“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?錢。我一說?錢呢，人家很不高興，馬上就說你怎?知道我?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。”
“有些同志很擔(dān)心，說我們買了這?多的芯片，萬一哪天人家不賣給我怎?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?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?多芯片，哪天你們要不買了的話我們怎?辦?大家會心地一笑。”
(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??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?辦呢?就得去換。換的時候，計算機的機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。這樣的一個計算機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年在美國貝爾實驗室，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，美國貝爾實驗室用800支晶體管組建了世界上第一臺晶體管的計算機，這臺計算機是給B—52重型轟炸機用的，它耗電量只有100瓦，最重要它的運算速度非常快，達到?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?呢?你用這?多晶體管，它還是有焊點，焊點會虛焊，有了虛焊以后可靠性變差，那?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，非常可惜的是鮑勃﹒諾伊斯那個時候已經(jīng)過世了，所以他?有得到諾貝爾獎。
1962年，當(dāng)時國際商用機器公司，也就是IBM，開始用集成電·來制造計算機，1964年在全球發(fā)布了一個系列6臺計算機，起名叫做IBM360，功能極其強大，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?有那?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?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組織了一個團隊，跑到佛羅里達去開發(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?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不斷驗證著這一定律，持續(xù)推進的速度不斷帶動信息技術(shù)的飛速發(fā)展。現(xiàn)階段芯片技術(shù)發(fā)展到了什?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。縮小到什?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?意思?對納米?感覺。確實?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?看過，但是大家知道我們的一滴血是紅色的，因為紅血球是紅色，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?精密的東西，正是因為它這?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?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?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?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)我們功率密度達到?平方厘米100瓦以上的時候，風(fēng)已經(jīng)不行了，要換成水冷。超級計算機當(dāng)中要通水，這邊涼水進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)達到了核反應(yīng)堆的溫度，到2010的時候大概已經(jīng)可以達到太陽表面的溫度了，那?這?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，就出現(xiàn)了一個特別有意思的現(xiàn)象，大家去買手機的時候售貨員跟你說，買這個手機吧，這個手機是4核的，4核的功能強大，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?意思呀?實際上他們對這個問題不理解，是因為我們做不成單核，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?辦呢?我只好把它拆開，實際上是以系統(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?多層，?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?正是因為有如此多的晶體管放在一顆芯片上，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，那就把軟件引進來。因此我會經(jīng)常講一句話：“芯片、軟件兩者密不可分，?有芯片的軟件是孤魂野鬼，?有軟件的芯片是行尸走肉。”我們經(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?程度?我們很多年輕人?半年換一部手機，現(xiàn)在大家不敢換了，因為什?呢?手機變得貴起來了。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?有看到它的終點。
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，?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?多年都搞不下去，?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，他說光刻機因為用的是193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?不開眼?怎?這?說摩爾定律?謎底揭曉了，是戈登·摩爾本人說的。我們看到這?一個科學(xué)家，這?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4688億美元，我國不僅是全球芯片最重要的消費市場之一，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)?