對話資深專家汪波：中國芯片，只缺光刻機(jī)？
“芯事重重”是騰訊科技半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)研究策劃，本期對話資深芯片專家、《芯片簡史》作者汪波，聚焦芯片發(fā)展歷程和全球芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀的分析解讀。
劃重點：
- 1一個典型的芯片技術(shù)，從實驗室研發(fā)到走向市場大約需要十年甚至更久，技術(shù)突破固然重要，穩(wěn)定性、可制造性、良率也值得關(guān)注。
- 2即使是西方盟友之間也不可能分享最核心的芯片技術(shù)，只能通過自主研發(fā)，歐洲和日本的發(fā)展就是其中的例子。
- 3沒有高端的EUV光刻機(jī)，我們只是造不出最先進(jìn)的芯片，而沒有EDA設(shè)計軟件，所有的芯片設(shè)計公司都要停工。
- 4摩爾定律也是一個關(guān)于人的信心和希望的定律，只要人類心中還有這兩樣?xùn)|西，摩爾定律的腳步就不會停下。
文 / 騰訊科技 蘇揚
過去幾年，芯片產(chǎn)業(yè)風(fēng)起云涌，潮起潮落。
從汽車一芯難求，到臺積電收縮產(chǎn)能，從芯片法案到美光被中國“拉黑”，再從Marvell裁員到OPPO解散芯片設(shè)計公司哲庫。從明星大廠到從業(yè)者，無一例外的經(jīng)歷了周期輪動的沖擊。
拋開周期論，這個發(fā)展歷程不到百年的行業(yè)之所以如此引人關(guān)注，底層邏輯則在于——尺寸可能不到指甲蓋大小的芯片，已成為現(xiàn)代科技的數(shù)字基石。小到手機(jī)、平板，大到汽車、飛船，芯片無處不在，而它們無一例外的遵循著英特爾創(chuàng)始人戈登·摩爾在20世紀(jì)六七十年代提出來的“摩爾定律”，——當(dāng)價格不變時，集成電路上可容納的元器件數(shù)目，約每隔24個月便增加一倍。（注：摩爾在1965年提出是的翻倍周期，即12個月，1975年修正為24個月）
摩爾定律是如何誕生的，芯片產(chǎn)業(yè)百年之旅的起點在哪里，我們在資深芯片研究專家汪波的新作《芯片簡史》中找到了一些答案，并有幸和他就芯片技術(shù)、光刻機(jī)、摩爾定律等諸多話題進(jìn)行了深度的交流。
作為資深芯片研究專家、科普作家，汪波早年留學(xué)法國，獲法國里昂國立應(yīng)用科學(xué)學(xué)院集成電路碩士學(xué)位和利摩日大學(xué)高頻微電子學(xué)博士學(xué)位，后分別在華為、法國里昂納米國家實驗室和北京大學(xué)深圳研究生院從事集成電路設(shè)計的教學(xué)與科研工作。
汪波是“摩爾定律”堅定的擁躉，在被問及摩爾定律是否失效時，他巧妙的化用摩爾定律，“每過兩年，相信摩爾定律已死的人的數(shù)量就會翻倍?！?/p>
《芯片簡史》反復(fù)提及“芯片的創(chuàng)新來自于叛逆的想法。”，這些新技術(shù)、新方案，在誕生初期并不受認(rèn)可，但可能在未來的某一天，在某一個客觀條件下，會在技術(shù)進(jìn)步的過程中扮演至關(guān)重要的角色。
這個結(jié)論也可以回答“代工巨頭們?yōu)楹螆?zhí)著于追求3nm、2nm極限工藝”這類問題，用汪波的話說，“讓我們先把技術(shù)打通，然后再探索其可能的、會給我們帶來可感知好處的‘iPhone時刻’?！?/p>
以下是對話全文精華：
01 芯片技術(shù)必須自主研發(fā)，中國不只是缺光刻機(jī)
騰訊科技：?這兩年國際環(huán)境迫使我們自主搞芯片，但回顧諸多過往案例，芯片研發(fā)典型特征之一即全球化協(xié)作，自主、全球化之間存在矛盾嗎？
汪波：自主和全球化是并行不悖的，我們應(yīng)區(qū)分芯片產(chǎn)品和芯片技術(shù)兩個層面。芯片產(chǎn)品可以通過全球化獲得，但我們不可能通過全球化獲得芯片核心技術(shù)。
即使是盟友之間也不可能分享最核心的技術(shù)，只能通過自主研發(fā)，歐洲和日本的發(fā)展就是其中的例子。反之，如果我們通過自主研發(fā)有了核心技術(shù)，那么全球化也可以為我所用，使得芯片產(chǎn)品能推而廣之。
圖為蘋果M2處理器 die Shot
騰訊科技：海外芯片技術(shù)很多是從實驗室里先研究出來，多年后才應(yīng)用到產(chǎn)業(yè)，這是為什么，對我們有什么啟示？
汪波：一個典型的芯片技術(shù)，從實驗室研發(fā)到走向市場大約需要十年甚至更久的時間。
例如，1990年華人科學(xué)家王國裕、陸明瑩以及他們在愛丁堡大學(xué)的合作者德尼爾和倫肖，在實驗室里發(fā)明了第一顆單芯片CMOS圖像傳感器，但是直到2007年CMOS圖像傳感器的市占率才超越了CCD圖像傳感器。
還有，華裔科學(xué)家薩支唐和他的同事萬拉斯于1963年，在仙童半導(dǎo)體的實驗室里發(fā)明了CMOS技術(shù)，極大降低了芯片功耗，但是由于當(dāng)時芯片規(guī)模小，功耗不大，CMOS技術(shù)并沒有迎來應(yīng)用的高潮，直到1982年，芯片的規(guī)模增大導(dǎo)致功耗急劇增加，英特爾才在80C51單片機(jī)上采用了CMOS技術(shù)，這項技術(shù)才成為主流。
這些案例對我國芯片企業(yè)的啟示是，實現(xiàn)了首次技術(shù)突破固然很重要，但也只是邁出了第一步，后續(xù)還有穩(wěn)定性、可制造性、良率等困難需要克服。除此之外還需要等到合適的市場時機(jī)，在這么長的時期內(nèi)，這項技術(shù)很容易被遺棄。
如果認(rèn)定一個方向就應(yīng)長期堅持，不為外部的波動而改變，同時業(yè)界也應(yīng)對新技術(shù)給予長期的支持，如此才能守得花開。
騰訊科技：技術(shù)突破、長時間的磨合，最后再產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，容易讓人聯(lián)想到國產(chǎn)光刻機(jī)，研發(fā)一臺光刻機(jī)有多難？
汪波：誕生在上世紀(jì)50年代的最早的光刻機(jī)原型只是一臺普通的三目顯微鏡，與之對比，現(xiàn)在的極紫外線光刻機(jī)（EUV）則像一座小型冰山，占地約 80 平方米，大量管道和線纜埋在地下 10 米深處，然后才是露出地面的部分。
圖為ASML工程師現(xiàn)場處理光刻系統(tǒng)相關(guān)工作
EUV光刻機(jī)的波長只有13.5nm，業(yè)界從上世紀(jì)90年代就開始研發(fā)，但是一直無法產(chǎn)生13.5nm的激光。21世紀(jì)初，加州的西盟公司研發(fā)出一種二氧化碳激光器能發(fā)出這么短的波長。但是光源的功率又不夠大，直到2018年才將功率提高到250瓦。
有了光源還不夠，玻璃鏡頭會嚴(yán)重吸收EUV光，阿斯麥爾不得不將其廢棄，轉(zhuǎn)而發(fā)明新的反射式鏡面，表面交替涂有硅和鉬的薄層，每層只有幾nm厚。利用兩種材料不同折射系數(shù)的布拉格效應(yīng)，每個交界面處都可以反射70%的 EUV 光。 EUV 光在到達(dá)晶圓臺前要經(jīng)過12個反射鏡，最后只有約1% 的光線能照射到晶圓片上。如此微弱的光線需要光刻膠極其敏感，但高靈敏度的光刻膠又會引起加工精度的波動……技術(shù)難題層出不窮，解決完一個，又冒出一個。
經(jīng)過多次延遲，阿斯麥爾公司最終克服了難以想象的困難，在2018年制造出了人類歷史上最精密的光刻機(jī)，每臺成本高達(dá)2億美元。為了造出EUV光刻機(jī)，阿斯麥爾需要向全球數(shù)百家供應(yīng)商采購零部件，而這些供應(yīng)商又分布在荷蘭、德國、日本、美國等世界各地，它們通力合作才有了今天的EUV光刻機(jī)。
騰訊科技：?中國的芯片產(chǎn)業(yè)，缺的是光刻機(jī)嗎？
汪波：除了缺高端光刻機(jī)以及相應(yīng)的半導(dǎo)體材料，我們還急缺電子設(shè)計自動化設(shè)計軟件（EDA）。
沒有高端的EUV光刻機(jī)，我們只是造不出最先進(jìn)的芯片，而沒有了EDA設(shè)計軟件，所有的芯片設(shè)計公司都要停工。目前，中國大陸已經(jīng)有了華大九天、概倫電子、芯華章等EDA廠商，但是體量比起新思科技、楷登電子和西門子EDA（原明導(dǎo)國際）等三大“巨頭”仍很小，其中的新思科技一家就占據(jù)了約三分之一的市場份額。
圖為一款名為KiCad的EDA軟件的UI
當(dāng)然最缺的是人才，例如，EDA行業(yè)需要復(fù)合型人才，既要懂編程和算法、又要懂半導(dǎo)體器件或電路等，培養(yǎng)起來難且慢。
此外，在芯片制造、設(shè)備、材料、設(shè)計、封裝和測試等領(lǐng)域都需要更多有志于面對挑戰(zhàn)的人加入芯片產(chǎn)業(yè)。
騰訊科技：?從EDA、材料到設(shè)備，再到人才培養(yǎng)，芯片產(chǎn)業(yè)有明顯的聚集性特征，硅谷早期就是半導(dǎo)體聚集地，國內(nèi)也有芯片“包郵區(qū)”的概念，為什么會出現(xiàn)這種明顯的聚集性？
汪波：芯片產(chǎn)業(yè)的確有聚集性，因為技術(shù)突破往往在一家領(lǐng)先的研究機(jī)構(gòu)取得。早期，貝爾實驗室就是這樣一家機(jī)構(gòu)，實驗室的肖克利到加州創(chuàng)業(yè)，那里的斯坦福大學(xué)提供了廉價的辦公場所和豐富的畢業(yè)生來源。接著從肖克利公司“叛變”出來的年輕人也選擇在附近創(chuàng)立了仙童半導(dǎo)體，后來又衍生出了一系列的創(chuàng)業(yè)公司，即俗稱的“小仙童們”。
圖為被稱之為仙童“八叛逆”的8位科學(xué)家工程師
這些創(chuàng)業(yè)者會瞄準(zhǔn)仙童半導(dǎo)體的需求，為其提供所需的制造設(shè)備、半導(dǎo)體晶圓等，互相依存，在一個彼此靠近的空間內(nèi)形成了一條完整的產(chǎn)業(yè)鏈，實現(xiàn)了共同繁榮。
在中國也有這種地域的聚集，例如在長三角地區(qū)，由于有中芯國際和華虹半導(dǎo)體等制造企業(yè)的聚集和吸引效應(yīng)，一大批芯片設(shè)計公司也陸續(xù)落戶在同一區(qū)域，形成了良性互動的局面。
在珠三角地區(qū)，從上世紀(jì)九十年代以及本世紀(jì)初開始，華為、中興、國民技術(shù)、國微電子和比亞迪半導(dǎo)體等國內(nèi)公司開始踏入芯片設(shè)計領(lǐng)域，帶動了通信、汽車等領(lǐng)域的整機(jī)產(chǎn)品的發(fā)展，促使更多的芯片制造企業(yè)如中芯國際和粵芯等進(jìn)駐這一地區(qū)。
02 國際局勢深刻影響芯片產(chǎn)業(yè)，摩爾定律“不死”
騰訊科技：?歷史上，國際、社會重大事件事件持續(xù)推動著芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展，今天這個時代，哪些因素、趨勢，會推動芯片技術(shù)發(fā)展？
汪波：的確，歷史上的重大事件會推動芯片技術(shù)的發(fā)展，例如第二次世界大戰(zhàn)爆發(fā)，對高性能雷達(dá)的需求大大加速了對半導(dǎo)體硅和鍺的研究；1957年蘇聯(lián)人發(fā)射了首個人造地球衛(wèi)星，這促使美國加大了對半導(dǎo)體晶體管的研究投入；1961年蘇聯(lián)人實現(xiàn)了首次載人航天，這再一次刺激了美國，增大對剛剛問世的芯片的投入。
在今天這個時代，國際大事和趨勢依然影響著芯片技術(shù)的發(fā)展，例如受到科技脫鉤的影響，中國從國外引進(jìn)芯片技術(shù)的途徑受到限制，這讓我們的產(chǎn)業(yè)感到陣痛，但也會促使我們下決心建立自己完整的研發(fā)生產(chǎn)鏈條。
從短期看，國產(chǎn)替代可先解決那些對與國計民生影響較大的芯片與器件的依賴，如射頻器件、高性能Serdes和ADC等；
從中期看，突破光刻機(jī)和相關(guān)材料的技術(shù)難關(guān)，則會讓我們與世界同步；
從遠(yuǎn)期看，在新器件（二維器件、碳基晶體管、憶阻器等）、新架構(gòu)（存內(nèi)計算、Chiplet等）方面的前沿領(lǐng)域研究，則有可能讓我們引領(lǐng)世界。
除此之外，人們對大數(shù)據(jù)、寬帶通信和人工智能算力的需求仍在不斷增加，這些都牽引著芯片朝著滿足其需求的方向發(fā)展。
騰訊科技：?關(guān)于芯片的發(fā)展，不久之前去世的英特爾創(chuàng)始人戈登·摩爾，他給這個行業(yè)留下了諸多寶貴財富，人們津津樂道的摩爾定律即其中之一，芯片的發(fā)展長期遵循著摩爾定律的預(yù)測，但近年來也有觀點認(rèn)為——摩爾定律失效，您認(rèn)同嗎？
汪波：摩爾定律是20世紀(jì)最偉大的預(yù)測之一。關(guān)于摩爾定律壽終正寢的說法從上世紀(jì)九十年代開始就一直不斷，例如有人說，“每過兩年，相信摩爾定律已死的人的數(shù)量就會翻倍”。
1990年，惠普科學(xué)家威廉姆斯斷言摩爾定律將在2000年終結(jié)，理由是絕緣層將失效。到了2000年，他再次預(yù)言摩爾定律將在2010年死去，這次是由于制造成本不斷攀升。到了2017年，他卻放棄再次預(yù)言了，因為他覺得自己怎么也贏不了那些充滿創(chuàng)意的工程師們。
圖為已故英特爾創(chuàng)始人戈登·摩爾
盡管摩爾定律已經(jīng)放緩是不爭的事實，但說其現(xiàn)在已失效，可能為時尚早，因為摩爾定律也是一個關(guān)于人的信心和希望的定律，只要人類心中還有這兩樣?xùn)|西，摩爾定律的腳步就不會停下。
當(dāng)前，新興的技術(shù)（3D集成、Chiplet等）仍在不斷發(fā)展，頑強(qiáng)地支撐著芯片中元件數(shù)量的增長。未來，摩爾定律會如何“續(xù)命”？我在《芯片簡史》中也詳細(xì)介紹了未來摩爾定律發(fā)展的三條可能的道路——延續(xù)摩爾、擴(kuò)展摩爾和超越摩爾。
延續(xù)摩爾，即繼續(xù)縮小晶體管尺寸，提高芯片里晶體管的密度，使晶體管的工藝節(jié)點繼續(xù)朝著2nm、1nm甚至更小的尺寸縮小。
擴(kuò)展摩爾，即增加系統(tǒng)功能的多樣性，在一個芯片上集成和實現(xiàn)豐富的功能，包括集成模擬、射頻、數(shù)字、傳感和存儲等各種功能和電路。
超越摩爾，即在主流的 CMOS硅晶體管之外尋找更好的可能，包括碳nm管場效晶體管、隧穿場效晶體管、憶阻器等新型器件。
03 算力需求不斷推動工藝迭代，硅基半導(dǎo)體仍將主導(dǎo)世界
騰訊科技：?追逐摩爾定律的路上，主流大廠開始推動3nm量產(chǎn)，同時探索2nm、1nm工藝，人類追求這種工藝的提升，除了性能躍遷，有沒有可以量化、可感知的好處？
汪波：未來，人工智能、6G通信、沉浸式場景體驗、智慧城市、物聯(lián)網(wǎng)、量子計算等應(yīng)用會對芯片算力提出越來越高的要求，這些要求芯片有更快的處理速度、更大的存儲容量，因而要求業(yè)界不斷推進(jìn)工藝的提升，我們可以大致感受到未來技術(shù)發(fā)展的趨勢。不過具體到將來有哪些可感知的好處，現(xiàn)在并不容易預(yù)測出來。
實際上，在一項技術(shù)真正落地應(yīng)用之前，我們很難預(yù)測出其可能的應(yīng)用以及帶來的好處，歷史也是如此：20世紀(jì)60年代半導(dǎo)體紅外激光器就發(fā)明出來了，但人們直到20年后才為它找到了一個廣泛的應(yīng)用：CD播放器。
為此，諾貝爾物理學(xué)獎獲得者克勒默曾提出了一個“新技術(shù)引理”——“任何一個有足夠創(chuàng)意的發(fā)明的主要應(yīng)用點，過去是、將來也必定是由這種新發(fā)明本身創(chuàng)造出來的。”
所以，讓我們先把技術(shù)打通，然后再探索其可能的、會給我們帶來可感知好處的“iPhone時刻”。
騰訊科技：?這兩年，碳化硅為代表的第三代半導(dǎo)體材料也被拿到臺面上來，公開資料顯示，特斯拉的碳化硅器件逆變器效率，提升8個百分點到90%，是不是意味著材料也是芯片、半導(dǎo)體性能躍升的思路之一？
汪波：材料是決定半導(dǎo)體芯片性能的關(guān)鍵因素，例如碳化硅、氮化鎵材料在功率放大、顯示、射頻通信等應(yīng)用上有著獨特的、優(yōu)于硅的性能，未來在新能源汽車、電源、射頻器件等領(lǐng)域有著誘人和廣泛的應(yīng)用前景。
不過，每種半導(dǎo)體材料都有各自擅長的方面，在數(shù)值計算、數(shù)據(jù)存儲、三維圖形等這些信息處理領(lǐng)域，硅半導(dǎo)體由于成本低和技術(shù)成熟等特點仍具有其他材料無法替代的優(yōu)勢，在這些領(lǐng)域仍是未來主要的半導(dǎo)體材料。
騰訊科技：?舊的技術(shù)因為成本優(yōu)勢，而讓新技術(shù)被暫緩應(yīng)用或雪藏，您的《芯片簡史》中也有諸多案例，10年后再看硅基半導(dǎo)體，有沒有可能重演這種劇情？
汪波：歷史總是在上演相似的情形，盡管當(dāng)事人毫無察覺。
目前CMOS硅晶體管是最具綜合優(yōu)勢的芯片技術(shù)，為了維持這種優(yōu)勢，人們不惜花費投入巨資和成千上萬的工程師研發(fā)最先進(jìn)的光刻機(jī)、建造最復(fù)雜的晶圓廠，以維持晶體管尺寸的不斷縮小。
這條路徑目標(biāo)最明確，由此帶來的芯片速度和性能的提升也最明顯，但這并不意味著CMOS硅晶體管將一代又一代，永遠(yuǎn)接續(xù)下去。
未來某一天，CMOS硅晶體管的縮小之路將不可避免地撞上量子力學(xué)所限定的最小尺寸的天花板，那時由于加工難度的顯著提升，成本將不再下降，由于不斷增大的漏電，功耗將達(dá)到理論極限，而新型的半導(dǎo)體器件將會在CMOS硅晶體管這些最薄弱的環(huán)節(jié)向其發(fā)起進(jìn)攻。
盡管目前新型的半導(dǎo)體器件已經(jīng)被一而再地研究，但在應(yīng)用上仍被CMOS硅晶體管的成本優(yōu)勢壓制著，無法被廣泛應(yīng)用到手機(jī)等主流產(chǎn)品中，而未來當(dāng)CMOS硅晶體管遭遇天花板之時，這些新型器件將等來它們的時機(jī)、一躍登上歷史舞臺，讓我們拭目以待。
04 芯片創(chuàng)新大多來自于叛逆的想法，芯片產(chǎn)業(yè)大有可為
騰訊科技：回到您的新作《芯片簡史》上來，它詳實記錄了芯片技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展變遷，寫作這本書的初衷是什么，最希望給讀者傳遞哪些信息？
汪波：《芯片簡史》介紹了芯片從誕生到今天的歷史，其中一個核心思想是——芯片的創(chuàng)新來自于叛逆的想法。
圖為芯片簡史書封
這本書不是單純地講技術(shù)發(fā)展，而是將芯片技術(shù)的發(fā)展融入到歷史事件和故事中。如果能激發(fā)一些年輕學(xué)子投身芯片產(chǎn)業(yè)，我就深感欣慰了。
寫這本書緣起2020年，華為公司遭受到了美國政府第二輪制裁，疫情加劇了全球芯片的供貨危機(jī)，芯片成為大眾關(guān)注焦點。
騰訊科技：會鼓勵更多的年輕人加入到芯片產(chǎn)業(yè)當(dāng)中嗎，?會對他/她說些什么？
汪波：芯片產(chǎn)業(yè)大有可為。只要回顧一下芯片的歷史就會發(fā)現(xiàn)，芯片的創(chuàng)新大多是由大膽的年輕人做出來的，例如諾伊斯發(fā)明芯片時只有31歲，姜大元發(fā)明MOS晶體管時只有29歲。
此外，芯片的各個發(fā)明人在面臨人生道路選擇時的決定，有些人進(jìn)入芯片產(chǎn)業(yè)是因為那里氣氛自由，有些人則是因為工資增速快，還有一些人則是為了挑戰(zhàn)自己，例如摩爾從化學(xué)轉(zhuǎn)到了半導(dǎo)體行業(yè)。
這些前人的抉擇和考量，對年輕人選擇專業(yè)和行業(yè)，有相當(dāng)?shù)膮⒖己徒梃b意義。
我還想對準(zhǔn)備進(jìn)入芯片產(chǎn)業(yè)的新人說，歷史上的芯片創(chuàng)新推動了PC、互聯(lián)網(wǎng)浪潮、機(jī)器人和智能電子產(chǎn)品的蓬勃發(fā)展，每一次摩爾定律面臨難以挽救的危機(jī)時，就有新的活力迸發(fā)出來，拯救摩爾定律于存亡之間。
當(dāng)前，無論是自動駕駛、人工智能、登月計劃、還是5G通信、量子計算、超級計算機(jī)等，都離不開芯片的原始創(chuàng)新。未來，無論是在芯片設(shè)計、制造、還是工藝設(shè)備，只要能沉下心來踏實鉆研，都有機(jī)會成為拯救芯片產(chǎn)業(yè)、推動科技進(jìn)步的英雄。
