芯片，是人类最伟大的发现之一，是现代电子信息财富的根蒂和焦点。小到手机、电脑、数码相机，大到5G、物联网、云较量，悉数都是基于芯片手艺的络续冲破。现在芯片越做越小，集成度越来越高，它会不会很快达到极限？我国芯片需求极为兴旺，然则整个芯片财富却还没有进入世界第一梯队，绝大多数较量机和办事器通用处理器以及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靠进口。我国芯片财富的近况如何剖析视察？可否青出于蓝？《中国经济大课堂》特邀重量级嘉宾魏少军，为您深度解读《高质量成长若何从“芯”冲破？》。
嘉宾简介
魏少军，清华大学微电子所所长，“核高基”国度科技重大专项手艺总师，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式学、嵌入式系统设计手艺和可重构较量芯片手艺等范畴的研究，拥稀有十项中国和美国发现专利，曾荣获国度科技提高二等奖、国度手艺发现二等奖。
以下为演讲悉数内容：
谁创造了芯片事业？
集成电路是一种芯片，我们天天都在用，好比说家庭傍边用到的集成电路有三百块之多。我们在本身家里修一些电器的时候,你能够看见有好多黑黑的方块，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根基元件，叫晶体管，或者有几十亿支甚至上百亿支。晶体管的道理非常简洁，然则真正要把如许的晶体管发现出来，人类照样经由了非常长时间的索求。我们知道，世界上第一台电子较量机是1945年在美国的宾夕法尼亚大学发现的，我们用的是所谓的电子管，也许直径在两公分摆布，高度有个五、六公分，通上电今后它会发亮，像个灯胆似的。如许的电子较量机用了17500支电子管，好多，但这个电子管的靠得住性非常差，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，较量机的机房里的一些密斯就要跑去把电关了，换一支电子管，再从新开机。如许的一个较量机使用效率是非常低的，是以我们急迫的需要能找到一种能取代电子管的元器件。
1947年在美国贝尔实验室，有三位科学家就发现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，一个叫巴丁，还有一个叫布莱坦，这三位科学家在1956年获得了诺贝尔物理学奖。
这个晶体管发现今后，我们看到它比起我们所熟知的电子管要小了好多，比一个黄豆还小，甚至像一个芝麻粒一般，靠得住性非常高，并且它回响速度很快。在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较量机，这台较量机是给B—52重型轰炸机用的，它耗电量只有100瓦，最主要它的运算速度非常快，达到每秒钟100万次。
晶体管非常好，然则人人还在想，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，它照样有焊点，焊点会虚焊，有了虚焊今后靠得住性变差，那么我们是不是能够找到靠得住性更好的器材呢？所今后面我们就显现了集成电路,也就是今天我们要讲的芯片。
1958年9月12日，由其时在美国德州仪器公司的一个青年工程师，他叫杰克·基尔比，发现了集成电路的理论模型。1959年，其时在仙童公司工作的一个叫鲍勃·诺伊斯的人，也是后来英特尔公司创始人，他就发现了今天我们都在用的集成电路的制造方式——掩膜版曝光刻蚀手艺。所以我们今天讲来讲去，其实我们用的手艺是六十年前发现的手艺，只是我们今天络续地在规模上、精度上变小罢了，这两位科学家发现的集成电路对人类的影响是非常伟大的。
在集成电路发现了42年今后, 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﹒诺伊斯谁人时候已经由世了，所以他没有获得诺贝尔奖。
1962年，其时国际商用机械公司，也就是IBM，起头用集成电路来制造较量机，1964年在全球发布了一个系列6台较量机，起名叫做IBM360，功能极其壮大，完成科学较量、事务处理等各类各样的内容。
又过了几年，英特尔公司有一位年青年头的科学家，这个科学家叫泰德·霍夫，他设计了世界上第一款微处理器，就叫英特尔4004。这个微处理器刚起头出生的时候，出身没有那么嵬峨上，是给较量器用的，是一家..公司去找英特尔公司，让英特尔公司帮助设计一个芯片。所以英特尔公司它们玩命去干，最后设计给了一家叫必思康的..公司，做较量器。
1981年的时候，也就是十年之后，IBM组织了一个团队，跑到佛罗里达去斥地了一个到今天影响全世界、全人类的重大产物，就是小我电脑，后来我们称为叫PC。其时用的是英特尔的8088微处理器，其实它的速度很慢，然则在其时是非常了不得的。
所以，集成电路和芯片的提高，络续地从本来的当局应用到民间的应用，好比我们从军事应用到一样的民用，并且从一样的、常规的市场贸易应用换成老公民家里。
芯片范畴有一个有名的摩尔定律。其大略内容为：当价钱不变时，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，机能也将提拔40%。半个多世纪以来，芯片制造工艺水平的演进络续验证着这必然律，持续推进的速度络续带动信息手艺的飞速成长。现阶段芯片手艺成长到了什么水平？将来的成长是否会碰到极限呢？摩尔定律还能持续有效吗？芯片财富的事业还能陆续几多年？
芯片手艺有多神奇？
今天的芯片手艺究竟有多神奇？它络续地在微缩，络续地在缩小。缩小到什么水平呢？我们如今已经做到了7纳米，估量来岁、后年就到了5纳米。
人人说纳米是什么意思？对纳米没感受。的确没感受，举个例子，人人能够想像一下有多小。我们看见过我们本身的红血球吗？一定没看过，然则人人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。按照我们今天的手艺，好比说14纳米工艺制造的芯片，也许是40个纳米巨细，是以我们能够在一个红血球的直径上放200支晶体管。所以人人能够想，这么周详的器材，恰是因为它这么小，所以我们可以把大量的器材集成在单个的芯片上去。
人人必然会问一个问题，若是按照我们如今的走法，走到5纳米，再往下走到3纳米，能不克再走下去呢？我们认为或者某一种特定手艺走到必然的时候，它就会停下来，然则并不代表着新手艺不会显现。前两年德国科学家就发现了一种称其为分子级晶体管的新的器件。将来的成长，或者我们的手机会变得越来越小，小到了我们今天弗成想象的田地。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。
然则任何手艺都有它的极限，弗成能没有极限，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，电熨斗的功率密度每平方厘米5瓦。5瓦很小，然则很烫手，我们绝对不敢拿手去直接碰它。
然则集成电路芯片呢？一样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，上面还有一个电扇。当我们功率密度达到每平方厘米100瓦以上的时候，风已经不成了，要换成水冷。超等较量机傍边要通水，这边凉水进去那边就酿成温水出来。如许的一种热的耗电，这种热效应是非常非常厉害的，若是不加掌握，到2005年前后，我们芯片的温度已经达到了核回响堆的温度，到2010的时候也许已经能够达到太阳外观的温度了，那么这么热的器材或者用吗？弗成能用。
是以人们想了一个法子，我们要想法子把这功耗降下来，把本来的单核酿成双核。后来延伸到手机，就显现了一个稀奇有意思的现象，人人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核的功能壮大，比谁人好。此外一小我跟你说，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睬解，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，然则若是要达到四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价值来解决我们的功耗问题。所以，功耗问题成为制约我们成长的非常主要的一个麻烦。
第二个就是工艺的难度非常非常大。集成电路制造过程傍边，它的掩膜的层数实际上在络续地转变，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？所以我们如今芯片的制造要破费很长很长的时间，都不是短期内能做成的，万一有一个闪失，这个芯片或者就报废掉了，所以它的工艺复杂水平非常得高。
第三个我们看到就是它的设计复杂度很高。那么恰是因为有如斯多的晶体管放在一颗芯片上，它的通用性变得越来越差，所以显现了所谓叫“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。是以我会经常讲一句话：“芯片、软件两者密弗成分，没有芯片的软件是孤魂野鬼，没有软件的芯片是行尸走肉。”我们经常在教授傍边也好，工作傍边也好，都是要把两者有机地连系起来。
当然所有这些工艺问题，那还都是手艺问题，最最主要的是经济问题。摩尔定律50多年的成长过程傍边，集成电路也许有55年的时间是处在降价的过程傍边，直接的效益就是我们电子产物很廉价，廉价到什么水平？我们好多年青年头人每半年换一部手机，如今人人不敢换了，因为什么呢？手机变得贵起来了。原因就是芯片的成长因为投入的增加、复杂度的增加，它的成本其实是在迟缓地增加的，28纳米之前我们的成本是络续鄙人降，28纳米之后我们的成本在逐渐地上升。是以我们也能够展望一下，就是将来我们的电子产物不再会像前几年那样络续地降价，估量会再涨价，当然是迟缓地涨。所以我们说，芯片手艺的成长过程到今天为止，我们仍然没有看到它的终点。
摩尔定律是不是走到头了？这个计较一向存在。有一件事情，那是1997年1998年的时候，有一小我在一个处所揭橥了一篇文章讲，说芯片、摩尔定律死了，没戏了。他说你看铜互联，我们本来都用铝，如今铜互联搞了这么多年都搞不下去，没戏，铜一定走不下去了。
第二个说芯片这个器材越做越薄今后漏电，掌握不住，所以芯片最小做到50纳米也走不下去了。他还举了个例子，他说光刻机因为用的是193纳米波长的光源，我们知道波长到必然水平今后它会衍射，变虚了，所以摩尔定律完了。人人后来知道，我们用电镀的手艺解决了铜的问题；用所谓高K-金属栅的手艺解决了所谓介质的问题；然后用一个稀奇特别的方式；我们把镜头放水里，行使水的折射把波长一下缩短了。所以如今的光刻机不只能够用到我们今天的14纳米，还能够用到5纳米。
这三个手艺全冲破了，人人又问，谁这么不开眼？怎么这么说摩尔定律？谜底颁发了，是戈登·摩尔本人说的。我们看到这么一个科学家，这么主要的一小我，他在讲本身的时候他也未必能讲得很清楚。
芯片手艺的络续冲破带动芯片财富持续成长。2018年，全球芯片市场的产值高达4688亿美元，我国不光是全球芯片最主要的消费市场之一，同时也正在竭尽全力，向全球芯片财富的第一梯队进发。我国芯片财富究竟处在如何的成长阶段？追赶过程中，我们面临哪些严重挑战？
谁是全球芯片市场最大的买家？
我们以2014年作为一个节点的话，到2020年，这6年傍边，较量机还会增进46%，手机增进81%，而消费类电子还要增进48%。所以说，电子产物的增进是越来越多、越来越快。我小我判断，在我们有生之年，若是找不到能取代半导体的器材，也许如今的电子产物还会按照这种体式持续走下去。我们会一向去享受电子产物带来的各类各样的便当，然则它背后的基本身分在于芯片手艺的冲破。正因为有如斯强劲的需求，全球芯片财富的成长就是非常快。
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..市场，上面的绿色的是除了中国和..之外的亚洲另外市场。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，跨越三分之一，这是指中国市场用到的。同时，2018年中国也是增进最快的半导体市场，中国半导体市场增进了20.5%。我想人人能够想象中国要买几多集成电路，好多！
需求兴旺，供给不足，我国芯片财富若何发力？
人人或许会感觉，我们国度的芯片财富成长似乎不那么好，我感觉人人有这种感想是很正常的。
好比前两年，我们有好多话说得对照大，我用了一个词叫“吓尿体”。我给人人念几段，很有意思的现象，他说“某某某芯片突飞大进，为什么美国人都害怕了？”还有说“我们的什么什么器材站到了世界之巅”，还有一个说“我们某某白叟从美国回来了，美国人慌了”。
当我们客岁碰着一些事情的时候，立场就180度大转弯，转而本身“吓尿了”，也给人人念几段，好比说：“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”。“中国芯片究竟怎么样了,跟人家一比我就彻底失望了”。我不知道我们怎么就这么懦弱，对本身一点决心都没有呢？前两年那种激情壮志又到哪儿去了呢？
芯片的成长它有它的客观纪律，既没有像人人想象的那么好，也没有像人人想象那么坏，当然我们如今还不克知足需求，然则只要对峙不懈走下去，我们的成长就必然能够走到我们所进展的谁人水平上去。
中国的芯片财富成长速度非常快，从2004年到2018年中国的芯片财富的成长的曲线图中能够看到，我们从2004年545亿元涨到了客岁6532亿元，1000亿美元，这个增进速度是当期全球增进速度的四倍摆布。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究竟。我们看到芯片的设计业客岁达到了2500多亿元，这是真正意义上的产物，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，各自的特点是纷歧样的。我们国度的企业，经由这么多年的成长今后，无论是设计制造照样封测都已经进入世界前列，好比在全球的集成电路设计这个行业傍边，前十位有两家企业，在全球的代工企业傍边，前十位也有两家企业，而在全球的封测企业傍边，前十傍边有三个企业。
然则我们跟国际进步水平比拟还有相当大的差距。看看我们的设计业，也就是我们经常讲的集成电路产物，我们从1999年全行业只有3亿元人民币，到客岁我们已经到了2519亿，合370亿美元摆布，已经做到世界第二大。固然很大，然则我们看一看的话，我们的产物在全球占比只有7.9%，若是其时人人还记住适才那张胶片，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？这是不是受制于人等等，对吧？有这种担心很天然，然则若是我们换位思虑一下，作为生产供给商来说他们会担心什么呢？他们也会很担心。曾经有一个外国同伙问我，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？人人会意地一笑。
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。所以这种情形下，最好的法子就是我们本身成长，我们本身多生产点儿，人人都息事宁人，这才最好。
我国芯片财富成长面临哪些问题？
1、国内芯片财富与需求差距大
其实芯片财富面临的挑战是非常多的，它是个宏大的系统工程。我们照样从产物的角度去看，应该说我们如今的产物构造与我们的需求之间，照样显现了一些失配的现象。
客岁一天我早上醒的时候，有一个同事打德律给我，说网上有一张图非常地不客观，讲我们好多器材都是0，让我出来说一说。我吃紧忙忙爬起来连忙看是什么器材，究竟看到这张图今后我就笑了，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？他懂得的有误差。这里面人人看到好多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%以下根基上就能够四舍五入，因为你在市场上的确引不起人家正视，你说我必然要去强调我不是0，其实没有什么意思。
举个例子，好比说我们全年中国也许要进口使用的CPU，或者有也许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，那是好多了，100万只是不得了的事，然则你把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。所以我们看这些器材的时候，不是简洁地去看一个绝对值，我们要看它的相对值，也就是市场占有率，这是很主要的一个点。
我们能够看到，无论是办事器照样小我电脑，照样可编程逻辑设备、数字旌旗处理设备，以及我们终端傍边用到的一些IP核也好，还有一些存储器也好，我们大量的都是0，这就意味着我们的财富构造、我们设计企业的产物构造跟我们需求之间还有相当大的差距。
那独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如今对照强的，占了全球市场也许五分之一。
2、成长滞后，投入不敷
我国芯片财富成长的制造能力和设计需求之间失配。我们的制造业要花好多的钱，并且成长也很快，然则照样慢。
我们国内最进步的集成电路制造商，它们在14纳米的时候，也许本年（2019）的一季度能够投产，而..的台积电的，它们的16纳米，早在2015年的第四时度就投产。这中央就有三年的差距,这就是我们相对比人家滞后的处所。
除了我们不敷快之外，还有一个要命的，就是我们产能不敷。你若是能找到产能，当然你就能够..，但也或者你找不到产能，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成长需要投资，要投几多钱呢？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，大部门的时间都在400亿美元以上，比来这几年甚至都在600亿美元以上。那条红线是我们国度在半导体的投资，它在最底下。有人说我们的投资额是在人家的统计误差局限之内，这个话听了很刺耳，我们也很难熬，为什么我们国度在这上面不投资呢？我们对这个财富的认识照样有限，我们对照早地作出了一个错误的决议或定夺，认为中国的半导体芯片财富能够经由市场设置资源来良性成长。
这张图上，红线这几年向上翘，翘的过程似乎挺多了。然则人人知道它是需要高强度投资的财富，无论是英特尔也好，照样三星也好，台积电也好，每年投资也许都在百亿美元规模。我们也到了百亿规模，然则我们投了好多家，你的投资强度也不敷，并且方才两、三年，后背要一连投好多年才能看出究竟来。
如今我们说集成电路的成长已经成为全中国人民也许都认同的一件事情，所以带来了一个副感化，就是全民大造集成电路。
集成电路并不是一个可以遍地开花的事情。我曾经到了一个处所，这个处所向导说，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，生怕不成，你这里没钱。我一说没钱呢，人家很不愉快，立时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，生怕后背还要再加个0。
我给人人举个例子，美国核动力航母袭击群，尼米兹级的，不是如今福特级的，包含了一艘10万吨级的核动力航母、也许60到70架舰载机、两艘导弹巡洋舰、两艘导弹遣散舰、一艘核潜艇，还有补给舰全加起来150亿美元，我们如今建一个集成电路厂150亿美元。所以集成电路厂的扶植，往往是需要巨额投资，并且还不是一次性的投资，这个压力很大，这个不是小钱。
我们还有一些处所当局也很有意思，上集成电路非常地热心，我能体味它们对于处所经济的成长是倾泻了本身悉数的心血。它们看到，一旦在他们那儿竖立一个集成电路厂、芯片厂的话，很快会带来就业，带来周边情况，周边的生态的配套，能带来一个大财富，然则它们对于芯片成长的艰难性认识是不多的。曾经就有一个处所，在本地没有一所大学有微电子专业，它们也要上芯片财富，我说那你的人从哪儿来？他说我的人能够从皮相“挖”来，你让人家从上海坐4个小时飞机飞到你这儿来，不太实际吧？第一没人，第二没钱，第三没手艺，所以集成电路的成长是需要好多投入的。
3、芯片财富链要力争上游
我国芯片财富成长还面临资源的错配。
今朝，我们的芯片制造业跨越50%的客户是国外的客户，我们的封测也许也有快要一半客户是国外的客户，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手艺水平，跟我们所需求的还有距离。
我们本来的财富是以对外加工为主，人人知道“三来一补”等等。这种是加工性财富构造，如今要酿成自立立异为主，你要作财富构造的调整。中央提出来要供给侧的构造性改造，其实对芯片来说，我们就是面临如许一个改造。
我们在成长过程傍边，其实还面临着一个财富模式的问题。
芯片的成长已经有几十年的汗青，其实在成长过程傍边，如今跟以前是有很大不同的。曩昔的叫系统厂商模式,就是所有的事情都本身做，后来说不成，集成电路每18个月产能翻一番，我本身用不了了，显现了所谓叫集成器件制造模式，再往后就显现了所谓叫设计代工模式。
这三种贸易模式实际上带来的是分歧的究竟。我们从中国大陆情形看，首要是设计代工模式，那这种设计代工模式是好照样欠好呢？我们欠好去评价，因为是汗青阶段决意的。实际上在真正我们的工作傍边碰着好多问题，就是好多处所的当局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，对本地的国内生产总值进献是很大的。然则它往往不去想，一个像中国如许的国度，老是去做加工这种财富链中粗俗的事情，那你是不是就把本身框在了一个财富链的中粗俗位置？所以中央也提出来我们要立异成长。立异成长在哪儿？在上游，所以我们说经常我们要往上游走。
4、人才不足
我们的芯片要成长它的设计业，芯片设计是一种高科技，人才就成为一个主要的制约身分。
碰着的瓶颈在哪儿呢？不光质量难以知足需求，如今连数量都难以知足需求，最直接的结果就是，我们如今整个半导体财富在互相地挖人。若是你是从事芯片的话，如今跳槽必然能够找到很好的收入，因为你们的工资能够翻番。
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..。讲实话，我们能力还不如..的工程师，这就意味着什么呢？我们做出来的产物没有人家好，然则我们的成本比人家高，这个情形还没有缓解，所以我们人才团队的欠缺是非常恐怖的。
前两年，我们在人才培育上碰到一个不大不小的麻烦，就是好多的学生卒业今后去搞投资，搞金融了，当然我本身的学生也有出去作投资的，去仕进员的。我老是在讲，若是如许的话，你们干吗要来学这么多年的集成电路呢？照样说他们对于芯片的主要性、对于芯片自己所蕴含的这种无限的魅力认识得不敷，他仅仅是把它当成一门常识来学了。当你真正深入认识芯片、集成电路它内涵的器材之后，以及它对外的这种成长影响，那你就会知道，本来把握集成电路芯片可以带来这么大的自动权。
需求兴旺、供给不足是我们中国芯片财富面临的一个挑战，这是个实际问题，也是我们下一步作供给侧构造性改造的时候一个存眷的点。
若是人人往后从事芯片手艺的话，我相信从我今天的讲述傍边，至少能够把握到几个主要的点：第一个点，我感觉芯片的成长也许不以人的意志为转移，一向走下去，还会成长一百年；第二个点，芯片的成长不轻易，不是那么简洁的，需要高额的投入，需要我们历久对峙。一百年不光仅是一个数字、一个年份，而是说历久对峙才会有究竟。
起原：中国经济大课堂
