4月1日，清華大學微納電子學系主任、微電子所所長魏少軍教授在清華五道口在線大講堂進行了主題分享《芯片還将伴随我們一百年》。
（圖源：清華五道口高管教育）
魏少軍教授以武侯祠中趙藩的一副對聯開篇：“能攻心則反側自消，從古知兵非好戰；不審勢即寬嚴皆誤，後來治蜀要深思”。他指出審時度勢的重要性，對于時勢的判斷和選擇，會影響個人的發展。就當前的時勢來看，信息技術推動了過去20年GDP的發展，但在信息技術的背後，是半導體在推動着這個産業的發展，如今集成電路産業已然成為一個重要的行業。
芯片的前世今生
莊子有言：“一日之錘日取其半，萬世不竭”。這句話的意思是指一尺的東西今天取其一半，明天取其一半的一半，後天再取其一半的一半的一半，總有一半留下，所以永遠也取不盡，這體現了物質是無限可分的思想。魏少軍教授講到，半導體和芯片的發展，恰好就是按照這樣一半一半的往下縮小，而且縮小的過程到現在為止還沒有停止。
但是，縮小過程當中必須按照某種規則來進行，也就是要按照規矩，沒有規矩，那就不能成方圓。這就印證了孟子在離婁章句上所說：“離婁之明、公輸子之巧，不以規矩，不能成方圓”。芯片縮小所沿用的規則正是摩爾定律。
梁啟超在莅山西票商歡迎會學說詞當中講到：“夫舊而能守，斯亦已矣！然鄙人以為人之處世也，如逆水行舟，不進則退”。魏少軍教授解釋到，正如逆水行舟，不進則退，在芯片發展的過程當中，有很多産業就是因為沒有跟上技術發展，最後真的就是不進則退，甚至退出曆史舞台。魏少軍教授對此舉了幾個有趣的例子：
舉例一：膠卷的消失。三四十年前彩色膠卷是稀罕之物，國際著名的柯達公司成立于1880年，但一個百年老店卻在2012年1月申請了破産保護。那麼打敗膠卷的是什麼呢？“殺死”膠卷的正是CIS和數碼相機。1921年，奧因斯坦因發現了光電效應而獲得了諾貝爾物理學獎；48年之後，1969年有兩位科學家boyle和Smith，發明了世界上首個電子成像技術—電荷耦合器件，也就是攝像頭；1991年柯達發明了數碼照相機，當時價格高達13,000美元，重量5公斤，很少有人買得起，所以柯達覺得數碼相機沒有什麼發展前途，故沒有生産，但是半導體技術發展之快超乎想象，數碼相機的重量和價格都得到了快速的發展，數碼相機也漸漸地普及開來，遂而許多人都不再買膠卷。現在看來，當時的“殺死”膠卷的技術從根本上來說正是半導體技術。
（圖源：魏少軍演講報告截圖）
舉例二：機械鐘表的消失。發明于15世紀的機械鐘表，從純粹的計時功能看，已經完全沒有存在的價值。毫無疑問殺死機械鐘表的是電子表。1971年，當摩托羅拉推出第1款電子手表芯片的時候，大概他們也沒有意識到，過了幾十年以後，電子手表已經開始取代，甚至基本上把機械手表從計時功能領域當中趕過去。
舉例三：磁存儲被電存儲逐步取代。磁存儲的代表産品如磁帶、磁盤和計算機中的磁盤等。在1960年代，計算機存儲單元的主流是磁芯存儲器，并不是今天的半導體内存。如今磁芯存儲器早已被半導體内存取代。
舉例四：蘋果公司的崛起。由于半導體技術的發展，電子産品得到了極大的發展，以蘋果公司為例，其芯片和軟件的發展實現了iPhone的價值。在同期曾經非常知名的市場占有率高達60%的諾基亞的手機“失寵”的原因就在于逆水行舟，不進則退。事物的發展都這樣，我們要跟上事物的發展，否則隻能被世界的大潮所淘汰。
過去四十年還有很多東西都消失了，如MP3、DVD、電子詞典、随身聽等等。由此來看，任何集成電路能夠參與競争的技術，最終都不可避免地成為“失敗者”。
（圖源：魏少軍演講報告截圖）
不可思議的芯片技術
《論語·學而》當中有一句話叫“如切如磋、如琢如磨”。宋代的大學者朱熹有這樣的注語：“嚴治骨角者，即切之而複蹉之；治玉石者，既琢之而複磨之，治之已精，而益求其精業”。這句話的意思也就是精益求精，這個詞用在集成電路或者芯片上是最貼切不過的。
下圖是2007年國際半導體技術路線圖。圖中縱軸指的是可以沿着摩爾定律一直不斷的微縮下去，到今天為止，工藝技術節點已經來到了7nm，很快5nm也将随之而來。橫軸是各種不同半導體技術和傳感器等産品多樣化的發展路徑。
（圖源：魏少軍演講報告截圖）
（圖源：魏少軍演講報告截圖）
技術前進的腳步永不停歇，當下我們還在探索更進一步的技術。7nm和5nm甚至更低的工藝之後是什麼？後CMOS時代，将有新型晶體管的問世。芯片尺寸的微縮還遠遠沒有走到盡頭。例如人們已經基于二維材料制備出了1nm晶體管。
但魏少軍教授也提到，作為一個唯物主義者，任何一個單一的事物總要走到盡頭，特别是今天的線性技術，它事實上存在4個重要的極限：
物理極限：就是最小尺寸，現在看起來如果我們的材料上沒有太大突破的話，我們最小尺寸可能在1nm左右，到2030年前後，晶體管的特征尺寸可能會接近1.5nm；
功耗極限：是指在物理極限下的器件功耗密度将達到上千瓦/cm²；
工藝極限：将CMOS推向極限需要革命性的材料和器件創新，在這過程中，必然遭遇巨大的技術和工程障礙；
經濟極限：要實現上述各類技術創新必将引起制造和開發費用極急劇上升，因而隻有少數全球化的企業才可以支撐。
（圖源：魏少軍演講報告截圖）
2019年全球半導體市場陷入萎縮，而中國可圈可點
經常會有人問半導體産業是什麼樣的一種産業？魏少軍教授用奧地利經濟學家約瑟夫·熊彼得的一句話來引出，那就是“創新不是一個技術概念，而是一個經濟概念”。半導體或者芯片産業，恰恰是一個創新驅動的産業，它的發明最終變成了錢，它是靠創新的方式來發展。所以它是個創新驅動的産業。
了解了半導體産業的形式之後，再來看下半導體産業的發展情況。以史為鑒，從1987年到2019年的這段時間中，我們不難發現半導體産業的發展并不是一路高歌猛進。以2019年為例，去年半導體銷售收入位4121億美元，比上一年衰減了12.1%。這是2012年經曆小幅衰退後，時隔7年再次出現的衰退，也是2001年後最大的一次衰退。
（圖源：魏少軍演講報告截圖）
從全球半導體市場分布來看，2019年全球的市場萎縮到了4121億美元，美國市場為785億美元，歐洲市場398億美元，日本市場360億美元，中國市場是1446億美元，其他的亞太地區是1133億美元。總體而言，全球半導體市場都有所衰退，但非常有趣的是，中國的占比增加到35.1%。
（圖源：魏少軍演講報告截圖）
去年全球各類半導體産品也有所萎縮，其中存儲器萎縮了34.2%，存儲器衰退之後與邏輯芯片的市場份額一緻，大約占比25.8%。
（圖源：魏少軍演講報告截圖）
從全球半導體産品應用來看，2019年除了政府應用增長之外，其他應用都發生了萎縮。那麼是不是因為中國政府買了很多芯片，魏少軍教授解釋道：“從數據上看還真不是，是因為美國政府的采購量增加才使得政府采購量的上升。所以其實半導體的應用，除了我們常規知道的消費類汽車、計算機、工業應用通訊，政府也扮演了非常重要的角色。”
（圖源：魏少軍演講報告截圖）
是哪些企業的銷售額衰退才使得2019年全球半導體下滑如此嚴重？這點我們可以從2019全球前十大半導體廠商的銷售收入中找到線索。在全球前十大芯片廠商中，銷售額下滑最嚴重的四家企業有三星、海力士、美光以及東芝，他們分别下滑了37.3%、40.4%、36.9%、42.9%，由于這4家廠商的大幅萎縮，才使得全球的萎縮比例如此高。而且有趣的是，全球前十大企業在2018年的占比還占到了65.5%，去年就萎縮到56%。
（圖源：魏少軍演講報告截圖）
而相比全球中國的半導體情況要好的多，中國半導體是全球很重要的部分，2019年，中國集成電路産業繼續維持兩位數成長，相比與2018年增長了16.2%，達到7991億元人民币。從全球範圍看，中國集成電路産業的增長仍是最高的。
（圖源：魏少軍演講報告截圖）
從我國集成電路産業鍊各個環節發展情況中看，2019年，在貿易環境發生動蕩的大背景下，中國集成電路産業各個環節均維持了兩位數的增長率。設計業增長率最高，為16.31%；封測業緊随其後，為16.26%；芯片制造業的增長率為16.07%。在過去幾年中，第一次三個細分行業的增速都低于20%，但也是第一次三個行業的銷售均超過了2000億元。
（圖源：魏少軍演講報告截圖）
2019年，我國芯片制造業全年銷售達2110.4億元，第一次超過2000億元，但增速卻下降到16.1%。值得指出的是，這一統計中包含了在華外商獨資企業的營收數據，所以，制造業的快速增長也包含這些企業的貢獻，在中國集成電路制造業銷售統計中，預計約50%是由外資和台資在華企業貢獻。
（圖源：魏少軍演講報告截圖）
同樣，在封測業中，也有外商在華獨資企業的貢獻，但可以預計的是，這些企業在封測領域要比在芯片制造業領域所占的比例要低一些，外資和台資在華企業的貢獻約為30%。
（圖源：魏少軍演講報告截圖）
而芯片設計業作為我國的在半導體領域的第一大産業，超過99%是由中國本地企業貢獻的。芯片設計業是我國本土企業貢獻占比最大的一個細分行業，2019年設計業銷售達2930億元，比2018年增長16.3%。
（圖源：魏少軍演講報告截圖）
高端芯片進口依賴難擺脫
雖然我們在集成電路領域取得了一些成績，但我國的芯片占比還很低。按價值計算，占比僅在10.3%左右；按照本地市場計算，占比為29.5%；所以大部分還是要進口。從2013年開始，我國進口集成電路超過2000億美元，2018年超過3000億美元，到2019年繼續保持超過3000億美元，雖然降低了2.6%，但仍然非常高。魏教授還特意講到，進口的3000多億美元，我們本地隻用1000多億美元，其中間的差值便是裝到整機中出口到國外中去。
（圖源：魏少軍演講報告截圖）
（圖源：魏少軍演講報告截圖）
中國是個芯片進口大國，那麼我們都進口了哪些芯片？魏少軍教授進一步分析指出，2019年我們使用了168億美元的微處理器和微控制器，416億美元的存儲器，356億美元的邏輯電路，以及213億的模拟集成電路，這4大類産品加起來大概占了我們進口電路本地市場的百分之七八十。但進口的芯片并沒有完全用到本地，我們用隻掉了三分之一，剩餘的部分被裝成整機再次出口。
（圖源：魏少軍演講報告截圖）
總體來看，我國對一些高端芯片産品對外依賴性還很高。在過去20年中，我國集成電路設計業的主要動力是靠智能卡芯片、通信芯片以及移動智能終端芯片的發展。相關通信、智能卡、計算機、導航和消費電子等五個領域的企業數量有所增加。
（圖源：魏少軍演講報告截圖）
從我國市場主要芯片産品的銷售情況中看，主要為微處理器和控制器、半導體存儲器、邏輯集成電路以及模拟集成電路。這種情況說明，我國半導體産品還不夠豐富，競争力不夠強，尤其是在傳統領域，我們的技術能力還有欠缺。
（圖源：魏少軍演講報告截圖）
美國仍是半導體産業的領頭羊，中國該如何追趕？
毋庸置疑，半導體産業已是全球化最徹底的産業，美國、歐洲、日韓以及中國均是全球半導體産業的聚集地，代表了全球95%的産能以及近乎100%的産品和98%的市場。但我們也要認清現實，在這個全球化的産業中，我國半導體與半導體強國之間還存在着一定的差距。從美國半導體發展情況中看，美國現在依舊是半導體領域的領頭羊，在很多應用領域，依舊是美國企業占據着主導地位。
（圖源：魏少軍演講報告截圖）
美國半導體發展的優勢在于，美國半導體企業投資的強度大、規模也足夠大。據相關統計顯示，美國的半導體企業會将其17%—20%的收入用于研發，而其他地區隻有7%—14%。還需要指出的是，美國半導體企業的毛利可達62%。
（圖源：魏少軍演講報告截圖）
但我國半導體企業已經在奮力追趕，一個好消息是中芯國際在2019年的研發支出約占銷售收入的22%，但總額僅為6.87億美元，相比美國還有很大差距。這主要是因為我國半導體企業的規模偏小，而且毛利不高，這也影響了公司在研發上的投入，增加了向高端芯片發展的難度。
魏少軍教授進一步指出，美國是通過高額的研發投入來獲得最先進的技術和最先進的産品。再通過産品的競争力來獲得更大的市場份額。由于有更好的市場份額就有更高的毛利，就可以拿出更多的錢來支撐研發，以此進入一個良性循環。而我國又将如何打破怪圈實現良性循環的發展呢？
魏少軍教授點明，唯有中國半導體投資不再缺位，不斷的加大投資，尤其是加大研發投入，才可打破這種怪圈實現良性發展。好在中國開始呈現出這樣一種态勢，特别是大基金的投入，2019年10月22日，國家集成電路産業投資基金二期已成立，注冊資本為2041.5億元人民币。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，這方面還需要重視起來。
（圖源：魏少軍演講報告截圖）
集成電路再成長100年
很多人都在質疑摩爾定律已走到盡頭，還有學芯片的必要嗎？魏少軍教授借用清代學者陳澹然的一句名言：“自古不謀萬世者不足謀一時，不謀全局者不足謀一域”來建議，做一個決策的時候，一定要看全局，而不能看隻看眼前的一點。半導體著名學者胡正明教授曾在2015年的一次論壇中指出，集成電路産業可以再成長100年。
“就目前而言，我們還看不到有新的技術能夠替代半導體，不但現在沒有，我們預測在未來的二三十年當中大概都很難出現，而且也沒有任何産品可以代替今天的CPU和存儲器。如果出現，則意味着要花數十億美元和數十年時間來替代盡頭的技術。因此，對集成電路産業來說，還有很長的曆史要走。”魏少軍教授認為。
未來幾十年當中，半導體會越來越重要。5G、全自動駕駛、類腦計算和深度學習、智慧芯片将成為半導體産業下一階段的推動力。其中，在物聯網中，都會用到傳感器，低功耗無線射頻将會有較大的發展機會。
《禮記·中庸》中講：“凡事預則立，不預則廢”。魏少軍教授再次強調，其實我們做任何事情都不能頭腦發熱，不能想一出是一出，而是凡事都要做好準備，預則立，不預則廢。
魏教授最後總結到，芯片是支撐數字經濟發展的基礎，在可以預見的未來，尚不會出現能夠代替集成電路的其他技術。同時芯片也不再是傳統的電路小型化的技術，而是技術創新的高地。芯片已經成為電子信息技術的基礎核心。芯片在新一代信息技術中扮演着決定性的賦能作用。新技術因芯片而生，老技術因芯片而亡，摩爾定律将長期有效。
如果不重視芯片技術，我們就失去了對未來發展的有效驅動力。芯片是大國間競争的制高點，芯片技術和産業的發展必然成為國家戰略。政策制定者必須抱有堅定的信念和決心，具備正确的戰略判斷力、實現路徑的預見力和長期發展的戰略定力。
本文由半導體行業觀察整理自清華大學五道口視頻直播，魏少軍教授主題分享“芯片還将伴随我們一百年”。
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