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国家研制集成电路芯片有多艰难 芯片有多重要:中科院专家这样讲

2018-06-13 16:22:53 来源: 互联网 编辑: 挂号通6 浏览(26)人   

在上个月举办的2018年中国国际大数据产业博览会上,腾讯董事会主席马化腾曾在"数字经济"高端对话论坛上发表演讲并参与了对话。当中,马化腾在谈到跟战略相关的话题时就表示,一个国家发展数字经济,不能只看前面,还要回过头来看后方,看自己的基础是否扎实。而当一个国家、一个企业壮大到一定的规模后,那么专业人士们再根据现有的理论来对这个国家、或者这个企业进行分析和预测,往往难以寻找到正确的答案。

马化腾在场就说道:"比如前两天我提到基础科学方面,无论是芯片到操作系统,甚至到人工智能,人工智能我们还稍微好一点,未来的量子计算我们会不会失去机会,当国外量子计算获得突破,有了量子霸权,他们可能在很多领域里面突然间遥遥领先,用传统的计算完全追不上别人,这个有非常大的威胁。比如说你的密码,别人的量子计算机可以秒破你,你是无能为力,你怎么都加密不了,因为你没有基础科学的基础,这可能是非常大的威胁,对整个数字化的进程是非常大的威胁。"

马化腾其实在论坛说得很明白,中国发展数字化经济,必须同时发展好芯片、操作系统、人工智能和量子计算等核心而又基础的技术。那国家研发和制造集成电路芯片会面临怎样的难度?芯片对中国又有多重要?中国在研制芯片的过程中都取得了什么样的突破……对于这些问题,中科院集成电路先导工艺研发中心首席科学家、国家"千人计划"学者朱慧珑在一次讲坛上讲了很多,讲得简单明白而让人易懂,还让人更深入地理解了芯片技术及其产业。

以下是朱慧珑研究员讲话原文(略有删减)。

集成电路,它是一门高科技。它实际上促进了很多学科的发展,它包括自动化、制造装备的这个生产,包括精密仪器,还包括我们这个微细加工等产业。有人说这个集成电路实际上就是电子设备的大脑,也有人说它是工业的粮食。正因为它如此之重要,1美金的芯片,它所能撬动、或者带动的GDP相当于100美金。而全年的、全世界的芯片的产值,它撬动的GDP相当于中国和美国之和。而且,这个产业实际上对我们国家的信息安全具有非常重要的作用

中国集成电路的、或者芯片的市场占了全世界的50.7%,是世界上最大的芯片市场,自给率还不到10%。全年,从2008年开始,我们国家的集成电路进口,基本上就是我们的进口商品中最大的一种产品,它甚至超过了石油和粮食。大家可以想象,我们的集成电路是多么重要的一个产业。

谈到集成电路,我们就不得不提两个人,一个是英特尔的创始人之一叫戈登·摩尔,另一位是美国的工程院院士、IBM的Robert H.Dennard。

戈登·摩尔1965年的时候发现集成电路中的核心器件——晶体管。晶体管等于说是个开关,就像我们在自来水系统中所使用的那个水龙头,来控制水速。而晶体管在集成电路中是利用它的开关,来完成运算、储存等等。那么戈登·摩尔发现什么呢?他是说每12个月,集成电路中间那个晶体管的造价可以降低50%,它的集成度可以增加100%,后来这个发展周期被延长到18个月。但是即使这样,这个发展速度是非常之惊人的。我们现在的手机,它现在的芯片的功能,相当于20年前的这个叫Supercomputer,就是超级计算机。所以它20年间,就可以发展得如此之快。

那么在技术上如何实现这个?Robert H.Dennard在90年代的时候曾经提出了一个理论,就是说在我们人、我们这个制造业可以在保持不损害晶体管的性能的情况下,来不断地缩小晶体管所占的面积,因此可以降低晶体管的造价。所以,我们大家可以看到,这种工程创新、这种过程往往是商业工程应用和技术同时在发展、在推动。

集成电路面临的挑战?如果我们想简单的描述的话,基本上我们可以用四个字,叫多、快、好和省。而这四个字里头,实际上你们同样可以看到它的特点,就是每个字里头,既有技术的成分,同时也有商业、或者应用的条件、要求、限制的成分。

多,就指的我们在单位面积上、要尽量多地、一次性地制造更多的晶体管,主要原因就是为了降低造价;快,就是我们在微缩晶体管的时候,我们不能损害它的速度,因为它的开关速度直接就关系到我们电脑、手机的运算速度。另外,快还指的我们新的技术代的产品,要尽快地进入市场,这样我们才能保证这种产品有足够的盈利空间,然后你才能有足够的钱赚回来,然后再做下一代的开发;好,类似我们晶体管,你不能漏电太大,这样的话你电池的续航时间就受到影响。另外在制造过程中,你的性能要稳定,这样才能保证足够的成品率,这样才能保证的造价要低;省,就是在制造过程中,我们的步骤要尽量少,用的时间要短,这样的话才可以把造价降下来。所以,你们会看到,多、快、好、省这四个字里头包含着技术和商业方面,等各方面的要求,这是工程创新的一个大特点。

集成电路本身有什么特点?它有一个三高汇聚的特点,第一就是人,第二就是钱,第三就是技术。

一个技术代,现在研发新的技术代,需要多少人?少则1千、多则几千。然后投资,一个技术代的研发,需要100亿美金,而且还有我们现在的技术实际上已经在挑战,我们大批量、低成本的制造、精细晶体管的极限。实际上我们现在晶体管有多大呢?大概70个纳米左右,70个纳米相当于我们头发丝直径的千分之一的量级。你们可以想象,在这么多的,在头发丝上面,你可以集成多少的晶体管。但是这个直接挑战了我们人类的制造工艺。

从竞争模式来讲,集成电路有一个特点,它就是赢者通吃。龙头企业它有足够的钱、足够的技术和人力,它可以先把新的技术代的产品投放市场,等到你后边来者的产品进入市场后,它就会大批脸的降价,大幅度地降价,以至于后来者的产品不能够有足够的盈利空间,也得不到足够的资金,去支撑下一代的快速发展。这样就造成了这个赢者通吃的局面。

当然,对于中国的集成电路,还有一个国际封锁,就是国际上最先进的机台是不能够进入中国的。也正因为如此,作为后来者要追赶前者的时候,许多国家和地区实际上都有自己的政策来扶植自己的产业,包括韩国、台湾,它们都在它们的发展初期时,都有很多优惠的政策。

中国在2014年6月份也出台了国家集成电路产业发展推进纲要,同时也成立了一个1200亿的基金,主要用于支持中国的集成电路发展。既然是这样,那么某种意义上。我们就必须要说,我们要组织一个国家的力量来做这个事情,研发主要集中在哪里?一个是,我们要建一支国家队。还有一个,我们要有自己的自主知识产权。在此基础上,我们要有自己的技术。

在02科技重大专项,这是专门支持集成电路装备和工艺的国家科技重大专项。我们在这个专项的支持下,组织了北大、清华、复旦和中科院系统所来共同研发22和16纳米技术代。当时,我是2009年,作为"千人计划"和首席专家参加了这个项目,同时我们还招了20多位外国专家。

我们有了这支队伍,那么下面的问题是,我们要做什么,怎么做?在回答这个问题之前,我想给大家看一些数据。我们有时候用的手机,一台新的、刚出台的手机,一般它的售价是在400到500美金的样子,在这个里头有30%,我们是交了专利费。它这个费用,甚至高于你那个手机所有的一些零件加起来的费用。所以这个知识产权是非常重要的,还有相当的普遍性。

我们作为后来者,要分析情况。第一,我们的科技,或者我们的技术力量没有国外大。第二,但国外的这些龙头产业,它们的营收额,大概是我们的10倍。我们是不是可以利用这一点?的确,国外它的技术很先进,但是它的体量也很大。如果我们研发的技术被它们使用的话,那么虽然我们的技术也许没有它们强,但是即使切掉一小块,也相当于从我们这个、我们国家企业的这一小块切了一大块。也就是说,如果我们交了30%的专利、专利的版权费给了国外,其实也相当于国外交了我们三十分之一的样子。

因此我们怎么来定我们的研发策略是很有讲究的。另外一种策略就是说,我们在中国相对落后的技术上进行研发。但是由于我们相对落后的技术,主体还是来源于国外,所以你再研发,也是非常有限,也没有办法真正对中国的产业提供一个保护伞。因此我们更倾向于使用前者的策略,但是这里头有要求,就是我们能不能做到。

当时,我们分析了我们的情况,我们认为我们是可以做到的。那么我们去做了,我们做了6年,有些什么结果呢?首先,高K金属栅是一种非常关键的技术,这种关键的技术就等于说我们高端的晶体管所必须具备的这种技术。我们先做的什么呢?先布了大量的专利。我们采用的策略叫做以贡为守。所谓贡,就是我们要对最先进的技术有所贡献,然后我们用这个贡献,去换取对中国的、产业的保护。所以,我们先申请专利,然后我们去做的,把这个、这些专利的一部分拿出来做我们的晶体管,这个晶体管就是22纳米先导工艺的晶体管。当时,我们这个器件跟国际上同类的产品主要性能达到了先进水平。

另外一个很重要的,就是我们不能空口说,我的研发已经达到了你们的某种技术水平,这要有真正的证据。一个很重要的部分,就是专利之间也是有相互引用的。我们现在的专利,在这个高K金属栅方面,我们有600多次的引用。其中国外的大公司,包括IBM、格罗方德,都是引用了我们的专利。我们现在的专利引用数已经排到了世界前10,而且我们在中国是排到了第1。而且,在这一领域,我们可以说,我们实现了你中有我。只有实现了你中有我,这个专利搅在一起了,这个时候再有了真正案子的时候,或者你才能对自己的产业有所保护。

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