不到发丝的万分之一
却是电子设备的心脏
从一个梦想到惠及方方面面
只用了80年的时间
小小的芯片
承载了多少背后的故事
中科院总工程师赵超
做客《世纪大讲堂》
为您讲述最精细的人类“芯”制造
【嘉宾介绍】赵超，中国科学院微电子所副总工程师，主要从事集成电路先导工艺的研发，是国家“千人计划”引进的科技领军人才，赵超在比利时获得博士学位后，曾在欧洲微电子研发中心担任资深科学家，2010年他回到中国，带领200多名专家完成了重大科研项目，并获得2014年中科院科技杰出成就奖，除此之外，赵超个人先后发表了200多篇学术论文，还获得授权发明专利130多项，今天赵超做客《世纪大讲堂》，为大家讲述芯片的故事。
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2018年春天的一个突发事件——中兴通讯被美国政府制裁——让半导体集成电路芯片成为全民关注的热门话题，什么是芯片？为什么小小的芯片成为美国政府制裁我们的一个软肋？今天我们就来通过几个跟计算机和计算机芯片相关的小故事，来一同了解这小小的芯片是如何被发明制造出来的，同时也一同回顾一下中国的集成电路产业发展的艰辛历程。
什么是芯片？
信息时代，我们生活的每一个瞬间都离不开
集成电路芯片。打开手机后盖，你会看到各种各样的芯片连接在一起构成了这部手机的无线智能系统，这些系统组合在一起能够完成手机各种所需要的功能。 图1就是我们通常用来制造集成电路芯片的硅晶元，如图2所示，这样一个小小的晶元上面包含了上千个微小电路，当把这些微小的电路给切开来，就获得了一个芯片（图3）。
冯·诺依曼与艾伦·图灵
人类历史上最早的计算器可以追溯到古人经常使用的算盘。之后在1928年，一位著名的数学泰斗希尔伯特提出来三个数理逻辑的问题，其中第三个问题是“数学是可判定的吗？”
左：希尔伯特，右：艾伦·图灵
为了解决这个问题，当时有很多数学家都非常努力地寻找各种办法。艾伦·图灵就是其中一个，当时他是一个非常年轻的剑桥大学学生，本科还没有毕业，有一天他突然产生一个奇妙的想法，他设想未来能够制造出一台神奇的机器，运算指令可以用一个无限长的纸带输入进这个机器，然后令其进行数学运算，如此它就可以计算我们需要解决的所有数学问题。
图灵机构想
艾伦·图灵最早在一篇论文中提出图灵机设想，但是这种解法对于数学家来说太过奇怪了，因此论文发表以后并没有得到太多的反响。但是这个方案让他的导师看到了他身上的数理逻辑才能，所以将其送到了美国。
第二年图灵就飘洋过海坐着末等舱来到了普林斯顿大学。非常有意思的是，当时图灵的办公室对面坐着的是另一位跟计算机发明密不可分的大师，他就是著名的约翰·冯·诺依曼。当时两个人的办公室恰巧“门对门”。
冯·诺依曼
冯·诺依曼博士毕业以后就获得了世界级的荣誉，成为一个大家公认的了不起的数学家，他是普林斯顿高等研究院聘任来的四个著名的导师之一。如果你不了解这个导师的位置有多么崇高的话，只需要听一下其中一位如雷贯耳的名字：阿尔波特·爱因斯坦。
《模仿游戏》电影海报
《模仿游戏》是几年前非常好看的一部电影，这个电影讲述了图灵在普林斯顿大学毕业以后回到英国的一段生命历程。回国以后的第九个月，第二次世界大战就爆发了，图灵毫不犹豫地应军情六处的征召加入了一个密码破译项目，开始了为战争服务的工作。在这个小组里，他领导团队设计并制造了第一台电子计算机“克劳修斯一号”，这是我们人类历史上的第一台计算机。利用这台计算机他们成功地破译了德军的密码，获得了很多非常富有价值的情报。因此图灵的计算机对二战的胜利做出了非常重要的贡献。
克劳修斯一号
而此时在大洋的彼岸，冯·诺依曼教授也为反法西斯战争贡献了他的力量，他加入了美国的多个军事研究计划，其中包括导弹研究和原子弹研究。他对计算机做了深入的研究，最后总结出这座庞然大物的结构其实非常简单，只有四部分：控制单元，运算器、存储器和输入输出系统。后来人们把这样的构架称为冯·诺依曼构架，八十年过去了，今天的计算机科学仍然在使用着冯·诺依曼构架。
冯·诺依曼组织了多项军事科研计划
晶体管发明史
这是1943年IBM的CEO兼总裁托马斯·约翰·沃森的照片，这位先生之所以著名，是因为当时他曾经提出一个非常有意思的预言：这个世界上只要有五台电脑 就足够了。在今天看来这当然是一个错的离谱的预言，但其实在当时这是大多数人广泛接受的一个结论，为什么会有这样离谱的预言呢？
这是昂尼亚克二号，它是在二战期间做出了重要贡献的功勋计算机。在当时这样一台计算机的造价大概是五十万美金，相当于2017年的700万美元，而它的重量是
30吨，占地面积是200平米，并且需要非常大的电能，所以这样一台计算机绝对不可能作为个人电脑普及，只能作为举全国之力进行的军事项目而存在，所以才会有这样的预言。
肖克力、巴丁和布雷腾
当时计算机如此笨重庞大是因为其基本计算单元是真空电子管 ，用电子管是不可能让计算机做得非常轻巧的。但是到了1947年，由于物理学家的贡献，世界进入了一个新的时代——晶体管时代，在1947年圣诞节期间，纽约贝尔实验室总部，当时两位年轻的科学家巴丁和布雷腾发现了一个非常令人吃惊的现象：两个金色小球球跟一个锗的材料进行表面接触时，一瞬间信号放大。这是一个非常了不起的发现。
基于这个发现，肖克力、巴丁和布雷腾经过不懈努力，成功发明出晶体管。在1956年，这个发明让这三位科学家一起获得了诺贝尔奖。
肖克力与硅谷
肖克力教授出生在美国的加利福尼亚州，靠近旧金山。在今天这个地区已经是无人不知无人不晓了——硅谷，而在当时硅谷跟半导体上的硅还没有任何的联系。肖克力在获得诺贝尔奖之后来到了斯坦福大学做访问教授。因为他的母亲就在这里居住，且年事已高，因此他决定回到母亲身边，创建一个用自己的名字命名的新实验室——
肖克力实验室。
肖克力教授
后来的传记作家在描述肖克力的时候说他是一个非常优秀的科学家，同时也是一个非常糟糕的管理者。他的智商也许是一流的，但他的情商非常低，管理团队时他对所有人都不信任，这让他的年轻合作者们无所是从。经过一段时间的努力和抗争以后，有八个年轻人实在没办法忍受这样的局面，集体出走，另立门户。他们从仙童家族获得了投资，创建了一个新的公司，
仙童半导体。肖克力非常地愤怒，他把这八个人称为八个叛徒，并且预言仙童半导体是不可能成功的，但是让人大跌眼镜的是仙童半导体迅速地成长为当时硅谷地区，乃至世界最成功的半导体企业。除了这八个人外，有一大批的青年才俊加入了仙童公司，使其飞快成长。
肖克力是把硅带到硅谷的人
后来这个公司培养出来的人才分分合合，在硅谷地区创造了65家半导体企业。其中有一些企业已经消失在历史的长河中了，但是现在最著名的半导体企业都是从仙童出来的，像英特尔，像格罗方德，AMD（美国超威半导体公司），还有Linear Tec（凌特公司）。
集成电路技术
晶体管的发明，很大程度上缩小了计算机的体积和重量，但人类追求卓越的努力是没有止境的。人们马上就想到，能不能把一个个分离的硅的晶体管集成到同一个硅片上去？进一步缩小它的体积和重量，同时提升性能呢？于是，集成电路就诞生了。
世界上第一个集成电路诞生
集成电路一经发明立刻就投入了实际的生产和应用，并且它的技术进步列车立刻就驶入了一个快车道。经过50年的发展，集成电路技术已经成为人类历史上最精细化的制造技术。一颗芯片里面有100亿个晶体管，这是与全人类的人口的数量在同一数量级的。如图是一个集成电路的剖面图，这些结构的尺寸是人类头发丝的万分之一，足以证明其精细化程度。
华人科学家的贡献
萨支唐院士，30年代出生在中国大陆的北平，父亲是著名的华人学者，前厦门大学校长萨本栋。他在斯坦福大学获得了博士学位，博士毕业后追随肖克力开始了固体电子学的研究，做出一系列杰出的贡献。在戈登摩尔的领导下，他开展了平面硅机的集成电路的研发，解决了一系列重要的技术问题，做出过非常重要的贡献。他第一个提出了CMOS的概念，为我们今天的超大规模集成电路的实现奠定了非常重要的学术基础，所以萨支唐院士是在这个领域里最成功的大师级华人科学家。
萨支唐院士
张忠谋博士，台积电的总裁，今年刚刚退休，诞生在中国大陆宁波，于1948年左右随家人到了香港，后来在美国的哈佛大学和麻省理工学院完成了大学和硕士研究生的学习。毕业后他进入著名的德州仪器工作25年，负责了一系列的研发和生产的管理工作，期间因为做得非常出色，公司又把他派遣到斯坦福读在职博士。在50多岁以后，他回到台湾，担任了台湾的工业院院长。在大家都觉得他该退休的56岁他创建了台积电，并且迅速地把这家公司引领到了一个无论是技术还是制造能力都快速发展的一个快车道，迅速地把它建设成为盈利能力最强的公司。如今台积电是
全世界芯片制造里毫无争议的头三名。
张忠谋博士
张忠谋对这个产业的贡献不仅仅是创建了这家公司，还在于他创造了一个崭新的商业模式，集成电路代工企业。由专门制造芯片的企业来负责芯片的制造，这样就可以扶植一大批的中小设计企业，它们只负责设计，把脑子里的好想法，好的产品概念设计出来，运送到这家代工厂来做，这样就大大地优化了产业资源，可以说这个革新是一个改变了我们整个产业生态的重要贡献。
胡正明院士
胡正明院士，现在伯克利任教，北京出生，很小时跟随父母来到台湾，在台湾读完大学，后来在美国的加利福尼亚大学伯克利分校完成博士学位。2001年前后他曾经在台积电做过5年的CTO（技术长）。上个世纪的90年代末他做出了最重要的贡献，在同一时间提出了两个新的CMOS的器件结构，其一就是
多栅的CMOS，即今天所说的FinFET，其二就是超薄的SOI的芯片。这两个器件结构都集中在解决器件的漏电问题。如果不解决这个问题，摩尔定律就没有办法沿着我们原来希望的进度继续推进。罕见的是这两个器件结构最后竞均被工业界实现了。为了表彰他的杰出贡献，手机里16纳米以下的芯片都采用了其发明的FinFET结构。中国的发展现状
中国的半导体创新之路开始于1950年。上个世纪50年代，一批年轻海归学者回到了大陆，其中包括后来的中科院半导体所长黄昆博士，后来的复旦大学校长谢希德博士，后来的西安771所所长黄敞博士，还有吴锡九、王守武、林兰英博士。这些海归学者最早启动了中国的半导体创新道路，其中黄敞博士，因曾经在美国的公司里作为工程师工作过，回到大陆以后，对中国的宇航芯片、抗辐照芯片发展均做出过卓越的贡献，是一位功勋科学家。
1957年中国自主研发了锗点接触二极管和三极管
很快中国的晶体管产品和集成电路产品都实现了小批量的生产，因此早期我们只比美国晚了七八年的时间。
下表比较了我们中国的集成电路在小、中、大规模以及后来的超大规模和极大规模的集成电路发展的时间节点。我们可以看到早期我们跟美国的差距，也就是7到8年，而难能可贵的是我们的集成电路创新是在西方国家对中国实行完全封锁的条件下自主研发实现的，且科研成果很快就实现了产品制造的工业过程，所以这是非常了不起的成就。当时的产品基本上可以满足我们国家的国防需要，，但是后来进入70年代“PC时代”的时候，西方国家开始进行超大规模和极大规模制造，我们就跟不上了。
集成电路时间点对比
一方面在那个特殊的历史时期，专家们都去牛棚里改造了，另一方面我们的研发活动基本上停止了，工业基础支撑短板也开始慢慢地显现。在大规模制造的时候，整个国家的工业基础，特别是没有集成电路装备的开发和制造能力，还是很落后的。所以我们就慢慢地被别人拉开了距离，这种距离越拉越远。
到了改革开放初期，我国芯片工业基本上走上一条非常畸形的道路，就是产线引进。完全引进别人的产线，我们只获得了制造能力，完全不掌握任何的技术工艺。所以引进一代产线就做一代技术，等这代技术落后了以后，又要去买新的产线，花费非常高昂，而获得的技术几乎是0，进入了一个非常糟糕的恶性循环。
这个趋势在10年之前才开始得到扭转，国家开始组织国家科技重大专项，开发我们自己的装备，扶植一大批的设备企业。自此我们看到一大批设备企业在成长，材料企业在成长，距离开始慢慢缩小，但不得不承认，今天我们跟国际一流的企业和国家仍然有非常大的差距。这种差距要真正弥补追上去，可能需要10年、20年，甚至更长的时间，我们一定要有耐心，要有打持久战的决心，一个山头一个山头地攻克，相信
未来的前途一定是光明的。
芯片制造技术是人类至今为止获得的最精细化的加工技术，可以比较一下图中的两个器件，左为1956年的5MB硬盘，正被人们兴高采烈地迎进飞机，右为是2011年的256GB闪存。在2011年我们就已经可以把5万个硬盘放进这样一个小小的Flash里，实现这样的跨越我们只用了55年 。从图灵机的梦想到今天的智能手机我们也不过是走了80多年的时间。在人类历史上这样的技术进步速度是从来没有过的惊人。信息产业革命性的进步，彻底地改变了我们每一个人的生活，我们要向为这些进步做出贡献的知识英雄们致敬，同时也呼吁越来越多的中国年轻人能投身到集成电路芯片的事业中去，在未来的20年里，创造我们中国自己的芯片传奇！
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