要的难题。

第二是这个过程非常非常困难。

在集成电路的制造过程中，掩模层的数量实际上是在不断变化的，从65纳米时的40层到7纳米时的85层。

这么多层，如果每一层跑一天的话，需要80多天才能完成吧？所以我们现在的芯片的制造需要很长很长的时间，不可能在短时间内完成。

如果出现错误，芯片就可能报废，因此其工艺复杂度非常高。

我们看到的第三件事是它的设计非常复杂。

那么，正是因为一个芯片上的晶体管太多了，它的通用性越来越差，所以所谓的“高端通用芯片”就出现了。

为了找到更通用的解决方案，那就把软件介绍一下。

因此，我经常说：“芯片和软件密不可分，没有芯片的软件是鬼，没有软件的芯片是僵尸”。

无论我们是教学还是工作，我们两者都要有机地结合起来。

当然，所有这些工艺问题仍然是技术问题，最重要的是经济问题。

在摩尔定律50多年的发展过程中，集成电路处于降价过程中已有约55年的时间。

直接的好处就是我们的电子产品非常便宜。

它们有多便宜？我们很多年轻人每六个月就换一次手机，但现在我们不敢换了。

为什么？手机变得昂贵。

原因在于，在芯片的研发中，由于投资的增加和复杂性的增加，其成本实际上是在慢慢增加的。

28纳米之前，我们的成本不断降低，28纳米之后，我们的成本逐渐增加。

因此，我们也可以预测，未来我们的电子产品将不会再像往年那样持续降价。

估计价格还会再涨，当然是慢慢的。

所以我们说，截止到今天，我们还没有看到芯片技术的发展进程结束。

摩尔定律即将结束吗？这种争论一直存在。

有件事，就是每年都有人在一个地方发表文章，说芯片和摩尔定律已经死了，没有机会了。

他说，看看铜互连。

我们以前用的是铝，但现在铜互连这么多年了已经无法维持了。

没有机会了，铜肯定无法继续下去。

第二个说，随着芯片越来越薄，漏电流变得不可控，所以芯片最小到50纳米都无法继续下去。

他还举了一个例子。

他表示，由于光刻机采用的是纳米波长的光源，我们知道波长达到一定程度后，会发生衍射，变成虚像，所以摩尔定律就结束了。

后来大家才知道我们用电镀技术解决了铜的问题；我们使用所谓的高K金属网格技术来解决所谓的介电问题；然后用了一个很特别的方法；我们把镜片放入水中，利用水的折射使波长突然缩短。

所以现在的光刻机不仅可以使用我们今天的14nm，还可以使用5nm。

这三项技术都取得了突破。

人们又问，谁这么瞎？为什么这么说摩尔定律？答案揭晓了，那就是戈登·摩尔本人。

我们看到这样一个科学家，这样一个重要的人物，但是他在谈到自己的时候，却不一定能说清楚。

谁是全球芯片市场最大买家？如果以2019年为节点，到2020年，这6年里，电脑增长46%，手机增长81%，消费电子增长48%。

因此，电子产品的增长越来越大、越来越快。

以我个人的判断，如果我们在有生之年找不到任何可以替代半导体的东西，那么现在的电子产品很可能会继续这样下去。

我们永远都会享受电子产品带来的各种便利，但其背后的根本因素在于芯片技术的突破。

正是因为如此强劲的需求，全球芯片产业发展非常迅速。

半导体市场如何分布？我们看到红色的是中国，下面紫色的是美国市场，蓝色的是欧洲市场，灰色的是日本市场，上面绿色的是除中国以外的亚洲其他市场日本。

这个数字有点让人震惊，因为中国市场占全球市场的34%，1亿美元，超过三分之一，这里指的就是中国市场。

同时，中国也是2018年增长最快的半导体市场，中国半导体市场增长20.5%。

我想你可以想象中国想要购买多少集成电路，很多！需求旺盛，供给不足，我国芯片产业如何发展？大家可能会觉得我们国家的芯片产业发展不太好。

我想大家有这样的感觉也是很正常的。

比如这两年，我们有很多话要大声说，我用了一个词，叫“吓尿体”。

让我读几段给你听。

这是一个非常有趣的现象。

他说，“某某芯片进展很快，美国人为什么害怕？”另一个人说：“我们的东西处于世界之巅。

”还有人说，“我们老人家从美国回来了，美国人都慌了。

”去年遇到一些事情，我们的态度就发生了很大的转变，我们“吓得要死”。

我们还给大家读了几段话，比如：“你不知道中国芯片有多糟糕，你只要看这篇文章就行了”。

然后你就知道情况有多糟糕了”。

“中国芯片到底怎么了？与其他国家相比，我感到非常失望。

”我不知道为什么我们这么脆弱，对自己一点信心都没有？这两年的远大志向哪里去了？芯片的发展有其客观规律。

它既不像大家想象的那么好，也不像大家想象的那么坏。

当然，我们现在还不能满足需求，但是只要我们坚持下去，我们的发展一定会达到一定的水平。

达到我们想要的水平。

中国的芯片产业发展非常快。

从中国芯片产业逐年的发展曲线可以看到，我们从每年1亿元增长到去年的1亿元、1亿美元。

这个增长率是目前全球的增长率。

大约四次。

一亿多人民币其实是我们三个产业叠加的结果：设计、封测产业、芯片制造产业。

我们看到去年芯片设计产业达到1亿多元，这是一个真正的产品，而我们的封装测试产业和芯片制造产业达到1亿多元，更多的是一种加工。

那么，设计、封装测试和芯片制造之间是什么关系呢？例如，设计行业相当于作家写书，制造业相当于印刷，包装检测行业相当于书籍装订。

每个都有不同的特点。

经过这么多年的发展，我国企业无论是设计、制造还是封装测试都已经进入了世界前列。

例如，在全球集成电路设计行业中，有两家公司进入前十名，而在全球代工企业中，有两家公司进入前十名，而在全球封测企业中，有3家公司进入前十名。

排名前十的企业。

但我们与国际先进水平还有很大差距。

看看我们的设计行业，也就是我们常说的集成电路产品。

我们这个行业从只有3亿元人民币到去年，已经达到1亿元人民币，也就是1亿美元左右，已经成为全球第二大了。

虽然很大，但我们看一下，我们的产品只占全球市场的7.9%。

如果你还记得当时的电影的话，中国市场超过1亿美元，占全球市场的34%，而这其中我们只有7.9%，所以26%要依赖进口。

有的同志很担心，说我们买了这么多芯片，万一有一天不卖给我怎么办？这是受制于别人之类的吧？有这种担心是很自然的，但如果我们站在他们的角度思考，作为生产供应商，他们会担心什么？他们也会担心。

曾经有一个外国朋友问我，他说，你从我们这里买了这么多芯片，如果有一天你不买我们怎么办？大家都会意地笑了笑。

这是一个非常有趣的现象。

我们怕别人不卖给我们，别人也怕我们不买。

所以在这种情况下，最好的办法就是发展自己，生产出更多的自己，大家就安全了。

这是最好的。

我国芯片产业发展面临哪些问题？ 01 国内芯片产业与需求差距较大。

事实上，芯片产业面临着诸多挑战。

这是一个庞大的系统工程。

我们从产品的角度来看。

应该说，我们现在的产品结构和我们的需求还存在一些不匹配的地方。

去年的一天，我早上醒来，一位同事打电话给我，说网上有一张图片，非常不客观。

说我们很多东西都是0，我出来说说吧。

我赶紧起身去看那是什么，但是当我看到这张照片时，我笑了，我告诉他，你知道这幅画是谁画的吗？我说这张照片是我拍的，然后他就不说话了。

什么原因？他的理解是有偏见的。

你可以在这里看到很多0%。

这个0%并不是指绝对值0，而是指市场份额。

市场份额以百分比表示。

如果低于0.5%，基本上可以四舍五入，因为你确实无法在市场上吸引人们的注意力。

如果你说我必须强调我不是0，其实没有任何意义。

举例来说，中国全年可能会进口约10亿颗CPU供使用。

如果我们算10亿件，那么我们有一家公司说它生产了10,000件，这是很多。

一万块是很大的事情，但是如果你把一万块和十亿块比较一下，你就会知道，其实你是千分之一，只有0.1%，所以当我们说0.1%的时候，你在市场上是看不到的。

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所以我们看这些东西的时候，不能简单的看一个绝对值，我们要看它的相对价值，也就是市场份额。

这是非常重要的一点。

我们可以看到，无论是服务器、个人计算机、可编程逻辑器件、数字信号处理器件，还是我们终端使用的一些IP核，或者一些存储器，大量都是0，这意味着有我们的产业结构、我们设计公司的产品结构和我们的需求还有相当大的差距。

唯一我们看到超过10%甚至15%的两点是移动通信终端。

这是我们在国际上比较强的地方，约占全球市场的五分之一。

02 发展滞后。

我国芯片产业发展投入不足。

制造能力和设计需求之间存在不匹配。

我们的制造业成本很高，发展很快，但还是很慢。

我们中国大陆最先进的集成电路制造商今年一季度就能投产14纳米（），而台积电的16纳米最快今年四季度就能投产。

中间有三年的差距，这就是我们落后于别人的地方。

除了我们速度不够快之外，另一个致命因素是我们没有足够的产能。

如果你能找到产能，当然可以赚钱，但也有可能你找不到产能。

当全世界都在争夺产能的时候，找不到产能怎么办？这个时候就很麻烦了，而且还会赔钱。

我们说集成电路芯片的发展需要投资。

需要多少钱？天文数字！根据全球半导体投资统计，我们看到除了少数几年外，大部分时间都在1亿美元以上。

近年来甚至突破1亿美元。

那个红线就是我们国家对半导体的投资，是最底层的。

有人说我们的投资金额在别人统计的误差范围之内。

这听起来很不愉快，让我们感到不舒服。

为什么我们国家不投资这个呢？我们对这个行业的认识还有限，而且我们比较早地做出了一个错误的决定，认为中国的半导体芯片产业可以通过市场配置资源来健康发展。

这张图中，红线这几年一直在向上上升，而且看起来已经上升了不少。

但大家都知道，这是一个需要高强度投入的行业。

无论是英特尔、三星还是台积电，每年的投资都在数百亿美元左右。

我们也达到了几百亿的规模，但是我们投资了很多公司，你的投资力度还不够。

才两三年的时间，还需要很多年的持续投入才能看到效果。

现在我们说发展集成电路已经成为了全中国人大概都认同的事情，所以就带来了一个副作用，就是全民都在造集成电路。

集成电路并不是到处都能开花结果的东西。

我曾经去过一个地方，领导说我们决心发展集成电路，在这里建设集成电路工厂。

我说，恐怕不行，你这里没钱。

我一说没钱，人家就很不高兴，立马说：你怎么知道我没钱？告诉你旁边的人，我给你五十亿，你给我做这个！我告诉他，恐怕最后还会有一个0。

让我举一个例子。

美国核动力航母打击群是尼米兹级，而不是现在的福特级。

包括一艘10万吨级核动力航母、约60至70架舰载机、两艘A级导弹巡洋舰、两艘导弹驱逐舰、一艘核潜艇、补给舰等，总价值达1亿美元。

我们现在正在建设一座集成电路工厂，投资一亿美元。

因此，建设集成电路工厂往往需要巨大的投资，而且不是一次性投资。

这压力很大，这也不是一笔小钱。

我们还有一些非常有趣的地方政府。

ICIC非常热情。

我能理解他们为当地经济的发展倾注了全部的心血。

他们看到，一旦在自己的地区建立起集成电路厂或芯片厂，很快就会带来就业，带来周边环境，周边生态配套可以带来一个大产业。

然而，他们在芯片研发上却举步维艰。

对性的了解不多。

曾经有一个地方，当地大学没有微电子专业。

他们还想进入芯片行业。

我说，你们的人从哪里来？他说我的人可以从外面“挖走”。

你要求人家从上海坐四个小时的飞机来找你，这不是不现实吗？第一是没有人，第二是没有钱，第三是没有技术，所以发展集成电路需要大量的投入。

03芯片产业链要努力向上游延伸。

我国芯片产业发展也面临资源错配。

目前，我们的芯片制造客户超过50%是海外客户，封测客户有近一半是海外客户。

我们为他人处理。

我们设计行业最需要资源，我们在全世界范围内寻找资源、加工资源。

原因是我们的制造和封测行业的技术水平还远远没有达到我们需要的水平。

我们原来的工业主要以对外加工为主。

大家都知道“三来一补”等等。

这是一个流程导向的产业结构。

现在需要以自主创新为主导，需要调整产业结构。

中央提出供给侧结构性改革。

事实上，对于芯片来说，我们正面临这样的改革。

在发展的过程中，我们实际上面临着一个产业模式的问题。

芯片的发展已有几十年的历史。

事实上，现在的发展过程和以前有很大不同。

过去被称为系统制造商模式，意思是一切都自己做。

后来又说不可能。

集成电路产能每18个月翻一番，我自己都用不了。

出现了所谓的集成器件制造模式，进而出现了所谓的设计代工模式。

这三种商业模式实际上带来了不同的结果。

从中国大陆的情况来看，主要采用设计代工模式。

那么这种设计和代工模式是好是坏呢？我们很难评价，因为这是历史阶段决定的。

其实我们工作中遇到很多问题，就是很多地方政府都非常热衷于建设集成电路制造厂，因为一个集成电路制造厂要几十亿美元，动不动就几百亿人民币，这是非常重要的。

到当地。

对GDP的贡献是巨大的。

但他们往往不去思考这个问题。

像中国这样的国家，总是在产业链的中下游进行加工。

那你把自己定位在产业链的中下游吗？因此，中央也提出要创新发展。

创新与发展在哪里？逆流而上，所以我们常说要逆流而上。

04 人才不足 我们的芯片需要发展它的设计产业。

芯片设计是一门高新技术，人才成为重要制约因素。

遇到的瓶颈在哪里？不仅质量难以满足需求，现在连数量也难以满足需求。

最直接的影响就是我们整个半导体行业现在都在互相挖人。

如果你是搞芯片的，现在跳槽肯定会找到不错的收入，因为你的工资可以翻倍。

我们做了统计，发现中国大陆从事芯片设计的工程师平均薪资已经高于台湾地区。

说实话，我们的能力不如台湾的工程师。

这是什么意思？我们做的产品没有别人好，但是我们的成本却比别人高。

这种情况并没有得到缓解，所以我们的人才队伍短缺是非常可怕的。

这两年，我们在人才培养上遇到了一个小问题，就是很多学生毕业后就进入了投资、金融领域。

当然，我自己的一些学生也出去投资当官。

我总是说，既然如此，那你为什么还要研究集成电路这么多年呢？又或许他们对芯片的重要性以及芯片本身所蕴含的无限魅力了解不够，只是把它当作一门知识来学习。

当你真正了解芯片和集成电路的内部工作原理，以及它们对外部发展的影响时，你就会知道掌握集成电路芯片可以带来这么大的主动性。

需求强劲、供给不足是中国芯片产业面临的挑战。

这是现实问题，也是我们下一步供给侧结构性改革的重点。

如果你以后从事芯片技术，我相信你至少可以从我今天的演讲中掌握几个重要的观点： 第一点是我认为芯片的发展不会以人的意志为转移。

它将再生长一百年；其次，芯片的研发并不容易。

事情没那么简单。

需要高投入和长期坚持。

一百年不仅仅是一个数字、一年，而是长期的坚持就会带来成果。