“芯”路历程·读《芯事》

2019-06-10 06:05阅读：

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——读谢志峰等著《芯事》一书有感

“芯”路历程·读《芯事》

近几年来，随着中美之间贸易摩擦的不断升级，人们对那些依赖智能芯片的高科技产业的发展也有了更多的关注。但网络和新媒体方面的关注和讨论，具有明显的“碎片化”的特征，人们基于自身所了解的那丁点的信息所发表的言论，也很不靠谱，给人一种雾里看花终隔一层的感觉。
谢志峰和陈大明所著的《芯事》一书，梳理了60年来集成电路行业的发展脉络，解读发达国家和地区的集成电路产业的战略布局，展现中国集成电路发展的艰辛历程。读完《芯事》这本书，可以在快速的发展中，更为清醒地认清所面临的机遇与风险，找准发展的定位，提高自己的竞争力，掌握未来的主动权。
一、芯片的产业发展
物理学家肖克利被曾为“晶体管之父”。1945年，肖克利带领贝尔实验室的固体物理学研究小组发明了点接触晶体管提

出了结型晶体管理论，这些开创性的工作为后来的集成电路的发展奠定了基础。
1952年，英国雷达研究所的科学家杰夫·达默首次提出集成电路的设想：“可以把电子线路中的分立元器件，集中制作在一块半导体硅片上，一小块硅片就是一个完整电路。这样一来，电子线路的体积就可大大缩小，可靠性大幅提升。”在此基础上，诺伊斯发明了世界上第一块硅集成电路，用平面工艺制造出了第一块使用的芯片。1959年，诺伊斯对在硅片上连接各种元器件的工艺流程进行了研究，率先实现了集成电路的工厂化流水线生产。
现在人们一谈到芯片，就会联想到英特尔公司，说英特尔是集成电路的代名词，一点也不为过。英特尔公司是诺伊斯和摩尔与1968年创办的，而格鲁夫是英特尔的第三名员工。摩尔提出了业界赫赫有名的摩尔定律，格鲁夫则以时间证实摩尔定律的正确性。摩尔定律表明，信息技术产品的硬件18个月后的性能就会提升一倍，但是操作系统等软件功能却越做越多、越做越大、越做越慢，消耗了硬件提升带来的效率。在反过来迫使芯片要进一步提升能级。但芯片的每一次改型换代，都是需要长期的研发和大量的投资的，往往你这里还没有研制成功，软件的升级就又开始了。英特尔多亏有格鲁夫，面对芯片产业的投资额巨大，一旦发生决策的失误，将会发生灭顶之灾的残酷现实，他凭着“只有偏执狂才能生存”的信念，几次力挽狂澜，救英特尔公司于危难中，越过了转折点之间的死亡之谷。当然，英特尔的成功并非偶然，运气也不是关键的因素。在理念上破除束缚创新的桎梏，解放和激发技术创新的驱动力，才是其中的要义所在。
过去的科技创新追求的是产品的创新、技术的创新，而集成电路产业的竞争，是一个产业链之间的竞争。从原料到产品，从硅的提纯、设计、切割、形成晶圆切片、封装测试到形成芯片产业，每一个环节都有科技含量极高的公司，任何一个环节的薄弱，都难以支撑这个产业发展。在整个集成电路的产业链中，石英砂是最基础的原料，其主要成分是二氧化硅。尽管硅在地球表面储量丰富（近28%），但集成电路中使用的硅纯度要求达到99.999999999%，仅要提炼出如此高纯度的硅，就不是一件容易的事情。通过晶体生长技术制取单晶硅后，将其切成厚度小于1mm的晶圆片，并进行仔细的研磨、镜面抛光等处理，也是对工艺有着极高的要求。晶圆片还只是加工而成的原材料，需要通过光刻技术在这微小的芯片上制作出成万甚至上亿个元器件，并将它们有机地连接起来，形成具有特定功能的集成电路。芯片越小，其工作时消耗的能量就越少，在一片芯片上刻蚀的元器件数目越多，其功能就越强大。现在的光学刻印技术，已经精细到皮米（千分之一纳米）尺度，几乎接近原子尺寸的大小，想象一下都会觉得不可思议。通过光刻将集成电路设计完成之后，还有一系列的检查，然后进入封装环节。这也是技术含量非常高的工作。
由此可知，一块芯片的生产绝对不像我们想象的那样简单，未来国家与国家之间集成电路产业的竞争更是整个产业链之间的竞争。
二、中国“芯”在成长
新中国成立之后不久，谢希德和黄昆先后从国外回来，在复旦大学、北京大学开设固体物理学课程。在教学的过程中，他们历时一年，潜心编著的《半导体物理》一书，成为我国半导体领域第一部系统性著作，至今仍是半导体领域的经典教材。在谢希德、黄昆等人的努力下，我国在建国之初培养了一批固体物理专门人才，集成电路的发展走的也是自主创新的道路。我国自行研制的第一台晶体管计算机，在“两弹一星”、军事、大庆油田等多个领域中应用，发挥了巨大的作用。
改革开放之后，国家日益重视集成电路产业的发展。1986年，电子工业部在厦门举办集成电路战略研讨会，出台了集成电路“七五”行业规划，决定在上海和北京建设南北两个微电子基地。在这一规划的引领下，各地加大技术引进的力度，通过合资、技术改造的多种途径推动企业和科研院所的创新发展，努力缩小与世界一流水平之间的差距。

“芯”路历程·读《芯事》

20世纪80年代以来，全球集成电路经历了从欧美地区向以日本、韩国和台湾地区为代表的东亚地区的转移过程，随着我国集成电路事业的蓬勃发展，我们必将成为新的发展重心。这是一个很重要的发展机遇，如果我们能够牢牢把握这一点，逼近可以摆脱美国对我们的技术封锁和贸易施压，更可以建立起自身完备的芯片产业链，确保我国在现代化的伟大征程中行稳致远。
三、未来发展的展望
集成电路无论在产业链的那一个环节，都是技术密集型，往往需要成百上千人团队的协同作战，才有可能实现新的突破。所以预测发展的方向、加强该领域尖端技术人才的储备，是这一领域核心竞争力的根本之所在。
从材料的角度来看，芯片领域的每一次革新，都与工艺与材料技术的创新突破有着密不可分的关系。但随着芯片设计尺寸的一小再小，5纳米或是硅基技术的极限，系统级芯片的性能提升再依靠尺寸的减小和集成数量的增加以及难以为继。从功耗的角度看，随着尺寸的减小，所有晶体管的功率密度增长速度将越来越快，如果它们都同时全速运行，根本没有办法对其散热。目前为了满足功耗设计的要求，通常情况下总是让芯片中的某些晶体管工作，其余部分处于休眠状态。所以，今后芯片的发展必须要改变既有的思路，目前考虑的可能方向有三个：一是对材料和光源、波段等要素加以改进，比如换用石墨烯等碳基材料替代原本的硅基材料；二是在结构上改进，从二维向三维结构演进；三是在工艺上优化，在系统级芯片和系统级封装的融合上做文章。
在传统的模式中，集成电路企业的发展重点是倾向于规模效应的实现，因为该产业链的所有企业都是投资数额巨大的企业，没有规模效应，很难收回成本。为了实现规模化，产品的通用性就是重心。但在新的市场竞争环境下，在传统服务背后的增值服务以及所带来的高昂利润将是企业竞争的重点。还有，传统的行业所需要的芯片在未来也会有根本性的变革，比如说汽车，现在私人购买的汽车，绝大多数时间都是闲置不用的，对芯片的要求不是很高，但在不久的将来，随着自动驾驶汽车的逐渐普及，汽车闲置的时间将会很短，其芯片的架构就需要进行颠覆性的设计，芯片制造的技术也要相应改进。
创新发展的模式选择也很重要。以领土面积而言，荷兰只是个小国。然而，在全球的半导体产业中，有超四分之一的半导体设备来自荷兰。20世纪90年代，荷兰的恩荷芬市是最早实行“三螺旋”模式的城市。“三螺旋”中的三方是指学术界、产业界和政府，三者密切合作、相互推动，同时每一方都保持自己的独立身份，每个“螺旋”不断自我完善、协同发展，促成纵向进化特征。传统创新模式中从基础研究向应用开发转化的链条过于简单，忽视了不断变化的市场需求。荷兰的成功在于，产业界、政府和研发机构高效协作，从而使各类创意得以有效开发。
“历史是最好的老师，在产业史中回顾、感受和探究芯片从何处来、到何处去，才是了解和助力发展我国芯片产业的最好途径之一。”就以本书作者谢志峰的这段话来收尾吧。

《芯事：一本书读懂芯片产业》谢志峰陈大明/著上海科学技术出版社 2018.07

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