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王阳元院士谈集成电路史:创新镌刻青史,探索孕育未来

2018-10-16
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日前,在纪念集成电路发明60周年学术会议上,中科院院士、北京大学教授王阳元出席并发表题为《创新镌刻青史,探索孕育未来》讲座,王阳元院士分四大部分,对我国以及全球半导体产业的过去历史,发展现状以及未来我国集成电路发展建议进行了报告。


中科院院士、北京大学教授王阳元


一、集成电路的本质和基本特性——是信息产业和社会发展的基石
王阳元院士表示,集成电路具有战略性和市场性双重特性,所以掌握好基本特点是发展集成电路非常重要的问题。

王阳元院士提到,集成电路和软件市场性可以体现在推高经济高质量发展。2006年,在美国整个半导体技术的应用节约了大概7750亿千瓦时的能源。同时预计到2030年,如果半导体节能技术金一部发展,相比2008年经济总量将成长超过70%,同时耗电量却减少了11%。

同时在战略性方面,集成电路和软件是国家信息安全的守卫者。

二、集成电路的发明
王阳元院士表示,集成电路的发明是典型的提出问题、分析问题和解决问题的科学方法。

无论是J.Kilby还是诺伊斯,当时的工作都是负责集成电路的小型化。J.Kilby在Globe-Union公司的Centralab部门负责小型化工作,1954年,Bell实验室发明了硅晶体管,由于Centralab不具备从事硅的工作条件,而Kilby希望从事前沿性的创新工作,因此1954年5月转入TI公司,继续负责电子装备的小型化。

当时的小型化工作有三种途径,分别为传统的微型化模块,薄膜技术以及分子电子学。但Kilby分析后认为,急需沿着传统的微型化模块工作,不可能降低成本,没有出路。而“薄膜技术”和“分子电子学”都离实践太遥远,所以根本的出路在于将主动与案件和被动元件“集成”在一块半导体上,采用全新的工艺才有出路,这就诞生了集成电路的发明。



正是由于集成电路的大规模发展,2015年,全球每人平均拥有1500亿只晶体管,而2010年,这个数只有100亿只/人,短短5年时间增长了15倍。

三、集成电路发展的历史是一部技术创新的文明史



王阳元院士列出了集成电路史上重要的发明人,其中有一部分重要发明是华人所创造的。

“集成电路的每项重要发明,都在改变人类的生产方式和生活方式。”王阳元院士说道,这其中离我们最近的成果就是智能手机的发明。



             探讨集成电路技术与产业发展规律

王阳元院士总结了集成电路与产业发展的几点规律:

1、资金的密集与持续投入,资金通过人才进行创新

王阳元院士表示集成电路生产线的建厂成本平均每五年增长1.5倍,工艺研发成本则是每个节点提升50%,所以想要发展集成电路产业离不开资金支持。

但其同时强调,生产建设不能遍地开花,而是需要持续的资金投入。王阳元院士举例道:“Intel、三星、台积电近几年的资本支出每年都在100亿美元左右,这相当于每年投资一艘航空母舰的资金量。”

王阳元院士表示,正是由于资金投入量太大,包括格芯等一批公司都放弃了追逐最先进技术。

2、集成电路技术从研发到量产需要10年时间


如图所示,无论是CMOS、Flash、存储器还是FinFET,都需要10年左右的历程。

3、集成电路约10年取得一代技术进步

同研发到量产的10年类似,集成电路各种技术都是10年左右发生革新。


4、集成电路产品驱动的电子系统每十年进行一次更新换代

从大型机、PC再到互联网和手机,以及现在以人为本的智能手机,基本上每十年都会更换主流的电子产品,而现在,随着新一代信息技术的发展,电子系统呈现多元化模式,包括大数据、云计算、量子计算、人工智能、物联网、智能汽车等诞生了一个个丰富多彩的子系统。而市场规模也随之不断扩展。

5、摩尔定律和统计规律

过去几十年,CPU严苛按照晶体管数每24个月翻一番的摩尔定律进行增长,而存储器则按照18个月翻一番的统计规律增长,然而现在正式到达了后摩尔时代。

王阳元院士表示,后摩尔时代包括两方面,一个是More than Moore,一个是Much Moore。More than Moore是通过SoC与SiP结合,通过集成更多非数字内容以及信息处理数字内容,延伸摩尔定律,而Much Moore则通过自组装器件,结合物理、数学、化学、生物等新发现和技术突破,另辟蹊径建立新形态的信息科学技术,以及利用量子器件、自旋器件、磁通量器件以及石墨烯、碳纳米管等,继续丰富摩尔定律的含义。

“不管哪个方向继续沿用,摩尔定律都失去了原来含义。”王阳元院士说道。

为此,王阳元院士提出了一套全新理论:“未来集成电路产业和科学技术发展的驱动力是降低功耗,而不是以提高集成度(减少特征尺寸)为节点,即以提高性能/功耗/成本比为标尺。”

四、抓住历史交汇期,发展我国集成电路产业和科学技术



王阳元院士表示,我国集成电路产业发展包括四个时期,分别是第一个失之交臂的20年,第二个是80、90年代,由于没有掌握集成电路基本特征和规律,发展迟滞。第三个是到了2000年开始,进入集成电路产业的规范发展期。第四个则是十九大以后,进入了历史交汇期。

王阳元院士用“天时、地利、人和”解读了我国现在集成电路产业的现状。

王阳元院士首先表示,集成电路产业具备如下因素,包括市场、技术、资本、人才以及机制,缺一不可。

具体来说,天时方面,2018年5月28日,习近平在中国科学院第十九次院士大会上讲话:“我们必须清醒认识到,有的历史交汇期可能产生同频共振,有的历史交汇期也可能擦肩而过。”

目前,中华民族正走向伟大复兴的道路上,信息社会将以集成电路和软件为支撑点,使我国经济在今后20年左右成为世界第一大经济体。而同时,同频共振因素是集成电路发展从摩尔时代走向后摩尔时代,新结构、新材料都有可能实现跨越式式发展。

地利方面,首先是一带一路为我国打开了合作新篇章,同时以国内而论,我国已成为全球集成电路最大市场,产业前景大有可为。

人和方面,因为人才是决定集成电路的最基础要求,所以我国正在加快集成电路人才队伍建设。根据预测,2020年我国集成电路产业需要技术人员72万,但现在集成电路人才存量仅为40万,仍有32万人缺口。预计十三五期间,可以培养7.5万人,但缺口仍存在。对此,王阳元院士建议到,一方面要想办法吸引、培养、留住人才,尤其是注重培养领军人才;第二则是建议企业从人才培养阶段就开始介入。

针对高校培养人才,王阳元院士给出了五点建议:设立一级学科——“维纳电子科学与集成电路工程”;扩大招生名额;教育体系、教材、课程设置、教学方法要进行一系列深化改革;培养方式要加强与产业结合;制定吸引人才到微电子各个产业链换届工作的政策措施。

王阳元院士强调,必须要解决“卡脖子”问题,无论是硬件(CPU、GPU、存储、模拟)还是软件(操作系统、EDA),无论是制造(10nm-7nm)还是关键专用设备和材料,都需要多点开花。

而基本建议方面,则包括:

集中人才、资金、政策相对优势,通过产学研相结合与产学联盟的方式解决问题。


防散治乱,切忌一拥而上,聚集资源,决战市场。

技术积累,重在创新,加强基础研究,基础研究10年早部署,加速科研成果向市场转化。

培育、延揽人才,构建人才体制机制创新体系,聚天下英才而用之。

加强国际合作,充分利用国际资源。

最后,王阳元院士制定了三个目标,包括2021年、2021年之后的15年以及再之后的15年三大目标,并表达了对于年轻人的希冀,足见院士对于集成电路产业的关切。







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