中国芯 世界梦
2018年，“中兴事件”引起了大家对中国芯片制造的极大兴趣。最近这几年我国芯片产业发展得很快，华为推出的芯片震惊了世界，使得我国自主设计研发的芯片与芯片技术强国的差距迅速拉近。当然，芯片对我国来说还是一个“卡脖子”工程，那么芯片究竟是怎么一回事？离世界先进水平还有多大的差距？我相信大家一定很感兴趣，下面就请听我的讲解。
习总书记在党的十九大报告中提出，加快建设制造强国，加快发展先进制造业，促进我国产业迈向全球价值链中高端，培育若干世界级的先进制造业集群。这就是我国科技产业未来若干年的一个行动纲领。集成电路产业是支撑经济社会发展和制造强国建设的战略性、基础性和先导性的产业。特别是近几年，2017年是集成电路发明60周年，2018年是我国改革开放40周年。此时，全球的半导体产业格局也在发生比较深刻的变化，这对于我国是一个难得的机遇。
一、芯开创，新纪元
首先给大家讲一下什么叫集成电路，在座的很多同学都是大一新生，刚刚从高中过来，可能还不太清楚。集成电路就是通过一系列的特定微纳加工工艺，将晶体管、二极管等有源器件（需要一颗电源驱动工作的电子器件）和电阻、电容、电感等无源元件（不需要添加电源的电子器件），按照一定的电路互连并集成在半导体晶片上，能够执行特定功能的电路或系统，英文叫Integrated Circuit，即IC。
半导体和集成电路是不是一码事呢？它俩有相关性，但却是不同的概念。什么叫半导体？半导体特指一类材料，它的电阻率介于导体与绝缘体之间。什么叫导体？导电性很好的材料。绝缘体导电性非常差，半导体导电性在两者之间。典型半导体是硅、锗、砷化镓（GaAs）、氮化镓（GaN），后面我再跟大家讲。半导体是制造集成电路芯片所必需的材料。
芯片和集成电路是不是一码事呢？有关联，但严格意义上来讲，它们又不是一码事。芯片可以作为集成电路的载体，是集成电路经过设计、制造、封装、测试后的结果。广义上，只要是使用微细加工手段制造出来的半导体片子，都可以叫作芯片，但却不一定叫集成电路。举一个简单的例子，很多电源芯片里面就只有一个器件，并不是非常多的器件连接在一起，可以叫作芯片。但要很多不同器件通过互连工具连到一起，那才叫IC。
1947年，美国贝尔实验室成功研发出世界上首款晶体管。晶体管的发明开了微电子学科的先河。非常著名的仙童公司的意大利人巴丁、肖克莱、布拉顿发明了晶体管。在晶体管之前，其他人搭建电子系统，一般要用到电子管或者真空管，它们也是开关的器件，相对来说非常容易损坏。晶体管寿命长，耗电少，体积小，所以迅速占领了市场，也为集成电路的诞生吹响了号角。
集成电路第一发明人，在我的认知里是在1968年，由德州仪器（TI）的Jack S.Kilby（杰克·基尔比）博士发明的。他把两个器件形成一个反向器，最简单的集成电路就形成了。由于这个电路的发明，他得到了2000年的诺贝尔物理学奖。
而仙童公司的Robert N.Noyce（罗伯特·诺伊斯）也声称他是第一个发明集成电路的人。IC是一个伟大的发明，谁是第一发明人引起人们极大的关注。实际上Robert N.Noyce这个人，主要是硅平面工艺的集成电路专利，该发明更加适合集成电路的大规模量产，和Kilby两个人是平分秋色的。但是从第一个人的角度来说，确实是Kilby把两个单独的器件集成在一块，变成一个电路，所以Kilby拿到了诺贝尔奖。
这是集成电路和产业发展的一些里程碑。可以看到，最早是十个以内器件在一个电路上。到今天，台积电、三星、英特尔都已经进入新纳米的时代，集成电路的晶体管数目达到100亿级，所以现在才有各种手机、机器人所需的各种芯片。这是全人类投入大量的资源、大量的资金、大量的优秀人才所取得的成果。到现在技术已经达到14nm，甚至10nm以下，10nm什么概念？10nm其实是几十个原子层的厚度，惊叹吧？
从投入半导体的材料来讲，可以分为第一代、第二代、第三代。第一代半导体材料以半导体的硅和锗为主，第二代半导体材料以GaAs和InP为主，第三代半导体是以GaN、SiC为主，也叫宽禁带半导体。这三种材料，它不是第二代代替第一代，而是按照时间出现的顺序分为三代。它投向市场应用的时间成为一个个里程碑，但并不意味着第三代半导体出现后，第一代、第二代材料就消失了，其实目前还是以第一代半导体硅材料为主来支撑IC发展。
在信息化时代，信息产业将成为关键资源，尤其是进入21世纪后，信息成为第一生产要素，同时也构成了信息化社会的重要技术物质基础。按照一些专家的说法，当前全球正处于信息化初期。信息化时代的特点包括智能化、电子化、全球化、非群体化。非群体化就是会作为个体接收到各类信息，现在处于初期的信息设备，随着科技发展会进一步进入信息社会。随着5G、AI、大数据、AR、VR的实现，会逐渐迈入更完全的信息社会。
二、芯特点，新规律
在第一部分给大家讲述了集成电路发展的历史，第二部分给大家介绍集成电路发展的特点和规律。集成电路是信息社会发展的基石，它的技术水平和发展规模成为衡量一个国家产业竞争力和综合国力的重要标志。集成电路是信息产业的基础，没有集成电路就没有信息产业，也就没有现代化社会，集成电路是最能体现知识经济特征的产品。集成电路是国民经济和社会发展的基础性和先导型产业，是培育战略性新兴产业、发展信息经济的重要支撑。集成电路兼具战略性和市场性的双重特点。集成电路在信息社会中维护国家安全，武器装备、航天、卫星离不开芯片，它是绿色经济的技术支撑，是互联网、物联网的核心。
当前，集成电路产业的发展特点是产业规模迅速扩大，技术日新月异。现在一个芯片有多种功能，像打电话、照相、录音、各种通话都可以通过一个芯片去实现。当然集成电路的产业发展确实也呈周期性的波动，即硅周期。它主要是供求关系所导致的。这个符合人类社会的经济规律，供过于求，产品就便宜一点，供不应求产品就贵一些。最后一个特点，它是各国政府高度重视的产业，产业有市场性的特点，但绝对不是纯自由的市场规律决定的。美国白宫2017年发布了半导体战略委员会的声明，第一句话就说明半导体产业从来不是一个自由市场。美国、日本、韩国等国家和我国台湾地区的集成电路产业都是靠政府大力扶持才发展起来的。集成电路产业的发展是四轮驱动，技术、市场、资本、人才。人才是技术创新的核心要素，没有大量的资源投入是培育不了高端的集成电路所需要的人才的。
摩尔定律大家都耳熟能详，摩尔定律是戈登·摩尔提出的。仙童公司裂变出来一个公司叫英特尔。英特尔公司大家也很熟悉，戈登·摩尔是英特尔创始人之一。他曾经提出，“最低元件成本下的复杂度大约是每年增加一倍”。这是最初的摩尔定律。1965年修订为：“复杂度每2年增加一倍”。现在经常有人说，“集成电路集成度每18个月翻一番”是摩尔定律的描述，其实摩尔本人也特别发出声明，他从来没说过18个月翻一番。现在基本上是每2年翻一番。
刚才讲到集成电路有一个周期性变化，称为“硅周期”。它大概每10年呈现一次M形的变化。它目前几个比较大的周期，包括日本经济衰退、亚洲金融危机，世界经济衰退、全球金融危机都是相关联的。大家可以看到集成电路从某一方面也决定了全世界的经济发展。
基本上半导体产品的制造技术也是约每10年进入一代，这一代被称为光刻，同学们在后期如果学习微电子专业，就会知道什么叫光刻。光刻的光源可以看到每一代是不一样的，从汞灯开始，它的g线光源的波长大概436nm，i线365nm，而其他光源，例如，KrF 248nm，ArF 193nm，不同的曝光光源它的波长可以决定的印刷，就是光刻的最小间距，到现在EUV它的波长大概是13.5nm。随着这些技术代的进步，可以把芯片做得越来越精细。每个典型的微电子产品从研发到量产也需要耗费大量的心血，大概需要10年的时间。
驱动集成电路市场的引擎，同样大概是每10年产生一次新的变化。大概是大宗性计算机驱动集成电路的发展，或者集成电路来使这个市场经济繁荣，PC时代它的市场规模呈10倍的增长，PC时代大于1000亿美金，到移动通信时期大于2000亿美金，再到现在3000亿美金泛网时代。
集成电路尺寸越来越小，达到7nm、5nm，但器件缩微化肯定会停滞，这是毋庸置疑的，不过不代表集成电路和芯片没有发展。现在提出来“超越摩尔定律”，就是在小型化的基础上，集成不同功能在同一个芯片上，比如说射频、通信、无源元件、高压高功率、传感器、生物芯片。这是驱动集成电路芯片继续发展的另外一个维度。
下面介绍一下集成电路产业链的构成。先来看几个概念，一个叫Fabless，统称为无生产线的纯设计企业。而IDM是集成器件制造商，它既设计又制造。Fabless一个典型的企业就是苹果，它自己没有晶圆生产厂，主要靠外面代工，如靠台积电、三星、英特尔等企业。而IDM典型商家代表是英特尔，它自己又做设计又做生产。IP是知识产权。Foundry就是纯粹的晶圆代工厂，它们自己不设计芯片，没有自己的芯片，没有自己的商标。世界上最大的晶圆代工厂是台积电。我国最大的晶圆代工厂是位于上海的中兴国际，在深圳坪山也有生产8寸片和12寸片的分厂。
刚才给大家讲了摩尔定律和超越摩尔定律，特别是一个叫国际半导体技术路线图的发布，发布一些文件来阐明下一步集成电路朝哪个方向发展。2015年发布了ITRS 2.0版本。2.0版本主要包括7个部分，超越摩尔是其中最重要的一部分。ITRS 1.0主要着重于摩尔定律本身的器件缩微化，2.0以功耗限制为核心，去除了器件缩微化的关注点，主要在很小的功耗情况下实现多功能，是以低功耗为特征的新型计算。
据2017年全球半导体企业的排名，包括刚才讲的Fabless和Foundry，就是设计企业和制造企业排在一起，可以看到没有一个中国大陆的企业进入前10的名次。而在IC设计行业华为的海斯半导体占据了第7名，Unigroup（紫光集团）第10名。第1名是Qualcomm（高通），MediaTek（台湾联发科技股份有限公司）是第4名。
目前也在一些发展方面面临挑战，例如在14nm节点研发一个芯片的全部成本将达到1.5亿—2.0亿美元，要收回研发成本大约需要销售3000万颗芯片。所以基本上很多人在预测，28nm是最经济的节点，对于很多IC设计企业它的性价比最优。但是随着人们对更高性能和功能的需求不断提高，技术还是要接着往前走。另外，随着技术代的前进，先进的代工资源不断减少。全世界目前有能力提供28nm产能的企业有多家，到了22nm就缩减了很多，到14nm和16nm很多企业就不在榜单上了。
三、新核心，中国芯
新中国成立伊始，中央政府就对集成电路的发展非常重视。1956年，周恩来总理就发起了向科学进军的口号，1959年，林兰英等老一辈科学家做出了半导体材料。中科院半导体所是1960年成立的，随后，江阴晶体管厂、中兴半导体、台积电、上海华虹NEC和中芯国际等公司陆续成立。中芯国际现在是我国最大的晶圆代工厂。国务院2014年发布了《国家集成电路产业发展推进纲要》，国家集成电路产业投资基金成立并有了数千亿元人民币的规模。
中央政府不断发布各类推进规划促进集成电路行业的发展，从863、983，六五科技攻关、七五科技攻关、八五科技攻关，到908、909。相关部门也出台了很多产业政策，包括2014年的《国家集成电路产业发展推进纲要》《集成电路发展企业所得税优惠办法》。特别是2014年集成电路产业基金的成立，第一期1000多亿元已经投入完毕，现在已经在执行第二期规划。各地方政府包括陕西、北京、河北、江苏也都推出自己配套的基金来支持集成电路的发展。之前深圳主要是依靠纯市场推动，政府的作用并不是非常大，但是最近深圳政府也出台了政策，集成电路规模在大幅度增加。2017年，中国集成电路产业销售额达到5411.3亿元。我国第一大进口额不是石油，而是集成电路。2018年超过3000亿人民币的进口量，这个量占用了我国大量的外汇。我国集成电路产业效益达5400亿元左右。
我国集成电路发展的特点是产业规模持续增长和产业结构趋于合理，发展环境不断完善，核心地位日益突出。中兴事件客观上对全民做了一次集成电路科普，所以现在从政府到老百姓，对集成电路都是有所认识的。产业发展的积极性高涨，技术也在稳步提升。
虽然总体上看，我国集成电路有了一些进步，但是要清醒地认识到中国制造业整体上是大而不强。集成电路每年进口3000亿元，我国自产的才能满足需要量的1/10。在此背景下，我国出台了《中国制造2025》，特别提出来将推动集成电路及装备发展作为突破口。集成电路助推中国智造的核心地位日益凸显。集成电路包括新能源、互联网，各个方面都是核心，都是引擎，没有集成电路就没有新信息，没有新信息就没有机器人，也不会有互联网这个产业，集成电路差不多是所有新兴产业最核心的一个基础。
国产的集成电路，实际上非常难以满足实际需求，大家可以看到从信息MPU、可编程逻辑设备，到通信设备，通信设备因为海思存在稍微好一点，这是唯一一枝独秀的细分领域。从闪存到动态输出，绝大多数的核心集成电路都是需要进口、受制于人的，我国完全没有任何能力去生产。
习总书记多次强调，创新驱动实际上是人才驱动，发展集成电路产业，人才是核心要素。谁掌握人才，谁就能站到集成电路产业金字塔的顶端。到2020年前后，我国集成电路行业人才需求预计规模约为72万人，而在2017年年底，人才存量仅40万，缺口达到32万人。从城市分布来讲，一线城市集聚较多，深圳是全国电子产业的龙头城市。
有关集成电路产业人才政策我国也在不断修改和发布。2015年，六部委联合发布《关于支持有关高校建设示范性微电子学院的通知》，我校作为非常年轻的高校，现在的微电子学院已经入选了国家示范性微电子学院，这体现了学校的发展速度。2018年政府工作报告再次把推动集成电路产业发展列在实体经济发展的首位来强调。
集成电路学科是多学科交叉、高技术密集的学科，相关专业包括微电子，集成电路设计、集成、制造，紧密相关专业包括电子、电器、光电、计算机、通信、化学、材料、机械等。目前我国开设微电子相关专业大概情况如下：只有100多所高校开设，有28所高校拿到了国家示范微电子学校的排名，毕业生人数每年4000到5000人。研究生和本科生几乎是1∶1的比例，多数本科生都会选择继续读研究生。总体就业率从国家示范性微电子学院情况来看，接近100%，只要你想就业，总是会有理想的工作等着你。
南科大深港微电子学院已经被正式列入国家示范性微电子学院，学院目标是汇聚粤港澳大湾区优势技术资源，解决集成电路产业发展的“卡脖子”问题。现在与我校建立合作关系的高校有港科大、港大、澳门大学。全国只有两个国家级的重点实验室，一个在复旦大学，另外一个就在澳门大学。澳门大学IC设计是全世界顶级的实验室，包括北大深研院都和它有联合办学的协议。
2018年6月1日，港科大校长和我校陈十一校长正式签约筹建深港微电子学院，包括2018年12月与ARM中国共建中国先进芯片设计联合实验室。现在南山区非常支持，拟建7万平方米的新校区。特别是2018年12月份，我们微电子学院已经招收了第一批深港澳实验班，一共招收了36名学生，他们平均GPA是3.7，2019年也招收了首届的20名硕士和10名博士研究生。
四、中国芯，世界梦
我们要不断提高集成电路技术，促进集成电路产业发展，在信息社会发展中实现中华民族的伟大复兴。
基础研究推动了集成电路产业发展。20世纪最伟大的发现是量子理论与相对论，推动了现在的信息社会的产生，基础研究可以直接推动产业的发展。还有，表面态理论推动晶体管发明，氧化物理论促进MOSFET（金属氧化物半导体场效应管）技术成熟。特别是一些大学实验室，BEL实验室完全是一个研究所，它发明的FLASH是存储器的基石。集成电路发展离不开基础研究。之前的是微型化、缩微化、多功能化，现在系统要从功耗和拥有双系统两个角度来做。包括多样化应用、非经典器件的应用，非冯架构，要做其他的架构来实现更多的功能。
我国集成电路研究院所有40多所。在IEDM（国际电子设备大会）、VLSI（超大规模集成电路）等会议上发表文章已逐渐成为常态，成果转化率也在逐步提高，在多个领域基础研究的国际影响力不断提升。特别是国内很多高校基础研究成果也都被融入先进节点的技术，比如说栅介质缺陷表征，被中兴国际采用，还有FinFF老化模型被Cadence（铿腾电子科技有限公司）采用。当然也存在很多问题，集成电路与产业的集合度仍需要提高，产业模式创新、基础研究创新也需要加强。在未来，我国可以布局的几个方向可以与世界同步，甚至领跑全世界。
第一个是人工智能方面。人工智能芯片方面，美国对中国有着非常大的戒备，特别是华为华思，说明中国确实发展了很多，达到它必须重视的程度了。智能计算引擎是AI芯片的核心，满足智能计算引擎的基本要素，应该注意避免使用低效的架构。包括超高的计算能力，再生和组织能力，实现智能的能力，要安全易开发，特别是成本要低。
第二个是宽禁带半导体，也就是第三代半导体制造方面，中国也有可能实现弯道超车。宽禁带半导体主要运用于电源、互联网、智能制造、家电、功放、射频、LED。你可以通俗理解，如果作为一个人体来看，第一代半导体主要是提供人的大脑；第二代半导体提供说话、听的能力；第三代半导体提供一个人产生的动力，也就是电源。中国发展第三代半导体主要优势来自中国在应用市场领域的驱动优势，中国在应用市场上占据了绝对领先的优势。
深港微电子学院目前已经建成国家级平台和国家示范性学院，也在加快建设深圳第三代半导体学院，争取成为一个国家级的平台。还有5G中高频器件制造业创新中心，现在拿到省级的牌子，下一步希望也能变成一个国家级的平台。