魏少軍：半導(dǎo)體，改變世界的力量

11 月 2 日，在 2023 國(guó)際集成電路展覽會(huì)暨研討會(huì)（IIC Shenzhen）中，中國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì) IC 設(shè)計(jì)分會(huì)理事長(zhǎng)、清華大學(xué)集成電路學(xué)院教授魏少軍做了半導(dǎo)體——改變世界的力量的主題演講。

從半導(dǎo)體支撐全球經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展、半導(dǎo)體推動(dòng)科技持續(xù)創(chuàng)新、半導(dǎo)體與計(jì)算機(jī)一路相伴，改變我們的生活、半導(dǎo)體助力人工智能，提升人類的腦力、半導(dǎo)體成為改變世界地緣政治的工具等方面展開(kāi)解讀。

半導(dǎo)體支撐全球經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展

衡量經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一個(gè)重要指標(biāo)就是 GDP。從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)看，2003 年前后全球 GDP 發(fā)生了巨大變化。從數(shù)據(jù)上看，1987-2002 的 16 年里，全球 GDP 平均每年為 27.8 萬(wàn)億美元，而 2003-2021 的 19 年里，全球 GDP 平均每年 69.2 萬(wàn)億美元，是前面 16 年（1987-2002）平均值的 2.5 倍。

信息技術(shù)是近 20 年全球 GDP 增長(zhǎng)的主要驅(qū)動(dòng)力

是什么因素導(dǎo)致過(guò)去 20 年全球 GDP 快速增長(zhǎng)？魏少軍表示，是信息數(shù)據(jù)。2000 年之后，以互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、移動(dòng)通信技術(shù)以及兩者的結(jié)合——移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為代表的信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的崛起促進(jìn)了全球經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展。

全球信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展?fàn)顩r

1987-2002 的 16 年間全球信息產(chǎn)業(yè)累計(jì)實(shí)現(xiàn)銷售 17 萬(wàn)億美元，平均每年約為 1.06 萬(wàn)億美元。2003-2021 的 19 年間，全球信息產(chǎn)業(yè)累計(jì)實(shí)現(xiàn)銷售 76.9 萬(wàn)億美元，平均每年 4.05 萬(wàn)億美元，是前面 16（1987-2002）年的 3.8 倍。魏少軍表示，這意味這信息產(chǎn)業(yè)確實(shí)在 GDP 增長(zhǎng)中扮演了重要角色。

半導(dǎo)體是支撐信息產(chǎn)業(yè)的核心基礎(chǔ)。從全球半導(dǎo)體的數(shù)據(jù)來(lái)看，1987-2002 的 16 年里，全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的累計(jì)收入為 16431 億美元，平均到每年為 1027 億美元，2003-2021 的 19 年間，全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的累計(jì)收入達(dá)到 60696 億美元，平均到每年為 3195 億美元，是前面 16 年（1987-2002）的 3.1 倍?；究梢耘卸?，半導(dǎo)體支撐信息產(chǎn)業(yè)，信息產(chǎn)業(yè)支撐全球半導(dǎo)體 GDP 的增長(zhǎng)。

半導(dǎo)體強(qiáng)力支撐了信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展

魏少軍表示，自上世紀(jì)九十年代以來(lái)，全球 GDP 的增長(zhǎng)與半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)增長(zhǎng)之間呈現(xiàn)出一種相關(guān)性，而且進(jìn)入本世紀(jì)第二個(gè)十年后，這種相關(guān)性越來(lái)越強(qiáng)。

半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)增長(zhǎng)與 GDP 增長(zhǎng)呈現(xiàn)強(qiáng)相關(guān)性

半導(dǎo)體推動(dòng)科技持續(xù)創(chuàng)新

集成電路的誕生開(kāi)啟了「硅器時(shí)代」。1958 年 9 月 12 日，在美國(guó)德州儀器公司 (Texas Instrument) 擔(dān)任工程師的杰克·基爾比 (Jack·Kilbv 1923-2005) 發(fā)明了集成電路的理論模型。2000 年，基爾比因集成電路的發(fā)明被授予諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

1959 年，晶體管發(fā)明人之一肖克萊的學(xué)生羅伯特·諾伊斯 (Bob·Novce，1927-1990) 創(chuàng)造了掩膜版曝光刻蝕方法，發(fā)明了今天的集成電路制造技術(shù)。諾伊斯是英特爾公司創(chuàng)始人，還被稱為硅谷之父。

1965 年 4 月 19 日，戈登·摩爾 (GordonMoore，1929-2023) 發(fā)現(xiàn)了摩爾定律，這長(zhǎng)期影響半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的行業(yè)規(guī)律。摩爾定律推動(dòng)芯片復(fù)雜度指數(shù)增加，戈登·摩爾是英特爾公司的創(chuàng)始人之一。

魏少軍表示，如今的芯片制造已經(jīng)可以在單個(gè)硅片上集成數(shù)百億只晶體管。比如在 5 納米的工藝節(jié)點(diǎn)中，每平方毫米就可以集成 1.1 億只晶體管。值得注意的問(wèn)題是，將幾億晶體管集成在一個(gè)系統(tǒng)中需要面臨高度的復(fù)雜性與挑戰(zhàn)。

集成電路制造工藝中的三大挑戰(zhàn)

集成電路制造工藝中的基礎(chǔ)挑戰(zhàn)是制造精密圖案，例如采用 193 納米光源曝光出幾十納米圖形（130nm 、90nm、65nm...）。

集成電路制造工藝中的核心挑戰(zhàn)是新材料新工藝，包括 64 種材料 (銅、鍺、鎳...），并且每種材料需要數(shù)千次工藝實(shí)驗(yàn)，新材料支撐著產(chǎn)品性能的提升。

集成電路制造工藝中的終極挑戰(zhàn)是提升良率，因?yàn)楣に嚵鞒讨欣鄯e著大量統(tǒng)計(jì)誤差，倘若每一個(gè)步驟的良率為 99.9%，那么行進(jìn)到第一千個(gè)步驟時(shí)良率只剩 37%。

半導(dǎo)體與計(jì)算機(jī)一路相伴，改變我們的生活

1947 年，第一支晶體管在美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室誕生，發(fā)明人為:肖克利 (W.Shockley）、巴丁 (J.Bardeen) 和布萊坦 (W.Brattain)。

1958 年 9 月 12 日，在美國(guó)德州儀器公司 (Texas Instrument) 擔(dān)任工程師的 Jack·Kilby 發(fā)明了集成電路的理論模型。

1959 年，曾師從晶體管發(fā)明人之一肖克萊的 Bob·Novce 率先創(chuàng)造了掩膜版曝光刻蝕方法，發(fā)明了今天的集成電路技術(shù)。

1970 年 4 月，英特爾公司的泰德·霍夫 (Ted Hoff) 主持設(shè)計(jì)了世界上第一款商用計(jì)算機(jī)微處理器——Intel 4004。它是「一件劃時(shí)代的作品」。Intel 4004 在片上集成了 2250 個(gè)晶體管，晶體管之間的距離是 10um，能夠處理 4bit 的數(shù)據(jù)，每秒運(yùn)算 6 萬(wàn)次，運(yùn)行的頻率為 108KHz，成本不到 100 美元。英特爾公司的 CEO 戈登·摩爾將 4004 稱之為「人類歷史上最具革新性的產(chǎn)品之一」。泰德霍夫 (TedHoff) 因此被英國(guó)的《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》雜志列為「二戰(zhàn)以來(lái)最有影響力的 7 位科學(xué)家之一」。

計(jì)算機(jī)的發(fā)展從真空電子管到晶體管、到集成電路、再到微處理器，到今天已經(jīng)進(jìn)入超大規(guī)模集成電路。

魏少軍表示，計(jì)算機(jī)發(fā)展到今天，也具有兩種主要形式。第一個(gè)是超級(jí)計(jì)算機(jī)。例如神威·太湖之光超級(jí)計(jì)算機(jī)采用 40960 顆核高基國(guó)家科技重大專項(xiàng)支持的 SW26010CPU，峰值性能 12.5 億億次/秒，持續(xù)性能 9.3 億億次/秒。2016 年 6 月起，曾連續(xù) 4 次在全球超級(jí)計(jì)算機(jī) 500 強(qiáng)榜單中位列第一。

第二個(gè)是具有強(qiáng)大運(yùn)算能力的智能手機(jī)。蘋果公司的 iPhone 12 手機(jī)使用 A14 處理器。A14 采用 TSMC 5nm 工藝，CortexA72 核心，包含多達(dá) 118 億只晶體管。A14 處理器為 6 核心，分別是 4 個(gè)節(jié)能核心及 2 個(gè)性能核心，性能高達(dá)每秒 11.8 萬(wàn)億次運(yùn)算。

半導(dǎo)體的增長(zhǎng)過(guò)程

計(jì)算推動(dòng)半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展，半導(dǎo)體支撐計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步。魏少軍表示，從前期的科學(xué)計(jì)算到個(gè)人計(jì)算、移動(dòng)計(jì)算、云計(jì)算發(fā)展到現(xiàn)在的智能計(jì)算。未來(lái)很可能會(huì)進(jìn)入一個(gè)全新的時(shí)代，被稱之為「泛在計(jì)算時(shí)代」。彼時(shí)，計(jì)算機(jī)的使用主體將成為計(jì)算機(jī)，也就是用計(jì)算機(jī)來(lái)使用計(jì)算機(jī)將是主要特征。

高性能計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力已經(jīng)進(jìn)入 E 級(jí)時(shí)代。E 級(jí)超算是指每秒可進(jìn)行百億億次數(shù)學(xué)運(yùn)算的超級(jí)計(jì)算機(jī)，是國(guó)際上高端信息技術(shù)創(chuàng)新和競(jìng)爭(zhēng)的制高點(diǎn)，被全世界公認(rèn)為「超級(jí)計(jì)算機(jī)界的一頂皇冠」。2022 年 5 月 30 日，國(guó)際超算大會(huì) (SC) 在德國(guó)漢堡發(fā)布了最新版全球超算 TOP500 榜單，美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的新型超算「前沿」（Frontier) 以壓倒性優(yōu)勢(shì)成為全球最快超算。尤其讓外界關(guān)注的是，「前沿」也是全球首臺(tái)正式發(fā)布的每秒浮點(diǎn)運(yùn)算速度超過(guò)百億億次的超算。

隨著全球數(shù)據(jù)量超過(guò) 100ZB(1021)，對(duì) Z 級(jí)計(jì)算能力的需求愈發(fā)迫切。人類對(duì)于更高算力的追求在過(guò)去數(shù)十年里從末停滯。數(shù)據(jù)量的大量增長(zhǎng)對(duì)計(jì)算機(jī)的速度提出更高的需求，如今我們的計(jì)算機(jī)是無(wú)法滿足這一要求的。

過(guò)去四十年中有很多東西逐漸消失，如膠卷、鐘表、磁帶等等，這些東西都被手機(jī)的功能所取代，而手機(jī)中的芯片和軟件，實(shí)現(xiàn)了過(guò)去四十年中夢(mèng)寐以求的很多時(shí)髦電子產(chǎn)品。不僅如此，半導(dǎo)體還在改變我們生活的方方面面，例如郵票、紙幣，隨著電子化和信息化的發(fā)展逐漸淡出流通領(lǐng)域并最終退出歷史舞臺(tái)。

半導(dǎo)體助力人工智能，提升人類的腦力

1943 年，美國(guó)神經(jīng)生理學(xué)家沃倫·麥卡洛克 (Warren McCulloch) 和數(shù)學(xué)家沃爾特·皮茨 (Walter Pitts) 合作，對(duì)大腦的神經(jīng)元進(jìn)行類比和建模，發(fā)明了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。麥卡洛克不懂?dāng)?shù)學(xué)，皮茨不懂神經(jīng)學(xué)，兩者跨界融合，產(chǎn)生了影響世界的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

David Hubel 發(fā)現(xiàn)了人類視覺(jué)系統(tǒng)的信息處理方法。提到了人的視覺(jué)處理機(jī)制可以看成高層的特征是低層特征的組合，從低層到高層的特征表達(dá)越來(lái)越抽象和概念化。這個(gè)發(fā)現(xiàn)激發(fā)了人們對(duì)于神經(jīng)系統(tǒng)的進(jìn)一步思考。大腦的工作過(guò)程是一個(gè)對(duì)接收信號(hào)不斷迭代不斷抽象概念化的過(guò)程。

他們都構(gòu)建了人工智能非常重要的基礎(chǔ)。人類正在經(jīng)歷第三輪智能化浪潮。過(guò)去以「智能計(jì)算機(jī)」為目標(biāo)出現(xiàn)過(guò)兩次大的努力，1946 年的通用自動(dòng)計(jì)算裝置，僅具備計(jì)算、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與檢索能力；1990 年的通用推理裝置，使用手工知識(shí)庫(kù)和規(guī)則庫(kù)做邏輯判斷，目前正在進(jìn)行第三次努力，2017 年的機(jī)器學(xué)習(xí)裝，使用機(jī)器學(xué)習(xí)算法做分類和識(shí)別。魏少軍提出了一個(gè)問(wèn)題：計(jì)算機(jī)變成什么樣才算「智能化」呢？

本輪智能化浪潮已經(jīng)取得了巨大進(jìn)步，比如在大量圖像的分類處理、機(jī)器的語(yǔ)音識(shí)別等領(lǐng)域，人工智能已經(jīng)可以超越人類。引用 iRobot 董事長(zhǎng)兼 CEO 科林·安格爾的一句話：「觀察全社會(huì)將如何對(duì)待人工智能技術(shù)將會(huì)很有趣，這一技術(shù)無(wú)疑會(huì)很酷?！?/span>

魏少軍表示，人類正在進(jìn)入智能化時(shí)代。如果說(shuō)，第一次工業(yè)革命以機(jī)械化、電力化和自動(dòng)化為主要內(nèi)容解放了人類的雙手，提供人類巨大的能源，實(shí)現(xiàn)了人類體能的延伸和放大，延伸我們四肢的能力。那么以計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、通信、光電子和集成電路路等技術(shù)為主要內(nèi)容的信息革命，實(shí)現(xiàn)了人類感官能力的延伸和放大，延伸我們的感觀能力。今天，正在發(fā)生的新的智能化革命，信息技術(shù)將與人工智能技術(shù)、新型材料工程等一起攜手前行，將信息技術(shù)推向全新的高度，實(shí)現(xiàn)人類大腦能力的延伸和放大，延伸我們的認(rèn)知能力。

半導(dǎo)體成為改變世界地緣政治的工具

半導(dǎo)體成為地緣政治博弈的工具。如對(duì)華科技政策負(fù)責(zé)人馬西尼:已牽頭制定并推進(jìn)美國(guó)人工智戰(zhàn)略，同時(shí)認(rèn)為「半導(dǎo)體才是人工智能領(lǐng)先地位的真正基礎(chǔ)」。美國(guó) AI 戰(zhàn)略負(fù)責(zé)人施密特:「美國(guó)要確保領(lǐng)先中國(guó)半導(dǎo)體至少 2 代」，美國(guó)需與「日、韓、歐聯(lián)合抗衡」。

一些國(guó)家嘗試著把中國(guó)排除在全球半導(dǎo)體供應(yīng)鏈之外。半導(dǎo)體領(lǐng)域的「軍備競(jìng)賽」加劇全球供應(yīng)鏈的碎片化。美國(guó)、歐盟、韓國(guó)、日本、中國(guó)臺(tái)灣都各自通過(guò)了自己的《芯片法案》。表面看是各自在推動(dòng)本地集成電路發(fā)展，其實(shí)是把全球市場(chǎng)進(jìn)行分割，全球產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程被中止，這個(gè)影響負(fù)面大于正面。因此，張忠謀表示：「全球化與自由貿(mào)易幾乎已死，而且不太可能再恢復(fù)。」

另外，魏少軍還提到，5G 和 AI 推動(dòng)集成電路技術(shù)持續(xù)進(jìn)步，這些新的技術(shù)反過(guò)來(lái)也推動(dòng)了 5G 和 AI 為代表的或來(lái)支撐的全球的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。到目前為止，沒(méi)有有任何一個(gè)其他技術(shù)可以代替集成電路、代替半導(dǎo)體。業(yè)界關(guān)于摩爾定律的爭(zhēng)論其實(shí)從未停止，包括材料的限制、器件的物理尺寸、光刻波長(zhǎng)的限制等相關(guān)問(wèn)題。其中的一些問(wèn)題在半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展到現(xiàn)在已經(jīng)得到解決，未來(lái)半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展將可以更好的滿足人類的需求。