中国芯片的正道何在?——袁岚峰2020年观视频谜底年终秀演讲

本文摘要:关注风云之声 提升思维条理导读很是多的人低估了这个挑战的难度,经常可以见到许多错误明白。中国芯片业的落伍,看似是一个点,其实反映的是一大片。所以唯一的正道,就是把所有这些门类的基础都补上,都到达世界顶端。 本文是作者2020年11月29日在观视频“谜底”年终秀“2020我们的新使命”上演讲的文稿。视频链接:节选《中国芯片挑战难度被低估,10年内做到现有最高水平,就算乐成了?

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关注风云之声 提升思维条理导读很是多的人低估了这个挑战的难度,经常可以见到许多错误明白。中国芯片业的落伍,看似是一个点,其实反映的是一大片。所以唯一的正道,就是把所有这些门类的基础都补上,都到达世界顶端。

本文是作者2020年11月29日在观视频“谜底”年终秀“2020我们的新使命”上演讲的文稿。视频链接:节选《中国芯片挑战难度被低估,10年内做到现有最高水平,就算乐成了?》https://m.ixigua.com/video/6900512003447030280(上传日期:2020年11月29日 播放量已过800万次)节选《统一台湾,拿下台积电,中国就能解决芯片问题吗?》https://m.ixigua.com/video/6901132579354149388(上传日期:2020年11月30日 播放量已过600万次)节选《中国芯片制造,究竟落伍在那里?》https://m.ixigua.com/video/6901132579354149388(上传日期:2020年1月29日 播放量已过400万次) 中国芯片的正道何在?首先,我来问大家一个灵魂问题:你认为我是个什么人?你认为我是个什么人?许多人可能会认为,我是一个专门说好消息的人,因为我经常讲中国的结果。他们对此感应很兴奋。

同时,也有另外一些人对我很生气,因为他们认为我是一个报喜不报忧的人。其实这双方都是错的。

我对自己的定位是,我是一个实事求是的人。我绝不是报喜不报忧,实际上我经常报忧。今天,我就来向大家报一个大大的忧。

就是人人都知道的,我国被卡脖子最严重的领域:芯片。我发现,很是多的人低估了这个挑战的难度,经常可以见到许多错误明白。例如,有人认为中国在两年内就可以造出高端芯片。

实际上,这是个大大过头的预计。现在我们没法给出个时间表。如果我们能在十年内造泛起在最高水平的芯片,就是很大的乐成了。

又如,经常有人说“小小的芯片”,岂非我们连小小的芯片都搞不定吗?小小的芯片对此的回覆很简朴:新冠病毒也只是个“小小的病毒”,你以为它容易搞定吗?又如,经常有人说,芯片再难,有两弹一星难吗?芯片再难,有两弹一星难吗?实际上,这两者的难度不是同一类的。芯片的难度在于细密制造,而一个国家能不能造出核武器,在很大水平上取决于核质料的生产。看一个国家有几多离心机就能判断出他们离造出原子弹有多远,所以你会看到各个大国三天两头跟伊朗的离心机扯皮。

离心机与原子弹还经常有人说,统一台湾,拿下台积电,就能解决芯片问题。统一台湾,拿下台积电,就能解决芯片问题?在这些人的想法中,统一台湾这种国家大事居然成相识决一个技术问题的手段。这自己就是轻重不分,十分搞笑。

就算我们已经统一了台湾,还是有一个显而易见的问题:如果ASML不给台积电提供最先进的光刻机,你不还是被卡住吗?另有一种常见的说法是,中国的芯片原来跟世界差距不大,甚至是先进的。都是因为革新开放后实行买办思维,造不如买,买不如租,导致差距越拉越大。这些人喜欢翻出一些我国在六七十年月研究光刻机的图片,然后痛斥一番革新开放。

中国芯片以前很先进?实际上,其时我们的芯片水平绝不是领先,甚至也不是差距不大,而是差距很是大。我看过一篇文章,纪念我国半导体科技的奠基人之一王守武院士(http://www.cas.cn/zt/rwzt/qmjzt2015/wsw/jnwz/201503/t20150326_4327424.shtml)。

其中有这样一个故事。王守武院士1977年,国际上开始工业生产16 K的芯片,64 K的芯片也已经做出样品。同时中国只有少数单元模仿外洋产物,做出了靠近1 K的芯片。

但制品率极低,不能投入生产,只能作为样品。1 K对64 K,这就是其时的差距。然后,中国科学院提出,要在一年内拿下4 K芯片。

但经由一年的研究,制品率仍然很低。1978年10月,中科院请王守武全面卖力这一任务。他领导团队奋战一年,到1979年9月,终于把4 K芯片的制品率提高到了……20%以上。

这是什么观点?量产的芯片制品率至少要到达90%以上,否则难以收回成本。可是其时王守武的这20%就已经是重大进步了,获得了中国科学院科技结果一等奖。制品率达20%以上所以,你看这差距有多大?有些人喜欢拿自己少量生产的跟人家工业生产的比,找出某个不错的单项指标,然后说自己并不落伍,这不是自欺欺人吗?在分析完这些错误明白后,我们来讲正确的明白。

最基本的问题是,芯片是什么?我来给大家出道题。下面这些哪些属于芯片,哪些不属于芯片:电脑处置惩罚器,手机处置惩罚器,机械硬盘,固态硬盘,电脑内存,手机存储卡,U盘,液晶显示器?哪些属于芯片?请大家思考一下。如果你能答对,你的知识水平就凌驾了90%的人。谜底是:这些险些都属于芯片,只有两个不是。

一个是液晶显示器,另一个是电脑硬盘中的一类,机械硬盘。机械硬盘是用磁来存储的,不是半导体。而电脑硬盘中的另一类,固态硬盘,却属于芯片。固态硬盘、电脑内存、手机存储卡和U盘都是用半导体来存储的,它们都属于芯片。

只有液晶显示器和机械硬盘不属于芯片其实,液晶显示器跟芯片也是近亲,因为它是用半导体元件控制的,而且它的制造历程与芯片也十分相似。因此,液晶显示这个行业又被称为半导体显示。芯片的气力何在?它实际上是来自半导体。

知道这个,你的知识水平就凌驾了99%的人。为什么半导体这么神通宽大?原因在于,只有半导体有变化。跟半导体相对的,导体永远是导电的,绝缘体永远是不导电的,它们都没有变化。

只有半导体,可以在导电和不导电之间转换。我们可以控制这种转换,措施有许多。用导电和不导电表现0和1,就可以盘算,可以存储,发生无穷的变化。那么,半导体是怎样在导电与不导电之间转换的?这里的基本元件是三极管。

我见过的对三极管原理最好的形貌,来自这本书《图解芯片技术》,作者是清华大学质料学院田民波教授。三极管好比一个带水闸的水路。左边有个水源,右边有个水泵在抽水。

但中间有个水闸,在水闸关闭时,是没有水流的。三极管好比带水闸的水路然后我们逐渐把水闸升起。一开始,水闸的底部仍然在水槽里,所以还是没有水流。

当水闸底部升到水槽之上,就开始有水流了。水闸升得越高,水流就变得越大。

把水流换成电流,这就完全是对三极管的形貌。左边的水源、右边的水泵和中间的水闸,就对应三极管的三个极,源极、漏极和栅极。水闸的高度,就对应栅极上的电压。

【注释:源极、漏极和栅极实际上是场效应管的三个极,三极管的三个极叫做发射极、集电极和基极。不外《图解芯片技术》的原文就是如此,我明白这是因为场效应管和三极管在逻辑上的作用相同,都是通过某种方式控制导电与不导电之间的转换,所以田民波教授接纳了一种简化的解释,以利便初学者。】人们经常会问,芯片的28纳米、14纳米、7纳米等等究竟是什么意思?其实这就是栅极的厚度,专业的名称叫“栅长”。

如果你能记着这些几多纳米是栅长,那么你的知识水平就凌驾了99.9%的人。【注释:请注意上图中右边红色方框内的“栅长”。】纳米成为常用单元,这是很是神奇的一件事。

一纳米是10的-9次方米,约莫只有10个原子的长度,一根头发丝直径的几万分之一。现在一粒芝麻的面积上(小于一平方毫米)能排列上亿个三极管,这是何等惊人的奇迹!由此就引出了芯片的一个特征:它是现在人类细密制造的最高水平。

这就是为什么我们不能制定一个太乐观的时间表,因为细密制造正是中国跟世界先进水平相差最远的偏向。有一句话很形象:中国制造在西方的商场里,德日制造在中国的工厂里,美国制造在中国的实验室里。中国制造在西方的商场里,德日制造在中国的工厂里,美国制造在中国的实验室里芯片制造难在那里呢?其实每一步都很难,没有容易的。芯片制造分为五个阶段。

芯片制造的五个阶段第一,把沙子,也就是二氧化硅,转化成多晶硅。第二,把多晶硅提炼成单晶硅,再把单晶硅切成一个个圆盘,也就是晶圆。

第三,在晶圆上制造种种器件。第四,把芯片封装起来。第五,做最后的测试。例如第一个阶段,多晶硅的纯度要到达11个9,即99.999999999%。

我们平时说的纯金,只不外是4个9,99.99%而已。第二个阶段,晶圆要做得很是平,连它自身的重量导致的弯曲,都是要控制的。如何控制这些晶体缺陷,是各个厂商从恒久的履历教训中总结出来的,是他们高度重视的技术秘密。

前两个阶段都很难,第三个阶段又是难中之难。光刻就是其中的焦点技术。光刻是什么?其实就好比传统的胶片照相技术,包罗曝光、显影、定影等等。详细的操作是这样的。

光刻是什么?首先,在晶圆外貌涂一层光刻胶。然后,在晶圆上面放一层掩膜,要刻的图案就画在掩膜上。然后,用光通过掩膜去照射下面的晶圆。

这里的关键在于,光刻胶遇到光会发生化学反映。这样,图案就转移到了光刻胶上。然后,把光刻胶去掉。

但发生过化学反映的地方,就留下了。最后,对没有光刻胶的地方举行刻蚀。这样,图案终于转移到了晶圆上。

真正在晶圆上刻出工具来,是在这一步。大家可能听说过,有个工具叫做刻蚀机,而且中国的中微半导体在刻蚀机方面是世界领先的。这固然很好,不外在许多其他步骤上我们就是落伍的,就有很是多的缺陷。好比说,一般人都知道我们没有高端的光刻机,其实适才提到的谁人光刻胶,我们也还没有高质量的。

近年来,每当报道一其中国在芯片方面的技术希望,连忙就有许多人欢呼可以取代光刻了,可以挣脱卡脖子了。其实这完全是误解。光刻真正的厉害之处,在于它保持这么高精度的同时,还能有很高的生产效率。

如果单说分辨率能到达纳米级的技术,那么这样的技术其实有许多。我发的论文里就有不少是关于这些技术的,例如我们实验室2001年在Nature上的文章,那里用到的技术叫做扫描隧道显微镜。袁岚峰等人2001年在Nature上的文章但这些技术都是一个原子一个原子去操作。

它们跟光刻的对比,就似乎抄书跟印刷术的对比,实在是太慢了。所以这些技术都是用于基础研究的,而不是工业生产。抄书对印刷术现在制造一个芯片,需要经由300至500道工序,涉及细密机床、细密化工、细密光学等险些所有领域的尖端技术。如果说芯片是现代工业技术的皇冠,那么它就是在其他好几顶皇冠的基础上累加起来的,是皇冠上的皇冠。

皇冠上的皇冠中国芯片业的落伍,看似是一个点,其实反映的是一大片。所以唯一的正道,就是把所有这些门类的基础都补上,都到达世界顶端。我们经常说危机既是危,也是机。

每当美国打压我们,都有人欢呼危要转化成机了。但这绝不是一定的。危转化成机,关键是我们自己要努力,要做出革新,包罗科研体制、教育体制、市场机制、思想文化等许多层面的革新。许多层面的革新如果我们只是在嘴上说说,指望事情自动变好,老想着走捷径,或者淡化难题,或者委过于人,那么危就是危,不会转化成机。

我们该做的事情做够了吗?我看远远不够。这就是我希望通报给大家的最重要的信息。我们要走正道,支付庞大的努力,做出庞大的革新。

这不光是为了我们自己,也是为了全人类。走正道扩展阅读:中兴、芯片和技术战争 | 科技袁人从芯片到星辰大海——袁岚峰2018年6月20日在上海音乐厅的演讲 | 科技袁人 碳基半导体、弯道超车与楚王失弓 | 袁岚峰 相识历史,才知道中国芯片如何胜出 | 袁岚峰 强者总是说自己的工具是普适的,弱者才说自己的工具是独门的 | 袁岚峰 中美技术战争的主战场 | 袁岚峰配景简介:袁岚峰,中国科学技术大学化学博士,中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心副研究员,科技与战略风云学会会长,“科技袁人”节目主讲人,安徽省科学技术协会常务委员,中国青少年新媒体协会常务理事,入选“典赞·2018科普中国”十大科学流传人物,微博@中科大胡不归,知乎@袁岚峰(https://www.zhihu.com/people/yuan-lan-feng-8)。

责任编辑:祝阳。


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