華為芯片背后的神秘大佬，「拯救」了摩爾定律

胡正明教授在接受 2016 年 7 月采訪時已經(jīng)說道：「雖然中國在半導體行業(yè)起步晚，錯過了全球半導體行業(yè)每年 17% 的高速增長。但如果把前面這三十年來創(chuàng)造的產(chǎn)值加在一起，還比不過近三年來的總和。我們并沒有錯過真正的好處，重點看如何把事情做好，特別是把這次政府的投資利用好，達到自給自足的目的?！?/p>本文引用地址：http://www.butianyuan.cn/article/202310/452218.htm

胡正明教授究竟是誰？有人總結道，他是世界集成電路史上最牛的十個人之一。

胡正明是多種新結構器件的發(fā)明人，微電子學家，美國工程科學院院士、中國科學院外籍院士，美國加州大學伯克利分校杰出講座教授，甚至坊間有傳言說他其實是華為背后的高人。

至于是不是背后的高人？不好說，也不必說，這世間的高人都是「揮手自茲去，蕭蕭班馬鳴」，一個背影轉(zhuǎn)身，退隱江湖，不帶走一片云彩。

「拯救」摩爾定律

胡正明教授 1968 年畢業(yè)于臺灣大學電機工程系，然后赴美國深造，最終在 1973 年獲得了加州大學伯克利分校的博士學位。自 1976 年以來，胡正明教授在加州大學伯克利分校電氣工程和計算機系一直擔任教職，他的智慧和辛勤耕耘為這個學科領域的發(fā)展注入了強大的動力。他的職業(yè)生涯不僅限于學術界，他也活躍于產(chǎn)業(yè)界，曾擔任半導體制造商安霸的董事會成員，并在 2001 年至 2004 年期間擔任臺積電的首席技術官。

1947 年 7 月他出生于北京豆芽菜胡同，他的故事就像一部描繪科技與創(chuàng)新的史詩，充滿了激情與成就。在 1995 年的一個清晨，當摩爾定律即將走到盡頭，整個半導體行業(yè)都在為摩爾定律的終結而憂心忡忡時，胡正明教授卻欣然接受了這一挑戰(zhàn)。他，一個電氣工程教授，帶著對科技的熱情和好奇心，在飛機的餐桌上設計出了 FinFET 的雛形。這個后來為他贏得 IEEE 榮譽勛章的想法，讓摩爾定律又延續(xù)了幾十年。

事情最早始于中國臺灣，當時的胡正明還是個充滿好奇心的孩子，那里的爐臺、海水、鬧鐘，都成為他童年實驗的材料。高中時，他對科學的興趣尤其濃厚，尤其是化學。但電氣工程這個當時錄取分數(shù)最高的專業(yè)對他來說是一個挑戰(zhàn)，而他也憑借著勇氣和決心選擇了它。

在大學的最后一年，一個來自美國的客座教授讓他看到了半導體的未來，他決定將半導體作為自己未來的研究領域。1969 年，他來到伯克利，加入了一個研究小組，開始了他的半導體研究之旅。

然而，他的研究之路并非一帆風順。曾經(jīng)因為覺得半導體研究過于簡單，他轉(zhuǎn)向了光電路研究。但在 1973 年的石油禁運事件后，他意識到自己需要做一些有意義、重要的事情。于是他決定開發(fā)低成本的太陽能電池，這讓他重返半導體領域。

20 世紀 80 年代初，胡正明再次投入到半導體研究中。他開始在硅谷投入時間，受一些企業(yè)的邀請，講授半導體設備的短期課程。1982 年，他整個學術假期都在圣克拉拉國家半導體公司度過。在工業(yè)界的工作對他產(chǎn)生了深遠的影響，他開始更加深入地研究晶體管的 3D 結構。

1983 年，胡正明讀到了一篇描述晶體管可靠性問題的論文。在美國國家半導體公司工作了一段時間后，他意識到缺乏長期可靠性可能會給行業(yè)帶來各種問題。于是他和一群學生投入研究，開發(fā)出了熱載流子注入理論，用以預測 MOS 的可靠性。隨后，他開始研究氧化物隨時間分解的方式。隨著制造商將半導體的氧化物層越做越薄，這個問題也越來越受到關注。

在半導體行業(yè)陷入困境時，胡正明教授卻勇敢地接受了挑戰(zhàn)，為半導體行業(yè)帶來了創(chuàng)新。他的故事是關于突破、堅持和團隊合作的。

在 1995 年，整個半導體行業(yè)都在為摩爾定律的終結而擔憂。胡正明，加州大學伯克利分校的電氣工程與計算機科學教授，卻決定挑戰(zhàn)這一現(xiàn)狀。他很快想到了一個方案，即升高電流流過的通道，使其凸出芯片表面，成為鰭式場效應晶體管（FinFET）。這個設計讓電流更好地通過晶體管，同時也減少了漏電。胡正明團隊開發(fā)的這個晶體管模型后來成了行業(yè)的標準，至今仍在沿用。

隨著晶體管變得越來越小，一個新的問題出現(xiàn)了——功率。晶體管處于「關閉」狀態(tài)的漏電成了一個嚴重的問題，導致芯片的功耗增加。行業(yè)開始認為摩爾定律將在 100 納米以下終結，因為在這個尺寸下，每平方厘米的功耗甚至可能超過火箭噴管的功耗。然而，胡正明并沒有放棄。他堅信，通過改變晶體管的構造，可以解決這個問題。

胡正明認為，問題的根源在于把通道做得太窄了，導致電子從柵極漏過。他提出了兩種解決方案：一種是在晶體管下面的硅中埋入一絕緣層，使電荷難以溜過柵極；另一種是將窄通道像鯊魚鰭一樣在基片上方垂直延伸，柵極可以三面環(huán)繞通道，從而讓柵極更好地控制電荷的流動。這兩種方法后來分別被稱為全耗盡絕緣體上硅（FDSOI）和 FinFET，它們開啟了 3D 晶體管時代。

然而，將想法變成現(xiàn)實需要時間。胡正明和他的團隊需要在一周內(nèi)拿出一份方案，時間非常緊張。他們在日本酒店里畫出了這兩幅設計的草圖，隨后傳真到了伯克利。幸運的是，他們的方案被 DARPA 看中并獲得了長達 4 年的研究經(jīng)費。

胡正明的團隊開發(fā)出了可生產(chǎn)的 FinFET 器件，并展示了如何設計將晶體管縮小至 25 納米甚至更小。他們用這種方法打破了行業(yè)的困惑，并推動了摩爾定律的發(fā)展。

作為一名技術專家，胡正明認為他們有責任確保半導體行業(yè)的發(fā)展不會停止。他認為一旦停止，他們就失去了最大的希望，沒有更大的能力來解決世界難題。他和他的團隊沉著自信地開發(fā)出 FinFET，源于他教授學生研究器件的方法。他強調(diào)宏觀、定性的理解，并教學生退一步嘗試想象電場在器件的分布、潛在障礙的位置，當我們改變一個特定的維度時，電流會如何變化。

在 2000 年，胡正明及其團隊在四年資助期滿后，成功研制出了可工作的器件并公布了研究成果，這一突破性創(chuàng)新立即引起了業(yè)界的廣泛關注。然而，十年漫長地等待后，2011 年英特爾公司才首次將 FinFET 芯片投入生產(chǎn)線。為什么會有如此長時間的延遲呢？

「它還沒有被打破?！购鹘忉尩?，他指的是使半導體電路越來越緊湊的行業(yè)生產(chǎn)能力。盡管人們想象它很快會被打破，但你永遠無法修復還沒壞的東西。事實證明，DARPA 的項目經(jīng)理頗有先見之明，他們將該項目稱為「開啟 25 納米」，而當半導體產(chǎn)業(yè)發(fā)展到亞 25 納米幾何尺寸時，F(xiàn)inFET 便開始發(fā)揮作用。與此同時，F(xiàn)DSOI 技術也在不斷進步，如今仍在行業(yè)中應用，尤其是在光學和射頻設備領域。而 FinFET 在處理器行業(yè)中仍占主導地位。

胡正明表示，他從不提倡用一種方法替代另一種方法。自從胡正明回到伯克利后，F(xiàn)inFET 技術席卷了整個行業(yè)。盡管人們依舊還在預言摩爾定律的終結，但它并未止步于 25 納米。

在學術領域，胡正明教授的成就如繁星般璀璨。他總共撰寫了五本著作，發(fā)表了 900 篇研究論文，并擁有 100 多項美國專利。他以出色的才華和勤奮的努力獲得了世界的認可。他的成就不僅體現(xiàn)在他的學術地位上，也體現(xiàn)在他對半導體工藝的獨特見解和深入探索上。

在榮譽方面，1991-1994 年，他擔任清華大學（北京）微電子學研究所的榮譽教授。1997 年，他當選為美國工程科學院院士。2007 年，他又當選為中國科學院外籍院士，他的成就得到了世界范圍內(nèi)的認可。2015 年 12 月，他榮獲美國國家技術和創(chuàng)新獎。2016 年，他入選硅谷工程師名人堂，這是對他職業(yè)生涯的極高榮譽。同年，他更是榮獲了由美國總統(tǒng)奧巴馬授予的白宮國家技術創(chuàng)新獎，這是對他科技創(chuàng)新能力的最高褒獎。

胡正明教授的成就并不僅僅停留在 FinFET 的發(fā)明上。他在微電子器件可靠性物理研究方面也做出了突出的貢獻。他首先提出了熱電子失效的物理機制，并開發(fā)出用碰撞電離電流快速預測器件壽命的方法。這一方法的應用，使得我們能夠更加準確地預測半導體器件的使用壽命，為產(chǎn)品的可靠性提供了有力的保障。

此外，他還提出了薄氧化層失效的物理機制和用高電壓快速預測薄氧化層壽命的方法。這些成果不僅豐富了半導體理論，更為我們的技術實踐提供了重要的指導。

隨著 2020 年的國際電子電氣工程學會（IEEE）公布了 2020 年 IEEE 榮譽獎章獲得者，華人學者胡正明獲獎，他是歷史上第三位獲得該獎項的華人學者。這一榮譽是對胡正明教授多年來在半導體領域杰出貢獻的極高認可。

作為一位頂級專家，胡正明教授的成就得到了國際社會的廣泛認可。他曾在臺積電擔任 CTO 時獲得了「臺灣第一 CTO」的雅號。然而，這樣一位在業(yè)界享有崇高地位的專家，卻始終保持低調(diào)，淡泊名利，將一生都奉獻給了最熱愛的半導體產(chǎn)業(yè)。

2004 年，胡正明離開臺積電，回到美國柏克萊加大講臺「揮灑熱忱」。放眼全球半導體業(yè)界，能夠在學術界和產(chǎn)業(yè)界都交出亮眼成績的人物可說是鳳毛麟角，胡正明就是其中一位。

有人說，六十年一甲子，60 多年以前，隨著集成電路的發(fā)明，人類進入新的時代。眾多大名鼎鼎的企業(yè)誕生，華人在芯片歷史上分量其實很重。

FinFET 與華為的故事

商業(yè)的世界里，他與華為的鏈接不容忽視。簡單看，當傳統(tǒng)的半導體工藝在 20 納米制程走到盡頭時，胡正明教授以超凡的智慧和獨特的視角，提出了兩種解決方案：一種是 FinFET 晶體管技術，解決了晶體做薄后的漏電問題；另一種是基于 SOI 的超薄絕緣層上硅體技術。他的這些洞見，使摩爾定律得以在今天延續(xù)傳奇。

2012 年底，海思總裁何庭波拜訪胡正明教授，向其請教 FinFET 技術在 16nm 工藝上的可實現(xiàn)性，做出了通過技術創(chuàng)新突破瓶頸的選擇：跳過 20nm，開始了 16nm FinFET+ 工藝的技術突破之旅。基于此，2013 年海思團隊決定跳過 20 納米制程，直接采用 16 納米 FinFET 工藝。這個決定對于當時的華為來說非常不易，但最終他們成功了。

在 2013 年寒冷的冬日，海思的未來看起來并不明朗。盡管他們已經(jīng)在芯片設計領域取得了一些成績，但他們的規(guī)模在臺積電的客戶名單上只排在 50 位左右。他們的技術水平也并不領先，當時主流的手機芯片制造工藝是 28nm，而他們正在尋求導入的卻是業(yè)界頂尖的 16nm FinFET 工藝，這幾乎是一項「mission impossible」的任務。

經(jīng)過無數(shù)次的試驗和失敗，海思成功開發(fā)出了首款 16nm FinFET+工藝的麒麟 950 芯片。這款芯片采用了先進的 FinFET 技術，使得晶體管的性能得到了極大的提升，同時功耗卻大大降低。

在這個過程中，海思還做出了一個重要的決定：開發(fā)首款自研 LPDDR。這是一個非常大膽的決策，因為 LPDDR 的開發(fā)需要大量的技術和資源投入，而且風險很大。在內(nèi)部意見的反復碰撞中，華為最終決定同時研發(fā)兩代 LPDDR。麒麟 950 首次搭載自研的 LPDDR。這無疑是當時業(yè)界最具挑戰(zhàn)性的技術方案之一。

麒麟 950 采用了先進的 16nm FinFET+工藝和自研 LPDDR，性能和功耗都得到了優(yōu)化，使得華為手機在市場上獲得了巨大的成功。海思也因此在芯片設計領域獲得了更多的機會和資源，成為業(yè)界的領導者之一。

最終，華為在 16nm FinFET 工藝上實現(xiàn)了業(yè)界首次投片，并在 2015 年 1 月實現(xiàn)量產(chǎn)投片——在麒麟 950 上，并于 10 月實現(xiàn)量產(chǎn)發(fā)貨。麒麟 950 終于實現(xiàn)了 16nm FinFET 工藝的率先商用。從 FinFET 技術概念的提出，到 16nm FinFET 技術在華為麒麟芯片得到商用，20 年的過程艱難又曲折。在麒麟 950 發(fā)布會上，胡正明教授談 16nm FinFET 技術的視頻，令所有與會者震撼。

自此，海思開啟工藝領先之路。麒麟 960 第一次在封裝工藝上站上業(yè)界最前沿，并且其安全性達到了金融級安全標準。2016 年 11 月，麒麟 960 榮膺第三屆世界互聯(lián)網(wǎng)大會「領先科技成果」。麒麟 970 采用了當時業(yè)界最頂尖的 10nm 工藝。但更重要的是，麒麟 970 首次在手機 SoC 中集成了專用 NPU（嵌入式神經(jīng)網(wǎng)絡處理器），開啟了端側(cè) AI 行業(yè)先河，其難度也是非常大的。麒麟 980 是業(yè)界首款 7nm 工藝的手機 SoC 芯片。7nm 相當于 70 個原子直徑，逼近了硅基半導體工藝的物理極限，麒麟 980 實現(xiàn)了在針尖上翩翩起舞。

麒麟、巴龍發(fā)展歷程圖（截止到 2019 年 9 月麒麟 990 系列發(fā)布）

他的故事并未結束，反而以一種令人振奮的方式延續(xù)著。胡正明是「麒麟之父」，他的智慧和勇氣使得華為的麒麟系列芯片成為全球領先的智能手機芯片之一。

結語

華為董事會成員何庭波曾說：「我永遠記得胡正明教授告訴我的一句話，我不覺得我是科學家，我是一名工程師！」

科學家的工作是發(fā)現(xiàn)這個世界存在于大自然中，原本就有的規(guī)律。工程師的工作卻是要發(fā)明，去創(chuàng)造這個世界中不曾有過的東西。創(chuàng)造可以造福人類，將人類文明推向新的高度。

胡正明教授表示，其實他并不是很喜歡使用創(chuàng)新這個詞語，因為這個詞語被濫用了，一般總認為要采用前所未有的技術及方法，才稱得上是創(chuàng)新，但其實只要能解決困難的問題，就是創(chuàng)新。他的發(fā)明不僅推動了科技的發(fā)展，也改變了我們的生活，他用行動詮釋了什么是科技創(chuàng)新的領袖。

國際知名計算機科學家劉炯朗指出：胡正明因為勇于探索未知，讓他能夠跨越學術、產(chǎn)業(yè)間的藩籬，悠游在這兩個領域之中；并常抱好奇之心，所以從未停止學習，更難得的是胡正明始終保有謙和的初心，這使他能廣為接納新知識、新技術。

胡正明說，半導體技術的發(fā)展史可謂一座座山峰攀登。只有當我們到達一座山頂時，我們才能看到遠處的景色，并繪制出一條路線來攀登下一座更高更陡的山峰。

這就是胡正明教授的篤定，也是他一生的注解。