从2千到200亿:芯片技术到底怎样改变世界

2018-05-30信息快讯网

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最近这一段时间,很多人对芯片都不陌生,特朗普为全民科普了芯片,到底什么是芯片?它怎么样改变我们这个世界?

从柯达公司的衰落,我们可以看到芯片的颠覆性。柯达公司是做胶卷的,1881年美国人成立了一个公司,主要用乳胶涂布机生产摄影用于干版,当这个公司发展到一百年的时候,它的销售额是一百亿美金。上世纪90年代,全球十大品牌里,柯达排第四位,1997年它的市值310亿美元。但是,仅仅15年过去,2012年的1月份,它就提出了破产的申请,2013年,美国联邦法院批准了破产申请,它变成一家小型的数码影像公司,现在它的市值只有1.75亿美元。

导致柯达公司这样大的公司,一下子迅速衰落的根本原因是什么?就是CMOS图像传感芯片,由于它的发明,使得我们不需要胶卷,只需要一个感光二极管,产生电荷,被采集下来识别感光的量,我们就可以得到一个图像。因为这一技术的发明,使得全球第四大品牌公司衰落。最讽刺之处就是,发明这一技术的就是柯达公司本身,但它害怕影响胶卷销量,所以不肯产业化。后来因为技术不断进步,尤其随着微电子技术不断的发展,在这个原理上新的芯片技术不断发展,被其它公司很快掌握了,最早比较好的公司就是索尼。我们现在每个人手机里面的摄像,都是靠CMOS的图像传感器,就是这样一个芯片,所以我们现在不需要带相机了。

芯片的发明,彻底颠覆了照相这样一个产业。其实还有很多例子,我们读大学玩电脑需要拿一个很大的磁盘,后来变成小的,现在也没有了,我们现在有很方便的U盘,这都得益于芯片把这个行业颠覆了,包括磁带也不用了,现在有MP3,很多都非常方便。

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那么芯片是什么?

芯片就是以集成电路为核心的电子技术,它是在电子元器件小型化、微型化过程中发展起来的。上世纪初,一战时发明了电子管,二战结束时变成晶体管。电子管和晶体管最大的区别是电子管是真空的,它的体积大,功率也很大。晶体管固态的,由半导体来做的,把晶体管变成集成电路,是上世纪50年代初的事,后来发展为大规模集成电路,现在我们的超大规模集成电路,就是从上个世纪70年代开始发展的。

电子管是一个真空二极管,相当于一个整流作用。真空二极管到三极管,又有一个很大的突破,三极管具有放大电信号的作用,真空三极管的发明,开启了电子时代的大门。因为我们除了有整流,还可以放大信号。所以它才为我们后面的通讯、广播、电视、计算机等一系列的系统应用,奠定了基础。

第一个用电子管做出来的计算机是什么样子的?1946年,全球第一台电子计算机,生产于宾夕法尼亚大学,叫ENIAC,它由18000多个电子管组成,占地167平方米,重量30吨,几乎有半个篮球场那么大,但是他每年计算能力是五千次加法。现在任意手机芯片的计算能力差不多是每秒几十亿次。更不用说现在全世界超级计算机的CPU,可以达到每秒几万次的运算。

之所以手机芯片,运算能力这么强,是因为晶体管的发明,主要依靠三个科学家,肖克利、巴丁、布拉顿,他们研制出了一个点接触型锗晶体管,他们也因此在这项发明诞生的十年后获得了诺贝尔物理奖。

晶体管就是用小巧的低功耗的固体器件,代替原来体积大,功耗大的电子管。它的发明为集成电路奠定了基础。1958年,美国德州电器公司的工程师杰克·基尔比,成功地将包括锗晶体管在内的五个元器件集成在一起,四十多年之后,他也获得了诺贝尔奖。

芯片的发明需要提到另外一个人。在仙童公司有一个叫做罗伯特·诺伊斯的科学家,他发明出二氧化硅作为屏蔽层的隔离技术,这才是真正适合集成电路大规模生产的工艺。他是世界上第一个做出硅屏蔽的扩散技术。他创办了美国硅谷两个非常伟大的公司,一个是仙童公司,仙童公司是半导体行业的黄浦军校,另外一个是创办了因特尔公司,因特尔在三十年当中占领世界老大的位置,去年被三星抢走了。

集成电路是一个点石成金的行业,说它是印钞机,因为它的效益非常高,投资回报率很高,但这得是世界最顶尖的公司,像因特尔、三星。但另一方面,集成电路用硅来做,硅是我们用氧化硅还原成硅,原来是多晶硅变成单晶硅,在硅片经过几百到上千道工艺的加工,制造成芯片。芯片里面有几百上千的管芯,通过上面的分割,封装前切割好,也可以封装之后再切割,封装完之后做测试,最后可以拿给客户来应用。

所以你可以看到在集成电路这个产业里面,要什么芯片,实际上是用户说了算,设计公司根据用户需求设计芯片,究竟要CPU芯片,还是手机机带芯片,还是COM图像芯片,这是用户的需求。设计公司设计出来以后,交给芯片制造企业制造出来,制造出来然后封装、测试,最后变成成品,然后卖给用户。

有一个例外是因特尔公司。因特尔公司是专业化垂直分工,IDM的模式,因特尔公司是自己设计CPU,自己封装设计,自己卖CPU。中国台湾的台积电代工非常好,但是你在市场上看不到他的品牌产品,你可以看到苹果,华为、海信的产品,但是好多都是在台积电生产制造的。

在制造过程中,很多设计需要设备和工具,制造也需要设备,制造的时候同时需要一些电子材料,最后封测的时候也需要一些电子仪器和原材料。这里需要一个EUV光刻机,裸机八亿人民币,加上它的服务、软件控制,一台差不多在十亿人民币,如果是生产线,可能需要几台,这个机器是最贵的。

最典型的,最高端的CPU,其实在因特尔,上个世纪七八十年代,他们还是一个小公司,但是他们已经把两千多个晶体管放在一个集成电路里面,叫做4004,这个4004其实可以用来做计算器,也可以跟外围的电路结合起来,配一些存储器,配一个显示屏,可以形成一个电脑。实际上后来IBM就是用这样一个CPU,两千多个晶体管的4004CPU,搭了一个全世界第一台微型计算机,这个计算机可以完成一些存储指令。它的运算能力和现在你花几块钱买一个小的计算器都没有办法相比,但是当时很先进。

最典型是1985年推出的80386芯片,它是X68系列中第一个32位微处理器,开始采用Windows操作系统,性能有一个大幅度的提升。

1989年时有486,集成了一百二十万的晶体管。

2002年,已经有五千五百万的晶体管。

2006年,已经也2.9亿的晶体管在一个因特尔的CPU里面。

今天因特尔在市面上可以买到最先进的CPU,实际上有60亿个晶体管。

大家可以想像,这是一个多大的进步?这样的进步,其实相当于我们在头发丝的截面上,做五十万的晶体管。所以集成电路的加工工艺代表了人类最高水平的加工工艺。

除了CPU芯片以外,第二大类主要的芯片就是存储器,存储器有两类,一类叫DRAM,他是一个挥发性的存储器。第二类是Flash,非挥发性存储器。2017年,存储器芯片是份额最大的集成电路产品。因为全球芯片市场存储器全部涨停。

Flash最早的器件是浮栅的器件,这是1967年在贝尔实验室,他和韩裔科学家发明了浮栅型晶体管。

DRAM物理架构非常简单,但是电容有一点麻烦,当晶体管尺寸不断缩小,存储电量变小,为了保持有电,就要不断的刷新,然后功耗就会越来越大。

晶体管是1967年发明的,但真正U盘大规模是用在2002年使用,SSD、固态硬盘更晚一点。它第一次被采用集成电路产品里面更早,是上个世纪80年代末,索尼公司开发了一款游戏产品,里面用原来的存储器速度跟不上,没有办法,采用了这个,那个时候非常昂贵,并没有太多的应用。

至于应用和技术。我们可以看到CPU的应用就是个人电脑,像最早的个人计算机,PC计算机,其实是由IBM发明的,它把各个接口、组件标准化,大家只要按照这个接口去组,每个人都可以组装一个PC机。当时IBM的PC机,为什么叫PC,就是个人的电脑,就是这两个字的缩写,没有今天这么庞大的PC市场。当然现在PC机的市场已经趋于饱和了,现在人手一个手机。手机已经取代了平板、卡片机。特斯拉说自己不是一个做汽车的公司,它说自己是IT公司,实际上汽车对它来讲就是一个轮子、发动机、传统的外壳,里面主要是电子产品,可能有几百、上千个芯片,本质上是一个IT的公司,因此我们说整个汽车现在的智能化,未来包括智能驾驶全部都靠芯片来运行。

芯片的应用会越来越广泛,全球每年芯片的消费量是280亿个,我们全球只有28亿的家庭,相当于每一个家庭每年消费十个芯片。我们消费类电子、智能家居,未来出差回来之后,一下飞机可以就想要家里面,把灯打开,打开空调。

未来也可能和医疗相关,将来直接植入到人体里面,还可以随时监控身体各种各样的状况,你的血压、心跳、各项指标,直接发出来,有非常非常多的应用,比如说航空、航天、高铁,一系列高精尖的产品都会使用到它。

它的发展趋势就是速度更快、功耗更低,存储量更大,功能更强,成本更低,它的速度主要靠集成电路的尺寸越来越小。集成电路的发展的摩尔定律,在芯片发展的过去五十多年,之前是每过24个月,现在是18个月,晶体管的速度增加一倍,性能提高一倍,这是高通摩尔提出来的。

尺寸一直在减小,相当于十纳米的工艺,在头发丝的截面上,可以做出50万个晶体管。这里面带来了很多问题,这些问题靠谁来解决?一方面是工业界里解决,其实很重要是靠研究人员来解决。

有三个有代表性的案例,全部来自于高校:

第一个是应变能技术,最原始的创新来自于MIT应变物理研究。

第二是高K栅介质,这是耶鲁大学制造的,现在CPU45nm和28nm。

第三个技术来自于加州大学伯克利分校的胡正明教授,发明了Finfet,这是我们现在手机主流的技术。

复旦大学也有成果,半浮栅晶体管,这是新型的微电子器件,国际同行给予我们很高的评价,认为是高速的器件,极少的能耗。我们希望在不久的将来,大家的手机和电脑里面,都用上复旦大学的这个器件。

芯片无处不在,小到U盘、手机、电脑、电视,大到飞机、高铁。芯片技术代表人类制造最高的水平,没有芯片,其实就没有现在的生活,现在中国有四大发明,支撑这四大发明的就是芯片,芯片虽小,但被认为是大国重器。


作者:复旦大学教授 张卫

编辑:顾军

责任编辑:姜澎

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