芯片研究专家汪波：芯片发展史是一部持续的创新史与叛逆史全球百事通

来源：DeepTech深科技 2023-06-05 22:51:16

在芯片研究专家、科普作家汪波博士眼中，重大创新并不是一诞生就广受欢迎，而是要与传统技术争斗才有可能立稳脚跟。

(相关资料图)

他认为：“任何技术都有其生命周期，但传统技术的惯性和既有利益决定了它不会选择主动退出。而创新和叛逆的想法要想发展，就必须战胜传统技术，所以新旧技术之间的争斗不可避免。”

图丨汪波（来源：汪波）

“芯片的发展史，就是一部持续的创新史与叛逆史。”2023 年 4 月，湛庐文化出品、浙江教育出版社出版了一本名为《芯片简史》的图书。该书的作者正是汪波。而本段开头那句话，则被印刷在这本书的封面上。

（来源：资料图）

创新与叛逆

具体到芯片领域，这种类似的争夺和竞争表现得更加突出和频繁。通过芯片发展的历史就可以看出，叛逆和传统之间的斗争一直在持续着。

比如，IBM 的科学家罗伯特·登纳德（Robert Dennard）早在 1966 年就发明了 DRAM 动态存取随机存储器，但由于当时主流的是技术成熟的磁芯存储器，容量小、还会漏电的 DRAM 未能打败磁芯存储器，成功地争夺到 IBM 公司内部有限的经费和资源。最终，IBM 否决了对 DRAM 存储器的开发。直到九年后，DRAM 存储器的市场占有率才超过磁芯存储器。

这一案例不但证实了越是高度发达的芯片技术，其周围聚集的拥护者就越多，生命周期也越长的观点，而且表明了任何技术都不会永生，在将来的某个时刻仍然不得不让位于更新的技术。

从中，我们也可以得出，即便是在如今这个现代芯片技术已经实现了高度发展和集成的大背景下，芯片领域的研发人员依然应该保持“叛逆”的特性，不断地提出创新和叛逆的想法，确保在替代时刻到来之际，新兴的半导体器件和工艺已经足够成熟，并能够“顶”上去。

“现在我们就要未雨绸缪，鼓励和引导那些叛逆的想法，尽管此时它们与已有的技术相比还存在各种劣势和不足，但它们很可能是未来的生力军。未来的新技术提出者应该做好面对更大的挑战、困难和打压的准备。”汪波表示。

同时，他也发现，“那些气氛比较自由、能够保持研究的独立性的机构，有更大的几率冒出创新的想法。所以，允许和保留研究的多样性，才会让芯片的发展行稳致远。”

一颗芯片的诞生并不简单

基础科学为芯片的发展提供了重要的理论支撑作用。近几十年来，随着基础科学例如物理学的突破越来越少，芯片技术的发展和突破也不免受到了一定的影响。

基于这种情况，芯片业界更倾向于从其他方面寻求突破，比如，探索二维器件等新器件结构和存算一体电路等新电路架构，以推动更高性能和更低功耗的实现。

除了技术的推动以外，人类的需求也在不断地拉动芯片技术的发展。如人工智能、自动驾驶和大数据等需求，正在不断地对突破内存墙问题提出新的要求，并引导芯片技术在特定的领域实现突破。

而这些年来广受重视的碳排放问题，也在很大程度上拉动了太阳能电池技术的研究，促使人们去探索钙钛矿、硅异质结等技术，并实现对电池转换效率纪录的接连打破。

芯片设计和芯片制造，是一款芯片在诞生之前必经的两个阶段。如今，许多人都持有这样一个观点，即现在的芯片制造水平已经和芯片设计水平严重不符合。那么，这样的矛盾又该如何被解决呢？

汪波表示，芯片设计在本质上解决的是数理逻辑的问题。只要有了芯片设计所必须的 EDA 设计软件，就可以在电脑上进行反复仿真验证，从而设计出更为复杂的芯片。有了复杂且先进的芯片，就可以构成性能更好的电脑，进一步帮助工程师设计更先进的芯片。

“这构成了一个良性循环，不断迭代，让芯片设计能力得以不断提高。但芯片制造则相反，它无法构成这样一个完整的闭环。”汪波说。

先进光刻机的性能是由半导体以外的材料和工艺水平等决定的，像极紫外光刻机所依赖的是大功率的二氧化碳激光光源、纳米级的反射镜涂层、非常灵敏的光刻胶材料等。由光刻机加工出来的先进芯片，无法直接构成更为先进的光刻机。

汪波说：“芯片制造领域不是一个简单的学科，从上面极紫外光刻机的例子可以看出，它需要多学科的人才，包括但不限于机械、自动化、光学、化学等领域的人才。将他们的能力汇集在一起，充分合作，才有可能解决芯片制造的种种难题。”

从芯片发展历史中，中国可以获得哪些启发？

芯片行业是一个全球协作的巨大产业，就好像海底看不见的洋流在全世界范围内流动一般，而这种流动包括人才、资金、设备和产品等多个方面。

当前，在 EDA 设计工具方面，美国公司占据了一半以上的份额。在半导体加工设备方面，荷兰、日本等国在光刻机等领域拥有各自独特的优势。在半导体制造领域，台湾地区和韩国拥有最先进的制造工艺，占据了高端芯片代工业务的大部分份额。

对于高端芯片设计领域来说，无论是处理器还是射频芯片等，美国都处于最领先的地位。但近十几年来，中国逐渐地从低端的芯片设计开始朝着高端芯片设计不断前进，逐渐掌握了高端处理器芯片和射频芯片的设计能力，与美国的差距也越来越小。

由于担心自己在高科技领域的地位受到挑战，美国等国家出台了各种措施和法案，试图将上述流动更多地引向自己的国家，而这会导致全球范围内的自由流动被人为截断。与此同时，欧洲也试图让自己在芯片制造领域占据更多的份额。

不仅如此，随着世界的科技竞争趋势越来越激烈，各国纷纷在人工智能、新能源汽车和太阳能发电等方面抢占制高点。这不仅会促使相关需求急剧增加，与之相关的应用也会拉动芯片行业朝着更大的算力、更低的功耗以及更高的功率转换效率去发展。

对于中国来说，面临当前技术脱钩的大背景，提升自主研发的能力非常关键。虽然近年来中国对集成电路专业越来越重视，将其划为高等学校的一级学科。但是面对未来芯片领域的需求，仍有很大的人才缺口。

“如果能让更多的年轻生力军进入芯片领域，并由他们在未来带动芯片产业的发展，这将是我们最大的竞争优势。”汪波表示，“曾经是一个个具体的人推动了历史的发展，未来同样要依靠一个个具体的人来面对未来的挑战，我们必须为这些具体的人创造更好的教育和工作条件，他们的素质和能力决定了我们能走多远，能有哪些突破。”

与此同时，需要说明的是，当前芯片卡脖子技术虽然很关键，但这些工程性的问题不容易发表学术论文，导致一些关键技术并没有被科研机构所重视。从芯片发展史上看，许多重要技术（如集成电路、浸没式光刻、自对准硅栅工艺）是由企业（如贝尔实验室、仙童半导体等）而不是大学提出来的。因此，还需要更多地关注企业的需求，把人才培养和企业攻关很好地结合起来。

最后，再回看《芯片简史》这本书。该书不仅梳理了芯片技术的发展脉络，从量子物理、晶体管，到数字芯片、模拟芯片和光电芯片，还将侧重点放在那些推动芯片历史发展的一个个重要发明人的身上。这既能够帮助读者了解芯片发展的全景历史、掌握完整的知识体系，又可以让其跟随发明者的脚步、从具体的视角出发，观察芯片发展中的精彩瞬间，并给予那些选择从事芯片行业的现代年轻人一定的启示。

“芯片这个领域看似繁杂，但把众多的事件放在一起就能呈现出一定的规律，例如本书中反复出现的叛逆与传统之间的斗争，以及大企业的僵化与小公司的灵活进取，这些有助于我们吸取教训，避免再犯类似的错误。并且，历史是一面多棱镜，不同的人会看到不同的侧面，得到不同的启发和收获。”汪波说。

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