it产业中的摩尔定律有哪些(it产业中的摩尔定律包括)

芯片领域有一个著名的摩尔定律。

大致内容如下:在价格不变的情况下，集成电路上可容纳的元件数量每18-24个月就会增加一倍，性能也会提高40%。半个多世纪以来，芯片制造技术水平的演进不断验证了这一规律，不断前进的速度不断驱动着信息技术的快速发展。目前芯片技术发展到什么水平了？

未来发展会达到极限吗？

摩尔定律还能继续有效吗？

芯片行业的奇迹还能持续多少年？

作者：魏少军；来源：中国经济大讲堂（ID：cctvzgjjdjt）

“IC不是一个可以遍地开花的东西。我曾经去过一个地方，领导说我们下定决心要在这里建集成电路厂。我说，恐怕不行。你在这里没有钱。我说没钱，人家很不高兴，马上说，你怎么知道我没钱？跟你旁边的人说，我给你50亿，你帮我做这个！我跟他说，我怕以后再加一个0。”

“有的同志担心，说我们买了这么多芯片。万一哪天人家不卖给我了呢？这是受制于人之类的吧？有这种担心是很自然的，但是如果我们把自己放在另一个位置，他们作为生产供应商会担心什么呢？他们也会担心。有一次一个外国朋友问我，他说你买了这么多我们的芯片，有一天你不买了怎么办？大家都会心地笑了。”

击中当前中国芯片产业的“痛点”，探讨芯片产业的突破和高质量发展。重量级专家魏少军为您深度解读“如何突破高质量发展的“核心”？》。

魏少军，清华大学微电子研究所所长，国家科技重大专项“核高技术”总工程师，国际电工电子工程师协会院士。

1、谁缔造了芯片奇迹？

集成电路是一种我们每天都在使用的芯片。例如，家庭中使用的集成电路多达300个。当我们在自己家里修理一些电器时，你可以看到许多黑色的方块。这些黑色方块是什么？我们说的是集成电路和芯片。

集成电路有大量的基本元件，称为晶体管。可能有几十亿甚至几百亿。

晶体管的原理很简单，但是人类真正发明出这样的晶体管还需要很长的时间。众所周知，世界上第一台电子计算机是1945年在美国宾夕法尼亚大学发明的。我们用的是所谓的电子管，直径两厘米左右，高五六厘米。当它通电时，它会像灯泡一样发光。这种电子计算机用了17500个电子管，很多，但是这种电子管的可靠性很差。其中一个会在六分钟后燃尽。一旦烧完了怎么办？

你必须改变它。换的时候，机房有些小姐会跑去关电，换个电子管，重启。这样的电脑使用效率很低，我们迫切需要找到一种可以替代电子管的元件。

1947年，在贝尔实验室，三位科学家发明了这种新元件，我们后来称之为晶体管。这三位科学家是肖克利、巴丁和布莱顿。这三位科学家获得了1956年诺贝尔物理学奖。

这个晶体管发明以后，我们可以看到它比大家熟知的电子管小很多，比一颗黄豆还小，甚至像一颗芝麻，可靠性非常高，反应速度非常快。1954年，贝尔实验室用800个晶体管建造了世界上第一台晶体管计算机。这台计算机被用于B-52重型轰炸机。它的功耗只有100瓦。最重要的是，它的运算速度非常快，达到每秒100万次。

晶体管很好，但人们仍然在想，我能把晶体管做得更小吗？为什么？如果用那么多晶体管，它还是有焊点的，焊点会虚焊，虚焊后可靠性变差，那么能不能找个可靠性更好的？所以后来我们有了集成电路，也就是我们今天要讲的芯片。

1958年9月12日，德州仪器公司的年轻工程师杰克·基尔比(jack kilby)发明了集成电路的理论模型。1959年，一个名叫鲍勃·诺伊斯(bob noyce)的人发明了我们今天都在使用的集成电路制造方法——掩模曝光刻蚀技术，他当时在飞兆公司工作，后来成为英特尔公司的创始人。所以今天，我们来谈谈。事实上，我们使用的技术是60年前发明的技术，但今天我们在规模和精度上不断变小。这两位科学家发明的集成电路对人类影响很大。

集成电路发明四十二年后，杰克·基尔比获得了2000年诺贝尔物理学奖。不幸的是，当时鲍勃·诺伊斯已经去世，所以他没有获得诺贝尔奖。

1962年，当时的国际商用机器公司IBM开始制造集成电路的计算机。1964年，全世界发布了一系列6台计算机，命名为IBM360，功能极其强大，可以完成科学计算、事务处理等各种内容。

几年后，英特尔出现了一位年轻的科学家，名叫泰德·霍夫(Ted Hoff)。他设计了世界上第一个微处理器，叫做英特尔4004。这个微处理器刚诞生的时候，生活体验并没有那么高。它是用来做计算器的。一家日本公司找到英特尔，要求英特尔帮助设计一款芯片。于是英特尔努力工作，终于为一家名为Biscom的日本公司设计了一款计算器。

1981年，也就是十年后，IBM组织了一个团队，去佛罗里达开发了一个影响今天全世界和全人类的重大产品，就是个人电脑，我们后来称之为PC。当时用的是Intel的8088微处理器。其实它的速度很慢，但在当时是非常了不起的。

因此，集成电路和芯片的进步是不断变化的，从最初的政府应用到民间应用，例如，从军事应用到一般的民用应用，从一般和常规的市场商业应用到寻常百姓家。

芯片领域有一个著名的摩尔定律。大致内容如下:在价格不变的情况下，集成电路上可容纳的元件数量每18-24个月就会增加一倍，性能也会提高40%。半个多世纪以来，芯片制造技术水平的演进不断验证了这一规律，不断前进的速度不断驱动着信息技术的快速发展。目前芯片技术发展到什么水平了？未来发展会达到极限吗？摩尔定律还能继续有效吗？芯片行业的奇迹还能持续多少年？

2、芯片技术有多神奇？

如今的芯片技术有多神奇？它不停地缩小，缩小。减少到什么程度？现在已经做到7纳米了，估计明年或者后年能达到5纳米。

你说的纳米是什么意思？我对娜美没有感觉。不，举个例子，你可以想象它有多小。我们见过自己的红细胞吗？我肯定没见过，但是我们都知道我们的一滴血是红色的，因为红细胞是红色的，反射出来的血是红色的。红细胞的直径是多少？红细胞的直径是8微米，也就是8000纳米。按照今天的技术，比如14纳米工艺，芯片的尺寸大约是40纳米，所以我们可以在一个红细胞的直径里放200个晶体管。所以你可以认为，这么精致的东西，正是因为它这么小，所以我们可以在一个芯片上集成大量的东西。

大家肯定会问一个问题，如果我们到5纳米，再下到3纳米，还能走下去吗？我们认为某项技术到了某个点就会停止，但不代表新技术不会出现。两年前，德国科学家发明了一种叫做分子晶体管的新装置。随着未来的发展，我们的手机可能会变得越来越小，小到我们今天都无法想象。当然，这种小尺寸并不意味着体积变小，而是手机芯片尺寸变小，功能越来越大。

但任何技术都有极限，不可能没有极限。那么从芯片的角度来看，它的极限是什么呢？一个是物理极限，它的体积太小，实际上还有功耗的极限。比如我们家里都有电熨斗。电熨斗的功率密度是每平方厘米5瓦。5瓦很小，但是很烫，绝对不敢直接碰。

但是集成电路芯片呢？一般芯片都是每平方厘米几十瓦，所以我们经常要在芯片上带一个散热器，一个风扇。当我们的功率密度达到每平方厘米100瓦以上时，风就不再起作用了，只好改成水冷。超级计算机里有水，这里冷水进去，那里温水出来。这种热功耗，这种热效应非常非常厉害。如果我们不控制它，我们芯片的温度将在2005年左右达到核反应堆的温度，到2010年很可能达到太阳表面的温度。那么有没有可能用这么火的东西呢？无法使用。

所以人们想出了一个降低功耗的办法，把原来的单核变成双核。后来推广到手机上，出现了一个特别有意思的现象。大家都去买手机的时候，销售人员告诉你买这个手机。这个手机是4核的，功能强大，比那个好。另一个人告诉你，不要买4核的。我这里有8核的，比4核的好。你什么意思？其实他们不理解这个问题是因为我们做不到单核。我们将它分为双核、四核和八核。从可编程性来说，单核是最好的，但是如果要达到四核的功率，单核的功耗应该很高，太热了。天热怎么办？我不得不把它拆开，实际上以系统的复杂性为代价解决了我们的功耗问题。因此，功耗问题已经成为制约我们发展的一个非常重要的问题。

第二是过程非常非常艰难。在IC制造过程中，掩模层数实际上是不断变化的，从65 nm的40层到7 nm的85层。这么多楼层，每层跑一天的话，要80天才能跑完吧？所以我们现在制造芯片需要很长时间，短时间内做不出来。如果有一个错误，芯片就可能报废，所以它的工艺复杂度非常高。

第三点我们看到的是它的设计复杂度非常高。所以正是因为一个芯片上有那么多晶体管，所以它的通用性越来越差，所以出现了所谓的“高端通用芯片”。为了找到更通用的解决方案，我们应该引入软件。所以我经常说一句话:“芯片和软件密不可分。没有芯片的软件是鬼，没有软件的芯片是行尸走肉。”我们经常把教学和工作有机地结合起来。

当然，这些技术问题都还是技术问题，最主要的还是经济问题。在摩尔定律50多年的发展过程中，集成电路大约有55年处于降价过程中。直接的好处就是我们的电子产品很便宜。到什么程度？我们很多年轻人半年换一次手机，现在都不敢换了。为什么？手机变贵了。原因是由于投资和复杂程度的增加，芯片的成本其实在慢慢增加。28 nm之前，我们的成本在不断降低，28 nm之后，我们的成本在逐渐增加。所以我们也可以预测，未来我们的电子产品不会像前几年那样继续降价，估计价格还会再涨，虽然很慢。所以我们说，芯片技术的发展到今天还没有看到尽头。

摩尔定律已经走到尽头了吗？这种说法一直存在。一件事，是1997年和1998年，一个人在一个地方发表文章，说芯片和摩尔定律已经死了，没救了。他说，“看看铜互连。我们过去使用铝。现在这么多年的铜互联，我们做不到。没机会了。铜走不下去了。”

第二个说芯片越来越薄就漏电，无法控制，所以芯片至少50纳米的时候就走不下去了。他还举了一个例子。他说因为光刻机用的是193纳米波长的光源，我们知道波长到了一定程度后会衍射变虚，摩尔定律就完了。后来大家都知道，我们通过电镀解决了铜的问题。所谓的高k金属栅技术用来解决所谓的介质问题。然后用非常特殊的方法；我们把透镜放在水中，通过水的折射来缩短波长。所以今天的光刻机不仅可以用我们的14纳米，也可以用5纳米。

这三项技术都突破了，大家问，谁这么瞎？摩尔定律怎么说？答案揭晓。戈登·摩尔自己说的。当我们看到这样一个科学家，这样一个重要的人物，他谈到自己的时候，可能就说不清楚了。

芯片技术的不断突破推动了芯片产业的可持续发展。2018年，全球芯片市场产值达到4688亿美元。中国不仅是全球最重要的芯片消费市场之一，而且正在努力成为全球芯片产业的第一梯队。中国芯片产业处于怎样的发展阶段？在追赶的过程中，我们面临哪些严峻的挑战？

3、谁是全球芯片市场最大的买家？

如果以2014年为节点，到2020年，这6年里，电脑增长46%，手机增长81%，消费电子增长48%。因此，电子产品的增长越来越多，越来越快。我个人判断，在我们的有生之年，如果找不到可以替代半导体的东西，大概现在的电子产品还会这样继续走下去。我们总会享受到电子产品带来的各种便利，但背后的根本因素在于芯片技术的突破。因为如此强劲的需求，全球芯片产业发展非常迅速。

半导体市场是如何分布的？我们看到红色的是中国，底部紫色的是美国市场，蓝色的是欧洲市场，灰色的是日本市场，上面绿色的是除了中国和日本以外的其他亚洲市场。这个数字有点令人惊讶，因为中国市场占全球市场的34%，1584亿美元，超过三分之一，这是指在中国使用的市场。同时，中国也是2018年增长最快的半导体市场，中国半导体市场增长20.5%。我想你可以想象中国想买多少集成电路，很多！

4、需求旺盛，供给不足，我国芯片产业如何发力？

你可能觉得我们国家的芯片产业发展好像不怎么好。我觉得你有这种感觉很正常。

比如两年前我们有很多大话，我用了一个词叫“吓尿”。我给你读几段。这是一个非常有趣的现象。他说，“某某芯片突飞猛进。美国人为什么害怕？”还有一种说法是“我们的某样东西登上了世界之巅”，还有一种说法是“我们的某某老头从美国回来了，美国人一片恐慌”。

去年我们出了事，180度大转弯，自己都“吓尿”了。我们也为你读几段，比如“你不知道中国芯有多烂。你看了这篇文章才知道有多糟糕”。“中国芯片怎么了？与其他人相比，我彻底失望了”。不知道为什么我们这么脆弱，对自己没有信心。前两年的远大志向去哪了？

芯片的发展有其客观规律，没有大家想象的那么好，也没有那么坏。当然，我们目前还不能满足需求，但只要坚持，我们的发展一定会达到我们想要的水平。

中国的芯片产业发展很快。从2004年到2018年中国芯片产业发展的曲线图可以看到，从2004年的545亿元上升到去年的6532亿元和1000亿美元，大约是目前全球增速的4倍。600多亿其实是我们设计、封装测试行业和芯片制造行业叠加的结果。我们看到芯片设计行业去年达到2500多亿，是实实在在的产品，而我们的封测行业是2190亿，芯片制造行业是1800多亿，更多的是一种加工。那么，设计、封装测试、芯片制造之间是什么关系呢？比如设计行业相当于作家写书，制造业相当于印刷，封装测试行业相当于装订。各自特点不同。经过这么多年的发展，我国企业在设计、制造和封装测试方面已经进入世界前列。比如全球集成电路设计行业，前十有两家企业，全球代工企业前十有两家，而全球封测企业前十有三家。

但是，与国际先进水平相比，我们还有相当大的差距。看看我们的设计行业，也就是我们常说的集成电路产品。从1999年全行业只有3亿人民币，到去年我们已经达到2519亿，大概370亿美元，已经成为全球第二。虽然很大，但是看一看，我们的产品只占全球的7.9%。如果你还记得当时的那部电影，中国的市场是1500多亿美元，占全球市场的34%，其中我们只有7.9%，所以我们要进口26%。

有同志担心，说我们买了这么多芯片。万一哪天人家不卖给我了呢？这是受制于人之类的吧？有这种担心是很自然的，但是如果我们把自己放在另一个位置，他们作为生产供应商会担心什么呢？他们也会担心。有一次一个外国朋友问我，他说你买了这么多我们的芯片，有一天你不买了怎么办？每个人都会心地笑了。

这是一个很有意思的现象。我们怕别人不卖给我们，别人怕我们不买。所以，在这种情况下，最好的办法就是发展自己，自己多生产，大家都能和平相处，这才是最好的。

5、我国芯片产业发展面临哪些问题？

(1)国内芯片产业与需求差距大。

其实芯片行业面临的挑战很多，是一个庞大的系统工程。我们还是从产品的角度来看。应该说我们现在的产品结构和我们的需求还是有一些不匹配的地方。

去年的一天早上，我一觉醒来，一个同事打电话给我，说网上有一张图很没有人情味，说我们很多东西都是零。让我出来说一下。我急忙起身去看是什么。结果看到这张图我就笑了。我告诉他，你知道这张照片是谁拍的吗？我说我拍了这张照片，然后他就不说话了。

原因是什么？他的理解有失偏颇。大家在这里看到很多0%。这个0%不是0的绝对值，而是市场份额。市场份额的百分比，0.5%以下，基本可以四舍五入，因为你在市场上真的吸引不了人的眼球。你说我必须强调我不是0，但这并不能真正说明什么。

举个例子，比如我们全年在国内会进口和使用10亿左右的CPU。比方说十亿，那么我们的一个企业说我生产了一百万，这是很多的，一百万只是一个大数目，但是你拿一百万和十亿比较一下，你就知道你其实是千分之一，只有0.1%，所以我们说0.1%，市场上看不到你。所以我们在看这些东西的时候，不是简单的看一个绝对值，要看它的相对值，也就是市场份额，这是很重要的一点。

我们可以看到，无论是服务器还是个人电脑，可编程逻辑器件，数字信号处理器件，我们终端使用的一些IP核，或者一些存储器，我们都有大量的零，这意味着我们的产业结构，我们设计企业的产品结构和我们的需求还有相当大的差距。

我们能看到的大于10%甚至15%的只有两点，就是移动通信的终端，现在国际上比较强，占全球市场的五分之一左右。

(2)发展滞后，投入不足。

中国芯片产业的制造能力和设计要求不匹配。我们制造业花钱多，发展快，但还是慢。

我们在mainland China最先进的集成电路制造商在14纳米时可以在今年(2019年)第一季度投产，而台湾TSMC最早在2015年第四季度投产。中间有三年的差距，这是我们落后别人的地方。

除了我们不够快，还有一个致命的问题，就是我们的产能不够。如果你能找到产能，当然能赚钱，但也许你找不到产能。在全世界都在争抢的时候，你找不到产能怎么办？这个时候会很麻烦，我们会赔钱。

我们说集成电路芯片的发展需要投资。要花多少钱？天文数字！从全球半导体投资的统计可以看出，除了少数几年，大部分时间都是400多亿美元，近几年更是600多亿美元。红线是我们国家对半导体的投资，在底部。有人说我们的投入在别人的统计误差范围内。很难听，我们也很难受。为什么我们国家不投资呢？我们对这个行业的了解还是有限的，更早的做了一个错误的决定或者决策，以为中国的半导体芯片行业可以通过市场配置资源健康发展。

这张图中，红线是近几年向上翘起的，翘起的过程好像还挺多的。但众所周知，它是一个需要高强度投入的行业。无论是英特尔、三星还是TSMC，每年的投资都在数百亿美元左右。我们也达到了100亿的规模，但是我们投资了很多公司，你们的投资强度还不够。而且才两三年，要很多年才能看到成效。

现在我们说发展集成电路已经成为一个全中国人民大概都认同的事情，所以带来了一个副作用，就是全民造集成电路。

IC不是一个可以遍地开花的东西。我曾经去过一个地方，领导说我们下定决心要在这里建集成电路厂。我说，恐怕不行。你在这里没有钱。我说没钱，人家很不高兴，马上说，你怎么知道我没钱？跟你旁边的人说，我给你50亿，你帮我做这个！我跟他说，恐怕还得再加个0。

我给你举个例子。美国核动力航母打击群，尼米兹级，现在不是福特级了。它包含一艘10万吨级核动力航母，大约60到70架舰载机，两艘导弹巡洋舰，两艘导弹驱逐舰，一艘核潜艇和补给舰，所有这些加起来价值150亿美元。我们现在正在投资150亿美元建造一个集成电路工厂。因此，集成电路工厂的建设往往需要巨额投资，而且不是一次性投资。这个压力很大，而且这不是一分钱。

我们国家还有一些地方政府也很有意思。他们对集成电路非常感兴趣。我能理解他们为当地经济的发展付出了全部的努力。他们看到一旦在他们那里建立了集成电路厂或者芯片厂，很快就会带来就业，带来周边的环境，带来周边的生态支持，带来一个大的产业，但是他们不太了解芯片发展的艰巨性。以前有一个地方，当地没有大学有微电子专业，要去芯片行业。我说，你的人是哪里来的？他说我的人可以从外面“挖”，但是你让人家从上海飞4个小时到你那不现实吧？一是没人，二是没钱，三是没技术，所以集成电路的发展需要大量的投入。

(3)芯片产业链要争取上游。

中国芯片产业的发展仍然面临着资源的不匹配。

目前我们芯片制造行业50%以上的客户是海外客户，封装测试客户有一半左右是海外客户，我们为别人加工。我们设计行业是最需要资源的，全世界都在寻找资源，加工资源。原因是我们的制造业和封测行业的技术水平还远远达不到我们需要的水平。

我们原来的行业是以对外加工为主。众所周知，“三来一补”等等。这是一个加工工业结构。现在以自主创新为主。你得调整产业结构。中央政府提出了供给侧的结构性改革。其实对于芯片来说，我们面临的就是这样一个改革。

在发展的过程中，我们实际上面临着一个产业模式的问题。

芯片的发展已经有几十年的历史了。其实在发展的过程中，和以前大不一样了。以前叫系统厂商模式，就是什么都自己做。后来又说不可能了。集成电路产能每18个月翻一倍，我自己都用不了。出现了所谓的集成器件制造模式，然后出现了所谓的设计OEM模式。

这三种商业模式其实带来的是不同的结果。从中国大陆的情况来看，主要是设计代工模式。这种设计代工模式是好是坏？我们很难评价，因为这是历史阶段决定的。其实我们工作中有很多问题，就是很多地方政府非常热衷于建集成电路厂，因为一个集成电路厂就要几十亿，轻而易举就要几百亿人民币，对当地的GDP贡献很大。但它往往不会去想它。中国这样的国家，总是和产业链的中下游打交道，那么你把自己框在一个产业链的中下游吗？所以中央也提出要创新发展。创新在哪里？逆流而上，所以我们说，我们经常要逆流而上。

(4)人才匮乏。

我们的芯片应该发展自己的设计产业。芯片设计是一种高科技，人才成为重要的制约因素。

瓶颈在哪里？不仅质量满足不了需求，现在连数量都满足不了需求。最直接的影响就是我们整个半导体行业现在都在互相挖人。如果从事芯片，现在跳槽肯定能找到不错的收入，因为工资可以翻倍。

我们做过一个统计，中国大陆从事芯片设计的工程师平均工资已经比台湾省高了。说实话，我们的能力还不如台湾省的工程师。这是什么意思？我们做的产品没有别人好，但是我们的成本比别人高。这种情况并没有得到缓解，所以我们人才队伍的短缺是很可怕的。

两年前，我们在人才培养上遇到了一个不大不小的麻烦，就是很多同学毕业后都去投融资了。当然我自己的学生也有出去投资当官的。我总是说，如果是这样，为什么要学集成电路这么多年？还是他们对芯片的重要性和芯片本身的无穷魅力认识不够？他只是把它当成一门学问来学。当你真正对芯片、集成电路及其内部的东西，以及其外部的发展影响有了深入的了解，那么你就会知道，掌握集成电路芯片可以带来如此大的主动权。

需求旺盛，供给不足，是我们中国芯片行业面临的挑战。这是一个现实问题，也是我们下一步做供给侧结构性改革时关注的一个点。

如果你以后从事芯片技术，我相信从我今天的演讲中，你至少可以把握几个重要的点:第一，我觉得芯片的发展很可能不会以人的意志为转移，继续下去会成长一百年；第二点，芯片的开发并不容易，没那么简单，需要很高的投入，需要我们长期坚持。一百年不只是一个数字或者一年，而是一种长期的坚持才会有结果。