華為芯片背后的神秘大佬，「拯救」了摩爾定律

胡正明教授在接受 2016 年 7 月采訪時(shí)已經(jīng)說(shuō)道：「雖然中國(guó)在半導(dǎo)體行業(yè)起步晚，錯(cuò)過(guò)了全球半導(dǎo)體行業(yè)每年 17% 的高速增長(zhǎng)。但如果把前面這三十年來(lái)創(chuàng)造的產(chǎn)值加在一起，還比不過(guò)近三年來(lái)的總和。我們并沒(méi)有錯(cuò)過(guò)真正的好處，重點(diǎn)看如何把事情做好，特別是把這次政府的投資利用好，達(dá)到自給自足的目的。」

胡正明教授究竟是誰(shuí)？有人總結(jié)道，他是世界集成電路史上最牛的十個(gè)人之一。

胡正明是多種新結(jié)構(gòu)器件的發(fā)明人，微電子學(xué)家，美國(guó)工程科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)院外籍院士，美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校杰出講座教授，甚至坊間有傳言說(shuō)他其實(shí)是華為背后的高人。

至于是不是背后的高人？不好說(shuō)，也不必說(shuō)，這世間的高人都是「揮手自茲去，蕭蕭班馬鳴」，一個(gè)背影轉(zhuǎn)身，退隱江湖，不帶走一片云彩。

「拯救」摩爾定律

胡正明教授 1968 年畢業(yè)于臺(tái)灣大學(xué)電機(jī)工程系，然后赴美國(guó)深造，最終在 1973 年獲得了加州大學(xué)伯克利分校的博士學(xué)位。自 1976 年以來(lái)，胡正明教授在加州大學(xué)伯克利分校電氣工程和計(jì)算機(jī)系一直擔(dān)任教職，他的智慧和辛勤耕耘為這個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的發(fā)展注入了強(qiáng)大的動(dòng)力。他的職業(yè)生涯不僅限于學(xué)術(shù)界，他也活躍于產(chǎn)業(yè)界，曾擔(dān)任半導(dǎo)體制造商安霸的董事會(huì)成員，并在 2001 年至 2004 年期間擔(dān)任臺(tái)積電的首席技術(shù)官。

1947 年 7 月他出生于北京豆芽菜胡同，他的故事就像一部描繪科技與創(chuàng)新的史詩(shī)，充滿了激情與成就。在 1995 年的一個(gè)清晨，當(dāng)摩爾定律即將走到盡頭，整個(gè)半導(dǎo)體行業(yè)都在為摩爾定律的終結(jié)而憂心忡忡時(shí)，胡正明教授卻欣然接受了這一挑戰(zhàn)。他，一個(gè)電氣工程教授，帶著對(duì)科技的熱情和好奇心，在飛機(jī)的餐桌上設(shè)計(jì)出了 FinFET 的雛形。這個(gè)后來(lái)為他贏得 IEEE 榮譽(yù)勛章的想法，讓摩爾定律又延續(xù)了幾十年。

事情最早始于中國(guó)臺(tái)灣，當(dāng)時(shí)的胡正明還是個(gè)充滿好奇心的孩子，那里的爐臺(tái)、海水、鬧鐘，都成為他童年實(shí)驗(yàn)的材料。高中時(shí)，他對(duì)科學(xué)的興趣尤其濃厚，尤其是化學(xué)。但電氣工程這個(gè)當(dāng)時(shí)錄取分?jǐn)?shù)最高的專(zhuān)業(yè)對(duì)他來(lái)說(shuō)是一個(gè)挑戰(zhàn)，而他也憑借著勇氣和決心選擇了它。

在大學(xué)的最后一年，一個(gè)來(lái)自美國(guó)的客座教授讓他看到了半導(dǎo)體的未來(lái)，他決定將半導(dǎo)體作為自己未來(lái)的研究領(lǐng)域。1969 年，他來(lái)到伯克利，加入了一個(gè)研究小組，開(kāi)始了他的半導(dǎo)體研究之旅。

然而，他的研究之路并非一帆風(fēng)順。曾經(jīng)因?yàn)橛X(jué)得半導(dǎo)體研究過(guò)于簡(jiǎn)單，他轉(zhuǎn)向了光電路研究。但在 1973 年的石油禁運(yùn)事件后，他意識(shí)到自己需要做一些有意義、重要的事情。于是他決定開(kāi)發(fā)低成本的太陽(yáng)能電池，這讓他重返半導(dǎo)體領(lǐng)域。

20 世紀(jì) 80 年代初，胡正明再次投入到半導(dǎo)體研究中。他開(kāi)始在硅谷投入時(shí)間，受一些企業(yè)的邀請(qǐng)，講授半導(dǎo)體設(shè)備的短期課程。1982 年，他整個(gè)學(xué)術(shù)假期都在圣克拉拉國(guó)家半導(dǎo)體公司度過(guò)。在工業(yè)界的工作對(duì)他產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，他開(kāi)始更加深入地研究晶體管的 3D 結(jié)構(gòu)。

1983 年，胡正明讀到了一篇描述晶體管可靠性問(wèn)題的論文。在美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司工作了一段時(shí)間后，他意識(shí)到缺乏長(zhǎng)期可靠性可能會(huì)給行業(yè)帶來(lái)各種問(wèn)題。于是他和一群學(xué)生投入研究，開(kāi)發(fā)出了熱載流子注入理論，用以預(yù)測(cè) MOS 的可靠性。隨后，他開(kāi)始研究氧化物隨時(shí)間分解的方式。隨著制造商將半導(dǎo)體的氧化物層越做越薄，這個(gè)問(wèn)題也越來(lái)越受到關(guān)注。

在半導(dǎo)體行業(yè)陷入困境時(shí)，胡正明教授卻勇敢地接受了挑戰(zhàn)，為半導(dǎo)體行業(yè)帶來(lái)了創(chuàng)新。他的故事是關(guān)于突破、堅(jiān)持和團(tuán)隊(duì)合作的。

在 1995 年，整個(gè)半導(dǎo)體行業(yè)都在為摩爾定律的終結(jié)而擔(dān)憂。胡正明，加州大學(xué)伯克利分校的電氣工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)教授，卻決定挑戰(zhàn)這一現(xiàn)狀。他很快想到了一個(gè)方案，即升高電流流過(guò)的通道，使其凸出芯片表面，成為鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FinFET）。這個(gè)設(shè)計(jì)讓電流更好地通過(guò)晶體管，同時(shí)也減少了漏電。胡正明團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的這個(gè)晶體管模型后來(lái)成了行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)，至今仍在沿用。

隨著晶體管變得越來(lái)越小，一個(gè)新的問(wèn)題出現(xiàn)了——功率。晶體管處于「關(guān)閉」?fàn)顟B(tài)的漏電成了一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題，導(dǎo)致芯片的功耗增加。行業(yè)開(kāi)始認(rèn)為摩爾定律將在 100 納米以下終結(jié)，因?yàn)樵谶@個(gè)尺寸下，每平方厘米的功耗甚至可能超過(guò)火箭噴管的功耗。然而，胡正明并沒(méi)有放棄。他堅(jiān)信，通過(guò)改變晶體管的構(gòu)造，可以解決這個(gè)問(wèn)題。

胡正明認(rèn)為，問(wèn)題的根源在于把通道做得太窄了，導(dǎo)致電子從柵極漏過(guò)。他提出了兩種解決方案：一種是在晶體管下面的硅中埋入一絕緣層，使電荷難以溜過(guò)柵極；另一種是將窄通道像鯊魚(yú)鰭一樣在基片上方垂直延伸，柵極可以三面環(huán)繞通道，從而讓柵極更好地控制電荷的流動(dòng)。這兩種方法后來(lái)分別被稱(chēng)為全耗盡絕緣體上硅（FDSOI）和 FinFET，它們開(kāi)啟了 3D 晶體管時(shí)代。

然而，將想法變成現(xiàn)實(shí)需要時(shí)間。胡正明和他的團(tuán)隊(duì)需要在一周內(nèi)拿出一份方案，時(shí)間非常緊張。他們?cè)谌毡揪频昀锂?huà)出了這兩幅設(shè)計(jì)的草圖，隨后傳真到了伯克利。幸運(yùn)的是，他們的方案被 DARPA 看中并獲得了長(zhǎng)達(dá) 4 年的研究經(jīng)費(fèi)。

胡正明的團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出了可生產(chǎn)的 FinFET 器件，并展示了如何設(shè)計(jì)將晶體管縮小至 25 納米甚至更小。他們用這種方法打破了行業(yè)的困惑，并推動(dòng)了摩爾定律的發(fā)展。

作為一名技術(shù)專(zhuān)家，胡正明認(rèn)為他們有責(zé)任確保半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展不會(huì)停止。他認(rèn)為一旦停止，他們就失去了最大的希望，沒(méi)有更大的能力來(lái)解決世界難題。他和他的團(tuán)隊(duì)沉著自信地開(kāi)發(fā)出 FinFET，源于他教授學(xué)生研究器件的方法。他強(qiáng)調(diào)宏觀、定性的理解，并教學(xué)生退一步嘗試想象電場(chǎng)在器件的分布、潛在障礙的位置，當(dāng)我們改變一個(gè)特定的維度時(shí)，電流會(huì)如何變化。

在 2000 年，胡正明及其團(tuán)隊(duì)在四年資助期滿后，成功研制出了可工作的器件并公布了研究成果，這一突破性創(chuàng)新立即引起了業(yè)界的廣泛關(guān)注。然而，十年漫長(zhǎng)地等待后，2011 年英特爾公司才首次將 FinFET 芯片投入生產(chǎn)線。為什么會(huì)有如此長(zhǎng)時(shí)間的延遲呢？

「它還沒(méi)有被打破。」胡正明解釋道，他指的是使半導(dǎo)體電路越來(lái)越緊湊的行業(yè)生產(chǎn)能力。盡管人們想象它很快會(huì)被打破，但你永遠(yuǎn)無(wú)法修復(fù)還沒(méi)壞的東西。事實(shí)證明，DARPA 的項(xiàng)目經(jīng)理頗有先見(jiàn)之明，他們將該項(xiàng)目稱(chēng)為「開(kāi)啟 25 納米」，而當(dāng)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展到亞 25 納米幾何尺寸時(shí)，F(xiàn)inFET 便開(kāi)始發(fā)揮作用。與此同時(shí)，F(xiàn)DSOI 技術(shù)也在不斷進(jìn)步，如今仍在行業(yè)中應(yīng)用，尤其是在光學(xué)和射頻設(shè)備領(lǐng)域。而 FinFET 在處理器行業(yè)中仍占主導(dǎo)地位。

胡正明表示，他從不提倡用一種方法替代另一種方法。自從胡正明回到伯克利后，F(xiàn)inFET 技術(shù)席卷了整個(gè)行業(yè)。盡管人們依舊還在預(yù)言摩爾定律的終結(jié)，但它并未止步于 25 納米。

在學(xué)術(shù)領(lǐng)域，胡正明教授的成就如繁星般璀璨。他總共撰寫(xiě)了五本著作，發(fā)表了 900 篇研究論文，并擁有 100 多項(xiàng)美國(guó)專(zhuān)利。他以出色的才華和勤奮的努力獲得了世界的認(rèn)可。他的成就不僅體現(xiàn)在他的學(xué)術(shù)地位上，也體現(xiàn)在他對(duì)半導(dǎo)體工藝的獨(dú)特見(jiàn)解和深入探索上。

在榮譽(yù)方面，1991-1994 年，他擔(dān)任清華大學(xué)（北京）微電子學(xué)研究所的榮譽(yù)教授。1997 年，他當(dāng)選為美國(guó)工程科學(xué)院院士。2007 年，他又當(dāng)選為中國(guó)科學(xué)院外籍院士，他的成就得到了世界范圍內(nèi)的認(rèn)可。2015 年 12 月，他榮獲美國(guó)國(guó)家技術(shù)和創(chuàng)新獎(jiǎng)。2016 年，他入選硅谷工程師名人堂，這是對(duì)他職業(yè)生涯的極高榮譽(yù)。同年，他更是榮獲了由美國(guó)總統(tǒng)奧巴馬授予的白宮國(guó)家技術(shù)創(chuàng)新獎(jiǎng)，這是對(duì)他科技創(chuàng)新能力的最高褒獎(jiǎng)。

胡正明教授的成就并不僅僅停留在 FinFET 的發(fā)明上。他在微電子器件可靠性物理研究方面也做出了突出的貢獻(xiàn)。他首先提出了熱電子失效的物理機(jī)制，并開(kāi)發(fā)出用碰撞電離電流快速預(yù)測(cè)器件壽命的方法。這一方法的應(yīng)用，使得我們能夠更加準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)半導(dǎo)體器件的使用壽命，為產(chǎn)品的可靠性提供了有力的保障。

此外，他還提出了薄氧化層失效的物理機(jī)制和用高電壓快速預(yù)測(cè)薄氧化層壽命的方法。這些成果不僅豐富了半導(dǎo)體理論，更為我們的技術(shù)實(shí)踐提供了重要的指導(dǎo)。

隨著 2020 年的國(guó)際電子電氣工程學(xué)會(huì)（IEEE）公布了 2020 年 IEEE 榮譽(yù)獎(jiǎng)?wù)芦@得者，華人學(xué)者胡正明獲獎(jiǎng)，他是歷史上第三位獲得該獎(jiǎng)項(xiàng)的華人學(xué)者。這一榮譽(yù)是對(duì)胡正明教授多年來(lái)在半導(dǎo)體領(lǐng)域杰出貢獻(xiàn)的極高認(rèn)可。

作為一位頂級(jí)專(zhuān)家，胡正明教授的成就得到了國(guó)際社會(huì)的廣泛認(rèn)可。他曾在臺(tái)積電擔(dān)任 CTO 時(shí)獲得了「臺(tái)灣第一 CTO」的雅號(hào)。然而，這樣一位在業(yè)界享有崇高地位的專(zhuān)家，卻始終保持低調(diào)，淡泊名利，將一生都奉獻(xiàn)給了最熱愛(ài)的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)。

2004 年，胡正明離開(kāi)臺(tái)積電，回到美國(guó)柏克萊加大講臺(tái)「揮灑熱忱」。放眼全球半導(dǎo)體業(yè)界，能夠在學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界都交出亮眼成績(jī)的人物可說(shuō)是鳳毛麟角，胡正明就是其中一位。

有人說(shuō)，六十年一甲子，60 多年以前，隨著集成電路的發(fā)明，人類(lèi)進(jìn)入新的時(shí)代。眾多大名鼎鼎的企業(yè)誕生，華人在芯片歷史上分量其實(shí)很重。

FinFET 與華為的故事

商業(yè)的世界里，他與華為的鏈接不容忽視。簡(jiǎn)單看，當(dāng)傳統(tǒng)的半導(dǎo)體工藝在 20 納米制程走到盡頭時(shí)，胡正明教授以超凡的智慧和獨(dú)特的視角，提出了兩種解決方案：一種是 FinFET 晶體管技術(shù)，解決了晶體做薄后的漏電問(wèn)題；另一種是基于 SOI 的超薄絕緣層上硅體技術(shù)。他的這些洞見(jiàn)，使摩爾定律得以在今天延續(xù)傳奇。

2012 年底，海思總裁何庭波拜訪胡正明教授，向其請(qǐng)教 FinFET 技術(shù)在 16nm 工藝上的可實(shí)現(xiàn)性，做出了通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新突破瓶頸的選擇：跳過(guò) 20nm，開(kāi)始了 16nm FinFET+ 工藝的技術(shù)突破之旅。基于此，2013 年海思團(tuán)隊(duì)決定跳過(guò) 20 納米制程，直接采用 16 納米 FinFET 工藝。這個(gè)決定對(duì)于當(dāng)時(shí)的華為來(lái)說(shuō)非常不易，但最終他們成功了。

在 2013 年寒冷的冬日，海思的未來(lái)看起來(lái)并不明朗。盡管他們已經(jīng)在芯片設(shè)計(jì)領(lǐng)域取得了一些成績(jī)，但他們的規(guī)模在臺(tái)積電的客戶(hù)名單上只排在 50 位左右。他們的技術(shù)水平也并不領(lǐng)先，當(dāng)時(shí)主流的手機(jī)芯片制造工藝是 28nm，而他們正在尋求導(dǎo)入的卻是業(yè)界頂尖的 16nm FinFET 工藝，這幾乎是一項(xiàng)「mission impossible」的任務(wù)。

經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)次的試驗(yàn)和失敗，海思成功開(kāi)發(fā)出了首款 16nm FinFET+工藝的麒麟 950 芯片。這款芯片采用了先進(jìn)的 FinFET 技術(shù)，使得晶體管的性能得到了極大的提升，同時(shí)功耗卻大大降低。

在這個(gè)過(guò)程中，海思還做出了一個(gè)重要的決定：開(kāi)發(fā)首款自研 LPDDR。這是一個(gè)非常大膽的決策，因?yàn)?LPDDR 的開(kāi)發(fā)需要大量的技術(shù)和資源投入，而且風(fēng)險(xiǎn)很大。在內(nèi)部意見(jiàn)的反復(fù)碰撞中，華為最終決定同時(shí)研發(fā)兩代 LPDDR。麒麟 950 首次搭載自研的 LPDDR。這無(wú)疑是當(dāng)時(shí)業(yè)界最具挑戰(zhàn)性的技術(shù)方案之一。

麒麟 950 采用了先進(jìn)的 16nm FinFET+工藝和自研 LPDDR，性能和功耗都得到了優(yōu)化，使得華為手機(jī)在市場(chǎng)上獲得了巨大的成功。海思也因此在芯片設(shè)計(jì)領(lǐng)域獲得了更多的機(jī)會(huì)和資源，成為業(yè)界的領(lǐng)導(dǎo)者之一。

最終，華為在 16nm FinFET 工藝上實(shí)現(xiàn)了業(yè)界首次投片，并在 2015 年 1 月實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)投片——在麒麟 950 上，并于 10 月實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)發(fā)貨。麒麟 950 終于實(shí)現(xiàn)了 16nm FinFET 工藝的率先商用。從 FinFET 技術(shù)概念的提出，到 16nm FinFET 技術(shù)在華為麒麟芯片得到商用，20 年的過(guò)程艱難又曲折。在麒麟 950 發(fā)布會(huì)上，胡正明教授談 16nm FinFET 技術(shù)的視頻，令所有與會(huì)者震撼。

自此，海思開(kāi)啟工藝領(lǐng)先之路。麒麟 960 第一次在封裝工藝上站上業(yè)界最前沿，并且其安全性達(dá)到了金融級(jí)安全標(biāo)準(zhǔn)。2016 年 11 月，麒麟 960 榮膺第三屆世界互聯(lián)網(wǎng)大會(huì)「領(lǐng)先科技成果」。麒麟 970 采用了當(dāng)時(shí)業(yè)界最頂尖的 10nm 工藝。但更重要的是，麒麟 970 首次在手機(jī) SoC 中集成了專(zhuān)用 NPU（嵌入式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理器），開(kāi)啟了端側(cè) AI 行業(yè)先河，其難度也是非常大的。麒麟 980 是業(yè)界首款 7nm 工藝的手機(jī) SoC 芯片。7nm 相當(dāng)于 70 個(gè)原子直徑，逼近了硅基半導(dǎo)體工藝的物理極限，麒麟 980 實(shí)現(xiàn)了在針尖上翩翩起舞。

麒麟、巴龍發(fā)展歷程圖（截止到 2019 年 9 月麒麟 990 系列發(fā)布）

他的故事并未結(jié)束，反而以一種令人振奮的方式延續(xù)著。胡正明是「麒麟之父」，他的智慧和勇氣使得華為的麒麟系列芯片成為全球領(lǐng)先的智能手機(jī)芯片之一。

結(jié)語(yǔ)

華為董事會(huì)成員何庭波曾說(shuō)：「我永遠(yuǎn)記得胡正明教授告訴我的一句話，我不覺(jué)得我是科學(xué)家，我是一名工程師！」

科學(xué)家的工作是發(fā)現(xiàn)這個(gè)世界存在于大自然中，原本就有的規(guī)律。工程師的工作卻是要發(fā)明，去創(chuàng)造這個(gè)世界中不曾有過(guò)的東西。創(chuàng)造可以造福人類(lèi)，將人類(lèi)文明推向新的高度。

胡正明教授表示，其實(shí)他并不是很喜歡使用創(chuàng)新這個(gè)詞語(yǔ)，因?yàn)檫@個(gè)詞語(yǔ)被濫用了，一般總認(rèn)為要采用前所未有的技術(shù)及方法，才稱(chēng)得上是創(chuàng)新，但其實(shí)只要能解決困難的問(wèn)題，就是創(chuàng)新。他的發(fā)明不僅推動(dòng)了科技的發(fā)展，也改變了我們的生活，他用行動(dòng)詮釋了什么是科技創(chuàng)新的領(lǐng)袖。

國(guó)際知名計(jì)算機(jī)科學(xué)家劉炯朗指出：胡正明因?yàn)橛掠谔剿魑粗?，讓他能夠跨越學(xué)術(shù)、產(chǎn)業(yè)間的藩籬，悠游在這兩個(gè)領(lǐng)域之中；并常抱好奇之心，所以從未停止學(xué)習(xí)，更難得的是胡正明始終保有謙和的初心，這使他能廣為接納新知識(shí)、新技術(shù)。

胡正明說(shuō)，半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展史可謂一座座山峰攀登。只有當(dāng)我們到達(dá)一座山頂時(shí)，我們才能看到遠(yuǎn)處的景色，并繪制出一條路線來(lái)攀登下一座更高更陡的山峰。

這就是胡正明教授的篤定，也是他一生的注解。