米磊：培育上百位CEO、院长也是销售员，台湾工研院给我们哪些启示？

2024年，中国台湾半导体产业产值有望首次突破5万亿元新台币（单位下同）大关，预计可达5.1134万亿元，增长17.7%。联华电子、台积电、联发科……这些台湾半导体产业的翘楚，继续占据全球半导体产业链的重要位置。

而谈到台湾半导体产业的成功，离不开台湾工业技术研究院。本文摘编自《硬科技2：从实验室到市场》，通过深挖台湾工研院那些极务实的做法：让科研人员成为CEO、非官方的建制、院长也是销售员、让科研与产业的旋转门常开，找到台湾半导体产业带来的独特启示。

【文/ 米磊等】

提起中国台湾工业技术研究院（以下简称“台湾工研院”），最为人熟知的是：它是台湾地区半导体产业的摇篮。成立于1973年的台湾工研院历经50多年的发展，见证了台湾地区从以农业、手工业为主的经济体变为在半导体等领域影响全球创新链和产业链的产业高地。

中国台湾工业技术研究院 图源：新浪科技

在发展过程中，台湾工研院通过技术研发，发展关键性、创新性以及前瞻性的技术，推广科研成果，辅导中小企业技术升级，培养工业技术人才，在整个台湾地区的技术研发、技术转移、产业升级过程中起到领航的作用。

台湾工研院不但为台湾地区研发开创了许多前瞻性、关键性的技术，同时提供知识产权的专业服务，每年转让技术项目高达600余项，成为台湾地区企业的专利后盾。此外，台湾工研院孵化了多项台湾地区新兴科技产业，培育了无数科技人才，包括超过百位的CEO，孵化了270多家优秀企业。

台湾工研院成功的核心在于配合产业界，通过机制的设计，有所为、有所不为，提升了台湾地区的产业创新实力。

01. 与生俱来的产业基因

经济大背景下的产物

20世纪70年代，世界石油危机爆发，能源以进口为主的台湾地区物价高企，生产成本剧增，让原本依赖出口创汇的台湾地区经济结构受到严重挑战。1974年，台湾地区的经济增长率降到1.1%，创下20世纪50年代以来的新低。经济低迷引发经济转型的思考，有台湾地区产业经济界人士认为，唯有摆脱劳动力密集型发展模式，转向技术密集型路径，才能彻底让台湾地区经济实现转型。

1970年代的台湾街景，路面环境十分整洁 图源：中新网

成立台湾工研院是为经济转型而开展的重要部署之一，台湾地区将分散在各处的联合工业研究所、联合矿业研究所与金属工业研究所合并，成立了台湾工研院。台湾工研院的研发重点并非基础研究，而是实用科技，是围绕科技成果商品化、产业化和市场化开展研究。

在50多年的发展中，台湾工研院的办院理念、策略布局几经调整，业务不断拓展，但其始终没有偏离根据企业技术发展需求开展科技研发和技术服务活动的主线和初心。

院长、所长也是销售员

台湾工研院的院长不仅仅是学者，还是面对行业组织、企业、当局的销售员，要去争取经费，旗下各所的所长也是如此。台湾工研院鼓励院内科技专家与产业界沟通，听企业讲自身的困难，通过实地观察与研讨了解企业需求，再绞尽脑汁去想该怎样满足企业需求。

台湾工研院并非通过科研立项获得当局经费，而是当局也是其客户，资金是通过专项研究项目的竞争申请获得。台湾工研院的运营就像建筑公司承包铺路、造桥一样，在中标后受当局委托开展工作。台湾工研院既自己出去找买家，也有客户主动来向企业转移技术，在各种会议上的随机交流可能也是促进转移技术对接的途径。

逐步走向当局零补贴

在台湾工研院创办初期，台湾当局提供了充足而稳定的经费补贴，1973—1983年当局的补贴约占到台湾工研院经费支出的60%。经过十年探索运作，台湾工研院通过商业方式向产业界和企业界积极推广科研成果和提供相关服务已经发展得相对成熟。

到了1984年，台湾工研院不再依靠当局的补贴，实现了收支平衡，甚至略有节余。20世纪90年代开始，台湾工研院强化产业服务，实现了承接公共部门(含当局相关机构)项目的经费与面向产业服务的企业委托项目经费的比例持平且后者呈增长的趋势。

1978年，中国台湾工研院建立的试验线负责生产电子表芯片，制造良率很快就超过了美国无线电公司（RCA），台湾也一度成为电子表三大出口地区之一。

台湾工研院主要的收入来源：

(1)专案计划：台湾经济部门等委托的科技研发计划。

(2)技术服务：企业委托项目，以及面向企业的咨询、培训、检测、分析等服务项目。

(3)计划衍生：根据民间及当局的需求，专案计划所产生的技术进一步衍生，形成特定产品的研究及开发项目。

(4)业务外收入。

02. 让科研人员成为CEO

让科研人员成为CEO。台湾工研院实行技术与人员向企业整体转移的流动机制，在向企业转让技术成果或将成熟技术推向企业时，往往是技术和人员整体向企业转移。在发展历程中，台湾工研院共培育上百位CEO，孵化了270多家优秀企业，除了半导体和个人电脑产业，还包括TFT-LCD面板产业、LED产业，乃至高端机床、生物医药等产业。

技术跟着人才走。在从台湾工研院进军企业界的弄潮儿中，人们耳熟能详的有台积电董事长张忠谋、联发科董事长蔡明介等。台湾工研院早在开展半导体攻关之初，就领悟到使技术高地转向台湾地区的关键点在于人才。时任台湾工研院院长的胡定华拟出集成电路技术引进方案，从美国挖回了半导体产业界的张忠谋、蔡明介、曹兴诚等高水平人才，这为台湾工研院开展研发、技术成果育成、企业孵化奠定了坚实的基础。

1974年，台湾团队赴美签署《集成电路技术转让授权协议》，这其中就有后来的“联电”董事长，曹兴诚（左一）

在台湾工研院，科研界和产业界的旋转之门常开。台湾工研院的科研人员具有高度自由选择权，可以选择在工研院工作，也可以选择离开，还可以离开一段时间后再回来。台湾工研院每年会有10%~15%的人才流向产业界，等于向产业界释放出500~800个研发人才。

03. 孕育台湾半导体产业

台湾工研院承接当局的研发任务，主要瞄准具有高附加值、市场潜力大、能耗低的前瞻性共性技术。台湾工研院组织和推动研发，通过关键共性技术的突破带动产业结构的提升，同时又与产业界的研发形成错位。半导体、动力机械、电脑系统、通信电子、光电系统、生物医药等关键技术的研发，都带动了相关产业的蓬勃发展，其中最典型的就是半导体共性技术的研发。

1974年2月7日，在南阳街小欣欣豆浆店，台湾经济部门、交通部门、行政部门、电信部门的相关人员和台湾工研院领导等共同商定以集成电路技术作为台湾高科技产业转型的切入点。

1974年，在台北南阳街一家叫做“小欣欣豆浆店”的早餐店，台湾“工研院之父”孙运璿和美国无线电公司（RCA）的研究主任潘文渊畅谈了一个小时，定下了台湾未来产业发展方向：集成电路。 图源：网易

1974年，台湾工研院下设“电子工业研究发展中心”，通过了1000万美元的积体电路发展计划。

台湾工研院派遣了一支由37名工程师组成的团队前往美国的RCA工厂，进行为期一年的集成电路设计和制造的密集培训。这些人构成了台湾集成电路行业此后几十年的领导核心。

1977年，在台湾工研院的主导下，台湾第一家晶圆体示范工厂落地。初步掌握了产品线技术后，台湾工研院也十分清楚应交由企业发展。不过，此时民间对于半导体投资并不感兴趣，最终在台湾当局牵头融资下，台湾的第一家半导体企业联华电子(简称“联电”)成立。台湾工研院将从RCA学习的产品线技术以低价授权生产的方式毫无保留地给了联电，同时台湾工研院还向联电转移了40多位技术人员。

20世纪70年代后期，美国、日本都在抢夺半导体技术高地。1984年，台湾工研院带头出资7 000万美元，开启了大型集成电路计划。技术研发后，台湾发现，没有制造能力是产业发展的缺陷。作为紧急弥补的措施，台湾建设了第一家晶圆代工厂。由于未与市场衔接，这家代工厂之后基本处于闲置状态。

1985年，张忠谋受邀回台湾担任台湾工研院院长、联电的董事长，同时预判了一个新的行业风口——纯粹的晶圆代工环节。

台积电创始人张忠谋于1985-1988年担任中国台湾工研院第三任院长 图源：中国台湾工研院官网

台湾工研院将目光投向了集成电路设计。台湾工研院于1985年成立了集成电路共同设计中心(CDC)，旨在鼓励新兴的设计公司。在后续的发展中，它剥离了十几家具有集成电路设计能力的公司。

04. 孵化裂变，产业生态形成

衍生企业是一种非常重要的技术产业化模式。依据台湾工研院的政策，凡由台湾工研院正式规划核定，将某种成熟的技术连同关键人员一并转移而成立的公司，即为台湾工研院的衍生公司。1990年，台湾工研院正式出台了“工研院筹设衍生公司办法”，从而加速了衍生企业设立的步伐。

中国台湾工研院内景 图源：中国台湾工研院官网

台湾工研院于1980年首次以衍生公司的方式促成联电的创立。成立之初，联电被定义为一家转化台湾工研院技术的企业。台积电的成立则开创了芯片代工的新时代，也给联电发展带来了新压力，联电开启了转型之路——拆分原有的集成电路设计部门。

这些被拆分出来的芯片设计企业在台湾地区形成了一套相对完整的芯片生态系统。其中，联发科技成为全球最大的手机芯片厂商，联咏科技是全球最大的显示驱动IC设计公司，欣兴电子是全球第三大印刷电路板制造公司，智原科技提供专用集成电路设计服务，原相科技致力于互补金属氧化物半导体影像感测及导航，联阳半导体是笔记本IO控制IC和嵌入式IC的主要供应商，盛群半导体由专业微控制器IC设计公司系统转型为投射式电容触控面板IC设计公司。

本文摘编自《硬科技2：从实验室到市场》，这本书以国际比较和历史视野，从机制体制、人才、金融、新型研发机构等角度展开，讲透了科技与产业两张皮难题。

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芯片能够参与竞争的任何技术，最终都不可避免地成为失败者

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导读

“我们每天都在接触芯片，但是我们看不见芯片，我们看到的只是一个整机。”

魏少军 清华大学集成电路学院教授

大家好，我是来自清华大学集成电路学院的魏少军 ，今天我分享的内容是《小小芯片改变我们的生活》 。一颗小小的芯片不仅是一个器件，而且还会持续地改变你我的生活。

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什么是芯片？

目前，芯片已经成为一个非常热的话题。那什么是芯片呢？其实我们每天都在接触芯片，大部分时间都在和芯片做交互，但是我们看不见它，我们看到的只是一个整机。 例如，我们很多人都在用手机。如果我们离开手机，甚至不知道如何与别人交互，也不知道怎样查信息。 但当我们拿到手机时却看不到任何的芯片，因为芯片在里面。

Iphone6手机部件及其电路板上的集成电路

手机里面有若干个电路板，电路板上有一些小小的黑色方块，我们称这些方块为集成电路。 正是这些数量众多的集成电路，赋予了手机极其复杂的功能。

整机机柜（左）和电路板上的集成电路（右）

我们日常生活中还会接触一些整机的机柜。当我们打开机柜之后，可以看到里面一块块的电路板。电路板上这些黑色的小方块就是集成电路。

集成电路（左）和芯片（右）

集成电路就是我们所说的芯片的学名。不过，集成电路和芯片还是略有一点差别。 我们把左图中集成电路的黑色封装材料去掉之后，才能看到右图中真正的芯片。芯片是在半导体材料上构建的一个复杂的电路系统。晶体管是组成芯片的基本器件。晶体管很小，我们人类还无法用肉眼去观察它内部的工作原理，只能通过外部测试来推算它是如何工作的。

晶体管的符号（上）和基本工作原理（下）

为了讲清晶体管的工作原理，我举一个简单的例子。我们知道水电站都有大坝，大坝上有闸门，大坝里面有发电机。当闸门打开时，水流冲下来促使发电机发电。通常在闸门上有一个功率较小的电动机，用来控制闸门的关闭和打开，从而控制大坝里面发电机的发电。与发电机的功率相比，电动机的功率较小，用小功率的电动机控制这个闸门的开关，就可以让发电机发电。在水流最大的时候，发电机的发电量最大。因此它就起到了放大作用。当闸门全部打开时，发电机的发电量达到最大，我们用1来表示。当闸门全关上，没有水流时，发电机不发电，我们用0来表示。借助这样的方式，我们实现了晶体管的基本原理。晶体管有各种各样的型号，分别由不同的材料组成，例如双极型的晶体管和金属氧化物半导体（MOS）的晶体管。 上图中列出了几种晶体管的符号，今后大家如果看到这些符号，就可以知道这是晶体管。晶体管只有70多年的历史。在晶体管出现之前，我们用的是电子管，它是个真空管。

电子管

上图是直径为2-3厘米，高度为5厘米的电子管。电子管的下面有一个阴极，把它加热之后会向上发射电子，上面有一个阳极收集电子，中间的栅极负责控制电子通过量。栅极相当于闸门，电子束相当于水流。

第一台电子计算机ENIAC

1946年2月，在美国宾夕法尼亚大学诞生了第一台电子计算机ENIAC。 这台计算机用了17500只电子管，重量有30吨，占地面积很大，耗电量达174千瓦。这台电子计算机可以完成每秒钟5000次的加法，在当时来说速度非常快。但是，这台电子计算机存在一个大问题：机器平均每7分钟就要烧坏一只电子管，因此它的使用效率非常低。 原因在于电子管在高温、高压、高热的情况下工作，可靠性非常差。 为了长期稳定使用计算机，我们急需找到一个能够代替电子管的器件。1947年，在美国的贝尔实验室，三名科学家发明了晶体管 。它很小，像一颗黄豆那么大，功耗很低，也不发热，使用寿命可达十几年。

晶体管发明人肖克利（W. Shockley）、巴丁（J. Bardeen）和布莱坦（W. Brattain）（左），晶体管原型（中）以及世界上第一台晶体管计算机TRADIC（右）

1954年，美国贝尔实验室利用晶体管构建了一台晶体管计算机，我们称其为第二代计算机。 这台计算机耗电只有100瓦，可以完成每秒钟100万次的运算，运算速度远远快于第一代计算机。这台晶体管计算机仍然存在一个问题：它有很多焊点，在高温和机械震动很强的情况下，它的可靠性依然不好。 因此人们急需找到另外一种器件，能够进一步缩小体积，提高可靠性。

基尔比（Jack Kilby）和他发明的集成电路原型

4年后的1958年，在美国德州仪器公司的年轻工程师杰克·基尔比（Jack Kilby）发明了集成电路的理论模型。

诺伊斯（Bob Noyce）和掩膜版曝光刻蚀方法制造的集成电路

1959年，鲍勃·诺伊斯（Bob Noyce）创造了掩膜版曝光刻蚀方法，用来生产集成电路。

第一台集成电路计算机IBM360

到1964年，IBM公司用集成电路构建了世界上第一台集成电路的计算机，也称为第三代计算机。 这个计算机有大、中、小共6个型号，涵盖了科学计算和事务处理两方面的应用，像一个罗盘一样能够360度全方位使用。因此，它起名为IBM360。这台计算机与之前的计算机相比最大的特征，就是从军用为主转向了民用为主。

泰德·霍夫（Ted Hoff）（左）和世界上第一款微处理器——英特尔4004（右）

1970年，英特尔公司的一位年轻科学家泰德·霍夫（Ted Hoff）主持设计了世界上第一款微处理器——英特尔4004。 关于英特尔4004，还有一个小小的插曲。当时的微处理器并不是为了计算机，而是为日本人的计算器设计的。英特尔公司设计好4004之后，就把微处理器交给了日本公司。按照当时的规定，出钱的公司拥有知识产权和技术，因此世界上第一个微处理器的产权属于日本人。日本人觉得微处理器很好，但是又很后悔。他们没有掌握升级技术，每次升级都要花钱去找英特尔。每次还要花钱，觉得很不合算，于是就把微处理器还给了英特尔。英特尔公司非常高兴，为什么呢？因为英特尔公司把微处理器交给日本人之后，他们也很后悔，认为这么好的东西交给日本人实在太遗憾了，所以日本人把东西交回来时，英特尔公司喜出望外。从那以后，英特尔公司的主攻方向从半导体存储器转向了微处理器，发展成了一家伟大的公司。

第一台IBM PC

又过了10多年到1981年，IBM公司宣布第一台IBM PC诞生，它用的是英特尔的微处理器。 我们今天使用的个人计算机（PC）包括笔记本电脑，都是从IBM PC派生出来的。个人计算机改变了计算机的使用，从IBM360那样主要面向商用，变成了主要面向家庭和个人。现在，计算机已经深入到我们生活的方方面面，并且存在两个极端。

神威·太湖之光

一个极端是大型的超级计算机，例如中国的神威·太湖之光。 它曾经四次蝉联全球超级计算机Top500的第一名，具备非常高的运算速度，每秒钟可以完成12.5亿亿次运算。

iphone12

另一个极端是手机，例如iphone12使用的A14的处理器每秒钟运算次数可达到11.8万亿次，这也非常惊人。 要知道在1969年，美国航天局把宇航员送上了月球。当时他们所拥有的所有的计算能力都不如我们今天的一部手机。我们经常开玩笑，美国人用那样的计算能力把宇航员送到了月球表面，但是今天我们拿着手机来打游戏，或者做一些看起来微不足道的工作。但这就是技术的进步。

戈登·摩尔（Gordon Moore）（左）和罗伯特·登纳德（Robert Dennard）（右）

谈到集成电路的发展时，有两个人我们不得不谈。一个是戈登·摩尔（Gordon Moore） ，他在1965年的一篇论文中提出了著名的摩尔定律。他通过观察，预测到集成电路的集成度大概每过一年翻一番，后来又修改为每过18-24个月翻一番。过了将近十年的时间，人们在回顾这篇论文时，惊奇地发现摩尔预测的非常准。于是，人们产生了另外一个疑问，我们应该用什么样的方法延续这样的发展速度，每年都能让集成度翻番。1974年，IBM的科学家罗伯特·登纳德（Robert Dennard） 在论文中写道，按照他的方法，就可以一直延续摩尔定律。他提出的正是等比例缩小 的方法，该方法讲的就是如何去实现摩尔定律。登纳德定律和摩尔定律合称为摩尔定律。说道摩尔定律，只需要记住三件事：每代工艺与上一代相比，在面积不变的情况下，晶体管的数量翻一番；或者在晶体管数量不变的情况下，面积可以缩小到原来的二分之一；它的速度提升40%，功耗下降50%。我们称之为PPA，即Performance，Power，Area 。只要你知道PPA，就表明你是了解集成电路的。按照这样的发展速度，每18个月它的集成度就要翻一番。因此它是2的N次方的发展速度。

单个芯片上的晶体管密度指数攀升

我们可以看到，从250纳米到5纳米，单位面积上可以集成的晶体管数量急剧上升。 在250纳米时，我们可以在一个平方毫米的面积上集成11.2万个逻辑门。一个逻辑门相当于4个晶体管， 11.2万个逻辑门相当于45万只晶体管。到了16纳米的时候，我们可以在一个平方毫米的面积上集成大概400多万个逻辑门，即大概1500万个晶体管。而到了5纳米时，我们可以在一个平方毫米的面积上集成2800万个逻辑门，即1亿多个晶体管。一个平方毫米的面积，相当于一个芝麻粒大小。 今天一颗芯片可以做到500个平方毫米，也就意味着我们可以在单个芯片上集成500多亿只晶体管。全人类一共80多亿人，每生产一颗芯片可以给全人类每个人分几只晶体管。所以我们的集成度非常高，这样高的数量意味着这个系统异常复杂。摩尔定律揭示了生产当中不断发展的现象，如果它按照2的N次方继续发展，会对社会带来怎样的影响？2015年4月19日，在摩尔论文发表的50周年，人们在硅谷举办了一个纪念会，邀请摩尔前来参加，同时也邀请了两位嘉宾。

一位嘉宾是加州理工的教授卡弗·米德（Carver Mead） ，他说：“摩尔定律不是一个物理定律，它是人类本性的一个定律。人们知道什么在物理上是可以实现的，而且对之深信不疑。” 这句话非常有哲理。卡弗·米德认为人们相信某件事可行时就会努力去做。因此，摩尔观察到现象，但真正实现摩尔定律的是全体的从业人员，是我们全人类。另外一位嘉宾是英特尔公司的前高级主管比尔·戴维德（Bill Davidow） ，他说：“社会和经济变革是巨大的。在50多年前传递信息不仅缓慢，而且非常昂贵。因此，我们把人们移动到距离信息近的地方。” 这句话的意思是说，过去我们要到超市去买东西，但是不知道超市里有什么东西，该怎么办？我们就需要亲自去超市进行选择，即把人移动到离信息很近的地方。但是，借助电子商务的发展，我们可以把信息移动到人们所在的地方，通过手机下单把东西移动到家里。因此，比尔·戴维德说：“由于摩尔定律，我们将会重建所有的物质性基础设施。” 大家平时可以观察到，有些大商场慢慢消失了，或者退化成娱乐中心，原因是电商的出现导致整个社会形态发生变化。这背后真正的驱动力是信息技术，而信息技术最重要的基础就是半导体技术，即晶体管的发展。所以摩尔定律的社会意义是非常深远的。这件事情只发生在半导体产业中，如果发生在其他领域，变化可能就更大了。到目前为止，没有任何其他的产业和技术，能够像半导体技术一样，按照摩尔定律在半个世纪中持续发展。我做了一个简单的计算，假如同样的事情发生在汽车上会怎么样？那今天汽车的速度就会达到每小时930万公里，比第三宇宙速度快了30倍；每百公里油耗只有0.6纳升，1纳升是10－9升，大概相当于一个唾沫星子，就可以跑100公里；最恐怖的是，这个车可以乘坐680亿个人。真要有这样一辆车的话，全世界的人上车都来不及。

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芯片“杀手”

不仅如此，芯片的出现还改变了社会的很多方面，我称其为芯片“杀手”。

什么叫做芯片“杀手”呢？这是因为芯片“杀死”了很多东西。首先是曾经在我们生活当中扮演重要角色的胶卷 消失了。胶卷的主要生产商是柯达公司，成立于1880年，但是在2012年申请了破产保护。它为什么会申请破产保护呢？因为胶卷没人买了，数码相机甚至手机的出现逐渐扮演了胶卷的角色。在100年前的1921年，伟大的科学家爱因斯坦因为发现光电效应获得了诺贝尔奖。1969年，Boyle和Smith两位科学家开发了第一个电子成像技术，叫做电荷耦合器件CCD。 1991年，柯达公司发明了世界上第一款数码照相机，价值高达13000美元，重量5公斤。柯达公司认为数码照相机价格太贵了、太重了，不可能成为大家都接受的东西，所以把它锁到箱子里，并没有去生产。但是，没想到由于半导体技术的迅速发展，不到10年的时间，很多卡片式的数码相机进入到千家万户，胶卷逐渐失去市场。在发明CCD的40年后，2009年，Boyle和Smith两位科学家获得了诺贝尔物理学奖。今天主要使用的成像技术是CMOS图像传感器，简称叫CIS 。这样的图像传感器我们每个人的手机上最少有一个，多的有三四个。它所带来的产业每年产值有上百亿美元。今天胶卷只存在于一些特殊的行业，我们已经很少用到，甚至很多人都没有见过胶卷了。

第二个是机械钟表的消失。 我们很多人都不会戴机械手表，而是选择电子表，甚至可能连电子表都不戴，拿一个手机就可以看时间了。发明于15世纪的机械钟表，从纯粹的计时功能来看已经没有存在的必要。像电子表的电子计时的功能，早在上世纪的1971年就被发明出来了，“杀死”机械钟表的也是芯片。

磁芯（左），磁盘（中）和磁带（右）

第三个是磁存储的消失。 最早的计算机使用的并不是半导体存储器，而是磁芯存储器。 1979年我第一次接触计算机的时候，使用的就是磁芯存储器，只有64K的内存。今天的笔记本电脑基本上都是4G以上的内存，和当时相比已经发生了翻天覆地的变化。20年前，计算机也用到了很多磁盘，包括软的磁盘和硬的磁盘。现在的计算机也慢慢较少用到磁盘，而大量使用了固态硬盘，即半导体存储器组成的硬盘。之前我们还用到的各种磁带，包括收录机上的磁带、随身听上的磁带和录像带，也慢慢地从生活中消失了。因为我们有了各种数码产品。

NEC发布的最早的静态随机存储器

为什么磁存储会消失？原因是我们用芯片来替代磁存储。 英特尔公司创立初期主要是生产半导体存储器。早在1966年，日本的NEC公司就发布了静态随机存储器 ，这个存储器改变了世界。我们今天用到的半导体存储器既不值钱，又非常值钱。它的造价非常贵，但是我们可以花几百块钱就买几个G，因此又很便宜。当存储容量不够时，我们买一个内存条插进去就可以解决问题，所以“杀死”磁存储的又是芯片。

过去40年消失的东西

过去40年里，我们有太多的东西逐渐消失了。曾经人人都有科学计算器 ，今天已经没有人在用了。我们曾经骗家长说学英文、其实是听音乐的随身听 ，现在也已经消失了。我们曾经用便携式摄像机 给孩子录像，记录他们的成长过程，现在也逐渐淡出人们的视线。还有个人助理、MP3、卡片式照相机、磁带录像机、GPS导航仪以及电子词典 等等，这些东西都消失了。它们都进了手机，而手机的体积并没有发生根本性的变化。因为芯片太强大了，而且越来越强大。每过18个月，它的容量就翻一番，功能也就越来越强大。因此，我们总结了一句话：芯片能够参与竞争的任何技术，最终都不可避免地成为失败者。 如果发现某项技术已经被芯片做了，我们千万不要再去做，因为它最终会被芯片战胜，它一定成为失败者。

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芯片的“极限”

芯片发展至今已经有60多年了，它有没有极限呢？有一天它会不会退出历史舞台呢？我认为任何事物的发展都有极限，不过我们离这个极限还很远很远。现行的科学技术还是有极限的，半导体现有技术遇到的第一个极限就是物理极限。

栅极氧化层示意图（左）和扫描电镜图像（右）

目前半导体在不断地在做小，尺寸已经缩小到了纳米量级。尺寸达到纳米量级之后，最大的问题是我们很难避免漏掉电子，就像筛子做的不够密会导致很多东西掉下去。 半导体的主要材料——栅极氧化层是尺寸最小的一层物质，只有1.5纳米。当真正做到1.5纳米时，电子会穿过它漏下来，产生漏电现象，无法进行控制。这个可能是现行技术能够达到的最小尺寸，但不是最终尺寸，我们还有很多新技术可以解决这个问题。半导体现有技术的第二个极限是功耗极限。 如果不对功耗加以控制，手机电池耗电极快，几分钟就要充一次电。由于技术的不断发展，现在的手机可以一天充一次电，其实我们最理想的状态是一部手机一个星期充一次电就好。如果智能手机的电池功耗能够达到这种状态，我们的生活会方便很多。

20世纪90年代预测的芯片功率密度的增长趋势（左）和功率密度的实际增长情况（右）

在提供大量功能的同时，半导体自身也需要耗电。我们用能量密度，或者功耗密度，来表征它的功耗情况。 家里用的电熨斗的功耗密度是每平方厘米5瓦，它运行起来很烫，能将我们烫伤。早在上世纪的90年代，半导体的功耗密度就已经超过了每平方厘米10瓦，比电熨斗还烫。如果当时我们没有发展任何新技术，到2005年可能功率密度就会达到每平方厘米100瓦。但是，经过20年的技术发展，半导体的功能在不断提升，功耗并没有明显的上升，这是非常重要的进步。

工艺节点发展路径

半导体现有技术的第三个极限是工艺、器件和材料。 今天我们往往用多少纳米来表征集成电路的先进性。世界上最先进的大概是7纳米，目前在大批量量产，很快5纳米也会量产，我们国家也实现了14纳米的大批量生产。在生产过程中出现了很多不同的节点，每次缩小到原来的0.7倍，以此一直不停地前进。

不断演进的晶体管结构

在发展过程中，最基础的器件是晶体管，晶体管也在不断演进。图片最左边是前一代晶体管，即平面型晶体管 。平面型晶体管的硅上有条沟道，两端是源和漏，上面通一个栅极来控制沟道的电流是否通过。随着体积变小，源和漏逐渐靠近，电子跑的很快无法控制，怎么办？于是我们发明了鳍式晶体管 ，也称为FinFET。FinFET中间有一个像鱼鳍一样提起来的东西，用栅把它包起来，三面环栅，就有了比较强大的电场，可以控制电子能否通过。但是到了5纳米时，鳍式晶体管也行不通了。我们需要做一个全包围栅的晶体管 ，用一个全包围栅把沟道全围起来，叫做Gate-All-Around（GAAFET）。平面型晶体管在22纳米时出现了换代，鳍式晶体管在5纳米时也会出现换代，5纳米之后将出现全包围栅晶体管。所以晶体管结构在不断地变化发展。这种变化背后有很多的科学技术，其中最重要的是半导体材料的创新。

半导体使用的元素周期表中的元素

上世纪80年代，半导体材料只用到了门捷列夫元素周期表中蓝色标记的少量元素。新世纪之后，半导体材料的应用扩展了很多，大量的元素都被半导体用到。半导体的发展并不是简单的只用一种材料，而是会用到多种材料。所以，探索新型的半导体材料，成为今天晶体管发展的非常重要的技术路径。

5/45/32/22/14/10nm CMOS工艺步骤数

把东西无限缩小的工艺复杂度是非常高的。 到65纳米时，我们大概需要走900步；到了10纳米时，我们大概需要走3300步。每步走一小时，也需要3300个小时才能完成。这些工艺步骤数决定了生产周期的长短，今天的集成电路不可能在几天之内就完成生产，而是需要几个月甚至更长的时间才能完成生产。这几个月中不能出现任何差错，否则整批报废，就要重新开始。所以它是一个生产管理高度复杂、高度精密的技术。半导体现有技术的第四个极限是经济的可行性。 任何好的技术如果没有经济的可行性，那就达到了它寿命的终结点。

新建半导体制造厂成本

在上世纪，我们估计到2010年时建一个集成电路厂大概要花500亿美元，相当于当年销售市场的10%，这是代价非常昂贵的事情。幸好科技的发展没有让我们失望，我们的实际开销大概是100亿美元左右，节省了400亿美元。即便如此，我们的花费仍然是一个天文数字。 例如，在65纳米时，达到的盈亏平衡要投25-30亿美元。在14纳米时，我们花费的100多亿美元就达到了美国一个核动力航母打击群的建造费用。到7纳米时，我们要花费140-160亿美元。到5纳米时，大概要花将近200亿美元。大家可能会疑惑，如此高昂的造价，我们是建一个核动力航母打击群，还是建一个集成电路制造厂？这是我们经常被问到的一个问题。如果建一个集成电路制造厂，后面还要继续投入，所以集成电路厂的建造非常昂贵。正是因为建造成本的高昂，使得芯片也在慢慢变贵起来了。

芯片不再便宜

在28纳米之前，半导体的价格一直在走下行的通道，所以前几年会感觉手机价格很便宜，我们经常隔半年就换一部手机。但是，这两年一部手机高达几千块钱，可能很少有人频繁地换手机了，这部分是因为芯片价格的上涨导致手机越来越贵。 我们按照百万逻辑门，即400万个晶体管，作为一个基本单位计算芯片价格。在28纳米时，它是1.4美元；到16-14纳米时，它是1.62美元，价格已经开始上升；现在到5纳米时，它的价格上升很快。所以今后半导体不会很便宜，电子产品也不会很便宜，这是生产规律所决定的。

越来越少的制造资源

由于需要数额巨大的投资，所以集成电路的制造资源越来越少。 现在全世界进入7纳米的生产线只有三星、中国台北的台积电、美国的格罗方德和英特尔四家公司。事实上英特尔应该是10纳米，它指的密度相当于7纳米。今后如果全球只有两家公司在做半导体最先进的工艺时，我们想要拥有这个产能就非常难。这就是为什么我们中国也要大力发展半导体的根本原因。

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如何制造一块芯片？

那么，我们如何制造一块芯片呢？制造芯片是人类历史上最为复杂的制造工艺。集成电路一般分成五大版块，包括设计、制造、封装测试、材料和装备。

集成电路产业的五大板块

通常我们讲集成电路主要是指设计、制造和封测。 最近几年情况发生变化，我们把材料和装备也纳入集成电路的范畴。很多人可能不了解什么叫设计、制造和封测，我用一个简单的例子来类比，虽然不是很准确，但是我们可以大概理解其中的内容。

设计、制造、封测三业相对独立的产业生态

集成电路的设计相当于一个作家在写作，它是一个创作的过程，是一个知识产权密集的过程，也是一个人才密集的过程。作家写作完成之后需要印刷。这个印刷厂需要进行非常精密的印刷，字印得很小又很清晰，还能成千上百地印刷，中间不走样。这就相当于集成电路的制造。它是规模化制造导向、设备密集、投资密集和专利密集的产业。书本印刷之后需要装订，避免书本散架，装订过程中需要用到的材料还要防止磨损。装订也是一个非常重要的工作，需要检查装订是否正确、整齐，这就相当于集成电路的封测。因此，写作、印刷、装订基本上对应了设计、制造、封测。

集成电路芯片结构示意图

芯片的制造高度复杂。如果我们打开一个芯片，会发现芯片里有几十层异常复杂的东西，包括介质层、存储器、互联、接触孔和晶体管等等。 我们用什么方式来建造如此复杂的芯片呢？芯片是靠一层一层的掩模板曝光刻蚀技术来建造的，这是鲍勃·诺伊斯发明并且沿用至今的技术。

集成电路芯片制造工艺流程示意图

真正去看集成电路的制造工艺，如果从单晶开始考虑的话，它经过的步骤非常长。从拉单晶、磨外圆、切片、倒角到最后引线键合、模塑、切筋成型、终测 等等，这是一个非常长的产业链，它涉及到了材料、装备、设计、制造和封测等几乎每个环节。

光刻工艺示意图这中间最重要的是光刻，光刻怎么做呢？ 我们举个简单的例子。我们有个晶圆片，在晶圆片的上面做一个氧化层。氧化层可以帮助我们阻挡一些不该进入到硅片的东西。蒸了一层氧化层后，就要在氧化层上涂一层光刻胶。在光刻胶上方放置掩膜版。光源从上面照下来，把掩膜版上的图形映射到涂了光刻胶的硅片上。随后去做显影，去掉暴露在光线里的光刻胶，只留下阴影挡住的那一块，即图中的L形。然后做刻蚀，把下面的氧化层刻掉。最后去掉L形上面的胶，这时就有个L形停留在硅片上面，这就是光刻技术。这里我只简单展示了光刻技术中的七个步骤，如果加上清洗等环节，一层光刻过程可能包含十几个步骤。

集成电路的工艺节点和掩膜层数

我们今天的芯片制造可能会涉及到很多层，例如，在7纳米时候曾经高达到85层。优化之后，到7nm＋时我们只有75层。但是到5纳米时，我们又回到80层。每一层都含有几十个简单的步骤，相乘之后，我们的制造就会有极多的步骤。 例如，在10纳米时，我们就会有3000步。所以我们常用层数来表征制造的复杂度。如果制作1层需要1天的时间，那么我们制作5纳米就需要80天，所以集成电路需要很长的时间去制造。

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我们的“中国芯”

那我们国家的芯片发展得怎么样呢？

全球半导体市场分布情况

首先，中国是全球最大的单一半导体市场。 2020年，我们中国使用的芯片价值1515亿美元，占比是35%。全球生产的芯片每三块中就有一块是被中国消费的。

中国集成电路产业链各环节发展情况

中国自己生产的集成电路并不是太多，在行业中最主要的是设计。我们去年的芯片设计产值一共是3778亿人民币，相当于约540亿美元。我们的增长速度非常快，在过去的十几年中，我们的设计提升了将近45倍，制造提升了将近14倍，封测提升了9倍。而同期全球的增长速度远远低于我们。 所以，在新世纪以后，半导体芯片在中国的发展是非常快的。

中国芯片设计产业发展情况

从2004年到2020年，我国的芯片设计产业快速发展，年均复合增长是27.1%。这意味着我国芯片设计产业连续16年增长27%，增长速度非常快，每隔三五年就能翻一番。 2014年以后，我国的芯片设计产业已经达到了相当大的规模，年均复合增长率仍然在保持在两位数，大概在25.2%。

中国芯片制造产业发展情况

前些年我们的芯片制造业发展速度不够快，过去16年的年均复合增长率是18%，但是最近的五六年在加速发展，已经达到24%。

中国芯片封测产业发展情况

我们的芯片封测业 曾经是这个行业中规模最大的产业，虽然发展速度不是最快的，但是它长期主导着这个行业。它的年均复合增长率在15%左右，近些年发展速度有点放慢，基本在12.2%。

中国半导体装备产业发展情况

我们的芯片装备制造业也在迅速增长，现在年均复合增长率达到25%。

中国半导体材料产业情况

我们的芯片材料业起步非常晚，过去十年我们才慢慢起步，增长速度还不够快。但是可以看到，我国拥有比较完整的产业链，有半导体产业链里的所有内容，尽管发展水平还不够高。

芯片产品全球市场占有率稳步提升

2004年，我们的芯片产品在全球市场的占有量只有0.58%；2020年，我们的全球市场的占有量达到了12.7%。 之前提到，中国是最大的单一半导体市场，占世界市场的35%。按价值计算，我们只能满足12.7%，还有20%多就要完全靠进口，因此中国芯片进口量非常大。

中国企业进入全球前十

中国的企业进步也很快，我们在芯片设计、制造和封测都有企业进入了相关领域的前十位。设计企业有两家，代工企业有两家，封测企业有三家。

中国芯片的进出口情况

由于我国的芯片生产无法满足国内市场，因此我们芯片的进口量很大。从2013年开始，我们的进口芯片价值超过2000亿，2018年超过了3000亿，之后一直维持在3000亿以上。2020年我们的进口芯片价值达到了3500亿。大家可能会疑惑，全球一共产了4000多亿的芯片，中国进口了3500亿，使用了1500多亿，剩下的2000亿进口去哪儿了？这2000亿装到整机中又出口了。中国是世界工厂，一方面自己消费很多芯片，同时我们也给世界生产的很多整机也用到了很多芯片。 如果今天中国不再生产整机，全世界的芯片厂家就无法卖出芯片，便会产生灾难性的结果。

高端芯片产品对外依存度很高

但也要承认我国是一个起步比较晚的国家，在芯片上仍然有很多短板，在高端芯片上还有很多是依赖国外的。但我们确实在不断地进步，上面这张表格中的数字这些年在不断提升，但是还有一些部分的市场占有率数字小于0.5。这并不意味着我们没有，只是我们还不能够在市场上占有重要的地位，这也是我们努力的方向。总而言之，高端芯片还没有摆脱对进口的依赖，这也是近两年我们为什么如此关注芯片的缘故。 特别是在国际形势发生变化的时候，芯片带来的一些痛处，让我们非常难受，我们要加速努力。今天我的分享到此结束，谢谢大家！

扩展阅读：

芯片问题不能用逃避竞争的方法来解决 | 袁岚峰

通过这个21厘米谱线，或许我们可以重现宇宙 | 格致论道讲坛

我们不光做了世界上最大的金属呼啦圈，更重要的是解决了一个世界性难题 | 格致论道讲坛

这种物质虽然司空见惯，但我敢说真的没人了解它 | 格致论道讲坛

背景简介：本文2021年6月2日发表于微信公众号 格致论道讲坛（芯片能够参与竞争的任何技术，最终都不可避免地成为失败者 | 魏少军），风云之声获授权转载。

责任编辑：祝阳

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