2024年10月12日,应中国科学院大学人文学院邀请,UCLA电子工程系博士,中国电子科技集团公司某所所长、集成电路与微系统全国重点实验室主任,蔡树军所长为中国科学院大学师生带来明德讲堂M999期讲座。讲座设有主会场:中国科学院大学雁栖湖校区教一楼009;另设有分会场:中国科学院大学玉泉路校区人文楼报告厅。尚智丛教授主持本场讲座。
本场讲座聚焦于半导体芯片技术及其影响。蔡树军所长为国科大学子们介绍了芯片的研发历程,回顾了大国间芯片战争的过往,剖析了芯片产业链的全球化分工格局及逆全球化浪潮对半导体产业的影响,对半导体领域的发展提出了4项基本判断,并针对中外现状探讨了相应的应对策略。
蔡所长指出,芯片是当今大国争夺和博弈的焦点。一方面,芯片具有显著的重要价值,半导体芯片的应用呈现出广泛性、渗透性及不可替代性,身处信息社会中的人们都离不开半导体。蔡所长强调,芯片是现代信息社会的基石,不仅广泛应用于电子产品与工业生产当中,还应用于国防事业当中,称为“能打仗,打胜仗”的基本保障。因此,重要国家开始将半导体视为不仅是社会繁荣的关键,也是政治未来的关键;另一方面,半导体芯片的制造难度大,半导体芯片技术是当前世界持续高速发展时间最长、投入最大、最为先进和复杂的技术。蔡所长指出,根据摩尔定律,半导体技术的更新速度会越来越快。单个芯片内包含的晶体管密度会越来越大,布线将越来越复杂(例如,苹果A14处理器晶体管数量已达到118亿个,每平方毫米有1.34亿只晶体管)。同时,半导体芯片的制造涉及近千种极为纯净的材料和极为精密尖端的设备与仪器,需要依靠先进工具。半导体芯片制造的重复性、稳定性和一致性要求则导致成本控制越来越难,需要依靠更强的技术能力。事实上,在0.33微米制程到3纳米制程时代,能够提供半导体芯片代工服务的企业已由22家缩小到台积电与三星2家。因此,蔡所长认为,当前的半导体芯片产业进入门槛高,高端制程垄断格局基本形成。此外,蔡所长还强调,产业链的全球化分工是当前半导体行业的显著特征。一个典型的芯片制造历程往往始于美国加州的工程师团体,之后从日本购买超纯硅片及专用气体等材料,并在台湾进行加工(其设备来源于荷兰、日本和美国的公司),接着由东南亚或中国的工厂进行封测(设备来源于日本、美国与欧洲),最后由中国一家组装厂组装为手机或电脑的电路板。
由此,蔡所长回顾了半导体芯片的技术历程。在二战中,电子计算机的研发开启了半导体技术之路,通过使用真空管,科学家们得以对计算机进行重新编程。1945年,针对真空管的不足之处,威廉·肖克利(William Shockley)提出了“固态开关”概念。1947年12月,在肖克利理论的影响下,沃尔特·布喇顿(Walter Houser Brattain)与约翰·巴丁(John Bardeen)搭建了第一个晶体管模型。1958年,TI的杰克·基尔比(Jack Kilby)在锗片上制作多个台面的晶体管,并将之命名为“集成电路”。1959年,仙童的罗伯特·诺伊斯(Robert Norton Noyce)独立发明了基于金·霍尔尼(Jean Hoerni)发明的平面工艺的集成电路。另一方面,1957年杰伊·莱思罗普(Jay Lathrop)与詹姆斯·纳尔(James Nall)发明了光刻技术,从而为微型晶体管的大规模生产提供了技术支持。20世纪70年代,琳恩·席维(Lynne Seavey)与卡弗·米德(Carver Mead)起草了一套数学“设计规划”为通过编写计算机程序而进行自动化芯片设计复杂电路铺平了道路。
蔡所长指出,在半导体技术蓬勃发展的同时,围绕芯片产业的国际博弈也越发激烈起来。在军事方面,“芯片战争”主要表现为美苏之间的竞争。20世纪70年代,美国第19任国防部长威廉·佩里(William James Perry)提出,美国应当利用半导体技术优势“抵消”冷战中苏联武器数量优势,并通过半导体芯片实现更好的武器指导、通信、指挥与控制,这便是美国首次“抵消”战略。在这一战略的指导下,TI的韦尔登·沃德(Weldon Ward)利用一个简单的激光传感器和几支晶体管制作了最早的激光制导炸弹,该武器在越战后期成功投入使用。同一时期,苏联也意识到晶体管与集成电路在军事层面的重要性。1962年(基尔比制作出首个集成电路的四年后),尤里·奥索金(Yuri Osokin)研制出苏联第一块集成电路原型。1959年,克格勃成立T局,其任务是“获取西方设备和技术,提高其生产集成电路的能力”。1963年,苏联硅谷,即泽列诺格勒,开工建设。这一时期的苏联主要执行了“复制”策略,即“复制它,一一对应,不能有任何偏差”。然而,随着20世纪80年代末,奥索金被里加半导体厂解雇,苏联的半导体事业最终落后于美国。蔡所长认为,这一方面是因为忽视消费市场,过度依赖军事客户,另一方面则是源于苏联缺乏国际供应链支持。这之后,芯片在各个地区冲突乃至战争(例如,海湾战争及俄乌冲突)中都发挥了重要作用。因此,蔡所长指出,任何大规模冲突中行使军事和经济力量的能力取决于一个国家在半导体供应链中的地位;在经济方面,“芯片战争”则表现为美日之间的竞争。在20世纪70年代到20世纪80年代,日本的半导体芯片技术快速发展,并在DRAM和光刻机方面取得了领先地位。1976年,日本突破1Mb DRAM。1980年,惠普高管安德森发表报告认为,美国芯片的故障率是日本芯片的四倍。从1974年到1984年,Intel DRAM的市场份额由巅峰时期的82.9%,下降至只剩1.7%。与此同时,尼康公司通过对美国GCA光刻机的逆向工程,生产出平均无故障时间更多的光刻机,该款光刻机的市场份额很快便超过了GCA光刻机。在这一背景下,美国感受到日本在半导体行业的威胁。1987年,诺伊斯、基尔比与国防工业专家、国防部官员在内“国防科学委员”商讨对策,并形成了《关于国防半导体依赖性的报告》;1986年、1991年,美日分别达成两次《半导体协定》。最终随着1990年日本金融市场崩溃,经济陷入严重衰退,日本的半导体产业也逐渐退出了竞争的擂台。蔡所长认为,在这一场芯片战争中,日本由于忽视创新、误判趋势及过度投资而逐步走向失败,美国则出现了英特尔公司的自我“颠覆”(由DRAM转型微型处理器)和美光的“背水一战”(凭借创造力和削减成本)。同时,这一场的芯片战争还产生了一位意外赢家——三星,在美国的支持下,三星于1998年取代日本成为世界上最大的DRAM生产国。
回到当今,蔡所长提出了他对半导体领域的四项基本判断:
(1)传统的摩尔定律已经接近尾声。蔡所长提出,以单位面积内集成更多晶体管为标杆的传统摩尔定律将会终结,以单位体积内实现更多的晶体管/功能将成为新的标杆。虽然能够替代硅的后摩尔定律时代的半导体晶体管技术尚不明确,但就发展趋势而言,晶体管将继续缩小,CMOS单元结构将由平面转向立体并同步缩小;
(2)大量硅集成电路工艺将以成熟的状态延续。蔡所长认为,摩尔定律的终结不意味着硅集成电路的终结,硅集成电路将以成熟的状态存活下去,其工艺将更加成熟。同时,他指出,性价比最高的工艺节点不一定是最先进的2纳米工艺节点,而最适合的工艺节点才会是最好的工艺节点;
(3)AI赋能新的设计工具。蔡所长指出,随着人工智能的发展,新的设计手段将会出现,设计流程也将再造,需要注重多维度协调优化。此外,他预测半导体领域将出现更多、更好用的设计工具,电路设计也将趋向于平民化。在未来,如何用好成熟工艺线将成为主流;
(4)新的封装技术将是未来热点。蔡所长认为,随着3D封装技术的发展,半导体芯片将在单位体积能实现更多功能,并在芯粒化、光电集成、晶圆级集成等方面取得相应进展。
综上,蔡所长对中外半导体技术及产业现状进行了评估。他认为,中国半导体技术进步明显,但总体上离预定目标有差距。具体来说,中国半导体自主保障率仍不足,在EDA/IP、逻辑芯片、泛模拟芯片、存储芯片、设备、材料、突破制造等领域与美国、东亚及欧洲仍有一定差距(在封测方面则有一定优势),中国的光刻机技术也有待进一步发展。
但与此同时,蔡所长也指出,新一轮的芯片战争已经开始。随着逆全球化趋势的加剧,各国高度重视芯片的本土化进程,并积极推进相应战略及法案的制定与施行,加快布局新厂,并在半导体产业链中推进“去中国化”。美国还提出了新的“抵消”战略,由DARPA启动了“电子复兴计划”,并在国会通过了芯片法案。在蔡所长看来,面对这一局势,中国半导体产业面临的问题主要在于国内与国际先进制程之间缩小差距的难度在加大,同时,在IC设计、芯片制造及封装测试三大核心环节及辅助链方面(尤其是制造环节),中国仍需创新。因此,他强调科技自立自强是根本出路,应当集中优势力量,着力解决最大痛点。芯片制造能力体现国家实力,设计海量关键核心技术,应当牢记“关键核心技术是要不来,买不来,讨不来的”。此外,还应当重要人才,重视基础。在商用芯片领域,中国应当强化自身在全球半导体产业链中的强项,争取相应的话语权,并在国家政策层面,充分利用市场配置资源杠杆,从而致力于“坚持开放、坚持合作、坚持互利共赢”,努力扩大朋友圈;在国安芯片领域,中国应当坚持底线思维,“不惜代价”地实现自主保障,并立足现状,补齐短板,提高抗风险能力,摒弃只有最先进工艺节点才能设计出“能用、好用”装备的思维。
蔡树军所长的讲座深化了国科大学子们对半导体芯片技术与半导体产业的理解,他提醒每一位同学,要客观认识中西差距,既不能盲目自大,也不能妄自菲薄;要保持战略定力,在半导体产业链的“修长板”“补短板”之路上,久久为功;要对半导体产业前景保持乐观,未来的半导体领域仍大有可为;要意识到在作为人类共同财富的半导体技术领域中,应当有来自中国的更大贡献。
讲座最后,同学们积极地与蔡树军所长进行交流。在同学们热情洋溢的掌声中,主持人尚智丛教授向蔡所长颁发了明德讲堂纪念证书,明德讲堂M999报道:“浅谈芯片战争”就此落下帷幕。