清華大學微電子學研究所所長魏少軍：芯片技術尚不可替代 摩爾定律將長期有效

每經記者 李少婷    每經編輯 盧九安    

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集成電路技術發展數十年至今，帶來了巨大的變革，也成為國家間競爭的重要砝碼。過去兩年間，從“中興禁芯”到華為被美國納入實體清單，芯片的重要性被國人廣泛認知。

近日，美國方面可能會限制包括臺積電在內的芯片制造商對華為供貨的消息，又再次引起人們對芯片產業的關注。

“芯片是大國間競爭的制高點，芯片技術和產業的發展必然成為國家戰略。”4月1日晚間，清華大學微納電子學系主任、微電子學研究所所長魏少軍在清華大學五道口金融學院聯合每經智享會推出的“五道口在線學習計劃”上表示。

他指出芯片是技術創新的高地，雖然芯片產業現有技術路徑面臨著物理、功耗等極限問題，但摩爾定律將長期有效，在可預見的未來，尚沒有能夠替代集成電路技術的其他技術出現。

新技術因芯片而生，老技術因芯片而亡

作為最為知名的產業發展定律，摩爾定律指引了芯片產業50余年的發展.截至2019年年底，按照這一定律，一個芯片上已經可以集成687億個晶體管，這是一個天文數字。

“由于摩爾定律，我們將會重建所有的物質性基礎設施。”魏少軍表示，由于人們認為摩爾定律在物理上可以實現，并對此深信不疑，于是就努力地按照摩爾定律發展，使得芯片技術長期以不可思議的速度發展，才取得了今天的輝煌成就。

芯片也顛覆了不少產業的發展。魏少軍以膠片巨頭企業柯達的興衰為例，這一創立于19世紀晚期的企業，因不敵數碼相機技術的發展，在2012年申請破產保護。

“新技術因芯片而生，老技術因芯片而亡。”魏少軍表示，任何芯片能夠參與競爭的技術，最終這些技術都不可避免成為失敗者，而如精準農業、超高清電視、人工智能等前沿技術的發展，都離不開芯片。“不論是青年學生還是投資人和創業者，如果發現你做的這件事情最終可以被芯片所替代，那你就趕快去做芯片。”魏少軍幽默地說道。

魏少軍認為，芯片在新一代信息技術中扮演著決定性的賦能作用，是支撐數字經濟發展的基礎，在可以預見的未來，尚不會出現能夠替代集成電路的其它技術。即使出現了，也需要數十年的時間和花費十數萬億美元才能替代今天的集成電路。

現行芯片技術路徑存在四大極限

摩爾定律失效的說法在近年來甚囂塵上。但魏少軍表示，摩爾定律將長期有效：就當今的技術路徑而言，在尺寸上我們已經達到7納米，5納米將很快到來；而利用二維材料，人們已經制備出了1納米的晶體管，至少在未來很長一段時間內，我們目前技術方向仍然看不到盡頭。

但魏少軍也表示，現行技術路徑主要有四大極限，分別是物理極限、功耗極限、工藝極限、經濟極限。

物理極限即是最小尺寸，就現行技術而言，如果材料上沒有突破，最小尺寸可能就在1納米左右，因為1納米之后，將無法控制電子使其有效傳輸，可能會出現漏電現象。

功耗極限是指耗電量將達到極限。在一個小小的芯片上，幾十億、上百億的晶體管集中在一起，盡管每個晶體管耗電極小，但累計起來仍是非常大的耗電量。如果不加控制，芯片的耗電量將一直上升。以家用電熨斗為例，其功率密度為每平方厘米5瓦，而現在的芯片的功率密度在每平方厘米十幾瓦乃至幾十瓦的水平。

工藝極限意味著現有工藝和材料難以滿足芯片技術的發展需求。由于目前的工藝已十分復雜，工廠每次能夠同時開工制造的產品數量是有限的。此外，芯片技術已使用了元素周期表中的相當一大部分的元素，材料的發展也制約著芯片技術的進步。芯片技術的發展，已經不再是芯片技術本身，而是多學科交叉融合發展。

經濟極限是指未來經濟可行性。建設一個集成電路制造廠的成本，從65納米時的25-30億美元，到22納米時的80-100億美元，再到14、16納米時的120億-150億美元，盡管已經較早期預測的成本低了很多，但仍然是個龐大的數字。而芯片成本的上漲將附加到最終產品中，必須要考慮到消費端的接受能力。

呼吁加大國內芯片研發投入

芯片技術之復雜，進入門檻頗高，加之芯片技術非常重要，使其已成為全世界競爭的產業制高點。又因芯片技術本身的發展有很強的業務屬性，因此也成為了全球化最為徹底的一個產業。

全球半導體的發展在2019年出現了一次衰退，市場規模下滑12.1%，是2001年后的最大一次衰退。中國是最大的新興市場，2019年消費占總比35.1%。2019年，中國的半導體產業增長了16.2%，第一次在設計、制造、封測環節的銷售額都超過了2000億美元。魏少軍評價稱，中國的發展在全球范圍內仍然是可圈可點的。

但從自給自足的能力而言，我們使用的芯片仍有70%需要進口。包括服務器CPU、個人電腦CPU/GPU等市場占有率均為0（四舍五入）。而美國有50%的芯片銷往中國，中國市場是美國最大的半導體市場。

美國芯片產業為何有這么強的能力？魏少軍介紹，美國在芯片產業的研發投入是美國之外其他國家的兩倍，美國芯片企業的毛利率可以達到62%，而中國大陸地區的芯片企業的毛利率與此相差甚遠。

產品銷售的利潤規模不大，就難以提升研發投入的強度和規模，這將形成惡性循環。“只有大幅加大研發投入，使我們的技術和產品進一步提升，我們才有可能打破現在的怪圈，才能發展。”魏少軍表示。

目前，我國正通過國家集成電路產業投資基金加大對芯片產業的資本投入，魏少軍呼吁加大芯片產業研發投入，“從2014年開始，我們半導體的支出開始慢慢增加，但是資本投入并不代表研發投入，我們現在研發投入還是不夠的”。

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