中国芯片的正道何在?——袁岚峰2020年观视频答案年终秀演讲

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导读

非常多的人低估了这个挑战的难度,经常可以见到许多错误理解。中国芯片业的落后,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,都达到世界顶端。

本文是作者2020年11月29日在观视频“答案”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,就算成功了?》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,究竟落后在哪里?》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成果。他们对此感到很高兴。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。

其实这两边都是错的。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,非常多的人低估了这个挑战的难度,经常可以见到许多错误理解。

例如,有人认为中国在两年内就可以造出高端芯片。

实际上,这是个大大过头的估计。目前我们没法给出个时间表。如果我们能在十年内造出现在最高水平的芯片,就是很大的成功了。

又如,经常有人说“小小的芯片”,难道我们连小小的芯片都搞不定吗?

小小的芯片

对此的回答很简单:新冠病毒也只是个“小小的病毒”,你觉得它容易搞定吗?

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。芯片的难度在于精密制造,而一个国家能不能造出核武器,在很大程度上取决于核材料的生产。看一个国家有多少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了解决一个技术问题的手段。这本身就是轻重不分,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?

还有一种常见的说法是,中国的芯片本来跟世界差距不大,甚至是先进的。都是因为改革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代研究光刻机的图片,然后痛斥一番改革开放。

中国芯片以前很先进?

实际上,当时我们的芯片水平绝不是领先,甚至也不是差距不大,而是差距非常大。

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位仿照国外产品,做出了接近1 K的芯片。但成品率极低,不能投入生产,只能作为样品。1 K对64 K,这就是当时的差距。

然后,中国科学院提出,要在一年内拿下4 K芯片。但经过一年的研究,成品率仍然很低。

1978年10月,中科院请王守武全面负责这一任务。他带领团队奋战一年,到1979年9月,终于把4 K芯片的成品率提高到了……20%以上。

这是什么概念?量产的芯片成品率至少要达到90%以上,否则难以收回成本。可是当时王守武的这20%就已经是重大进步了,获得了中国科学院科技成果一等奖。

成品率达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,然后说自己并不落后,这不是自欺欺人吗?

在分析完这些错误理解后,我们来讲正确的理解。

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:电脑处理器,手机处理器,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,你的知识水平就超过了90%的人。

答案是:这些几乎都属于芯片,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,而且它的制造过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。

芯片的力量何在?它实际上是来自半导体。知道这个,你的知识水平就超过了99%的人。

为什么半导体这么神通广大?

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,办法有很多。用导电和不导电表示0和1,就可以计算,可以存储,产生无穷的变化。

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描述,来自这本书《图解芯片技术》,作者是清华大学材料学院田民波教授。

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描述。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。不过《图解芯片技术》的原文就是如此,我理解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,所以田民波教授采用了一种简化的解释,以方便初学者。】

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”。如果你能记住这些多少纳米是栅长,那么你的知识水平就超过了99.9%的人。

【注释:请注意上图中右边红色方框内的“栅长”。】

纳米成为常用单位,这是非常神奇的一件事。一纳米是10的-9次方米,大约只有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,这是多么惊人的奇迹!

由此就引出了芯片的一个特征:它是目前人类精密制造的最高水平。这就是为什么我们不能制定一个太乐观的时间表,因为精密制造正是中国跟世界先进水平相差最远的方向。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

芯片制造难在哪里呢?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,在晶圆上制造各种器件。 第四,把芯片封装起来。 第五,做最后的测试。

例如第一个阶段,多晶硅的纯度要达到11个9,即99.999999999%。我们平时说的纯金,只不过是4个9,99.99%而已。

第二个阶段,晶圆要做得非常平,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,是各个厂商从长期的经验教训中总结出来的,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。光刻就是其中的核心技术。

光刻是什么?其实就好比传统的胶片照相技术,包括曝光、显影、定影等等。具体的操作是这样的。

光刻是什么?

首先,在晶圆表面涂一层光刻胶。

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应。这样,图案就转移到了光刻胶上。

然后,把光刻胶去掉。但发生过化学反应的地方,就留下了。

最后,对没有光刻胶的地方进行刻蚀。这样,图案终于转移到了晶圆上。真正在晶圆上刻出东西来,是在这一步。

大家可能听说过,有个东西叫做刻蚀机,而且中国的中微半导体在刻蚀机方面是世界领先的。这当然很好,不过在很多其他步骤上我们就是落后的,就有非常多的缺陷。比如说,一般人都知道我们没有高端的光刻机,其实刚才提到的那个光刻胶,我们也还没有高质量的。

近年来,每当报道一个中国在芯片方面的技术进展,立刻就有很多人欢呼可以取代光刻了,可以摆脱卡脖子了。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。如果单说分辨率能达到纳米级的技术,那么这样的技术其实有很多。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,就好像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,需要经过300至500道工序,涉及精密机床、精密化工、精密光学等几乎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

中国芯片业的落后,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,都达到世界顶端。

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。但这绝不是必然的。危转化成机,关键是我们自己要努力,要做出改革,包括科研体制、教育体制、市场机制、思想文化等很多层面的改革。

很多层面的改革

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,或者淡化困难,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。

这就是我希望传递给大家的最重要的信息。我们要走正道,付出巨大的努力,做出巨大的改革。这不但是为了我们自己,也是为了全人类。

走正道

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背景简介: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”十大科学传播人物,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

本文源自头条号:风云之声

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