魏少軍教授：集成電路發(fā)展中的「正」與「奇」

全文引自 2023 中國 IC 領(lǐng)袖峰會(huì) 魏少軍教授的講話

3月30日，中國半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)IC設(shè)計(jì)分會(huì)理事長，清華大學(xué)集成電路學(xué)院魏少軍教授在2023中國IC領(lǐng)袖峰會(huì)上做了《集成電路發(fā)展中的“正”與“奇”》的演講，并提出了八點(diǎn)思考。

標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一，最終促成了全球經(jīng)濟(jì)繁榮

事物的發(fā)展要遵循客觀規(guī)律，移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一就是例子。移動(dòng)通訊已經(jīng)走到第五代，三十年前還處在第一代移動(dòng)通訊。到了第二代移動(dòng)通訊出現(xiàn)了GSM和CMDA兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。第三代移動(dòng)通信的時(shí)候又出了WCDMA、TD-SCDMA、CDMA2000等標(biāo)準(zhǔn)。移動(dòng)通信在第三代標(biāo)準(zhǔn)以后，就成為全世界都關(guān)注的焦點(diǎn)，一直到后續(xù)出現(xiàn)LTE。到第五代移動(dòng)通訊的時(shí)候?qū)崿F(xiàn)了全面統(tǒng)一，當(dāng)然第六代移動(dòng)通訊也是有統(tǒng)一的趨勢(shì)。可以看到，標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一實(shí)際上是一種規(guī)律。移動(dòng)通信當(dāng)中的標(biāo)準(zhǔn)不能統(tǒng)一就不能實(shí)現(xiàn)全球的通信，正是通信移動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一促進(jìn)了互聯(lián)網(wǎng)走向了移動(dòng)。在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的過程當(dāng)中出現(xiàn)了像arm+安卓或者arm+ios之類產(chǎn)品技術(shù)的統(tǒng)一。而PC上由于英特爾的CPU占有主導(dǎo)地位，加上微軟的操作系統(tǒng)，也同樣形成了統(tǒng)一。隨著移動(dòng)通信的標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，互聯(lián)網(wǎng)在全球移動(dòng)通信上也實(shí)現(xiàn)了全球性的產(chǎn)品技術(shù)。而產(chǎn)品技術(shù)統(tǒng)一促進(jìn)了全球供應(yīng)鏈和產(chǎn)業(yè)的全球化，比如在美國設(shè)計(jì)的一顆芯片可以在中國臺(tái)灣加工，然后到馬來西亞去封裝。韓國、日本、歐洲的一些元器件送到中國，然后中國大陸組裝成iPhone送到全世界。供應(yīng)鏈的全球化和產(chǎn)業(yè)的全球化，帶來了全球經(jīng)濟(jì)的繁榮。今天拿著一部手機(jī)走到全世界的任何一個(gè)地方，看到和感受的服務(wù)是一致的。

這種規(guī)律從移動(dòng)通信角和互聯(lián)網(wǎng)角度來看，就是它必須是一個(gè)規(guī)律性的東西。違背這樣的規(guī)律，就是違背世界事物發(fā)展的規(guī)律，是一逆潮流的行為。

作為規(guī)律，摩爾定律幾十年來一直是行業(yè)的指引

摩爾先生前幾天去世了，但是遺產(chǎn)永傳。他在1965年提出著名的摩爾定律，后來經(jīng)過登納德進(jìn)一步細(xì)化，形成了今天完整的摩爾定律，也就是等比例縮小。通過等比例縮小，新一代的技術(shù)跟上一代技術(shù)相比，面積可以縮小到原來的一半，或者密度增加一倍，速度提升百分之四十，功耗下降百分之五十。

摩爾定律意味著有了一種方法，能夠持續(xù)不斷地在后來的幾十年當(dāng)中促進(jìn)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。過去四十年有很多產(chǎn)品消失了，但消失的并不是功能，這些功能都被集成進(jìn)手機(jī)。手機(jī)里的芯片加上運(yùn)行的軟件，實(shí)現(xiàn)了眾多應(yīng)用。有一句話叫“芯片能夠參與競(jìng)爭(zhēng)的任何技術(shù)最終都不可避免將成為失敗者”。在當(dāng)今的電子信息技術(shù)當(dāng)中，如果不采用芯片恐怕是不行的。電子信息技術(shù)一定要采用集成電路，一定要采用芯片，不能違背這樣的規(guī)律。如果違背這種規(guī)律，那么產(chǎn)品就沒有競(jìng)爭(zhēng)力。

持續(xù)創(chuàng)新是另一種規(guī)律

從幾個(gè)晶體管到現(xiàn)在巨量晶體管的發(fā)展過程中，HKMG、FinFET、EUV這些都是在產(chǎn)業(yè)發(fā)展當(dāng)中，特別是集成電路技術(shù)發(fā)展過程中不斷地涌現(xiàn)出來的創(chuàng)新。芯片技術(shù)有三大挑戰(zhàn)，除了大家熟悉的光刻技術(shù)外，還有新材料和新工藝的挑戰(zhàn)。在過去幾十年當(dāng)中，圖形縮小性能不變的想法起的作用其實(shí)是有限的，真正起作用的是眾多新的材料。成套工藝研發(fā)需要新材料和新工藝，終極挑戰(zhàn)是提升良率，但即便是把良率提升這件事情也需要大量創(chuàng)新才能夠?qū)崿F(xiàn)。創(chuàng)新在集成電路的發(fā)展是一個(gè)重要的規(guī)律，這個(gè)行業(yè)不能夠離開創(chuàng)新。

在中國22家科創(chuàng)板上市的設(shè)計(jì)企業(yè)中，對(duì)2021年報(bào)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析來看，企業(yè)的平均毛利率大概是47%左右，比美國企業(yè)平均62%的毛利低了15個(gè)百分點(diǎn)。中國企業(yè)平均研發(fā)投入為25.5%，比美國半導(dǎo)體企業(yè)17%的研發(fā)投入高了8.5個(gè)百分點(diǎn)，可見中國企業(yè)對(duì)于研發(fā)投入是很重視的。

但問題出在中國企業(yè)的產(chǎn)業(yè)規(guī)模上，科創(chuàng)板的22家企業(yè)研發(fā)投入全加起來也只有10.8億美元。今天做一顆5納米的芯片大約需要投入2.5億美元，那因此10.8億美元的全部投入加起來也不足幾顆。由于創(chuàng)新投入不足，所以企業(yè)成長壯大并沒有想象那么好。這個(gè)例子證實(shí)如果在研發(fā)上不足，創(chuàng)新不夠，想往前發(fā)展也會(huì)碰到很多困難。

2018年，美國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)為2260億美元，平均研發(fā)投入17%，其毛利為62%。由于美國在研發(fā)費(fèi)用上的高額投入，其有足夠的資金去進(jìn)行創(chuàng)新，并產(chǎn)生出最好的技術(shù)。這些技術(shù)可以去占領(lǐng)市場(chǎng)，因此美國能獲取48%的市場(chǎng)。由于市場(chǎng)容量龐大，并且所占的比例又很高，所以美國可以獲得更高的毛利，反過來又支持研發(fā)的投入，所以美國進(jìn)入了一種良性循環(huán)。中國目前由于總體研發(fā)投入不夠，成為一個(gè)比較大的問題。從這個(gè)規(guī)律上來看，研發(fā)投入是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展重要的一個(gè)影響因素。

以產(chǎn)品為中心的規(guī)律已經(jīng)被產(chǎn)業(yè)模式變遷所驗(yàn)證

美國、日本、歐盟以IDM為主，中國大陸、中國臺(tái)灣、新加坡等東亞國家和地區(qū)主要是代工和設(shè)計(jì)。因此這個(gè)產(chǎn)業(yè)模式上，中國大陸、中國臺(tái)灣、新加坡等并不是以產(chǎn)品為中心在發(fā)展，而是以加工為中心在發(fā)展。但以加工為中心做法與真正所追求的目標(biāo)是有距離的。

在全球的范圍當(dāng)中，市場(chǎng)是以產(chǎn)品作為基本計(jì)算單位，而不是以加工能力。盡管可以對(duì)加工能力做一些相應(yīng)的調(diào)整，但產(chǎn)品所占的比重非常低。以產(chǎn)品為中心，這是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的非常重要的理念，也是一種規(guī)律。不排除在發(fā)展的過程當(dāng)中，在圍繞產(chǎn)品方面出現(xiàn)了系統(tǒng)公司轉(zhuǎn)向IDM，然后又進(jìn)行進(jìn)一步的分化，比如說無晶圓廠+代工進(jìn)一步的發(fā)展，會(huì)出現(xiàn)更為細(xì)分的整個(gè)產(chǎn)業(yè)模式的變遷，這些變遷都是希望能更好為客戶服務(wù)。但是客戶要的是產(chǎn)品，所以怎么樣能夠?qū)⒄麄€(gè)產(chǎn)業(yè)調(diào)整到以產(chǎn)品為中心，還有很長的路要走。

半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)無法跟風(fēng)發(fā)展

縱觀集成電路產(chǎn)業(yè)，產(chǎn)業(yè)發(fā)展傳統(tǒng)上是從系統(tǒng)公司到IDM到Fabless，再到Chipless + Fabless的一種逐漸的改變，但過去十年很多人也做了新的嘗試，將互聯(lián)網(wǎng)引入到集成電路中，結(jié)論令人唏噓，因?yàn)闆]有一個(gè)成功的。這也說明任何一個(gè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，它客觀的、內(nèi)在的發(fā)展規(guī)律是不可以違背的。前些年有論斷說在風(fēng)口上豬都可以飛起來，但是半導(dǎo)體其實(shí)成不了風(fēng)口上的豬。最近幾年，資本的力量又想要想把半導(dǎo)體變成風(fēng)口上的豬，但是下場(chǎng)都比較慘，產(chǎn)業(yè)發(fā)展還是要遵循客觀規(guī)律。

全球半導(dǎo)體供應(yīng)鏈被人為打破是違背客觀規(guī)律的行為

目前，違背客觀規(guī)律的事情正在發(fā)生，那就是全球半導(dǎo)體供應(yīng)鏈開始被人為打破。某些國家對(duì)中國企業(yè)打壓，部分是由于他們?nèi)スI(yè)化造成的內(nèi)部空心化狀態(tài)現(xiàn)在要調(diào)整。這部分國家想把中國排除在全球半導(dǎo)體供應(yīng)鏈之外，無論是四方聯(lián)盟還是三國達(dá)成的某些協(xié)議，都是在違背全球供應(yīng)鏈發(fā)展的規(guī)律。

影響全球供應(yīng)鏈的因素包括成本、交貨期、能力、技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)、市場(chǎng)、經(jīng)濟(jì)、文化、社會(huì)、政治等。但是其中最重要的是利潤，也就是能夠給企業(yè)帶來收益。追求利潤的最大化是企業(yè)的天性，如果全球的供應(yīng)鏈不能夠給企業(yè)、給產(chǎn)業(yè)帶來利潤，或者不能使它的利潤最大化，那這樣的一種全球供應(yīng)鏈將沒有人參與，也不會(huì)引起重視。今天之所以能夠形成全球供應(yīng)鏈，就是它實(shí)現(xiàn)了這個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)利潤的最大化，這是在過去幾十年當(dāng)中發(fā)展的必然性。當(dāng)然，其中影響因素很多，比如成本上，材料成本、物流成本、倉儲(chǔ)的成本等會(huì)影響服務(wù)質(zhì)量和市場(chǎng)機(jī)遇。隨著發(fā)展，生產(chǎn)周期、批量供應(yīng)、產(chǎn)品質(zhì)量、市場(chǎng)機(jī)遇都在提升，技術(shù)也不可避免發(fā)生轉(zhuǎn)移。全球化的生產(chǎn)模式中，標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一、工藝的統(tǒng)一、工具統(tǒng)一成為一種必然，那么就影響到了市場(chǎng)的規(guī)模、消費(fèi)能力、物價(jià)水平、稅收稅費(fèi)等。一個(gè)地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、繁榮程度、增長潛力、發(fā)展質(zhì)量等也需要考慮在全球供應(yīng)鏈當(dāng)中。一些國家可能還有些宗教，是否開放、包容，是否能夠積極進(jìn)取，都影響到是不是能夠把產(chǎn)業(yè)鏈的一個(gè)部分放在這個(gè)國家。而所在地區(qū)的治理水平、開放包容的程度、生活質(zhì)量和教育水平等，都是一些非常重要的因素?，F(xiàn)在，地緣政治、意識(shí)形態(tài)、外交關(guān)系、國家安全也會(huì)對(duì)產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展造成很多的影響。從單一國家去看，它的發(fā)展階段往往也是通過學(xué)習(xí)起步、成長、規(guī)?；?。全球供應(yīng)鏈從美國轉(zhuǎn)到歐洲，歐洲轉(zhuǎn)到日本，日本轉(zhuǎn)到中國，都有客觀規(guī)律，沒有一個(gè)地方能夠一直持續(xù)下去。將人力資本、生產(chǎn)、質(zhì)量、生產(chǎn)能力、技術(shù)水平、標(biāo)準(zhǔn)化、勞動(dòng)者、市場(chǎng)等做分析，當(dāng)一個(gè)地方成為供應(yīng)鏈的一個(gè)轉(zhuǎn)移地，它的人力成本往往都有競(jìng)爭(zhēng)力，但它的勞動(dòng)力的成本在上升，所以優(yōu)勢(shì)在下降。而從生產(chǎn)質(zhì)量來說，剛開始一定不好，但隨著生產(chǎn)、管理的轉(zhuǎn)移、生產(chǎn)能力的提升，質(zhì)量會(huì)慢慢變好。技術(shù)水平也是一樣，勞動(dòng)力素質(zhì)從剛開始不高，經(jīng)過訓(xùn)練以后會(huì)變好。

但是這樣的轉(zhuǎn)變需要很長時(shí)間。從單個(gè)國家和地區(qū)看，供應(yīng)鏈全球化必然帶來這些變化，這些變化也是不可避免的，要客觀的去看待發(fā)展。而從全球的角度來看，追求利潤的最大化是能夠形成供應(yīng)鏈全球化的最重要的因素之一。那這里面很重要的就是各個(gè)環(huán)節(jié)的利益都得到滿足。政府的支持和市場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)是非常重要的兩個(gè)因素。但是根本上是產(chǎn)業(yè)的一種自發(fā)行為，需要漫長和艱難的過程。半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈經(jīng)過幾十年的發(fā)展，必然推動(dòng)產(chǎn)業(yè)從成本高的地方和國家向成本低的國家和地區(qū)遷移，必會(huì)帶來技術(shù)。向目的地國家和地區(qū)的轉(zhuǎn)移，必然促進(jìn)目的地國家和地區(qū)的知識(shí)和能力的提升，也必然促進(jìn)目的地國家、地區(qū)產(chǎn)業(yè)升級(jí)和競(jìng)爭(zhēng)力的提升。反過來還會(huì)對(duì)原來發(fā)起國家和地區(qū)產(chǎn)生一些反制影響，不可避免。這看起來有點(diǎn)不近人情，但是早在幾百年前這個(gè)亞當(dāng)斯密的國富論當(dāng)中其實(shí)就已經(jīng)解釋，分工其實(shí)是社會(huì)生產(chǎn)力發(fā)展的一個(gè)必然趨勢(shì)，分工通過提高勞動(dòng)，能促進(jìn)技術(shù)的進(jìn)步，能夠提高勞動(dòng)生產(chǎn)率并實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)的快速增長，這是市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)不同于自自然經(jīng)濟(jì)的重要特征。因此半導(dǎo)體全球供應(yīng)鏈的誕生和成長，其實(shí)是人類社會(huì)遵循經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)律具體體現(xiàn)。如果違背，必然帶來市場(chǎng)的碎片化、技術(shù)的分裂、標(biāo)準(zhǔn)的多樣化。產(chǎn)品的碎片化和成本的上升最終結(jié)果是全產(chǎn)業(yè)鏈利潤的下降，因此這樣的發(fā)展方法是一種惡招。至少目前來看，全球供應(yīng)鏈被人為打破，是枉顧了半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)律。正如王陽元先生所說“循規(guī)者興，罔規(guī)者怠，違規(guī)者誡，逆規(guī)者亡?！?/span>

中國集成電路如何發(fā)展？守正

中國集成電路應(yīng)該怎么辦？簡單，就是守正。守正才能出奇，人間正道是滄桑，要遵循產(chǎn)業(yè)的規(guī)律，出奇就要出奇兵，要有創(chuàng)新。

守正才能出奇，不能為了出奇而不守正，不守正早晚會(huì)被淘汰掉。光刻機(jī)就是例子，浸沒式光刻是一個(gè)奇招，但也是在技術(shù)發(fā)展的客觀規(guī)律上實(shí)施的。另外一個(gè)奇招，就是軟件定義芯片。然后是異質(zhì)堆疊集成技術(shù)，把邏輯電路的晶圓和存儲(chǔ)器的晶圓面對(duì)面鍵合在一起，通過三維的混合鍵合形成一體。長江存儲(chǔ)的3D NAND就是一個(gè)好的例子，采用了兩片堆積的方式，得到了比較好的效果。這在之前三星的報(bào)告中也有所印證。

在追求超級(jí)計(jì)算的過程中，人類已經(jīng)突破了十的十八次方的計(jì)算，下一個(gè)目標(biāo)就十的二十一次方的計(jì)算。計(jì)算需要更好的芯片，國內(nèi)現(xiàn)在最先進(jìn)的制造工藝可能也就是十四納米，十四納米和先進(jìn)的三納米之間的可能距離還很大。中國又受到制約的背景下，把軟件定義芯片的技術(shù)和進(jìn)程計(jì)算的這兩個(gè)技術(shù)結(jié)合起來也許會(huì)有新的奇效，實(shí)現(xiàn)所謂叫軟件定義的進(jìn)程計(jì)算芯片技術(shù)，也許會(huì)有令人非常驚喜的結(jié)果。

中國正走在自立自強(qiáng)的正確道路上

中國一直在做產(chǎn)業(yè)的升級(jí)，技術(shù)從低到高、從勞動(dòng)密集型轉(zhuǎn)向智力密集型轉(zhuǎn)變，生產(chǎn)力和產(chǎn)業(yè)鏈都往高端走，而西方國家在做產(chǎn)業(yè)重建，與中國完全相反。用中國的GDP來做美國GDP要做的事情，確實(shí)難度很大。但是，中國有龐大的市場(chǎng)，加上中國有基礎(chǔ)。中國作為世界工廠的現(xiàn)狀不太會(huì)改變。新中國成立以后，中國以最大的力度，在最短的時(shí)間內(nèi)在工業(yè)里大手筆的投入造就了最早的基礎(chǔ)。中國從工業(yè)門類來說是世界上最全的。李克強(qiáng)總理曾說過，中國既是世界工廠，也是世界市場(chǎng)。之前的家電下鄉(xiāng)就是例子，中國正是利用龐大的內(nèi)需市場(chǎng)，在外需市場(chǎng)出現(xiàn)問題的時(shí)候，來使得在中國工廠保持平穩(wěn)，這也是在中國建廠的特點(diǎn)。

就全球來說，歐美目前產(chǎn)品都是空心化的狀態(tài)。印度有潛力，但印度的發(fā)展還沒有達(dá)到實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的水平。因此在短期內(nèi)，也許十年、二十年、五十年，世界還是要看中國怎怎么發(fā)展。中國現(xiàn)在的產(chǎn)業(yè)從沿海地區(qū)向中部地區(qū)、西部地區(qū)逐漸遷移，留下了廣大的戰(zhàn)略空間。所以違背世界發(fā)展的規(guī)律、經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)律，不斷地來打壓中國，是不合適的。當(dāng)然對(duì)中國來講，受到打壓也是客觀現(xiàn)象，所以中國半導(dǎo)體需要做的，就是守正，然后出奇。