魏少军：半导体，改变世界的力量

11 月 2 日，在 2023 国际集成电路展览会暨研讨会（IIC Shenzhen）中，中国半导体行业协会 IC 设计分会理事长、清华大学集成电路学院教授魏少军做了半导体——改变世界的力量的主题演讲。

从半导体支撑全球经济持续发展、半导体推动科技持续创新、半导体与计算机一路相伴，改变我们的生活、半导体助力人工智能，提升人类的脑力、半导体成为改变世界地缘政治的工具等方面展开解读。

半导体支撑全球经济持续发展

衡量经济发展的一个重要指标就是 GDP。从统计数据看，2003 年前后全球 GDP 发生了巨大变化。从数据上看，1987-2002 的 16 年里，全球 GDP 平均每年为 27.8 万亿美元，而 2003-2021 的 19 年里，全球 GDP 平均每年 69.2 万亿美元，是前面 16 年（1987-2002）平均值的 2.5 倍。

信息技术是近 20 年全球 GDP 增长的主要驱动力

是什么因素导致过去 20 年全球 GDP 快速增长？魏少军表示，是信息数据。2000 年之后，以互联网技术、移动通信技术以及两者的结合——移动互联网技术为代表的信息技术产业的崛起促进了全球经济的高速发展。

全球信息产业发展状况

1987-2002 的 16 年间全球信息产业累计实现销售 17 万亿美元，平均每年约为 1.06 万亿美元。2003-2021 的 19 年间，全球信息产业累计实现销售 76.9 万亿美元，平均每年 4.05 万亿美元，是前面 16（1987-2002）年的 3.8 倍。魏少军表示，这意味这信息产业确实在 GDP 增长中扮演了重要角色。

半导体是支撑信息产业的核心基础。从全球半导体的数据来看，1987-2002 的 16 年里，全球半导体产业的累计收入为 16431 亿美元，平均到每年为 1027 亿美元，2003-2021 的 19 年间，全球半导体产业的累计收入达到 60696 亿美元，平均到每年为 3195 亿美元，是前面 16 年（1987-2002）的 3.1 倍。基本可以判定，半导体支撑信息产业，信息产业支撑全球半导体 GDP 的增长。

半导体强力支撑了信息技术产业的发展

魏少军表示，自上世纪九十年代以来，全球 GDP 的增长与半导体产业增长之间呈现出一种相关性，而且进入本世纪第二个十年后，这种相关性越来越强。

半导体产业增长与 GDP 增长呈现强相关性

半导体推动科技持续创新

集成电路的诞生开启了「硅器时代」。1958 年 9 月 12 日，在美国德州仪器公司 (Texas Instrument) 担任工程师的杰克·基尔比 (Jack·Kilbv 1923-2005) 发明了集成电路的理论模型。2000 年，基尔比因集成电路的发明被授予诺贝尔物理学奖。

1959 年，晶体管发明人之一肖克莱的学生罗伯特·诺伊斯 (Bob·Novce，1927-1990) 创造了掩膜版曝光刻蚀方法，发明了今天的集成电路制造技术。诺伊斯是英特尔公司创始人，还被称为硅谷之父。

1965 年 4 月 19 日，戈登·摩尔 (GordonMoore，1929-2023) 发现了摩尔定律，这长期影响半导体产业发展的行业规律。摩尔定律推动芯片复杂度指数增加，戈登·摩尔是英特尔公司的创始人之一。

魏少军表示，如今的芯片制造已经可以在单个硅片上集成数百亿只晶体管。比如在 5 纳米的工艺节点中，每平方毫米就可以集成 1.1 亿只晶体管。值得注意的问题是，将几亿晶体管集成在一个系统中需要面临高度的复杂性与挑战。

集成电路制造工艺中的三大挑战

集成电路制造工艺中的基础挑战是制造精密图案，例如采用 193 纳米光源曝光出几十纳米图形（130nm 、90nm、65nm...）。

集成电路制造工艺中的核心挑战是新材料新工艺，包括 64 种材料 (铜、锗、镍...），并且每种材料需要数千次工艺实验，新材料支撑着产品性能的提升。

集成电路制造工艺中的终极挑战是提升良率，因为工艺流程中累积着大量统计误差，倘若每一个步骤的良率为 99.9%，那么行进到第一千个步骤时良率只剩 37%。

半导体与计算机一路相伴，改变我们的生活

1947 年，第一支晶体管在美国贝尔实验室诞生，发明人为:肖克利 (W.Shockley）、巴丁 (J.Bardeen) 和布莱坦 (W.Brattain)。

1958 年 9 月 12 日，在美国德州仪器公司 (Texas Instrument) 担任工程师的 Jack·Kilby 发明了集成电路的理论模型。

1959 年，曾师从晶体管发明人之一肖克莱的 Bob·Novce 率先创造了掩膜版曝光刻蚀方法，发明了今天的集成电路技术。

1970 年 4 月，英特尔公司的泰德·霍夫 (Ted Hoff) 主持设计了世界上第一款商用计算机微处理器——Intel 4004。它是「一件划时代的作品」。Intel 4004 在片上集成了 2250 个晶体管，晶体管之间的距离是 10um，能够处理 4bit 的数据，每秒运算 6 万次，运行的频率为 108KHz，成本不到 100 美元。英特尔公司的 CEO 戈登·摩尔将 4004 称之为「人类历史上最具革新性的产品之一」。泰德霍夫 (TedHoff) 因此被英国的《经济学人》杂志列为「二战以来最有影响力的 7 位科学家之一」。

计算机的发展从真空电子管到晶体管、到集成电路、再到微处理器，到今天已经进入超大规模集成电路。

魏少军表示，计算机发展到今天，也具有两种主要形式。第一个是超级计算机。例如神威·太湖之光超级计算机采用 40960 颗核高基国家科技重大专项支持的 SW26010CPU，峰值性能 12.5 亿亿次/秒，持续性能 9.3 亿亿次/秒。2016 年 6 月起，曾连续 4 次在全球超级计算机 500 强榜单中位列第一。

第二个是具有强大运算能力的智能手机。苹果公司的 iPhone 12 手机使用 A14 处理器。A14 采用 TSMC 5nm 工艺，CortexA72 核心，包含多达 118 亿只晶体管。A14 处理器为 6 核心，分别是 4 个节能核心及 2 个性能核心，性能高达每秒 11.8 万亿次运算。

半导体的增长过程

计算推动半导体行业的发展，半导体支撑计算机技术的进步。魏少军表示，从前期的科学计算到个人计算、移动计算、云计算发展到现在的智能计算。未来很可能会进入一个全新的时代，被称之为「泛在计算时代」。彼时，计算机的使用主体将成为计算机，也就是用计算机来使用计算机将是主要特征。

高性能计算机的计算能力已经进入 E 级时代。E 级超算是指每秒可进行百亿亿次数学运算的超级计算机，是国际上高端信息技术创新和竞争的制高点，被全世界公认为「超级计算机界的一顶皇冠」。2022 年 5 月 30 日，国际超算大会 (SC) 在德国汉堡发布了最新版全球超算 TOP500 榜单，美国橡树岭国家实验室的新型超算「前沿」（Frontier) 以压倒性优势成为全球最快超算。尤其让外界关注的是，「前沿」也是全球首台正式发布的每秒浮点运算速度超过百亿亿次的超算。

随着全球数据量超过 100ZB(1021)，对 Z 级计算能力的需求愈发迫切。人类对于更高算力的追求在过去数十年里从末停滞。数据量的大量增长对计算机的速度提出更高的需求，如今我们的计算机是无法满足这一要求的。

过去四十年中有很多东西逐渐消失，如胶卷、钟表、磁带等等，这些东西都被手机的功能所取代，而手机中的芯片和软件，实现了过去四十年中梦寐以求的很多时髦电子产品。不仅如此，半导体还在改变我们生活的方方面面，例如邮票、纸币，随着电子化和信息化的发展逐渐淡出流通领域并最终退出历史舞台。

半导体助力人工智能，提升人类的脑力

1943 年，美国神经生理学家沃伦·麦卡洛克 (Warren McCulloch) 和数学家沃尔特·皮茨 (Walter Pitts) 合作，对大脑的神经元进行类比和建模，发明了人工神经网络。麦卡洛克不懂数学，皮茨不懂神经学，两者跨界融合，产生了影响世界的神经网络。

David Hubel 发现了人类视觉系统的信息处理方法。提到了人的视觉处理机制可以看成高层的特征是低层特征的组合，从低层到高层的特征表达越来越抽象和概念化。这个发现激发了人们对于神经系统的进一步思考。大脑的工作过程是一个对接收信号不断迭代不断抽象概念化的过程。

他们都构建了人工智能非常重要的基础。人类正在经历第三轮智能化浪潮。过去以「智能计算机」为目标出现过两次大的努力，1946 年的通用自动计算装置，仅具备计算、数据存储与检索能力；1990 年的通用推理装置，使用手工知识库和规则库做逻辑判断，目前正在进行第三次努力，2017 年的机器学习装，使用机器学习算法做分类和识别。魏少军提出了一个问题：计算机变成什么样才算「智能化」呢？

本轮智能化浪潮已经取得了巨大进步，比如在大量图像的分类处理、机器的语音识别等领域，人工智能已经可以超越人类。引用 iRobot 董事长兼 CEO 科林·安格尔的一句话：「观察全社会将如何对待人工智能技术将会很有趣，这一技术无疑会很酷。」

魏少军表示，人类正在进入智能化时代。如果说，第一次工业革命以机械化、电力化和自动化为主要内容解放了人类的双手，提供人类巨大的能源，实现了人类体能的延伸和放大，延伸我们四肢的能力。那么以计算机、网络、通信、光电子和集成电路路等技术为主要内容的信息革命，实现了人类感官能力的延伸和放大，延伸我们的感观能力。今天，正在发生的新的智能化革命，信息技术将与人工智能技术、新型材料工程等一起携手前行，将信息技术推向全新的高度，实现人类大脑能力的延伸和放大，延伸我们的认知能力。

半导体成为改变世界地缘政治的工具

半导体成为地缘政治博弈的工具。如对华科技政策负责人马西尼:已牵头制定并推进美国人工智战略，同时认为「半导体才是人工智能领先地位的真正基础」。美国 AI 战略负责人施密特:「美国要确保领先中国半导体至少 2 代」，美国需与「日、韩、欧联合抗衡」。

一些国家尝试着把中国排除在全球半导体供应链之外。半导体领域的「军备竞赛」加剧全球供应链的碎片化。美国、欧盟、韩国、日本、中国台湾都各自通过了自己的《芯片法案》。表面看是各自在推动本地集成电路发展，其实是把全球市场进行分割，全球产业化的进程被中止，这个影响负面大于正面。因此，张忠谋表示：「全球化与自由贸易几乎已死，而且不太可能再恢复。」

另外，魏少军还提到，5G 和 AI 推动集成电路技术持续进步，这些新的技术反过来也推动了 5G 和 AI 为代表的或来支撑的全球的经济发展。到目前为止，没有有任何一个其他技术可以代替集成电路、代替半导体。业界关于摩尔定律的争论其实从未停止，包括材料的限制、器件的物理尺寸、光刻波长的限制等相关问题。其中的一些问题在半导体行业发展到现在已经得到解决，未来半导体行业的发展将可以更好的满足人类的需求。