魏少军:中国的高质量发展如何从“芯”突破?

魏少军 2019-05-22 浏览:
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作投资的,去做官员的。我总是在讲,如果这样的话,你们干嘛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。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,至少可以掌握到几个重要的点:第一个点,我觉得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。

魏少军:中国的高质量发展如何从“芯”突破?

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。

(以下为演讲全部内容)

谁缔造了芯片奇迹?

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,你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。

魏少军:中国的高质量发展如何从“芯”突破?

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,我们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。这样的电子计算机用了17500支电子管,很多,但这个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,计算机的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。

魏少军:中国的高质量发展如何从“芯”突破?

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,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,而且它反应速度很快。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,由当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。

在集成电路发明了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,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必思康的日本公司,做计算器。

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,后来我们称为叫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,不断地从原来的政府应用到民间的应用,比如我们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换成老百姓家里。

芯片领域有一个著名的摩尔定律。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?

芯片技术有多神奇?

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。

大家说纳米是什么意思?对纳米没感觉。确实没感觉,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。

来源 : 中国经济大讲堂
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