芯片，是人類最偉大的發明之一，是現代電子信息產業的基礎和核心。小到手機、電腦、數碼相機，大到5G、物聯網、云計算，全部都是基于芯片技術的不斷突破。如今芯片越做越小，集成度越來越高，它會不會很快達到極限？我國芯片需求極為旺盛，但是整個芯片產業卻還沒有進入世界第一梯隊，絕大多數計算機和服務器通用處理器95%的高端專用芯片、70%以上智能終端處理器以及絕大多數存儲芯片依賴進口。我國芯片產業的現狀怎樣分析觀察？能否后來居上？《中國經濟大講堂》特邀重量級嘉賓魏少軍，為您深度解讀《高質量發展如何從“芯”突破？》。

嘉賓簡介

魏少軍，清華大學微電子所所長，“核高基”國家科技重大專項技術總師，國際電氣和電子工程師協會會士。他致力于超大規模集成電路設計方法學、嵌入式系統設計技術和可重構計算芯片技術等領域的研究，擁有數十項中國和美國發明專利，曾榮獲國家科技進步二等獎、國家技術發明二等獎。

（以下為演講內容）

集成電路是一種芯片，我們天天都在用，比如說家庭當中用到的集成電路有三百塊之多。我們在自己家里修一些電器的時候,你可以看見有很多黑黑的方塊，這些黑黑的方塊是什么？就是我們說的集成電路和芯片。

這里面有大量的集成電路的基本元件，叫晶體管，可能有幾十億支甚至上百億支。晶體管的原理非常簡單，但是真正要把這樣的晶體管發明出來，人類還是經過了非常長時間的探索。我們知道，世界上第一臺電子計算機是1945年在美國的賓夕法尼亞大學發明的，我們用的是所謂的電子管，大概直徑在兩公分左右，高度有個五、六公分，通上電以后它會發亮，像個燈泡似的。這樣的電子計算機用了17500支電子管，很多，但這個電子管的可靠性非常差，六分多鐘就燒壞一支，一旦燒壞了怎么辦呢？就得去換。換的時候，計算機的機房里的一些女士就要跑去把電關了，換一支電子管，再重新開機。這樣的一個計算機使用效率是非常低的，因此我們迫切的需要能找到一種能代替電子管的元器件。

1947年在美國貝爾實驗室，有三位科學家就發明了后來我們稱之為晶體管的這種新的元器件，這三位科學家一個叫肖克利，一個叫巴丁，還有一個叫布萊坦，這三位科學家在1956年獲得了諾貝爾物理學獎。

這個晶體管發明以后，我們看到它比起我們所熟知的電子管要小了很多，比一個黃豆還小，甚至像一個芝麻粒一樣，可靠性非常高，而且它反應速度很快。在1954年，美國貝爾實驗室用800支晶體管組建了世界上第一臺晶體管的計算機，這臺計算機是給B—52重型轟炸機用的，它耗電量只有100瓦，最重要它的運算速度非常快，達到每秒鐘100萬次。

晶體管非常好，但是大家還在想，我是不是能把晶體管做得更小？為什么呢？你用這么多晶體管，它還是有焊點，焊點會虛焊，有了虛焊以后可靠性變差，那么我們是不是可以找到可靠性更好的東西呢？所以后面我們就出現了集成電路,也就是今天我們要講的芯片。

1958年9月12日，由當時在美國德州儀器公司的一個青年工程師，他叫杰克·基爾比，發明了集成電路的理論模型。1959年，當時在仙童公司工作的一個叫鮑勃·諾伊斯的人，也是后來英特爾公司創始人，他就發明了今天我們都在用的集成電路的制造方法——掩膜版曝光刻蝕技術。所以我們今天講來講去，其實我們用的技術是六十年前發明的技術，只是我們今天不斷地在規模上、精度上變小而已，這兩位科學家發明的集成電路對人類的影響是非常巨大的。

在集成電路發明了42年以后, 杰克﹒基爾比獲得了2000年的諾貝爾物理學獎，非常可惜的是鮑勃﹒諾伊斯那個時候已經過世了，所以他沒有得到諾貝爾獎。

1962年，當時國際商用機器公司，也就是IBM，開始用集成電路來制造計算機，1964年在全球發布了一個系列6臺計算機，起名叫做IBM360，功能極其強大，完成科學計算、事務處理等各種各樣的內容。

又過了幾年，英特爾公司有一位年輕的科學家，這個科學家叫泰德·霍夫，他設計了世界上第一款微處理器，就叫英特爾4004。這個微處理器剛開始出生的時候，身世沒有那么高大上，是給計算器用的，是一家日本公司去找英特爾公司，讓英特爾公司幫忙設計一個芯片。所以英特爾公司它們玩命去干，最后設計給了一家叫必思康的日本公司，做計算器。

1981年的時候，也就是十年之后，IBM組織了一個團隊，跑到佛羅里達去開發了一個到今天影響全世界、全人類的重大產品，就是個人電腦，后來我們稱為叫PC。當時用的是英特爾的8088微處理器，其實它的速度很慢，但是在當時是非常了不起的。

所以，集成電路和芯片的進步，不斷地從原來的政府應用到民間的應用，比如我們從軍事應用到一般的民用，而且從一般的、常規的市場商業應用換成老百姓家里。

芯片領域有一個著名的摩爾定律。其大致內容為：當價格不變時，集成電路上可容納的元器件的數目，約每隔18-24個月便會增加一倍，性能也將提升40%。半個多世紀以來，芯片制造工藝水平的演進不斷驗證著這一定律，持續推進的速度不斷帶動信息技術的飛速發展。現階段芯片技術發展到了什么水平？未來的發展是否會遇到極限呢？摩爾定律還能繼續有效嗎？芯片產業的奇跡還能延續多少年？

今天的芯片技術到底有多神奇？它不斷地在微縮，不斷地在縮小。縮小到什么程度呢？我們現在已經做到了7納米，估計明年、后年就到了5納米。

大家說納米是什么意思？對納米沒感覺。確實沒感覺，舉個例子，大家可以想像一下有多小。我們看見過我們自己的紅血球嗎？肯定沒看過，但是大家知道我們的一滴血是紅色的，因為紅血球是紅色，映出來血液是紅的。紅血球的直徑有多大呢？紅血球的直徑是8微米，就是8000納米。按照我們今天的技術，比如說14納米工藝制造的芯片，大概是40個納米大小，因此我們可以在一個紅血球的直徑上放200支晶體管。所以大家可以想，這么精密的東西，正是因為它這么小，所以我們能夠把大量的東西集成在單個的芯片上去。

大家一定會問一個問題，如果按照我們現在的走法，走到5納米，再往下走到3納米，能不能再走下去呢？我們認為可能某一種特定技術走到一定的時候，它就會停下來，但是并不代表著新技術不會出現。前兩年德國科學家就發明了一種稱其為分子級晶體管的新的器件。未來的發展，可能我們的手機會變得越來越小，小到了我們今天不可想象的地步。當然這個小不是說體積變小，是手機芯片的尺寸變小，功能變得越來越大。

但是任何技術都有它的極限，不可能沒有極限，那從芯片角度來說它有哪幾個極限呢？一個就是物理的極限，它尺寸太小了，其實還有功耗的極限。舉個例子，我們家里都有電熨斗，電熨斗的功率密度每平方厘米5瓦。5瓦很小，但是很燙手，我們絕對不敢拿手去直接碰它。

但是集成電路芯片呢？一般的芯片都在每平方厘米幾十瓦，所以我們看到的芯片上往往要背一個散熱器，上面還有一個風扇。當我們功率密度達到每平方厘米100瓦以上的時候，風已經不行了，要換成水冷。超級計算機當中要通水，這邊涼水進去那邊就變成溫水出來。這樣的一種熱的耗電，這種熱效應是非常非常厲害的，如果不加控制，到2005年前后，我們芯片的溫度已經達到了核反應堆的溫度，到2010的時候大概已經可以達到太陽表面的溫度了，那么這么熱的東西可能用嗎？不可能用。

因此人們想了一個辦法，我們要想辦法把這功耗降下來，把原來的單核變成雙核。后來延伸到手機，就出現了一個特別有意思的現象，大家去買手機的時候售貨員跟你說，買這個手機吧，這個手機是4核的，4核的功能強大，比那個好。另外一個人跟你說，別買那4核的，我這兒有8核的，8核的比4核好。什么意思呀？實際上他們對這個問題不理解，是因為我們做不成單核，我們把它做成雙核，做成4核、8核。從可編程性來說，單核是最好的，但是如果要達到四個核要跑的功率的話，單核的功耗要做得很高，太熱了。熱了怎么辦呢？我只好把它拆開，實際上是以系統的復雜性為代價來解決我們的功耗問題。所以，功耗問題成為制約我們發展的非常重要的一個麻煩。

第二個就是工藝的難度非常非常大。集成電路制造過程當中，它的掩膜的層數實際上在不斷地變化，從65納米的40層，到7納米的時候，到了85層。這么多層，每層跑一天的話，要80幾天才能跑完，對吧？所以我們現在芯片的制造要花費很長很長的時間，都不是短期內能做成的，萬一有一個閃失，這個芯片可能就報廢掉了，所以它的工藝復雜程度非常得高。

第三個我們看到就是它的設計復雜度很高。那么正是因為有如此多的晶體管放在一顆芯片上，它的通用性變得越來越差，所以出現了所謂叫“高端通用芯片”，要去尋找更通用的解決方案，那就把軟件引進來。因此我會經常講一句話：“芯片、軟件兩者密不可分，沒有芯片的軟件是孤魂野鬼，沒有軟件的芯片是行尸走肉。”我們經常在教學當中也好，工作當中也好，都是要把兩者有機地結合起來。

當然所有這些工藝問題，那還都是技術問題，最最重要的是經濟問題。摩爾定律50多年的發展過程當中，集成電路大概有55年的時間是處在降價的過程當中，直接的效益就是我們電子產品很便宜，便宜到什么程度？我們很多年輕人每半年換一部手機，現在大家不敢換了，因為什么呢？手機變得貴起來了。原因就是芯片的發展由于投入的增加、復雜度的增加，它的成本其實是在緩慢地增加的，28納米之前我們的成本是不斷在下降，28納米之后我們的成本在逐漸地上升。因此我們也可以預測一下，就是未來我們的電子產品不再會像前幾年那樣不斷地降價，估計會再漲價，當然是緩慢地漲。所以我們說，芯片技術的發展過程到今天為止，我們仍然沒有看到它的終點。

摩爾定律是不是走到頭了？這個爭論一直存在。有一件事情，那是1997年1998年的時候，有一個人在一個地方發表了一篇文章講，說芯片、摩爾定律死了，沒戲了。他說你看銅互聯，我們原來都用鋁，現在銅互聯搞了這么多年都搞不下去，沒戲，銅肯定走不下去了。

第二個說芯片這個東西越做越薄以后漏電，控制不住，所以芯片最小做到50納米也走不下去了。他還舉了個例子，他說***因為用的是193納米波長的光源，我們知道波長到一定程度以后它會衍射，變虛了，所以摩爾定律完了。大家后來知道，我們用電鍍的技術解決了銅的問題；用所謂高K-金屬柵的技術解決了所謂介質的問題；然后用一個特別特殊的方法；我們把鏡頭放水里，利用水的折射把波長一下縮短了。所以現在的***不但可以用到我們今天的14納米，還可以用到5納米。

這三個技術全突破了，大家又問，誰這么不開眼？怎么這么說摩爾定律？謎底揭曉了，是戈登·摩爾本人說的。我們看到這么一個科學家，這么重要的一個人，他在講自己的時候他也未必能講得很清楚。

芯片技術的不斷突破帶動芯片產業持續發展。2018年，全球芯片市場的產值高達4688億美元，我國不僅是全球芯片最重要的消費市場之一，同時也正在竭盡全力，向全球芯片產業的第一梯隊進發。我國芯片產業到底處在怎樣的發展階段？追趕過程中，我們面臨哪些嚴峻挑戰？

我們以2014年作為一個節點的話，到2020年，這6年當中，計算機還會增長46%，手機增長81%，而消費類電子還要增長48%。所以說，電子產品的增長是越來越多、越來越快。我個人判斷，在我們有生之年，如果找不到能代替半導體的東西，大概現在的電子產品還會按照這種方式繼續走下去。我們會一直去享受電子產品帶來的各種各樣的便利，但是它背后的根本因素在于芯片技術的突破。正因為有如此強勁的需求，全球芯片產業的發展就是非常快。

那半導體的市場是怎么分布的？我們看到紅色的是中國，最下面這個紫色是美洲的市場，藍色的是歐洲市場，灰色的是日本市場，上面的綠色的是除了中國和日本之外的亞洲其它市場。這個數字有點驚人，因為中國市場占了全球市場的34% ，1584億美元，超過三分之一，這是指中國市場用到的。同時，2018年中國也是增長最快的半導體市場，中國半導體市場增長了20.5%。我想大家可以想象中國要買多少集成電路，很多！

大家也許會覺得，我們國家的芯片產業發展好像不那么好，我覺得大家有這種感觸是很正常的。

比如前兩年，我們有很多話說得比較大，我用了一個詞叫“嚇尿體”。我給大家念幾段，很有意思的現象，他說“某某某芯片突飛猛進，為什么美國人都害怕了？”還有說“我們的什么什么東西站到了世界之巔”，還有一個說“我們某某老人從美國回來了，美國人慌了”。

當我們去年碰到一些事情的時候，態度就180度大轉彎，轉而自己“嚇尿了”，也給大家念幾段，比如說：“你不知道中國芯有多爛，你只有讀了本文之后你就知道它有多爛”。“中國芯片到底怎么樣了,跟人家一比我就徹底失望了”。我不知道我們怎么就這么脆弱，對自己一點信心都沒有呢？前兩年那種豪情壯志又到哪兒去了呢？

芯片的發展它有它的客觀規律，既沒有像大家想象的那么好，也沒有像大家想象那么壞，當然我們現在還不能滿足需求，但是只要堅持不懈走下去，我們的發展就一定可以走到我們所希望的那個水平上去。

中國的芯片產業發展速度非常快，從2004年到2018年中國的芯片產業的發展的曲線圖中可以看到，我們從2004年545億元漲到了去年6532億元，1000億美元，這個增長速度是當期全球增長速度的四倍左右。6500多億元，其實是我們的設計、封測業和芯片制造業三業疊加的結果。我們看到芯片的設計業去年達到了2500多億元，這是真正意義上的產品，而我們的封測業2190億元和芯片制造業1800多億元，這個更多的是一種加工。那么，設計、封測、芯片的制造這三者之間是什么關系？舉一個例子，設計業就是相當于作家寫書，制造業就相當于印刷，封測業就相當于裝訂，各自的特點是不一樣的。我們國家的企業，經過這么多年的發展以后，無論是設計制造還是封測都已經進入世界前列，比如在全球的集成電路設計這個行業當中，前十位有兩家企業，在全球的代工企業當中，前十位也有兩家企業，而在全球的封測企業當中，前十當中有三個企業。

但是我們跟國際先進水平相比還有相當大的差距。看看我們的設計業，也就是我們經常講的集成電路產品，我們從1999年全行業只有3億元人民幣，到去年我們已經到了2519億，合370億美元左右，已經做到世界第二大。雖然很大，但是我們看一看的話，我們的產品在全球占比只有7.9%，如果當時大家還記著剛才那張膠片，中國市場1500多億美元，占了全球市場的34%，而這里面我們只有7.9%，那我們有26%就要靠進口。

有些同志很擔心，說我們買了這么多的芯片，萬一哪天人家不賣給我怎么辦呢？這是不是受制于人等等，對吧？有這種擔心很自然，但是如果我們換位思考一下，作為生產供應商來說他們會擔心什么呢？他們也會很擔心。曾經有一個外國朋友問我，他說你們買了我們這么多芯片，哪天你們要不買了的話我們怎么辦？大家會心地一笑。

這是一個很有意思的現象，我們怕別人不賣給我們，人家怕我們不買。所以這種情況下，最好的辦法就是我們自己發展，我們自己多生產點兒，大家都相安無事，這才最好。

01國內芯片產業與需求差距大

其實芯片產業面臨的挑戰是非常多的，它是個龐大的系統工程。我們還是從產品的角度去看，應該說我們現在的產品結構與我們的需求之間，還是出現了一些失配的現象。

去年一天我早上醒的時候，有一個同事打電話給我，說網上有一張圖非常地不客觀，講我們很多東西都是0，讓我出來說一說。我急急忙忙爬起來趕快看是什么東西，結果看到這張圖以后我就笑了，我就跟他說，你知道這張圖誰做的嗎？我說這張圖是我做的，后來他就不說話了。

原因在哪兒呢？他理解的有偏差。這里面大家看到很多0%，這個0%不是說絕對值的0，是市場占有率。市場占有率講百分比，0.5%以下基本上就可以四舍五入，因為你在市場上確實引不起人家重視，你說我一定要去強調我不是0，其實沒有什么意思。

舉個例子，比如說我們全年中國大概要進口使用的CPU，可能有大概10億只少不了。假如就算10億只吧，那我們有一個企業說我生產了100萬只，那是很多了，100萬只是不得了的事，但是你把100萬只跟10個億去比一比的話，你就知道其實你是千分之一，只有0.1%，所以我們說0.1%的時候在市場上看不見你。所以我們看這些東西的時候，不是簡單地去看一個絕對值，我們要看它的相對值，也就是市場占有率，這是很重要的一個點。

我們可以看到，無論是服務器還是個人電腦，還是可編程邏輯設備、數字信號處理設備，以及我們終端當中用到的一些IP核也好，還有一些存儲器也好，我們大量的都是0，這就意味著我們的產業結構、我們設計企業的產品結構跟我們需求之間還有相當大的差距。

那唯一有兩個點我們看到大于10%甚至15%的，那就是移動通信的終端，這個是我們在國際上現在比較強的，占了全球市場大概五分之一。

02發展滯后 投入不夠

我國芯片產業發展的制造能力和設計需求之間失配。我們的制造業要花很多的錢，而且發展也很快，但是還是慢。

我們國內最先進的集成電路制造商，它們在14納米的時候，大概今年（2019）的一季度可以投產，而***的臺積電的，它們的16納米，早在2015年的第四季度就投產。這中間就有三年的差距,這就是我們相對比人家滯后的地方。

除了我們不夠快之外，還有一個要命的，就是我們產能不夠。你如果能找到產能，當然你就可以賺錢，但也可能你找不到產能，全球都在搶產能的時候，你找不到產能怎么辦呢？這時候就很麻煩，那我們就要虧錢。

我們說集成電路芯片發展需要投資，要投多少錢呢？天文數字！全球在半導體投資上的統計，我們看到除了少數的幾個年份之外，大部分的時間都在400億美元以上，最近這幾年甚至都在600億美元以上。那條紅線是我們國家在半導體的投資，它在最底下。有人說我們的投資額是在人家的統計誤差范圍之內，這個話聽了很難聽，我們也很難受，為什么我們國家在這上面不投資呢？我們對這個產業的了解還是有限，我們比較早地作出了一個錯誤的決策或決斷，認為中國的半導體芯片產業可以通過市場配置資源來良性發展。

這張圖上，紅線這幾年向上翹，翹的過程好像挺多了。但是大家知道它是需要高強度投資的產業，無論是英特爾也好，還是三星也好，臺積電也好，每年投資大概都在百億美元規模。我們也到了百億規模，但是我們投了很多家，你的投資強度也不夠，而且剛剛兩、三年，后面要連續投很多年才能看出結果來。

現在我們說集成電路的發展已經成為全中國人民大概都認同的一件事情，所以帶來了一個副作用，就是全民大造集成電路。

集成電路并不是一個能夠遍地開花的事情。我曾經到了一個地方，這個地方領導說，我們下決心了，要把集成電路做上去，在我們這里建個集成電路廠。我就說，恐怕不行，你這里沒錢。我一說沒錢呢，人家很不高興，馬上就說你怎么知道我沒錢？跟旁邊的人說，我給你50個億，你給我把這個事情做起來！我就跟他說，恐怕后面還要再加個0。

我給大家舉個例子，美國核動力航母打擊群，尼米茲級的，不是現在福特級的，包含了一艘10萬噸級的核動力航母、大概60到70架艦載機、兩艘導彈巡洋艦、兩艘導彈驅逐艦、一艘核潛艇，還有補給艦全加起來150億美元，我們現在建一個集成電路廠150億美元。所以集成電路廠的建設，往往是需要巨額投資，而且還不是一次性的投資，這個壓力很大，這個不是小錢。

我們還有一些地方政府也很有意思，上集成電路非常地熱心，我能體會它們對于地方經濟的發展是傾注了自己全部的心血。它們看到，一旦在他們那兒建立一個集成電路廠、芯片廠的話，很快會帶來就業，帶來周邊環境，周邊的生態的配套，能帶來一個大產業，但是它們對于芯片發展的艱巨性了解是不多的。曾經就有一個地方，在當地沒有一所大學有微電子專業，它們也要上芯片產業，我說那你的人從哪兒來？他說我的人可以從外面“挖”來，你讓人家從上海坐4個小時飛機飛到你這兒來，不太現實吧？第一沒人，第二沒錢，第三沒技術，所以集成電路的發展是需要很多投入的。

03芯片產業鏈要力爭上游

我國芯片產業發展還面臨資源的錯配。

目前，我們的芯片制造業超過50%的客戶是海外的客戶，我們的封測大概也有將近一半客戶是海外的客戶，我們是給別人加工。那我們的設計業是最需要資源的，又滿世界去找資源，找加工的資源，原因是我們制造業和封測業的技術水平，跟我們所需求的還有距離。

我們原來的產業是以對外加工為主，大家知道“三來一補”等等。這種是加工性產業結構，現在要變成自主創新為主，你要作產業結構的調整。中央提出來要供給側的結構性改革，其實對芯片來說，我們就是面臨這樣一個改革。

我們在發展過程當中，其實還面臨著一個產業模式的問題。

芯片的發展已經有幾十年的歷史，其實在發展過程當中，現在跟以前是有很大差別的。過去的叫系統廠商模式,就是所有的事情都自己做，后來說不行，集成電路每18個月產能翻一番，我自己用不了了，出現了所謂叫集成器件制造模式，再往后就出現了所謂叫設計代工模式。

這三種商業模式實際上帶來的是不同的結果。我們從中國大陸情況看，主要是設計代工模式，那這種設計代工模式是好還是不好呢？我們不好去評價，因為是歷史階段決定的。實際上在真正我們的工作當中碰到很多問題，就是很多地方的政府非常熱衷于建一個集成電路制造廠，因為一個集成電路制造廠要花幾十億美元，動不動就幾百億人民幣，對當地的國內生產總值貢獻是很大的。但是它往往不去想，一個像中國這樣的國家，總是去做加工這種產業鏈中下游的事情，那你是不是就把自己框在了一個產業鏈的中下游位置？所以中央也提出來我們要創新發展。創新發展在哪兒？在上游，所以我們說經常我們要往上游走。

04人才不足

我們的芯片要發展它的設計業，芯片設計是一種高科技，人才就成為一個重要的制約因素。

碰到的瓶頸在哪兒呢？不僅質量難以滿足需求，現在連數量都難以滿足需求，最直接的效果就是，我們現在整個半導體產業在互相地挖人。如果你是從事芯片的話，現在跳槽一定可以找到很好的收入，因為你們的工資可以翻番。

我們作過一個統計，中國大陸從事芯片設計的工程師，平均薪酬已經高于***。講實話，我們能力還不如***的工程師，這就意味著什么呢？我們做出來的產品沒有人家好，但是我們的成本比人家高，這個情況還沒有緩解，所以我們人才團隊的短缺是非常可怕的。

前兩年，我們在人才培養上遇到一個不大不小的麻煩，就是很多的學生畢業以后去搞投資，搞金融了，當然我自己的學生也有出去作投資的，去做官員的。我總是在講，如果這樣的話，你們干嗎要來學這么多年的集成電路呢？還是說他們對于芯片的重要性、對于芯片本身所蘊含的這種無窮的魅力了解得不夠，他僅僅是把它當成一門知識來學了。當你真正深入了解芯片、集成電路它內在的東西之后，以及它對外的這種發展影響，那你就會知道，原來掌握集成電路芯片能夠帶來這么大的主動權。

需求旺盛、供給不足是我們中國芯片產業面臨的一個挑戰，這是個現實問題，也是我們下一步作供給側結構性改革的時候一個關注的點。

如果大家今后從事芯片技術的話，我相信從我今天的講演當中，至少可以掌握到幾個重要的點：第一個點，我覺得芯片的發展大概不以人的意志為轉移，一直走下去，還會成長一百年；第二個點，芯片的發展不容易，不是那么簡單的，需要高額的投入，需要我們長期堅持。一百年不僅僅是一個數字、一個年份，而是說長期堅持才會有結果。