高质量发展如何从“芯”突破？

文 魏少军

专家简介：

魏少军，1958年5月出生于北京，清华大学教授。现任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、教育部“211工程”电子系统集成与专用集成电路技术研究中心主任、国际电气和电子工程师协会会士。他致力于超大规模集成电路设计方法学、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，拥有数十项中国和美国发明专利，曾荣获国家科技进步奖二等奖、国家技术发明奖二等奖等荣誉。

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。小到手机、电脑、数码相机，大到5G、物联网、云计算，全部都是基于芯片技术的不断突破。如今芯片越做越小，集成度越来越高，它会不会很快达到极限？我国芯片需求极为旺盛，但是整个芯片产业却还没有进入世界第一梯队，绝大多数计算机和服务器通用处理器95%的高端专用芯片、70%以上智能终端处理器以及绝大多数存储芯片依赖进口。我国芯片产业的现状怎样分析观察？能否后来居上？

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300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，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，但这个电子管的可靠性非常差，6分多钟就烧坏一支，一旦烧坏了就得去换。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。这样的计算机使用效率是非常低的，因此我们迫切地需要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3位科学家就发明了后来我们称之为晶体管的新型元器件，这3位科学家分别是肖克利、巴丁和布莱坦，他们在1956年获得了诺贝尔物理学奖。

晶体管发明以后，我们看到它比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，但可靠性非常高，而且反应速度很快。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，耗电量只有100瓦，最重要的是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，是不是能把晶体管做得更小？为什么呢？这么多晶体管，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，美国德州仪器公司的青年工程师杰克·基尔比发明了集成电路的理论模型。1959年，仙童半导体公司工作的鲍勃·诺伊斯，也就是后来英特尔公司创始人，他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，其实用的技术是60年前发明的技术，只是不断地在规模上、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，国际商用机器公司IBM开始用集成电路来制造计算机。1964年，他们在全球发布了一个系列6台计算机，起名叫IBM360，功能极其强大，可以完成科学计算、事务处理等各种各样的内容。

又过了几年，英特尔公司一位年轻的科学家泰德·霍夫，设计了世界上第一款微处理器——英特尔4004。这个微处理器刚出生的时候，身世没有那么高大上，就是一家日本公司去找英特尔公司帮忙设计一个给计算器用的芯片。

1981年的时候，也就是10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还在影响全世界、全人类的重大产品——个人电脑，后来我们称为PC。当时用的是英特尔8088微处理器，其实它的速度很慢，但在当时是非常了不起的。

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，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？

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，大家可以想象一下有多小。我们看见过自己的红细胞吗？肯定没看过，但是大家知道一滴血是红色的，因为红细胞是红色，映出来血液是红的。红细胞的直径有多大呢？红细胞的直径是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细胞的直径上放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到单个的芯片上去。

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，电熨斗的功率密度为每平方厘米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年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4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。

第二个麻烦就是工艺的难度非常大。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，要八十几天才能跑完。所以我们现在芯片的制造要花费很长的时间，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。

第三个麻烦就是它的设计复杂度很高。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，所有这些工艺问题还是技术问题，最重要的是经济问题。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？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。原因就是由于投入的增加、复杂度的增加，芯片的成本其实是在缓慢地增加的，28纳米之前芯片的成本不断在下降，28纳米之后芯片的成本在逐渐地上升。因此我们也可以预测一下，未来我们的电子产品不会再像前几年那样不断地降价，估计会再涨价，当然是缓慢地涨。所以到今天为止，我们仍然没有看到芯片技术的终点。

摩尔定律是不是走到头了？这个争论一直存在。1997年前后，有一个人在一个地方发表了一篇文章，说芯片、摩尔定律死了，没戏了。他说你看，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；而且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，光刻机用的是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；我们把镜头放在水里，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3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？

谁是全球芯片市场最大的买家？

我们以2014年作为一个节点，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非常快。

那半导体的市场是怎么分布的？在图1上，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他市场。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！

图1 全球半导体市场分布

需求旺盛，供给不足，我国芯片产业如何发力？

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“吓坏体”。我给大家念几段，很有意思的现象，有人说“某某某芯片突飞猛进，为什么美国人都害怕了”，有人说“我们的什么什么东西站到了世界之巅”，还有人说“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“吓坏了”，也给大家念几段，比如说：“你不知道中国芯有多烂，你只要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？

芯片的发展有它的客观规律，既没有大家想象得那么好，也没有大家想象得那么坏，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年的545亿元涨到了2018年的6532亿元，1000亿美元，这个增长速度是当期全球增长速度的4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，前十当中有三家企业。

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图片，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。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也会很担心。曾经有一个外国朋友问我，“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？”

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。

图2 国产芯片占有率图例

我国芯片产业发展面临哪些问题？

1.国内芯片产业与需求差距大

其实芯片产业面临的挑战是非常多的，它是个庞大的系统工程。我们还是从产品的角度去看，应该说我们现在的产品结构与需求之间，还是出现了一些失配的现象。

2018年的一天早上，我醒来的时候，有一个同事打电话给我，说网上有一张图非常地不客观，讲我们很多东西都是0，让我出来说一说。我急急忙忙爬起来赶快看是什么东西，结果看到这张图（图2）以后我就笑了，我就跟他说，你知道这张图是谁做的吗？我说这张图是我做的，后来他就不说话了。

原因在哪儿呢？他理解得有偏差。这里面大家看到很多0%，这个0%不是说绝对值的0，是市场占有率。市场占有率讲百分比，0.5%以下基本上就可以四舍五入，因为你在市场上确实不能引起人家重视，如果一定要去强调我不是0，其实没有什么意思。

举个例子，比如说中国全年大概要进口使用的CPU，可能有不少于10亿只。假如就算10亿只吧，那有一个企业说它生产了100万只，那是很多了，100万只是不得了的事，但是你把100万只跟10个亿去比一比的话，你就知道其实你是千分之一，只有0.1%，所以我们说0.1%的时候在市场上是看不见你的。所以我们看这些东西的时候，不是简单地去看一个绝对值，我们要看它的相对值，也就是市场占有率，这是很重要的一个点。

我们可以看到，无论是服务器还是个人电脑，还是可编程逻辑设备、数字信号处理设备，以及我们终端当中用到的一些IP核也好，还有一些存储器也好，大量的都是0，这就意味着我们的产业结构、设计企业的产品结构跟需求之间还有相当大的差距。

唯一有两个点我们看到大于10%甚至15%的，那就是移动通信的终端，这个是我们在国际上现在比较强的，占了全球市场大概五分之一。

图3 1998年—2017年全球及中国半导体资本支出

2.发展滞后 投入不够

我国芯片产业发展的制造能力和设计需求之间失配。我们的制造业要花很多的钱，而且发展也很快，但是还是慢。

除此之外，还有一个致命的是我们产能不够。如果能找到产能，当然就可以赚钱，但也可能找不到产能，全球都在抢产能的时候，你找不到产能怎么办呢？这时候就很麻烦，那我们就要亏钱。

我们说集成电路芯片发展需要投资，要投多少钱呢？天文数字！全球在半导体投资上的统计，我们看到除了少数的几个年份之外，大部分的时间都在400亿美元以上，最近这几年甚至都在600亿美元以上。图3上那条红线是我们国家在半导体的投资，它在最底下。有人说我们的投资额是在人家的统计误差范围之内，这个话听了很难听，我们也很难受，为什么我们国家在这上面不投资呢？我们对这个产业的了解还是有限，我们比较早地作出了一个错误的决策或决断，认为中国的半导体芯片产业可以通过市场配置资源来良性发展。

在图3上，红线这几年向上翘，翘的过程好像挺多了。但是大家知道它是需要高强度投资的产业，无论是英特尔还是三星也好，台积电也好，每年投资大概都在百亿美元规模。我们也到了百亿规模，但是我们投了很多家，你的投资强度也不够，而且这才刚两三年，后面要连续投很多年才能看出结果来。

现在我们说集成电路的发展已经成为全中国人民大概都认同的一件事情，所以带来了一个副作用，就是全民大造集成电路。

集成电路并不是一个能够遍地开花的产业。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。

我给大家举个例子，美国核动力航母打击群，尼米兹级的，不是现在福特级的，包含了一艘10万吨级的核动力航母、大概60到70架舰载机、两艘导弹巡洋舰、两艘导弹驱逐舰、一艘核潜艇，还有补给舰全加起来150亿美元，我们现在建一个集成电路厂150亿美元。所以集成电路厂的建设，往往是需要巨额投资，而且还不是一次性的投资，这个压力很大，不是小钱。

我们还有一些地方政府也很有意思，上集成电路非常的热心，我能体会到他们对于地方经济的发展是倾注了自己全部的心血。他们看到，一旦建立一个集成电路厂、芯片厂，很快会带来就业，带来周边的生态配套，能带来一个大产业，但是他们对于芯片发展的艰巨性了解不多。曾经就有一个地方，当地没有一所大学有微电子专业，他们也要上芯片产业，我说那你的人从哪儿来？他说我的人可以从外面“挖”来，你让人家从上海坐4个小时飞机飞到你这儿来，不太现实吧？第一没人，第二没钱，第三没技术，所以集成电路的发展是需要很多投入的。

如今芯片越做越小，集成度越来越高。

3.芯片产业链要力争上游

我国芯片产业发展还面临资源的错配。目前，我们的芯片制造业超过50%的客户是海外的客户，我们的封测大概也有将近一半客户是海外的客户，我们是给别人加工。那我们的设计业是最需要资源的，又满世界去找资源，找加工的资源，原因是我们制造业和封测业的技术水平，跟我们所需求的还有距离。

我们原来的产业是以对外加工为主，大家知道“三来一补”等。这种是加工性产业结构，现在要变成自主创新为主，你要做产业结构的调整。中央提出来要供给侧的结构性改革，其实对芯片来说，我们就是面临这样一个改革。

我们在发展过程当中，其实还面临着一个产业模式的问题。

芯片的发展已经有几十年的历史，其实在发展过程当中，现在跟以前是有很大差别的。过去的叫系统厂商模式，就是所有的事情都自己做，后来说不行，集成电路每18个月产能翻一番，我自己用不了了，出现了所谓集成器件制造模式，再往后就出现了所谓设计代工模式。

这3种商业模式实际上带来的是不同的结果。我们从中国大陆情况看，主要是设计代工模式，那这种设计代工模式是好还是不好呢？我们不好去评价，因为是历史阶段决定的。实际上在真正我们的工作当中碰到很多问题，就是很多地方的政府非常热衷于建一个集成电路制造厂，因为一个集成电路制造厂要花几十亿美元，动不动就几百亿人民币，对当地的国内生产总值贡献是很大的。但是一个像中国这样的国家，总是去做加工这种产业链中下游的事情，那是不是就把自己框在了一个产业链的中下游位置？所以中央也提出来我们要创新发展。创新发展在哪儿？在上游，所以我们经常说要往上游走。

4.人才不足

芯片产业要发展它的设计业，芯片设计是一种高科技，人才就成为一个重要的制约因素。

碰到的瓶颈在哪儿呢？不仅质量难以满足需求，现在连数量都难以满足需求，最直接的效果就是，我们现在整个半导体产业在互相地挖人。如果你是从事芯片的话，现在跳槽一定可以找到很好的收入，因为你们的工资可以翻番。

我们做过一个统计，中国大陆从事芯片设计的工程师，平均薪酬已经高于中国台湾地区。讲实话，我们能力还不如台湾的工程师，这就意味着什么呢？我们做出来的产品没有人家好，但是我们的成本比人家高，这个情况还没有缓解，所以我们人才团队的短缺是非常可怕的。

前两年，我们在人才培养上遇到一个不大不小的麻烦，就是很多的学生毕业以后去搞投资、搞金融了，当然我自己的学生也有出去做投资的，从政的。我总是在讲，如果这样的话，你们干嘛要来学这么多年的集成电路呢？还是说他们对于芯片的重要性、对于芯片本身所蕴含的这种无穷的魅力了解得不够，他仅仅是把它当成一门知识来学了。当你真正深入了解芯片、集成电路内在的东西之后，以及它对外的这种发展影响，你就会知道，原来掌握集成电路芯片能够带来这么大的主动权。

需求旺盛、供给不足是中国芯片产业面临的一个挑战，这是个现实问题，也是我们下一步做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100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。100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。