每經(jīng)記者 李少婷    每經(jīng)編輯 盧九安    

圖片來源：攝圖網(wǎng)

集成電路技術發(fā)展數(shù)十年至今，帶來了巨大的變革，也成為國家間競爭的重要砝碼。過去兩年間，從“中興禁芯”到華為被美國納入實體清單，芯片的重要性被國人廣泛認知。

近日，美國方面可能會限制包括臺積電在內(nèi)的芯片制造商對華為供貨的消息，又再次引起人們對芯片產(chǎn)業(yè)的關注。

“芯片是大國間競爭的制高點，芯片技術和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展必然成為國家戰(zhàn)略。”4月1日晚間，清華大學微納電子學系主任、微電子學研究所所長魏少軍在清華大學五道口金融學院聯(lián)合每經(jīng)智享會推出的“五道口在線學習計劃”上表示。

他指出芯片是技術創(chuàng)新的高地，雖然芯片產(chǎn)業(yè)現(xiàn)有技術路徑面臨著物理、功耗等極限問題，但摩爾定律將長期有效，在可預見的未來，尚沒有能夠替代集成電路技術的其他技術出現(xiàn)。

新技術因芯片而生，老技術因芯片而亡

作為最為知名的產(chǎn)業(yè)發(fā)展定律，摩爾定律指引了芯片產(chǎn)業(yè)50余年的發(fā)展.截至2019年年底，按照這一定律，一個芯片上已經(jīng)可以集成687億個晶體管，這是一個天文數(shù)字。

“由于摩爾定律，我們將會重建所有的物質性基礎設施。”魏少軍表示，由于人們認為摩爾定律在物理上可以實現(xiàn)，并對此深信不疑，于是就努力地按照摩爾定律發(fā)展，使得芯片技術長期以不可思議的速度發(fā)展，才取得了今天的輝煌成就。

芯片也顛覆了不少產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。魏少軍以膠片巨頭企業(yè)柯達的興衰為例，這一創(chuàng)立于19世紀晚期的企業(yè)，因不敵數(shù)碼相機技術的發(fā)展，在2012年申請破產(chǎn)保護。

“新技術因芯片而生，老技術因芯片而亡。”魏少軍表示，任何芯片能夠參與競爭的技術，最終這些技術都不可避免成為失敗者，而如精準農(nóng)業(yè)、超高清電視、人工智能等前沿技術的發(fā)展，都離不開芯片。“不論是青年學生還是投資人和創(chuàng)業(yè)者，如果發(fā)現(xiàn)你做的這件事情最終可以被芯片所替代，那你就趕快去做芯片。”魏少軍幽默地說道。

魏少軍認為，芯片在新一代信息技術中扮演著決定性的賦能作用，是支撐數(shù)字經(jīng)濟發(fā)展的基礎，在可以預見的未來，尚不會出現(xiàn)能夠替代集成電路的其它技術。即使出現(xiàn)了，也需要數(shù)十年的時間和花費十數(shù)萬億美元才能替代今天的集成電路。

現(xiàn)行芯片技術路徑存在四大極限

摩爾定律失效的說法在近年來甚囂塵上。但魏少軍表示，摩爾定律將長期有效：就當今的技術路徑而言，在尺寸上我們已經(jīng)達到7納米，5納米將很快到來；而利用二維材料，人們已經(jīng)制備出了1納米的晶體管，至少在未來很長一段時間內(nèi)，我們目前技術方向仍然看不到盡頭。

但魏少軍也表示，現(xiàn)行技術路徑主要有四大極限，分別是物理極限、功耗極限、工藝極限、經(jīng)濟極限。

物理極限即是最小尺寸，就現(xiàn)行技術而言，如果材料上沒有突破，最小尺寸可能就在1納米左右，因為1納米之后，將無法控制電子使其有效傳輸，可能會出現(xiàn)漏電現(xiàn)象。

功耗極限是指耗電量將達到極限。在一個小小的芯片上，幾十億、上百億的晶體管集中在一起，盡管每個晶體管耗電極小，但累計起來仍是非常大的耗電量。如果不加控制，芯片的耗電量將一直上升。以家用電熨斗為例，其功率密度為每平方厘米5瓦，而現(xiàn)在的芯片的功率密度在每平方厘米十幾瓦乃至幾十瓦的水平。

工藝極限意味著現(xiàn)有工藝和材料難以滿足芯片技術的發(fā)展需求。由于目前的工藝已十分復雜，工廠每次能夠同時開工制造的產(chǎn)品數(shù)量是有限的。此外，芯片技術已使用了元素周期表中的相當一大部分的元素，材料的發(fā)展也制約著芯片技術的進步。芯片技術的發(fā)展，已經(jīng)不再是芯片技術本身，而是多學科交叉融合發(fā)展。

經(jīng)濟極限是指未來經(jīng)濟可行性。建設一個集成電路制造廠的成本，從65納米時的25-30億美元，到22納米時的80-100億美元，再到14、16納米時的120億-150億美元，盡管已經(jīng)較早期預測的成本低了很多，但仍然是個龐大的數(shù)字。而芯片成本的上漲將附加到最終產(chǎn)品中，必須要考慮到消費端的接受能力。

呼吁加大國內(nèi)芯片研發(fā)投入

芯片技術之復雜，進入門檻頗高，加之芯片技術非常重要，使其已成為全世界競爭的產(chǎn)業(yè)制高點。又因芯片技術本身的發(fā)展有很強的業(yè)務屬性，因此也成為了全球化最為徹底的一個產(chǎn)業(yè)。

全球半導體的發(fā)展在2019年出現(xiàn)了一次衰退，市場規(guī)模下滑12.1%，是2001年后的最大一次衰退。中國是最大的新興市場，2019年消費占總比35.1%。2019年，中國的半導體產(chǎn)業(yè)增長了16.2%，第一次在設計、制造、封測環(huán)節(jié)的銷售額都超過了2000億美元。魏少軍評價稱，中國的發(fā)展在全球范圍內(nèi)仍然是可圈可點的。

但從自給自足的能力而言，我們使用的芯片仍有70%需要進口。包括服務器CPU、個人電腦CPU/GPU等市場占有率均為0（四舍五入）。而美國有50%的芯片銷往中國，中國市場是美國最大的半導體市場。

美國芯片產(chǎn)業(yè)為何有這么強的能力？魏少軍介紹，美國在芯片產(chǎn)業(yè)的研發(fā)投入是美國之外其他國家的兩倍，美國芯片企業(yè)的毛利率可以達到62%，而中國大陸地區(qū)的芯片企業(yè)的毛利率與此相差甚遠。

產(chǎn)品銷售的利潤規(guī)模不大，就難以提升研發(fā)投入的強度和規(guī)模，這將形成惡性循環(huán)。“只有大幅加大研發(fā)投入，使我們的技術和產(chǎn)品進一步提升，我們才有可能打破現(xiàn)在的怪圈，才能發(fā)展。”魏少軍表示。

目前，我國正通過國家集成電路產(chǎn)業(yè)投資基金加大對芯片產(chǎn)業(yè)的資本投入，魏少軍呼吁加大芯片產(chǎn)業(yè)研發(fā)投入，“從2014年開始，我們半導體的支出開始慢慢增加，但是資本投入并不代表研發(fā)投入，我們現(xiàn)在研發(fā)投入還是不夠的”。

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