第466期【齐悦读—线上共读—透视新科技】“齐悦读”[线上共读] 《认识芯片》
讲座题目：透视新科技——认识芯片
主 持 人：胜 春
做客嘉宾：罗 军，中国科学院微电子研究所研究员。
包云岗，中国科学院计算技术研究所研究员。
讲座时间：2023年6月19日～6月25日
（备注：讲座视频可循环播放）
透视新科技——认识芯片
讲座内容：
各位好，欢迎收看我们今天的《透视新科技》，我是主持人胜春。在指甲盖儿大小的空间当中，却能够呈现一座城市的魅力，我们把这个小空间就称作是芯片。近年来，随着我国科技不断地发展，陆续地涌现出了很多性能卓越的芯片，这也为我国芯片事业的发展提供了动力，我们通过短片，进入我们今天的节目。近年来，我国一直投入大量精力在芯片的研发工作。21世纪初“龙芯一号”芯片问世，这是我国第一枚拥有自主知识产权的高性能微处理芯片。它的出现打破了我国处理器芯片完全依赖进口的局面，并在金融、能源、安全等领域得到广泛应用。2016年，国产芯片“申威”大放异彩，它帮助我国超级计算机神威太湖之光，轻松蝉联世界超级计算机500强榜单的冠军，直至2018年6月才被超越。2020年，继北斗卫星全球组网成功后，我国自主研发的北斗高精度定位芯片也正式亮相，可以帮助使用者实现厘米级的高精度定位。芯片这个我们耳熟能详的产业，为何引起我国如此重视，它又将如何影响我们普通人的生活呢？
首先，我们还是给大家介绍一下，我们今天请来的两位科学家，第一位是来自中国科学院微电子研究所的研究员罗军，接下来一位是中国科学院计算技术研究所的研究员包云岗。芯片这个词，这些年我们太熟悉不过了，可是芯片到底是什么？芯片，实际上它是一个统称。学术上它叫集成电路，就相当于是把很多的这样电子元器件集成到一个硅片里面去，所以这样的话，我们在一个硅片上，它就可以完成很多的我们这种电路的功能。我们今天说这种集成电路，它有的时候可以完成，比如说像我们家里面这种电子闹钟里面的控制器。甚至是我们这种像汽车里面的一些这种控制器件，它其实里面都是各种各样的芯片。刚才您提到了一个词叫集成电路，您也给我们解释一下，什么是集成电路？
集成电路的话，它实际上是由很多的这样的微型的元器件，比如说我们电阻，我们的电容，还有我们晶体管，还有一些精细的互连线组成的这样的一个电路。它是制作在半导体硅片的表面上。我们最常见的集成电路，就是我们电脑里面的这种CPU，或者叫中央处理器，CPU的芯片，高速地处理我们的数据，然后做出一些判断，这就是我们的集成电路。比如说我们日常生活当中，普通的家用电器当中，哪些电子产品当中可以看到集成电路？比如说我们看有一些冰箱，冰箱上它会有一些这样的显示器，就说你可以显示现在有多少温度了，其实它背后都是有一个，这样的一个集成电路在控制着这个冰箱，它会监控冰箱的温度，同时又会把监控到的温度给它显示到屏幕上，所以这背后就是会有一个集成电路在控制。如果你把它打开来看的话，你可能有的时候会看到一个绿色的一个板子，但这个板子其实还不叫集成电路，其实它是一个印刷电路板。那个还不是集成电路？还不是集成电路，那么在一个印刷电路板上面，它会有一颗颗这种黑色的，很多时候是正方形，那种小的这样的黑色的方块，那个才叫集成电路。
集成电路跟平常我们看到这个电路的区别是什么？集成电路它最大的特点就是集成，它是将我们一系列众多的元器件，就是刚才我说的电容、电阻，还有晶体管，它把它集成在半导体硅片的表面，很表面一层，然后它还会起到一定的电路的功能的作用。那么刚才包老师说的PCB（印刷电路版）电路，它是通过焊点，然后金属连线，它在PCB（印刷电路板）板上形成金属连线。我们集成电路的话，它是在硅片表面的话，就有很多精细的这样的金属的连接线，将各个微型的元器件给它连在一起。那相比于普通的电路，集成电路它的优点到底体现在哪儿？集成电路实际上，它最大的一个优点，就是可以做得非常非常小，电话的电路板上面，就是我们拿回来的说明书，看到的说明书上的电路图。那么这个是没办法做得很小，因为有这个电路板，大小受到一个约束。但是集成电路不一样，它可以通过一些新的方式，可以把它印刷到这样的一个硅片上面，所以它可以做到小到就是说纳米这个级别。
如果做个对比的话，我们看头发丝呢，一般是1/10个毫米，所以其实要比我们头发丝还要再小个十万分之一。就是肉眼不可见。对，所以集成电路它就可以把它最后这个元器件，可以缩小到这样的一个尺度。那么这样的话，就可以在一个很小的尺寸上面，就可以刻非常多的这样的电路的元器件，一般我们这种元器件就叫晶体管。比如说现在最新的这样的一些，这些芯片里面比我们指甲盖稍微大一点的，这样的一个范围内就可以刻上去上百亿个这种电路元器件。另外还一个最突出的优点，就是集成电路可以通过大规模制造，那么把成本给降低下来，然后这样的话可以（让）我们普通的消费者都可以用得起，用得上我们的集成电路。那为什么刚才您说到的集成电路，附着在那样一个小小的硅片上，就可以具有如此多的优点？
集成电路它做小了以后，其实会带来很多的帮助。第一个就是它的功耗可以做得越来越小，我们原来有的时候你看一个大的电路板，它需要很大的电池对它进行供电，它的时间，而且很快就没电了，我们不断地要换电池。那么对于一个这种集成电路来说的话，消耗的功耗就会比原来要小得多。第二个它可以做得很小，小其实是一个很大的一个优点，我们今天的手机可以看到，今天的手机可以做得这么小，但它的计算能力实际上要比以前的，比我们的计算器可是要快，可能要几亿倍这样的一个性能了，所以这都是做小以后带给我们的，这样的一个计算能力就可以比原来做得更快。那么当然还有一个很大的优势，就是便宜，你可以在这样的一个固定的尺寸上面，可以集成越来越多的这样的一个晶体管，其实你如果要去数一数，它单个这样的一个元器件，我们叫晶体管的话，其实它的成本是在不断下降的。今天我们一块钱可能可以买到几千万个，这样的一个电子元器件。那么几千万个电子元器件，它可以完成很多的功能，这个其实意味着我们的一块钱，就可以带给我们很多的这样的一些这种价值，它可以带来很大的这样的一个电子元器件，带给我们的这样一些便利。
那说到这个话题，我们来看相关的短片。世界上第一块集成电路板，仅仅由几根电线将几个电子元器件连接在一起所组成，尽管简陋，但它的高效和可靠性却让人们看到了，它在半导体领域所蕴含的巨大潜能，并纷纷投入到集成电路的研究当中。自此，集成电路迎来了快速发展阶段。每隔18个月到两年左右，芯片上集成的电子元器件数量都会翻一番，性能也随之翻倍。到了现在，我们手机处理器芯片里的电子元器件数量，已经可以达到上百亿个之多，俨然成为了一座蔚为壮观的“城市”。如果说过去人类对能源的开发利用，推动了工业时代的进步，那么如今的芯片对现代工业和信息社会又产生了多大的影响呢？所以两位给我们解释一下，芯片的这个芯是怎么来的呢？我们知道“芯”字的话，它泛指的是一些就是某些物体的中心部分，芯片的话就是这样子。比如说我们的手机、电脑，还有这个iPad（平板电脑），它是它的一个最关键最重要的一个部件，它是可以处理我们的一些数据，可以给我们提供更好的一些体验。
那我们可以把芯片理解成是我们现在电子产品的一个心脏。可以说是心脏，也可以说是大脑。芯片到底有多重要，能给我们举一些例子吗？其实芯片已经是渗透到我们生活当中很多很多的，这样的一些地方去了，有一个说法叫做我们其实已经（被）包裹在芯片当中了。怎么理解？想象一下，我们从早上起床开始，电子闹钟里面其实是有芯片。我们刷牙，电动牙刷里面能有芯片，那么当我们要出去坐车，出去上班，那么一辆汽车里面是有几十颗芯片，那么当然不要说我们的手机了，手机里面其实有很多的芯片，这些都是我们生活当中。其实当我们日常的飞机，像高铁里面都是有大量的芯片，甚至我们前段时间大家看到的像嫦娥五号、北斗卫星，其实内部都是通过芯片来进行控制的，所以可以看到芯片确实渗透到我们每个很多的领域里面。芯片的种类到底有哪些呢？芯片的种类，如果说按照它的集成的规模来说的话，它可以分成有小规模的，中规模的，大规模的。比如说我们几十个晶体管，几百个，上千个或者几十万个晶体管，或者说叫元器件组成的话，也可以叫一颗芯片。大到像我们现在手机芯片里面，它可以到上百亿个晶体管，这也叫一颗芯片，这是按照规模来分。
我们可以跟动物做一个类比，比如说我们的动物，就是大家提到动物，它其实是一个很宽泛的概念，其实提到芯片也是一样，它也是一个很宽泛的概念。那么动物里面有这种单细胞的动物，那么也有像这种大象、猩猩这种非常复杂的这种高等动物，高等动物、低等动物，芯片也是一样，芯片也有这种很小的，可能只有几十个几百个元器件，组成起来的这种小芯片。那么这种芯片相对来说，设计和制造就会容易一点，那么还有就刚才讲到，可能集成了几百亿个这样的这种元器件的芯片，这类芯片，它的设计的复杂度和制造就非常非常难了。那么如果是按照功能来分的话，我们最主要的可以分成处理器芯片和存储器芯片，还有一些特定功能的芯片。处理器芯片里面，我们最常见的就是CPU，中央处理器，它是一个电子器件的最重要的部分，它可以高速地处理，做计算，做数据处理。举个例子，就是刚才高老师说的，我们一个汽车里面现在有几十颗芯片，那么最近几年我们比较火的，叫无人驾驶汽车。实际上它更是离不开处理芯片，比如说我们路上有行人，有汽车，有障碍物的话，那么这个处理器芯片的话，它就需要根据这些情况来进行高速计算，然后做出判断，我到底是要继续往前面走，还是刹车，还是要紧急避障。那么这个的话说明处理芯片的话，它是无人驾驶汽车的一个大脑，这是我们处理器芯片。
那么对于存储器芯片，它很像我们大脑这种记忆的脑细胞，它主要负责保存和管理我们的一些数据。那么像我们日常生活中用的U盘，还有我们轻薄笔记本用的这种SSD的固态硬盘，那么这些都是存储器芯片。那么这种特定功能芯片，它是为了一些特定功能而开发的芯片，比如说我们通话的时候，手机通话的时候，用到了通信芯片，还有我们Wi-Fi（无线局域网）上网的时候，它是一个Wi-Fi芯片。还有我们蓝牙连接的时候，它是蓝牙芯片，数码相机照相的时候，它里面有图像传感的芯片。那说到这个话题，我们来看看相关的短片。芯片是一个极为庞大的大家族，仅从涉及到的产品种类来说，芯片的种类就有几十种大门类，上千种小门类，一台负责无线通信的通信基站中，就有上百颗芯片用于实现不同功能。每种功能不同，芯片都需要进行独特的设计与制造，而每颗芯片的制造都需要复杂的制造工艺。一条芯片生产线大约能涉及50多个行业，2000至5000道制作工序，也因此芯片被认为是当今制造业中最顶尖、难度最大的产业。那我们想知道为什么制造芯片有那么难？
做一个芯片，其实分成了主要四个环节，第一个是设计，第二个是制造，第三个是分装，第四测试。那么我们其实可以打个比方，就好比是我们盖房子，首先我们需要有设计，我们要设计出图纸。那么，设计出来以后，然后你才根据图纸去施工，然后去装修等等。当然这个里面每个环节都有它挑战的地方，比如说我举个例子，设计这个阶段，我们知道设计不同的楼房，其实它的难度也都不一样的，刚才提到芯片，其实它有很多种类，它有很小的小的芯片和复杂的芯片，这个映射到盖房子也是一样，我们盖一个两层楼的一个普通的房子，和你盖一个100层楼的摩天大厦，那么整个设计差别还是很大的。摩天大厦和我们北京的大兴机场，它的设计又有很大的差别，所以在设计这个环节，它的复杂度就在于我们怎么能够让这种，上百亿个晶体管，能够更好地把它们组合起来，而且把它们放到合适的位置。这其实是一个非常大的这样的一个，我们把它叫做设计空间，有很大的设计空间，你要在设计空间里面去找到它一种好的，这样的一些设计的位置，所以这是在设计方面的复杂度。
制造主要最大的问题就是它的尺寸非常小，我们芯片的这种尺度都在纳米这个级别，比头发丝还要小十万分之一这种。当你要去对这样的一个尺度上面，进行一个非常细致的，这样一个控制的时候，它需要是精度非常非常高。芯片制造的话，主要就是说它尺寸非常小，比如说我们现在境外，最先进的芯片制造是5纳米，那么我国的话是14纳米。那么14纳米是什么概念呢？它就是说是，我们知道一个病毒，它的大小是大概是100纳米，那么一个病毒的话是14纳米大概7倍。比病毒还要小。对，比病毒还要小，那么人体的一个头发丝的直径多少呢？是50个微米。那么50微米的话，意味着我们沿着头发丝的直径方向，可以并排放下3000多个这样的元器件，我们叫做晶体管。相当于是在一个头发丝上要做这种精细的加工，可想而知它的难度有多大。它用这种手工或者是普通的装备，肯定是不行的，所以说它对高精尖的制造装备和高纯度的材料的要求非常高。
刚才我们提到了14纳米的芯片，7纳米，5纳米。这个14纳米，指的是长度还是面积？14纳米实际上指的是它的一个长度，其实刚才讲到在芯片里面有很多的这种电子元器件，当然这个电子元器件叫做晶体管。它其实像开关，就像我们家里面说的开关，那么14纳米，其实就是类似于像开关里面的开和关，两个之间的这样的一个距离，它是14纳米，所以这是非常小的一个尺度，非常非常小的一种开关。目前我们国家芯片制造，处于一个什么状况呢？在设计阶段，我们国家其实已经具有很好的一个水平了，那么比如说在前几年，我们国家的超级计算机，神威太湖之光，它排了世界第一。这个神威太湖之光里面用的芯片，就是我们国家自己设计的，当然我们还有一些，我们自主研发的像龙芯，像这样的一些芯片，那么已经在很多地方被广泛的应用起来。制造的话，现在境外最先进的是5纳米，那么我国的话是14纳米，落后境外先进水平的话两到三代，我们封装测试水平的话，基本上和国际先进水平相当。在某一些先进的封装技术上的话，可能还会有一定的制衡能力。那很多人都知道我们中国是一个制造业的大国，为什么一个制造业的大国在制造芯片上却被卡了脖子呢？
这个问题其实可能还是需要一点时间，因为对于最高端的芯片，比如手机里面的芯片，它对这些工艺要求还比较高。刚才提到了我们国家，能够生产14纳米的，但是手机的话，它可能会需要更高的工艺。比如7纳米，甚至是5纳米，那么这一块实际上我们过去其实还是在积累，我们的起步可能跟国外这种先进（水平），相对来讲是稍晚了一点点，但是相信其实给我们足够长的时间去积累，其实我们也是可以做得到的。制造虽然我们是跟国际先进水平有一些差距，但是，不是所有的芯片都需要用那么高的工艺去制造的。实际上很多时候，我们用14纳米，用28纳米，其实也可以做出很好的芯片，就像刚才说的神威太湖之光，它排了世界第一。它用的是我们自己研制的设计的芯片，实际上它用的是28纳米，并没有用最先进的芯片，所以我们可以看到，实际上如果我们通过在设计阶段把它做得更好，我们可以在不是那么先进的工艺上，也可以做出非常好的芯片出来。那说到这个话题，我们来看看相关的短片。
我国的芯片产业发展可谓是曲折而艰辛，从最开始的造不如买，到巨额投入研发芯片却血本无归，让我们认识到想要发展芯片产业何其艰难。芯片的商业化程度极高，发展速度极快，然而市场却大多无法接受技术落后的芯片。这也就导致我们在追赶国际先进技术时，虽然投入巨额资金，但生产出的芯片却不被市场接受，进而导致资金上的紧张甚至断裂。因此，我国的芯片发展之路，并非是缓步发展的长跑，而是需要在短时间内，追赶至国际先进水平的冲刺。自进入21世纪以来，中国“芯”得到了前所未有的重视，不断涌现出优秀的芯片。在将来，我国的芯片产业又能否不再“芯”痛呢？当我们面临自己所研究的领域，被“卡脖子”的时候，这时候我们内心是一种什么样的状态？对我们来讲是一个更大的一个激励，我们觉得我们需要做更多的事情。能够把技术给发展起来，说实话，我们在这个领域里面的每一位科研人员，他们都很努力。在过去几十年，其实在半导体，在芯片领域的很多的科学家，很多的产业界的人员，他们都花了很多的力气，但是确实整个芯片的制造，它应该可以说是整个人类制造业里面的，最顶尖的这样的一个产业了。
其实我们放在全世界来看的话，也没有一个国家，它能够完全靠自己的力量，就能把整个芯片和半导体的工业给支撑起来。应该来说，我们在这个过程当中，我们其实也是不断对整个产业有更深刻的认识，那么也是激发我们把这些认识，以及这些现在面临的困境转化成动力，让我们国家在这个方向上，前进的步伐可以更快。那未来两位觉得，我们国家的芯片产业，会朝着什么样的方向去发展？未来发展的话，我觉得可以从三个方面来考虑。首先的话，第一个的话是我们一定要，自主研发我们关键的核心技术，我们的关键核心技术是学不来，买不来，讨不来的，所以我们一定要研发自己的关键核心技术。那么第二个的话就是说，我们要加强和国际的合作，因为我们知道芯片研制的话，它实际上上下游产业链非常长，依靠一个地区或者是一个国家的话，闭门造车是走不通的，所以说一定要加强国际合作。
这跟芯片本身这个领域也有关系，就是说航天它相对来讲的话，还是一个自我循环的这样一个系统，它可以建立起来，那么在我们国内就可以建立起一个自我循环的一个完整的系统。但是芯片领域的话，它是一个开放的一个环境，没有一个国家它能够靠自己的力量，就能够完成所有的芯片的产业，那么我们确实是需要跟国际进行合作交流。但在这个过程当中，又能够把我们的优势给发挥出来，确实是会更有挑战一些。最近国务院学位（委员会）办（公室）和教育部批准了，我们集成电路设置一个叫做一级学科。这个的话，我们要趁着这个东风，要尽可能多地培养集成电路相关的人才，那么为这个产业解决产业人才缺乏的问题。其实在2019年的时候，我们就启动了一个计划，叫“一生一芯”计划，就是让本科生也可以带着自己设计的芯片毕业，我们最后经过大概一年左右的时间，最后也成功了。所以有五位本科生，他们确实是做到了，带着自己设计的刚刚说的CPU的芯片，完成他们这个毕业设计，然后去展示他们这个，他们做了实现。那么，当时他们的年龄还不到22岁，就五位本科生平均年龄，所以这是一个，其实放在全世界来看的话，也是一个很有优势的一个年龄段。那么等到他们到30岁的时候，他们就已经是芯片设计领域的“老兵”了，我相信在那个时候，他们的创造力，他们的激情，他们的想象力，就会得到更大的发挥。
那说到这个话题，我们来看看相关的短片。芯片是国之精器，更是国之重器。如今，各个国家GDP（国内生产总值）增长水平，与集成电路芯片市场增长之间的联系日益密切。在我国信息产业蓬勃发展的同时，芯片是不容“卡脖子”的技术，而当下也是发展芯片产业的好时机。受到新冠疫情等因素的影响，原本就供不应求的全球芯片市场，更显捉襟见肘。汽车、手机等电子产业都在面临着芯片短缺的问题，而“中国芯”在这其中，展现出很强的发展动能与潜力，或许能把握机遇，让我国的芯片产业进一步发展。芯片越做越少，功能越来越强大，对我们普通人，百姓生活的真实改变和感受会是什么？再往未来发展的话，也许芯片它会帮我们去收集各种各样周围环境的数据，它就变成我们人的感知的一个延伸，就是说它可以帮我们去感知这个世界，同时来收集数据，然后帮我们处理一部分数据，就像是增加了一个非常智能的小助手。那么其实这些小助手的话，其实芯片在里面就起了很核心的这样一个作用。就是芯片技术它进步的话，对我们最直观的感受是什么？实际上我们知道7纳米的芯片，它比14纳米的芯片性能要好，那么5纳米的芯片，它的性能比7纳米的芯片性能要好，那么我们最直观的感受就是说，我们玩手机或者是玩电脑的时候，感觉到它没有停顿、很流畅。那么，另外打游戏不卡了，打游戏的时候非常快，这个是我们最直观的一个感受。可能用一句话总结的话，也可以看作是我们周围的环境会变得越来越智能，我们接触到的东西会变得看上去越来越聪明，这背后都是芯片在发挥的作用。
我们再大胆地畅想一下，未来随着芯片技术不断地发展，可以运用到生命健康领域，比如说替代我们做一些植入我们的体内做一些事情。其实也有一些技术，在朝这个方向发展，想要尝试着去把芯片植入到这样的一个大脑当中，那么这个其实是会对现在很多有一些患有大脑疾病的，这些人是有帮助的。它可以来帮助我们更好地去通过芯片跟外界进行进行交互。那么这其实是一种发展的趋势，当然这里面还有很多的一些挑战需要去解决，这个都是，不是短期内可以直接可以看得到的，但是确实朝这个方向在发展。另外除了植入的芯片以外，还有一些生物检测的芯片，那么它利用我们芯片的一些工艺制作出来，然后它可以快速地，可以很高灵敏度地检测一些，比如说肿瘤细胞，这样的一些恶性的一些疾病。那么这样的话，实际上这也是芯片在起作用，帮助我们提高我们生命生活的质量。
今天，非常感谢两位年轻的科学家，进入到我们演播室当中，跟我们共同聊关于芯片这样的话题。芯片在我们普通人眼中是，既熟悉又陌生的这样一个概念，通过两位的讲解，让我们对芯片有了进一步的了解，同时了解了中国芯片的现壮、瓶颈以及希望和未来。感谢各位收看我们今天的《透视新科技》节目，如果你想了解更多的节目内容，可以下载央视频去收看其他节目。我是胜春，咱们今天的《透视新科技》就到这儿了，咱们下期节目再见。
（通讯员 邓辉）
