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全球平均每个家庭每年消费十个芯片
来源:扬子晚报网 2018-05-30 20:38:44

扬子晚报网5月30日讯(记者 罗晓娜)芯片无处不在,小到U盘、手机、电脑、电视,大到飞机、高铁。芯片技术代表人类制造最高的水平,没有芯片,没有现在的生活,芯片虽小,但被认为是大国重器。复旦校庆科学报告会上,微电子学院执行院长张卫教授做了《改变世界的芯片技术》的演讲。

芯片的颠覆性有多强?

张卫教授举了柯达公司衰落的例子,看芯片的颠覆性。柯达是做胶卷的,上上个世纪,1881年美国人成立了一个公司,主要用乳胶涂布机生产摄影用于干版,当这个公司发展到一百年的时候,它的销售额是一百亿美金。上个世纪90年代,全球十大品牌里头,柯达排第四位,1997年它的市值310亿美元,占全世界三分之二市场。可就是这样一个公司,1997年刚刚过去十五年之后,2012年的1月提出破产申请。2013年美国联邦法院批准了破产申请,它变成一家小型数码影像公司,现在它的市值只有1.75亿美元。

导致柯达这样大的公司迅速衰落的根本原因是什么?就是CMOS图像传感芯片,由于它的发明,使得我们不需要胶卷,只需要一个感光二极管,产生电荷,被采集下来识别感光的量,我们就可以得到一个图像。不再像以前通过胶卷拍摄,拍完以后冲洗出来。因为这样一个技术的发明,使得全球第四大品牌的公司衰落。而发明这一项技术的公司就是柯达本身,它害怕影响他胶卷的销量,所以不肯产业化。后来因为技术不断进步,尤其随着微电子技术不断的发展,在这个原理上新的芯片技术不断发展,被其它公司很快掌握了。我们现在每个人手机里面的摄像,都是靠CMOS的图像传感器,就是这样一个芯片,所以我们现在不需要带相机了。

芯片的发明,彻底颠覆了照相这样一个产业。还有很多例子,我们读大学玩电脑需要拿一个很大的磁盘,后来变成小的,现在也没有了,现在有很方便的U盘,这都得益于芯片把这个行业颠覆了,包括磁带也不用了,现在有MP3,很多都非常方便。那么芯片是什么?芯片就是以集成电路为核心的电子技术,它是在电子元期间小型化、微型化过程当中发展起来的。上个世纪初,一战的时候发明了电子管,二战结束的时候变成晶体管。

集成电路是一个点石成金的行业

第一个用电子管做出来的计算机是什么样子的?这是1946年的时候,全球第一台电子计算机,生产于宾夕法尼亚大学,叫ENIAC,它由18000多个电子管组成,占地167平方米,重量30吨,几乎有半个篮球场那么大,每年计算能力是五千次加法。我们现在任意拿手机的芯片举例,它的计算能力差不多是每秒几十亿次。更不用说现在全世界超级计算机的CPU,可以达到每秒几万次的运算。

之所以我们手机这么小的芯片,运算能力这么强,实际上因为晶体管的发明,主要依靠三个科学家,肖克利、巴丁、布拉顿,他们研制出了一个点接触型锗晶体管,十年以后,他们获得了诺贝尔物理奖。

晶体管就是一个小巧的低功耗的固体器件,代替原来体积大,功耗大的电子管。它的发明为集成电路奠定了基础。1958年以后,美国工程师杰克•基尔比成功地将包括锗晶体管在内的五个元器件集成在一起,四十多年之后,他获得了诺贝尔奖。

芯片的发明需要提到罗伯特•诺伊斯,他发明出二氧化硅作为屏蔽层的隔离技术,这才是真正适合集成电路大规模生产的工艺。他在世界上第一个做出来硅屏蔽的扩散技术。     

集成电路是一个点石成金的行业,说它是印钞机,因为它的效益非常高,投资回报率很高。在集成电路产业里面,要一个什么芯片,实际上是用户说了算,设计公司根据用户需求设计芯片,究竟要CPU芯片,还是手机机带芯片,还是COM图像芯片,这是用户的需求。设计公司设计出来以后,交给芯片制造企业制造出来,制造出来然后封装、测试,最后变成成品,卖给用户。有一个例外是因特尔公司。因特尔公司是专业化垂直分工,自己设计CPU,自己封装设计,自己卖CPU。

最典型的最高端的CPU在因特尔,上世纪七八十年代还是一个小公司,但是他们已经把两千多个晶体管放在一个集成电路里面,叫做4004,这个4004其实可以用来做计算器,也可以跟外围的电路结合起来,配一些存储器,配一个显示屏,可以形成一个电脑。实际上后来IBM就是用这样一个CPU,两千多个晶体管的4004CPU,搭了一个全世界第一台微型计算机。

1985年推出的80386芯片,是X68系列中第一个32位微处理器,开始采用Windows操作系统,性能有一个大幅度的提升。

1989年的时候有了486,集成了一百二十万的晶体管。2002年,已经有五千五百万的晶体管,2006年,已经2.9亿的晶体管在一个因特尔的CPU里面。今天因特尔在市面上可以买到最先进的CPU,实际上有60亿个晶体管。这是一个多大的进步?相当于我们在头发丝的截面上,做五十万的晶体管。所以集成电路的加工工艺代表了人类最高水平的加工工艺。

除了CPU芯片以外,第二大类主要的芯片就是存储器,存储器有两类,一类叫DRAM,是一个挥发性的存储器。第二类是Flash,非挥发性存储器。2017年,存储器芯片份额是最大的集成电路产品。因为全球芯片市场存储器全部涨停。

真正U盘大规模使用是在2002,SSD、固态硬盘更晚一点。它第一次被采用集成电路产品里面更早,是上个世纪80年代末,索尼公司开发了一款游戏产品,里面用原来的存储器速度跟不上,没有办法,采用了这个,那个时候非常昂贵,并没有太多的应用。

芯片的应用有多广?

CPU的应用就是个人电脑,像最早的个人计算机,PC计算机,其实是由IBM发明的,它把各个接口、组件标准化,大家只要按照这个接口去组,每个人都可以组装一个PC机。当然现在PC机的市场已经趋于饱和了,现在人手一个手机。特斯拉说自己不是一个做汽车的公司,它说自己是IT公司,实际上汽车对它来讲就是轮子、发动机、传统的外壳,里面主要是电子产品,可能有几百、上千个芯片,本质上是一个IT的公司,因此整个汽车现在的智能化,未来包括智能驾驶全部都靠芯片来运行。

芯片的应用会越来越广泛,全球每年芯片的消费量是280亿个,我们全球只有28亿的家庭,相当于每一个家庭每年消费十个芯片。未来还跟医疗有关,可以随时监控身体各种各样的状况,血压、心跳、各项指标,还有非常多的应用,比如说航空、航天、高铁,一系列高精尖的产品都会使用到它。

它的发展趋势就是速度更快、功耗更低,存储量更大,功能更强,成本更低,它的速度主要靠集成电路的尺寸越来越小。集成电路的发展状态有一个摩尔定律,在芯片发展的过去五十多年,之前是每过24个月,现在是18个月,晶体管的速度增加一倍,性能提高一倍,这是高通摩尔提出来的。尺寸特征一直在减小,相当于十纳米的工艺,在头发丝的截面上,可以做出50万个晶体管。编辑:李燕

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