1.6 明日芯片的命运

人类所有的工业品都在不断地进步和改变，芯片当然也不例外。那么芯片行业正在出现哪些变化呢？

先说说大家都知道的硅基芯片，它属于传统芯片的范畴。对于传统芯片，不得不提摩尔定律。

摩尔定律虽然也包含定律这两个字，但是跟咱们平时学到的物理定律和化学定律不同，它其实总结了半导体行业的发展规律。换句话说，如果半导体行业能够按照这个规律发展，那么就能继续拥有强大的生命力。反之，则可能有其他的发展路径替代它。

1965年，当时的英特尔名誉董事长戈登·摩尔在参加一个行业纪念会之前，为自己准备了一份关于计算机存储器发展趋势的报告。下图是摩尔定律的创造者戈登·摩尔。

在绘制报告数据图表时，他发现当时每代升级换代的芯片大约都有相当于前一代的两倍容量。并且，升级换代的时间是前一代芯片出来之后的18～24个月。

他觉得这个规律很有意思，所以对其进行了更深入的研究，最终得出了关于半导体的摩尔定律。这条定律的内容包括三个部分：一是芯片上所集成的元器件数量每隔18～24个月就会翻一番；二是芯片的性能每隔18～24个月就会提升一倍；三是假如用1美元来计算，那么能买到的计算机性能每隔18～24个月也会翻一番。

很多人在谈到摩尔定律的时候，往往更关注前两个部分，而忽视了第三个部分。但芯片作为商用化的工业品，成本控制其实是相当重要的因素之一。几乎所有工业品都需要考虑成本因素，而对更低成本的追求也促进了材料的选择替代和更新进步、工艺方法的创新等。为什么很多非常优秀的材料或者创新产品在我们的生活中却看不到呢？其中非常重要的原因之一就是，这些材料或产品还没有找到能用合理成本进行大规模工业化制造的方法。

能够控制好成本也是制造业如今大发展的重要手段之一。因此控制成本并不是一个经济学问题，而是工业制造当中非常关键的因素，甚至影响一种新的材料或技术能否得到实际应用。其中最著名的例子就是石墨烯。

现在的硅基芯片，尤其是高端芯片（7纳米以下），遇到了相当尴尬的局面。第一个尴尬是成本居高不下。在撰写本书之时，行业统计的数据是，每当新一代芯片的整体性能提升15%，制造成本却几乎都会翻一番。这个问题已经困扰芯片行业两三年了。估计读者在看到本书的时候，这个问题也很难得到解决。原因就是之前跟大家介绍过的，用EUV光刻机制造高端芯片的整个环节都太昂贵了。

第二个尴尬是硅基芯片已经非常接近物理上的理论极限。按照物理学理论，芯片中负责开关的那部分叫栅极，跟电器开关很像。它根据设定决定晶体管是处于通电状态还是不通电状态，这就形成了机器能读懂的1和0，这些1和0通过不同的逻辑门组成了完整的运算体系。下图是芯片源极、栅极、漏极示意图。

什么是逻辑门？在著名科幻小说《三体》中有一个细节：秦始皇汇聚了数万人，其中三人一队组成了人列计算机。这个最小的三人小队相当于芯片中的一个元器件。

按照约定，三人中的领队起到栅极的作用。当他举起白球时，代表线路不通，其他两人也同时举起白球。这样他们旁边的小队看到的就是传输过来一个0。如果领队举的是红球，那么表示线路畅通。然后旁边的三人小队再根据规则，由领队决定是该举白球还是红球。

规则可以这样设定，比如，看到周围有三人小队举起的都是红球，那么自己举起白球。又比如，只有一个小队举起红球，那么自己也举起红球等。

这些规则在芯片设计中叫逻辑门，包括与门、非门、或门等。这些逻辑门再经过组合，又能形成具有更多复杂逻辑的大逻辑门。众多大逻辑门又可以形成更大的组合，最终让一个复杂的程序得以运行。这样大家就能明白，为什么芯片上的元器件数量越多就越能完成复杂的计算。

芯片上负责指挥的这个“领队”，就是栅极，它不可能做到无限小。理论上，它只能做到1纳米。因为小于这个尺寸之后，栅极非常容易被电流击穿，这又被称为隧穿现象。如果开关坏了，轻则程序出错，重则芯片报废。

按照这个理论计算，芯片最小的尺寸是3纳米。而且工业上有一个铁律，那就是不能按照极限来设计产品，否则产品就会极为娇气，尤其是民用品，必须要留足安全冗余。

以手机为例，如果按照极限来设计，那么可能轻微的磕碰，甚至干燥环境下人体产生的静电，就有可能将手机芯片击穿。

其实硅基芯片面临的远不止这两个尴尬，但这两个尴尬足以让半导体行业开始积极地寻找新的替代品。比如，华为开始做的堆叠芯片，就是将多块中端芯片，比如14纳米甚至更高级的芯片，通过更厉害的封装技术组合在一起。这样做不仅能发挥出高端芯片的性能，而且成本也会大幅降低。随着堆叠技术的进步（包括散热技术），可以用低成本堆叠出更多层芯片，这样的芯片性能甚至可以超越昂贵的高端芯片。

起初有人认为这是高端芯片的路走不通，才只好寻找替代路线。其实英特尔、高通等半导体企业也在研发这种技术，甚至还给这种技术起了一个好记的名字，叫“乐高芯片”。

这些半导体企业不这么做不行了，因为高成本的制造工艺让这些企业也承受不起。2024年，英特尔就被爆出，隐瞒了高达70亿美元的亏损。被曝光后，其股价迅速下跌，结果引发持有英特尔股票的股民集体提出诉讼。

由此可见，行业的痛点是一样的。

除了堆叠芯片的方法，还有通过多重曝光工艺让相对便宜的DUV光刻机也能生产低纳米的高端芯片。

华为在国家知识产权局公布了自己的一项专利技术，该技术能够通过四次曝光让DUV光刻机生产出7纳米芯片。这打破了以往西方国家认定的，只有EUV光刻机才能生产14纳米以下芯片的观念。

除此之外，因为很多新的应用领域诞生，所以也派生出了很多新的芯片需求。比如，量子计算所需的光子芯片，高性能有源相控阵雷达上使用的氮化镓芯片等，它们都不再使用硅基材料。

我们很快会看到芯片行业百花齐放的场景。

关于芯片的内容，大致介绍到这里。不过还有一个观点，希望读者能了解，那就是光刻机和芯片，到底哪个才是我们最该关注的。

这个问题也许会让大家觉得奇怪，那么打个比方：光刻机是制造芯片所使用的工具，而芯片则是最后的产品。换个说法就是，一个行业的水平到底是用工具来证明的，还是用最终的产品来证明的。

这是不少人在谈到芯片这个话题时会进入的误区。这个误区的产生有一个基础逻辑，那就是一个行业的技术路线是不是只有西方国家走的才是正确的。

将这个基础逻辑代入芯片行业，就会出现一个非常有趣的现象。拿华为公司举例，它在2024年前后不到一年的时间内，连续发布了五款高端手机。从Mate 60，到Pocket 2，再到三折叠手机Mate XT等，每款手机都采用的是5～7纳米制程的高端芯片。美国议会根据这个事情做出决议，要求美国的情报机构查出到底是哪家企业给华为代工的芯片。为此全球唯一制造光刻机的企业阿斯麦筛查了他们出售的所有EUV光刻机的后台数据。最后得出的结论是，华为的芯片不是由阿斯麦的光刻机制造出来的。下图是华为的三折叠手机Mate XT。

为什么只筛查EUV光刻机呢？之前给大家介绍过，按照西方国家的技术路线，想要制造14纳米以下的芯片，必须使用EUV光刻机，没有第二条路可走。很多人关心中国是否能够自己制造出EUV光刻机，背后也是这样思考的，就是要按照西方国家的技术路线走。

现在的情况是，华为的高端芯片不仅是自己制造的，而且还“量大管饱”。到现在为止，除了华为没有哪家手机企业，在半年多的时间内，能够连续推出多款不同的机型，而且每款机型的销量都在数百万到上千万台之间，都是主力机型。这样的推出新产品的能力，即使是当年如日中天的诺基亚也做不到。这也说明了华为的芯片制造工艺不仅有足够的产能，而且良品率也足够高。

那么问题来了，华为的芯片是如何制造出来的呢？众所周知，现在华为对芯片来源严格保密。笔者在采访华为宣传部的时候，他们的负责人表示，知道芯片来源的在华为不超过五个人。从笔者了解到的行业情况推断，很可能是华为走出了一条与西方国家的技术路线不同的路线。这才是真正颠覆行业的技术突破，也难怪要严格保密了。

这也是华为当时推出Mate 60的真正意义。不仅宣告西方国家的芯片封锁彻底失败，而且更关键的是，未来可能会出现两条并驾齐驱的技术路线。这样的话，未来半导体行业谁将执牛耳，可就不好说了。

如果华为走出了自己的技术路线，那么也将给所有行业的科研人员提了个醒，那就是技术路线不止一条，西方国家的技术路线也不一定是最佳的。

其实历史的发展也是如此，比如最早人们发明了斧子，所以当时的人会认为，想要伐木就需要斧子，直到后来有人发明了锯子。

在后面介绍机器人的章节中，大家将会看到活生生的例子，那就是中国企业走出了自己的技术路线，从而在行业内取得了领先的成绩。

顺便说一句，估计到本书上市之时，华为的芯片代工依然是个谜。不过大家可以把上面说的记下来，等华为公开这个秘密的时候，一起来检验。 5Gl20EPAKlY/J+aHfmrZmDupgEL+OZw0u6yCT3hpkvGejiX0pYPtNtRSwiELuyjo