清華大學(xué)微電子學(xué)研究所所長(zhǎng)魏少軍：芯片技術(shù)尚不可替代 摩爾定律將長(zhǎng)期有效

每經(jīng)記者 李少婷    每經(jīng)編輯 盧九安    

圖片來(lái)源：攝圖網(wǎng)

集成電路技術(shù)發(fā)展數(shù)十年至今，帶來(lái)了巨大的變革，也成為國(guó)家間競(jìng)爭(zhēng)的重要砝碼。過(guò)去兩年間，從“中興禁芯”到華為被美國(guó)納入實(shí)體清單，芯片的重要性被國(guó)人廣泛認(rèn)知。

近日，美國(guó)方面可能會(huì)限制包括臺(tái)積電在內(nèi)的芯片制造商對(duì)華為供貨的消息，又再次引起人們對(duì)芯片產(chǎn)業(yè)的關(guān)注。

“芯片是大國(guó)間競(jìng)爭(zhēng)的制高點(diǎn)，芯片技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展必然成為國(guó)家戰(zhàn)略。”4月1日晚間，清華大學(xué)微納電子學(xué)系主任、微電子學(xué)研究所所長(zhǎng)魏少軍在清華大學(xué)五道口金融學(xué)院聯(lián)合每經(jīng)智享會(huì)推出的“五道口在線學(xué)習(xí)計(jì)劃”上表示。

他指出芯片是技術(shù)創(chuàng)新的高地，雖然芯片產(chǎn)業(yè)現(xiàn)有技術(shù)路徑面臨著物理、功耗等極限問(wèn)題，但摩爾定律將長(zhǎng)期有效，在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，尚沒(méi)有能夠替代集成電路技術(shù)的其他技術(shù)出現(xiàn)。

新技術(shù)因芯片而生，老技術(shù)因芯片而亡

作為最為知名的產(chǎn)業(yè)發(fā)展定律，摩爾定律指引了芯片產(chǎn)業(yè)50余年的發(fā)展.截至2019年年底，按照這一定律，一個(gè)芯片上已經(jīng)可以集成687億個(gè)晶體管，這是一個(gè)天文數(shù)字。

“由于摩爾定律，我們將會(huì)重建所有的物質(zhì)性基礎(chǔ)設(shè)施。”魏少軍表示，由于人們認(rèn)為摩爾定律在物理上可以實(shí)現(xiàn)，并對(duì)此深信不疑，于是就努力地按照摩爾定律發(fā)展，使得芯片技術(shù)長(zhǎng)期以不可思議的速度發(fā)展，才取得了今天的輝煌成就。

芯片也顛覆了不少產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。魏少軍以膠片巨頭企業(yè)柯達(dá)的興衰為例，這一創(chuàng)立于19世紀(jì)晚期的企業(yè)，因不敵數(shù)碼相機(jī)技術(shù)的發(fā)展，在2012年申請(qǐng)破產(chǎn)保護(hù)。

“新技術(shù)因芯片而生，老技術(shù)因芯片而亡。”魏少軍表示，任何芯片能夠參與競(jìng)爭(zhēng)的技術(shù)，最終這些技術(shù)都不可避免成為失敗者，而如精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、超高清電視、人工智能等前沿技術(shù)的發(fā)展，都離不開(kāi)芯片。“不論是青年學(xué)生還是投資人和創(chuàng)業(yè)者，如果發(fā)現(xiàn)你做的這件事情最終可以被芯片所替代，那你就趕快去做芯片。”魏少軍幽默地說(shuō)道。

魏少軍認(rèn)為，芯片在新一代信息技術(shù)中扮演著決定性的賦能作用，是支撐數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)，在可以預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，尚不會(huì)出現(xiàn)能夠替代集成電路的其它技術(shù)。即使出現(xiàn)了，也需要數(shù)十年的時(shí)間和花費(fèi)十?dāng)?shù)萬(wàn)億美元才能替代今天的集成電路。

現(xiàn)行芯片技術(shù)路徑存在四大極限

摩爾定律失效的說(shuō)法在近年來(lái)甚囂塵上。但魏少軍表示，摩爾定律將長(zhǎng)期有效：就當(dāng)今的技術(shù)路徑而言，在尺寸上我們已經(jīng)達(dá)到7納米，5納米將很快到來(lái)；而利用二維材料，人們已經(jīng)制備出了1納米的晶體管，至少在未來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，我們目前技術(shù)方向仍然看不到盡頭。

但魏少軍也表示，現(xiàn)行技術(shù)路徑主要有四大極限，分別是物理極限、功耗極限、工藝極限、經(jīng)濟(jì)極限。

物理極限即是最小尺寸，就現(xiàn)行技術(shù)而言，如果材料上沒(méi)有突破，最小尺寸可能就在1納米左右，因?yàn)?納米之后，將無(wú)法控制電子使其有效傳輸，可能會(huì)出現(xiàn)漏電現(xiàn)象。

功耗極限是指耗電量將達(dá)到極限。在一個(gè)小小的芯片上，幾十億、上百億的晶體管集中在一起，盡管每個(gè)晶體管耗電極小，但累計(jì)起來(lái)仍是非常大的耗電量。如果不加控制，芯片的耗電量將一直上升。以家用電熨斗為例，其功率密度為每平方厘米5瓦，而現(xiàn)在的芯片的功率密度在每平方厘米十幾瓦乃至幾十瓦的水平。

工藝極限意味著現(xiàn)有工藝和材料難以滿足芯片技術(shù)的發(fā)展需求。由于目前的工藝已十分復(fù)雜，工廠每次能夠同時(shí)開(kāi)工制造的產(chǎn)品數(shù)量是有限的。此外，芯片技術(shù)已使用了元素周期表中的相當(dāng)一大部分的元素，材料的發(fā)展也制約著芯片技術(shù)的進(jìn)步。芯片技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)不再是芯片技術(shù)本身，而是多學(xué)科交叉融合發(fā)展。

經(jīng)濟(jì)極限是指未來(lái)經(jīng)濟(jì)可行性。建設(shè)一個(gè)集成電路制造廠的成本，從65納米時(shí)的25-30億美元，到22納米時(shí)的80-100億美元，再到14、16納米時(shí)的120億-150億美元，盡管已經(jīng)較早期預(yù)測(cè)的成本低了很多，但仍然是個(gè)龐大的數(shù)字。而芯片成本的上漲將附加到最終產(chǎn)品中，必須要考慮到消費(fèi)端的接受能力。

呼吁加大國(guó)內(nèi)芯片研發(fā)投入

芯片技術(shù)之復(fù)雜，進(jìn)入門檻頗高，加之芯片技術(shù)非常重要，使其已成為全世界競(jìng)爭(zhēng)的產(chǎn)業(yè)制高點(diǎn)。又因芯片技術(shù)本身的發(fā)展有很強(qiáng)的業(yè)務(wù)屬性，因此也成為了全球化最為徹底的一個(gè)產(chǎn)業(yè)。

全球半導(dǎo)體的發(fā)展在2019年出現(xiàn)了一次衰退，市場(chǎng)規(guī)模下滑12.1%，是2001年后的最大一次衰退。中國(guó)是最大的新興市場(chǎng)，2019年消費(fèi)占總比35.1%。2019年，中國(guó)的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)增長(zhǎng)了16.2%，第一次在設(shè)計(jì)、制造、封測(cè)環(huán)節(jié)的銷售額都超過(guò)了2000億美元。魏少軍評(píng)價(jià)稱，中國(guó)的發(fā)展在全球范圍內(nèi)仍然是可圈可點(diǎn)的。

但從自給自足的能力而言，我們使用的芯片仍有70%需要進(jìn)口。包括服務(wù)器CPU、個(gè)人電腦CPU/GPU等市場(chǎng)占有率均為0（四舍五入）。而美國(guó)有50%的芯片銷往中國(guó)，中國(guó)市場(chǎng)是美國(guó)最大的半導(dǎo)體市場(chǎng)。

美國(guó)芯片產(chǎn)業(yè)為何有這么強(qiáng)的能力？魏少軍介紹，美國(guó)在芯片產(chǎn)業(yè)的研發(fā)投入是美國(guó)之外其他國(guó)家的兩倍，美國(guó)芯片企業(yè)的毛利率可以達(dá)到62%，而中國(guó)大陸地區(qū)的芯片企業(yè)的毛利率與此相差甚遠(yuǎn)。

產(chǎn)品銷售的利潤(rùn)規(guī)模不大，就難以提升研發(fā)投入的強(qiáng)度和規(guī)模，這將形成惡性循環(huán)。“只有大幅加大研發(fā)投入，使我們的技術(shù)和產(chǎn)品進(jìn)一步提升，我們才有可能打破現(xiàn)在的怪圈，才能發(fā)展。”魏少軍表示。

目前，我國(guó)正通過(guò)國(guó)家集成電路產(chǎn)業(yè)投資基金加大對(duì)芯片產(chǎn)業(yè)的資本投入，魏少軍呼吁加大芯片產(chǎn)業(yè)研發(fā)投入，“從2014年開(kāi)始，我們半導(dǎo)體的支出開(kāi)始慢慢增加，但是資本投入并不代表研發(fā)投入，我們現(xiàn)在研發(fā)投入還是不夠的”。

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