清华大学微电子学研究所所长魏少军：芯片技术尚不可替代 摩尔定律将长期有效

每经记者 李少婷    每经编辑 卢九安    

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集成电路技术发展数十年至今，带来了巨大的变革，也成为国家间竞争的重要砝码。过去两年间，从“中兴禁芯”到华为被美国纳入实体清单，芯片的重要性被国人广泛认知。

近日，美国方面可能会限制包括台积电在内的芯片制造商对华为供货的消息，又再次引起人们对芯片产业的关注。

“芯片是大国间竞争的制高点，芯片技术和产业的发展必然成为国家战略。”4月1日晚间，清华大学微纳电子学系主任、微电子学研究所所长魏少军在清华大学五道口金融学院联合每经智享会推出的“五道口在线学习计划”上表示。

他指出芯片是技术创新的高地，虽然芯片产业现有技术路径面临着物理、功耗等极限问题，但摩尔定律将长期有效，在可预见的未来，尚没有能够替代集成电路技术的其他技术出现。

新技术因芯片而生，老技术因芯片而亡

作为最为知名的产业发展定律，摩尔定律指引了芯片产业50余年的发展.截至2019年年底，按照这一定律，一个芯片上已经可以集成687亿个晶体管，这是一个天文数字。

“由于摩尔定律，我们将会重建所有的物质性基础设施。”魏少军表示，由于人们认为摩尔定律在物理上可以实现，并对此深信不疑，于是就努力地按照摩尔定律发展，使得芯片技术长期以不可思议的速度发展，才取得了今天的辉煌成就。

芯片也颠覆了不少产业的发展。魏少军以胶片巨头企业柯达的兴衰为例，这一创立于19世纪晚期的企业，因不敌数码相机技术的发展，在2012年申请破产保护。

“新技术因芯片而生，老技术因芯片而亡。”魏少军表示，任何芯片能够参与竞争的技术，最终这些技术都不可避免成为失败者，而如精准农业、超高清电视、人工智能等前沿技术的发展，都离不开芯片。“不论是青年学生还是投资人和创业者，如果发现你做的这件事情最终可以被芯片所替代，那你就赶快去做芯片。”魏少军幽默地说道。

魏少军认为，芯片在新一代信息技术中扮演着决定性的赋能作用，是支撑数字经济发展的基础，在可以预见的未来，尚不会出现能够替代集成电路的其它技术。即使出现了，也需要数十年的时间和花费十数万亿美元才能替代今天的集成电路。

现行芯片技术路径存在四大极限

摩尔定律失效的说法在近年来甚嚣尘上。但魏少军表示，摩尔定律将长期有效：就当今的技术路径而言，在尺寸上我们已经达到7纳米，5纳米将很快到来；而利用二维材料，人们已经制备出了1纳米的晶体管，至少在未来很长一段时间内，我们目前技术方向仍然看不到尽头。

但魏少军也表示，现行技术路径主要有四大极限，分别是物理极限、功耗极限、工艺极限、经济极限。

物理极限即是最小尺寸，就现行技术而言，如果材料上没有突破，最小尺寸可能就在1纳米左右，因为1纳米之后，将无法控制电子使其有效传输，可能会出现漏电现象。

功耗极限是指耗电量将达到极限。在一个小小的芯片上，几十亿、上百亿的晶体管集中在一起，尽管每个晶体管耗电极小，但累计起来仍是非常大的耗电量。如果不加控制，芯片的耗电量将一直上升。以家用电熨斗为例，其功率密度为每平方厘米5瓦，而现在的芯片的功率密度在每平方厘米十几瓦乃至几十瓦的水平。

工艺极限意味着现有工艺和材料难以满足芯片技术的发展需求。由于目前的工艺已十分复杂，工厂每次能够同时开工制造的产品数量是有限的。此外，芯片技术已使用了元素周期表中的相当一大部分的元素，材料的发展也制约着芯片技术的进步。芯片技术的发展，已经不再是芯片技术本身，而是多学科交叉融合发展。

经济极限是指未来经济可行性。建设一个集成电路制造厂的成本，从65纳米时的25-30亿美元，到22纳米时的80-100亿美元，再到14、16纳米时的120亿-150亿美元，尽管已经较早期预测的成本低了很多，但仍然是个庞大的数字。而芯片成本的上涨将附加到最终产品中，必须要考虑到消费端的接受能力。

呼吁加大国内芯片研发投入

芯片技术之复杂，进入门槛颇高，加之芯片技术非常重要，使其已成为全世界竞争的产业制高点。又因芯片技术本身的发展有很强的业务属性，因此也成为了全球化最为彻底的一个产业。

全球半导体的发展在2019年出现了一次衰退，市场规模下滑12.1%，是2001年后的最大一次衰退。中国是最大的新兴市场，2019年消费占总比35.1%。2019年，中国的半导体产业增长了16.2%，第一次在设计、制造、封测环节的销售额都超过了2000亿美元。魏少军评价称，中国的发展在全球范围内仍然是可圈可点的。

但从自给自足的能力而言，我们使用的芯片仍有70%需要进口。包括服务器CPU、个人电脑CPU/GPU等市场占有率均为0（四舍五入）。而美国有50%的芯片销往中国，中国市场是美国最大的半导体市场。

美国芯片产业为何有这么强的能力？魏少军介绍，美国在芯片产业的研发投入是美国之外其他国家的两倍，美国芯片企业的毛利率可以达到62%，而中国大陆地区的芯片企业的毛利率与此相差甚远。

产品销售的利润规模不大，就难以提升研发投入的强度和规模，这将形成恶性循环。“只有大幅加大研发投入，使我们的技术和产品进一步提升，我们才有可能打破现在的怪圈，才能发展。”魏少军表示。

目前，我国正通过国家集成电路产业投资基金加大对芯片产业的资本投入，魏少军呼吁加大芯片产业研发投入，“从2014年开始，我们半导体的支出开始慢慢增加，但是资本投入并不代表研发投入，我们现在研发投入还是不够的”。

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