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？
演讲 | 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）
谁缔造了芯片奇迹？
电子管-晶体管-微处理器-PC
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，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。
集成电路
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，当时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。这台电子计算机用了17500支电子管，但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，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（William Shockley），一个叫巴丁（Walter Houser Brattain），还有一个叫布拉顿（John Bardeen），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，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，当时在美国德州仪器公司的一个青年工程师，叫杰克·基尔比（Jack Kilby），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（Robert Norton Noyce）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。
集成电路发明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叫泰德·霍夫（Marcian Edward “Ted” Hoff），他设计了世界上第一款微处理器——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Busicom的日本公司做计算器。
1981年，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（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，就是不断地从原来的政府应用到民间的应用，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走进老百姓家里。
芯片技术有多神奇？
技术极限和经济预测
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。
纳米是什么意思？大家对纳米没感觉。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。那么芯片技术发展存在哪些极限？
01
物理极限、功耗极限
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，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。
02
工艺难度大
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非常高。
03
设计复杂度高
第三个我们看到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，它的通用性就变得越来越差，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。
没有芯片的软件是孤魂野鬼
没有软件的芯片是行尸走肉
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，大概有55年的时间，集成电路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。
芯片领域有一个著名的摩尔定律（Moore's law）。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？
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，有一个人发表了一篇文章，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。他还以光刻机为例，因为光刻机用的是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（Gordon Moore）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。
谁是全球芯片市场最大的买家？
中国
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！
需求旺盛，供给不足，我国芯片产业如何发力？
芯片发展有其客观规律
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“吓尿体”。我给大家念几段，很有意思的现象，他说“某某某芯片突飞猛进，为什么美国人都害怕了？”还有说“我们的什么什么东西站到了世界之巅”，还有一个说“我们某某老人从美国回来了，美国人慌了”。
而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“吓尿了”，也给大家念几段，比如说：“你不知道中国芯有多烂，你只有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，既没有像大家想象的那么好，也没有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545亿元涨到了去年6532亿元——1000亿美元，这个增长速度是当期全球增长速度的四倍左右。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，更多的属于一种加工。
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，前十当中有三个企业。
但是我们跟国际先进水平相比还有相当大的差距。我们的设计业——也就是经常讲的集成电路产品——从1999年全行业只有3亿元人民币，到去年已经到了2519亿，合370亿美元左右，已经做到世界第二大。虽然很大，但是我们的产品在全球占比只有7.9%。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。
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。
我国芯片产业发展面临哪些问题？
供需失配，投入不足，资源错配，人才不足
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我们的需求之间，还是出现了一些失配的现象。
去年一天我早上醒的时候，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，结果看到这张图以后我就笑了，我就跟他说，你知道这张图谁做的吗？我说这张图是我做的，后来他就不说话了。
原因在哪儿呢？他理解的有偏差。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引不起人家重视，你说我一定要去强调我不是0，其实没有什么意思。
举个例子，比如说我们全年中国大概要进口使用的CPU，可能有大概10亿只少不了。假如就算10亿只吧，那我们有一个企业说我生产了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%的时候在市场上看不见你。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，我们大量的都是0，这就意味着我们的产业结构、我们设计企业的产品结构跟我们需求之间还有相当大的差距。
唯一有两个点大于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。
2
发展滞后，投入不够
我们的制造能力和设计需求之间出现了失配的现象。
我们的制造业要花很多的钱，发展也很快，但还是不够快。我们国内最先进的集成电路制造商，它们在14纳米的时候，大概今年（2019）的一季度可以投产，而台湾的台积电的，它们的16纳米，早在2015年的第四季度就投产了。这中间有三年的差距，这就是我们相对比人家滞后的地方。
除了我们不够快之外，还有一个要命的，就是我们产能不够。如果能找到产能，当然就可以赚钱，但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。那条红线是我们国家在半导体的投资，它在最底下（见下图）。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。
这张图上，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，无论是英特尔也好，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，而且刚刚两、三年，后面要连续投很多年才能看出结果来。
现在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事情。我曾经到了一个地方，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。
大家对这个数字可能没有感觉。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，这个不是小钱。
我们还有一些地方政府也很有意思，上集成电路非常地热心，我能体会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，一旦在他们那儿建立一个集成电路厂、芯片厂的话，很快会带来就业，带来周边环境，周边的生态的配套，能带来一个大产业，但是他们对于芯片发展的艰巨性了解是不多的。曾经就有一个地方，在当地没有一所大学有微电子专业，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”来啊！我说你让人家从上海坐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，而集成电路的发展是需要很多投入的。
3
资源错配，产业模式落后
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；封测大概也有将近一半客户是海外的客户，是给别人加工。设计业是最需要资源的，可是我们又满世界去找资源，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——如“三来一补”等等——是加工型的产业结构，现在要变成自主创新为主，要作产业结构的调整。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，出现了所谓叫集成器件制造模式，再往后就出现了所谓叫设计代工模式。
这三种商业模式实际上带来的是不同的结果。中国大陆主要是设计代工模式。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。但是它往往不去想，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，那你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。所以我经常说我们要往上游走。
4
人才不足
我们的芯片要发展它的设计业，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。
我们作过一个统计，中国大陆从事芯片设计的工程师，平均薪酬已经高于台湾。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做官员的。我总是在讲，如果这样的话，你们干吗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、集成电路它内在的东西之后，以及它对外的这种发展影响，那你就会知道，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、供给不足是我们中国芯片产业面临的一个挑战，这是个现实问题，也是我们下一步作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，至少可以掌握到两个重要的点：
第一个点，芯片的发展大概不以人的意志为转移，一直走下去，还会成长一百年；
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。一百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。
专家介绍
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。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二等奖、国家技术发明二等奖。
本文经魏少军教授授权，转载自公众号“中国经济大讲堂”，有少量修改。
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