芯片也被稱作集成電路，integrated circuit即IC，是一種將半導體元器件、被動組件等小型化的方式，可以把數量龐大的微晶體管集成到一小小的芯片上。

所以芯片是由一個個的晶體管，各式固態半導體組件（二極管、晶體管）組成，20世紀中后期半導體技術的進步使得集成電路也就是芯片成為可能，相比于手工組裝使用分離的電子組件集成電路更加穩定、高性能（小尺寸短路徑，低功率組件快速開關，能耗低）、低成本（照相平板技術，生產效率高）。

芯片為什么這么重要

過去國家與民族之間爭奪的是如土地、人口、燃料、市場等物質資源，這類資源需要基礎交通的鏈接，于是我們建造了眾多的道路與橋梁來運輸該類資源并讓其發揮作用。如今至二戰以來基礎科學并未出現實質性的突破，能源、材料等多領域停滯不前。而人總是在追求更加優越的生活，如今數字基建已經成為新的增長點。

一、數字基建：

處于數字經濟時代的我們，數據已經成為核心生產要素和戰略資源，圍繞數據全生命周期的網絡、存儲、計算、應用等基礎軟硬件成為生產生活、社會發展不可或缺的新基礎設施，通過這些新型基礎設施實現對物理空間背后“不可見世界”的管理。立足于當下國際形勢與此次疫情的沖擊，數字基建能有效拉動投資，穩就業、振興經濟，不同于以往的傳統基建，數字基建是當前最有活力的經濟領域。

而數字基礎設施又是數字經濟發展的基石與保障，是經濟高質量發展的新動能。所以在可預見的未來全世界將迎來一次大力投資數字基建的潮流。

二、通信與計算：

數字基建的應用圍繞著通信與算力展開，翻譯過來就是我們所熟知的5G與芯片，5G通信用來鏈接匯總收集到的數據，算力便是處理匯總起來的信息。

傳統經濟中，生產線、機器、各種載具等作為生產工具，而土地、勞動力、化石燃料成為核心生產要素；對應如今數字新基建，AI、5G、物聯網、云計算便成為了新型生產工具，而算力與數據則成為上述工具的核心生產要素，算力與數據已然成為當前世界競爭的制高點。

1、通信：

通信領域我國十分重視，目前華為的5G專利數量世界第一，綜合技術可以說已經處于世界一流水平，但芯片尤其是高端芯片領域卻不容樂觀，雖然我們有一大批半導體芯片企業如中芯國際、中微電子等，不過他們也不是在所有領域都專精，芯片產業需要全產業鏈的協同發展缺一不可，尤其是在一些關鍵技術上。

2、計算：

在如今的物聯網時代獲取信息變得極為方便，甚至在可預見的未來當信息足夠豐富，算力足夠強大，國家的一些決策都能交給計算機，我們要做的僅僅是制定運算規則也就是算法。多行業信息收集后協同計算能產生新的需求、產能與市場，帶動全球經濟發展。屆時各國間的博弈很大可能會變成兩個超級計算機間誰能獲取更多數據，加持科學的算法最終通過更強的算力脫穎而出，做出正確的抉擇。

國際數據公司IDC預測到2023年，數字經濟產值將占中國GDP的67％，強大自主的算力將成為我國經濟發展的基石，而核心要素算力的投入與研發將成為我國的百年大計， 占領了這兩個領域的國家毋容置疑將獲得未來幾十年舉足輕重的實力，甚至決定將來的世界秩序。

芯片的發展歷史

半導體是導電性介于導體與絕緣體之間的一種物質（下面會詳細說到）。直到20世紀30年代材料提純技術改進后才被廣泛認可。半導體主要由：集成電路、光電器件、分立器件、傳感器組成。因為其中的集成電路占器件比例80％以上，一般將半導體也稱為集成電路。而集成電路又分為：微處理器、存儲器、邏輯單元、模擬器件。所以我們也將其成為芯片。

芯片的發展歷史

intel是PC領域芯片巨頭，其發展史基本代表了芯片的發展史，讓我們來看看其發展歷程：

1、1971年，intel第一款商用處理器4004問世，集成2250個晶體管，每秒運算6萬次，它的出現是革命性的，帶來了隨之而來的計算機與互聯網革命，進而改變整個世界。

2、1978年，intel著名的8086處理器問世，并于1981年應用于IBM電腦，一舉成名。隨后還有80286等后續型號。

3、1985年，intel研制出第一款32位處理器80386，依靠與IBM PC的兼容與合作確立了兼容機市場的領頭地位，同年進入中國市場。隨之而來的還有改進型號80486、586等等，小生記得小時候用的第一臺win95處理器的電腦便是80486系列的芯片。

4、1993年，intel推出奔騰處理器（pentium），此時晶體管數量達到320萬個，浮點運算能力大大增強，進而圖像、聲音、影視等功能得到充分實現。隨后的十年時間里更新型號層出不窮，intel已然變成高端芯片的代名詞。

5、2001年，intel第一款64位處理器Itanium誕生，主要用于高端企業級別的計算環境也就是服務器，超越同行成為服務器芯片的老大。

6、2006年，我們熟知的酷睿core雙核處理器問世，也就是我們所說的i3、i5、i7系列。當然core i7的首發是在2008年，是第一款四核處理器。core系列經久不衰，直到今天我們的個人電腦基本都用的core系列（其他的屬于AMD公司或intel在core上的變種）。

7、2014年，intel推出至強（xeon）E7系列處理器，多達15個處理器核心成為intel核心數最多的處理器，xeon主要應用于服務器領域，能應用于英特網處理工程、圖像與多媒體等需要快速傳送的大量數據應用。

8、2017年，intel收購Mobileye后，開始向“算法+芯片”的整合AI方向發展，在智能AI的大背景下，英偉達與intel都在運用深度學習神經網絡等技術制造AI芯片搶占新的市場。

縱觀近30年來集成電路的發展歷史，晶體管數量每1.5年增加一倍，隨著單位面積晶體管數量的增加，芯片外形尺寸縮小，單體成本與開關功率明顯下降，同時所有的性能指標都增強了，也就是芯片每24個月晶體管數量與性能翻一番，嚴格遵守摩爾定律，可以說芯片進步的歷史就是集成電路的發展史。

芯片的運行原理

可以說如今IT行業的硬件都是建立在半導體工業之上，而半導體又是由一個個晶體管（包括二極管、三極管、場效應管、晶閘管等，有時特指雙極型器件）組成。下面讓我們從半導體與晶體管說起（其它的原理差不多）。

1、半導體：

要說芯片，我們就不得不提及半導體。其實半導體的發現也是由量子力學所發展起來的，讓我們從物理原子層面說起。我們都知道除了H、He以外的其他元素都是以外層8電子為穩定狀態，化學知識也告訴我們使兩種元素得以連接的靜電力（化學鍵）有離子鍵與共價鍵（金屬鍵與共價鍵類似）。

離子鍵一般存在于金屬與非金屬間，如Na原子失去一個電子變為Na+粒子，Cl原子得到一個電子變為Cl-粒子，兩原子成為異性電荷通過電磁力吸引在一起成為Nacl也就是氯化鈉食鹽；共價鍵一般使得非金屬元素得以結合，不同原子之間可以用核外電子共同形成電子對使最外層形成8電子穩定態，例如氮氣。

這時候我們觀察到元素周期表中有一類C族元素最外層只有4個電子，即不易失去也不容易得到電子，這就是半導體的概念，不過在該族元素中隨著電子層數的增加也會變得越來越容易失去電子（Si之后的元素Ge、Sn、Pb等），實驗中發現硅Si由于其合適的電子層數以及最外層電子數成為我們眼中最好的半導體材料。這也是世界高科技行業云集的“硅谷”的由來，“硅谷”也是最早研究和生產以硅為基礎的半導體芯片的地方，因此得名。

2、晶體管與集成電路：

二極管是晶體管的其中一種，是由半導體材料（硅、硒、鍺等）制造的一種能單向導電的電子元器件。即在二極管的陽極與陰極施加正向電壓時導通，施加反向電壓時截止，相當于一個開關的接通與斷開。而這時候便有了最基礎的信號區分，例如我們將電流導通記為1，斷開記為0。這便是我們熟知的電腦語言0、1。如今的C語言、C++、JS、H5等變成語言也是將該類01語言翻譯為我們能看懂并方便編輯的形式。

在二極管誕生后我們便能設計邏輯原件，學過自動控制原理課程的大家都知道有與或非的門電路（例如與門是兩者都同時實現才能得到1的輸出）。各類門電路通過并聯串聯的形式集合起來，看似簡單的邏輯門電路在上億數量的排列組合聚集在一起后便能實現非常復雜的計算（這其中門電路的排列組合設計也即是芯片工藝的設計也是決定芯片性能的核心要素，需要長時間技術的積累）而芯片便是該類運算電路的集合，即集成電路IC。

制作芯片的工藝流程

芯片的制作流程比較復雜，不過大體上都分為三個步驟： 設計、生產與封裝測試。

一、設計：前端設計、前仿真、后端設計、驗證、后仿真、signoff檢查、然后將設計數據交付給代工廠。

關于設計我們要知道一個原理，芯片設計為實現某一功能必然依托于某一設計架構來實現，目前主流的芯片架構有X86（intel與AMD專屬，稱霸PC市場）、ARM（移動便捷設備）、RISC-V（后起之秀，智能穿戴設備中應用廣泛）、MIPS（主要應用于網關、機頂盒），由于ARM架構擁有低功耗、低成本的特點尤其受到手機等移動設備的青睞（ARM與X86架構為市場份額最大的兩大架構）。

以上所說芯片設計，架構僅僅是前提條件。而對于芯片整個設計流程來說都需要用到EDA軟件。EDA軟件簡單地說可以理解為我們常用的CAD軟件，由于一個芯片電路十分復雜細小，包含幾十上百億個元器件，一個元器件或電路的錯誤放置都可能導致整個芯片無法運行。而EDA軟件能自動化設計該流程保證芯片的運行，芯片設計方只需決定某幾個關鍵位置的設計便好。

二、生產制造：氧化—薄膜沉積—光刻—刻蝕—離子注入—清洗。

我們首先從二氧化硅也就是沙子中高溫萃取出純度很高的單質硅，該單質硅為晶體結構，原子整齊排列以共價鍵組合成巨大分子。工作人員將硅切成圓薄片用以生產芯片。

在硅片上均勻涂抹感光材料，控制光線（光刻機）照射特定部位感光材料使其性質發生變化（溶于水），再用水沖洗便得到硅單質的凹槽。

再對特定區域摻入感光多晶硅層等雜質，如二極管中的磞與磷，邏輯電路便在該凹槽中不斷形成，俗稱的粒子注入。

其余地方也能通過感光遮蓋的方式用腐蝕液將硅腐蝕掉，便形成了一個個晶體管。

當然你也可以摻入金屬材料形成導線、電容或電阻等。

該工序重復多次（一般不少于20）疊層便能得到我們想得到的集成電路，一大塊包含很多塊芯片的晶圓盤。

三、封裝測試：

如上所說，芯片生產后并非成品而是一大塊晶圓，還需經過芯片測試機的測試、切割并封裝。

未封裝的晶圓

良好的測試能使次品到達用戶手中之前被淘汰掉，對提高產品質量、建立生產銷售的良性循環是至關重要的。而測試機正是通過驗證芯片是否符合設計目標、研究環境變化對其造成的影響以及壽命長短等參數實現有效的測試。

我國半導體現狀

截止2019年，我國花費3000多億美元進口芯片（買石油也只花了2000多億），總共購買了全世界三分之一的芯片，其中90％以上都依賴進口。可見我們對芯片的依賴還是相當大的。要研究我國半導體芯片現狀我們先得看看芯片產業整個流程在世界上的分工。

世界芯片產業鏈：

我國的華為海思、國外的蘋果、AMD、高通等著名大廠往往只做設計，該類公司我們將其稱為Fabless芯片設計方；設計好后將圖紙交給臺積電或三星這樣的第三方芯片制造代工廠；生產后還不是成品而是一大塊圓形硅晶體，還要交給日月光、安靠這類的公司運用EDA軟件測試、切割并封裝，最終形成我們平常看到的芯片。

大部分的芯片生產流程如上，不過也有極少例外，如intel、三星這樣的超大型公司全流程自己搞定，即設計、生產、測試封裝全都自己做。我們一般稱該模式為IDM模式，其實最初生產芯片大家都是IDM模式，只是后來啊大家考慮到成本與效率，畢竟自己建立生產線只做自己的太過浪費，更新換代迅速，設備閑置后就放在那兒折舊了。

臺積電

而后需求便使臺積電這樣的公司應運而生，在成本有效控制的前提下產能大幅提升。不過這也帶來另一個改變即芯片行業門檻的整體降低，以前沒有個幾千億都摸不到芯片行業的門檻，如今僅需投入十幾到幾十億的芯片設計研發就能找人做芯片了。

我國芯片設計、生產與測試封裝與世界水平對比：

說完世界芯片產業鏈再讓我們回到芯片本身的工藝流程上，即設計、生產與封裝測試，讓我們從這三個維度進行分析。

一、芯片設計：

芯片設計大體分為：前端設計、前仿真、后端設計、驗證、后仿真、signoff檢查、然后將設計數據交付給代工廠。

以上我們說到包括華為海思在內的很多大型企業都只做芯片設計，所以海思究其根本是一家芯片設計公司。

①ARM架構：

以上說到目前主流的芯片架構有X86（intel與AMD專屬，稱霸PC市場）、ARM（移動便捷設備）、RISC-V（后起之秀，智能穿戴設備中應用廣泛）、MIPS（主要應用于網關、機頂盒），由于ARM架構擁有低功耗、低成本的特點尤其受到手機等移動設備的青睞（ARM與X86架構為市場份額最大的兩大架構）。

而我們的華為海思正是通過在ARM公司的公版架構之上二次開發而來，雖然ARM是一家英國公司號稱不受A國商務部的影響，不過今年以來ARM態度搖擺不定，目前更是傳出要被英偉達收購的消息，這條道路也顯得十分不可靠。如若不讓使用華為將全新自主設計下一代指令集的芯片，難度是非常高的。

②EDA設計：

芯片架構是設計的前提，當你選好了一個建筑的用途與建筑材料后，你還需要設計具體的建造方案，也就是芯片設計。而這一過程我們有說到過需要EDA軟件（類似于建筑行業的CAD軟件）的全程參與。以上我們說到EDA軟件能自動化設計整個流程的芯片保證其能成功運行，設計師們只需改動關鍵幾個位置便好，大大降低了不可控風險。

我們的華為海思主要用到明導國際、新思科技與楷登電子三家公司的軟件，恰好這三家便是世界上最大EDA軟件公司并且全都是美國公司。

精明的EDA軟件商同時給臺積電這樣的代工廠提供免費EDA軟件，要求代工廠給EDA軟件提供諸如晶體管、MOS管、電阻、電容等元器件與邏輯單元的基本信息的數據包，該數據包不斷優化更新頻繁（有時一個月）并且與軟件形成校驗與綁定，所以基本只支持當前最新版本。不像盜版軟件，禁令后不給更新我們還能用老版本，如果不用最新版本的軟件對芯片進行校驗很可能導致所設計芯片不能運行導致流片失敗，而一片流片失敗便意味著幾億資金打了水漂，成本風險巨大。

華大九天算是國內EDA軟件的龍頭企業，經過多年發展已經能在某些領域獨當一面，不過正如以上所說，半導體芯片同樣需要全流程的共同協作覆蓋整個高端芯片的設計流程，我們只能達到某些點的覆蓋。

二、芯片制造：

芯片制造的流程大體可以分為：氧化—薄膜沉積—光刻—刻蝕—離子注入—清洗；

就芯片制造領域臺積電無疑是世上最強企業，強大的技術與產能的領先保證了其領頭地位。不過這一切都建立在運用了大量美國半導體設備之上，可以說沒有美國技術的支持便沒有臺積電的今天，所以如若A國一紙禁令下來，臺積電在掂量了訂單與其立身之本技術之后很可能選擇不給我們加工芯片。

你可能會說我們不是還有中芯國際么？04年上市的中芯國際經多年努力終于在19年攻克了14nm制程的節點算是一重大突破。不過首先我們得意識到臺積電在18年已經給蘋果提供7nm制程的芯片，就制程技術來說落后起碼兩代。其次就算我們能接受體積、性能與續航不那么優異的產品，中芯國際也不一定能給我們做。以上提到的芯片制造流程中在刻蝕環節我們的中微電子已經能將較為先進的技術應用于7nm與5nm的產線，不過除此之外統統落后于世界平均水平。在生產環節還有大量技術來源于美國。例如薄膜沉積設備中芯國際便應用了美國應用材料公司的方案，所以如果A國真的一紙禁令，中芯國際也不能為華為制造芯片。

光刻：

其次在芯片制造中不得不提到一項關鍵技術—光刻。光刻機是把電路圖投影到覆蓋有光刻膠的硅片上面；而刻蝕機再把剛才畫了電路圖的硅片上的多余電路圖腐蝕掉，兩樣設備是相輔相成的，缺一不可。

EUV光刻技術難度相當高（DUV的改良版，通過打擊液態金屬錫實現進一步縮小波長，在此不做詳述），研發始于20多年前有近40個國家加入，歐美發達國家均在內，不過只有美國堅持到了最后，技術難度比制造原子彈還大很多。在如今的芯片中我們起碼要進行20次以上的光刻蝕（每一次進行一層刻蝕），而我們將單獨一層刻蝕層圖紙放大許多倍來看，都比整個紐約市加郊區的地形圖復雜。想象一下將整個紐約以及郊區地形圖刻錄在一面積只有100平方毫米的芯片上（一個晶體管尺寸已經不到一根頭發直徑的萬分之一），該結構有多么復雜可以想象。

所以光刻蝕是其中非常復雜也是最為關鍵的技術，其精度與靈敏度直接決定了芯片的計算能力與質量。只有更加精確的刻蝕才能將電路設計師的想法在微觀尺度更完美的實現。光刻技術無疑是芯片時代各國競爭的前沿陣地。

而光刻技術尖端領域由荷蘭公司ASML（阿斯麥）壟斷，其5nm光刻機已交付使用，今年臺積電的A14處理器、高通驍龍875系列、麒麟9000處理器都是由該設備生產。我國光刻機最高水平目前是中微電子的28nm制程，研發能力差距一個年代，量產能力差兩個年代。至于其他的很多環節甚至才剛剛起步。

三、封裝測試：了解芯片的朋友可能認為我國在封裝測試環節處于國際第一梯隊，不過事實上光測試機一項就被日美企業所壟斷，其中來自美國的泰瑞達與科休半導體便占據國內封測設備的大半江山，半導體測試設備的國產化率不足10％。

說完我國半導體芯片在設計、生產以及封裝測試方面與世界水平的差距后，我們也不要過于悲觀，其實在EDA、生產制造、光刻機、代工能力等方面我們也并非一無是處，華大九天、中微電子、海思等企業在各領域打下了不少基礎，在某些點與領域甚至能與一線比肩，現在我們要做的便是讓越來越多的點冒出來，最終由點及面協同發展形成成熟完整的半導體產業鏈，不再受制于人。

我國芯片如何發展

了解了我國半導體芯片技術現狀與差距后，不得不思考的一個問題便是我們該怎樣實現追趕并超越。

一、我國半導體芯片情況

在一個基礎物理停滯（下文會說到）的行業中，雖然intel目前仍有很大優勢（EDA設計、工藝等）但后起之秀與之的差距也會逐漸減少。我國在歷史上錯過了發展半導體行業的窗口期，加上一定的決策失誤，導致了如今半導體芯片產業被動的局面。不過近年來我國光伏產業的迅速發展也突破了一部分半導體所需的高晶硅材料。

但面臨的問題還很艱巨，設計芯片的EDA工程軟件等還都基本被美國歐洲壟斷；芯片加工設備光刻機還是被荷蘭阿斯麥爾公司所獨家壟斷，以及其一系列高科技配套設備PVD、CVD、刻蝕機等等都被美國應用材料公司（AMAT）與科林研發公司（LAM）所壟斷；此外芯片的制造還需要氫氟酸、光刻膠等化工原料，而該類高精度化工原料都為日本企業所供應（韓國曾被日本斷供，差點導致芯片停產）。就算硬件條件都具備滿足制造工藝了，intel芯片這么多年積累的工業設計經驗（門電路排列組合以及功能實現方式）也不是一朝一夕能追上的，需要我們研究十幾乃至二十年。

二、我國半導體產業鏈面臨的問題：

技術的發展永遠與資本市場密不可分，讓我們上升一個層面從資本的角度出發分析芯片市場與其背后資本的推動。

首先芯片行業有一個顯著特點是它的更新換代速度相當快，不像其他行業在低端廉價市場也有巨量需求通過價格優勢可以從低端做起，逐漸擴大市場積累人才走向高端。對于芯片來說市場永遠只需要最高性能的高端芯片，幾乎沒有低端市場。

其次對于芯片技術發達引領的企業，雖然芯片的研發設計與生產線的建立需要巨大的投入，但是新的芯片市場同樣巨大，同時高精度光刻蝕機等成熟配套技術也能保證規模化生產。研發投入很快會被巨大的交易量所稀釋。

再說我國芯片研發，我國不缺資本（拿出幾百億搞研發）與基礎研發科技人員（不過缺芯片經驗積累）。但資本的投資講究投入產出比，資本集團擔心的是幾百億的投入進去而出來的產品甚至追不上主流半導體工藝（終端芯片），只能開發出過時的產品，這樣高額的研發成本沒有市場需求的稀釋，中低端芯片的價格反倒更貴。投資也如無底洞般，所以企業也一直沒有動力進行大規模的投資研發，這才是芯片行業難以發展的實質。

簡單來說由于先發優勢，cpu生態圈已然形成。桌面級的X86，嵌入式的ARM，軟硬件生態圈已成熟穩定，沿著外國道路走專利壁壘會被卡，自己另建生態圈則如以上所說只能指望國家買單，市場不需要低端芯片，想在市場生存太難。

三、如何發展半導體芯片產業？

不得不承認，分析清以上造成我國芯片遲遲不能發展的原因后，那怎樣才能改變呢？

①摩爾定律逐漸失效

以上提到隨著工藝制程的密集化，如今已在研發3nm制程芯片并準備投入量產，不過性能的提升明顯與密度速度的提升不成正比，顯現出摩爾定律已逐漸開始失效。在基礎物理沒有取得突破的前提下全球半導體芯片的密集化提升將陷入停滯，只能不斷優化設計更好的工藝。而這恰好也給了我國千載難逢的機遇，逆水行舟不進則退，不過我們還是得承認其幾十年積累的芯片設計經驗，在一些細節上精妙設計所實現的功能都能讓我們捉摸數十乃至二十年。

②芯片龍頭企業撤出中國市場

以上提到，具有先發優勢的半導體企業巨頭會憑借其強大的科研能力保持更新換代的速度，而市場只需要最新最強的芯片，相當于壟斷了整個芯片市場，陷入沒有市場利潤資本也沒有動力投入研發的惡性循環，所以半導體行業的追趕相較于其他行業會困難很多。

不過如今某國的芯片禁運政策主動撤出了中國市場，雖然這對我國高科技企業來說是一個不小的噩耗，且人們在一段時間內使用國產芯片電子設備會感受到性能的下降，但這卻給了中國本土芯片產業千載難逢的發展機遇。對于我們來說可能需要暫時的容忍自產芯片性能上的不足，不過從長遠來看這卻是實現繁榮發展必不可少的一步。而相信在此非常客觀的市場環境壓力下，我國的芯片技術水平將實現快速追趕。

而鑒于國際與貿易形勢的風云變化，為擺脫半導體產業對國外的依賴，我國也出臺了一系列政策。今年8月4日國務院印發《新時期促進集成電路產業和軟件產業高質量發展的若干政策》表示線寬小于28nm經營期在15年以上的集成電路企業，十年內免征企業所得稅。

當代芯片面臨的瓶頸

就在今年全球最大芯片制造公司intel也準備將旗下芯片業務外包代工給臺積電。除了業務上的考慮，就技術本身也有摩爾定律即將失效的因素，在該定律下芯片生產技術進步的速度將會放慢甚至停滯。所以intel并不急于追趕當下最新7nm，5nm的芯片制程。

一、摩爾定律：

該定律由intel創始人之一的戈登。摩爾提出，其核心內容大意為：單位面積的集成電路上可容納的晶體管數量大約每24個月增加一倍，也就是處理器性能每隔兩年翻一番（該定律僅為行業內經驗之談，并非自然物理規律）。該定律同樣適用于磁盤驅動器存儲容量的發展，已然成為眾多工業企業對于性能預測的基礎。

二、摩爾定律的逐漸失效：

然而就最新研究表明第一代3nm工藝芯片與5nm芯片相比其密度提升了70％，速度提升了10％~15％，不過最終反映到芯片的性能只提升了25％~30％。性能提升程度明顯與其密度與速度的進步不成正比。所以當代最新3nm制程的芯片很可能已經遇到了物理摩爾定律的限制。

1、勢壘貫穿

失效的原因與基礎物理量子力學有關。經典力學認為物體（例如電子）越過勢壘需超過一閥值能量才能越過。而量子力學則認即使粒子能量小于閥值能量，一部分被反彈，仍有一部分能越過勢壘。

2、勢壘貫穿幾率

我們都知道量子力學是研究微觀尺度的粒子，半導體中微小的集成電路正好適用于該規律。讓我們用T來表明電子貫穿勢壘的概率系數，a代表勢壘寬度。

由以上可知電子貫穿勢壘幾率隨勢壘寬度a的增加迅速減小，結論便是勢壘很寬、能量差很大或粒子質量大時，貫穿系數T≈0。反過來說粒子能量一定勢壘越窄越容易穿越勢壘發生量子隧穿效應。

看看如今高度集成化的芯片，晶體管電路間隙越來越窄也就是勢壘越來越窄，當小到一定距離后量子隧穿的幾率將大大增加，這樣芯片的正常邏輯運算將變得混亂不堪，性能的提升更是無從談起。

三、摩爾定律終結會給我們帶來什么？

回顧過去20多年，電腦或智能手機平均兩年性能便翻一倍且推陳出新非常迅速，隨著應用軟件的迭代升級我們也將其作為快消品一般頻繁更換著。而這些都是由IC與芯片工藝更小、更精密、更快所決定的。如果半導體基礎技術進步停滯，我們現在的電子產品都會變為耐用消費品，芯片將會著重在穩定性與成本之間取得平衡，最終會變為如冰箱、空調、電視之類的耐用消費品，進而廠商的利潤率也會降低。

綜上所述如果在3nm以后各大廠家再也開發不出更精密（性能提升）且成本適宜的芯片，未來芯片工藝很可能陷入停滯。不過話分兩頭說，所謂逆水行舟不進則退，整個半導體行業的停滯也很可能給我國半導體產業的發展帶來一定機會。不過我們得意識到技術的積累不是一蹴而就的，雖然基礎物理遇到了瓶頸，但inter幾十年來的芯片設計經驗可不是能隨隨便便超越的，其中的巧妙細節設計與優化值得我們琢磨很多年。

四、超級計算機

在這里提一下超級計算機，下面簡稱超算。其性能不斷增長符合摩爾定律似乎沒受任何影響，我們的超算神威太湖之光在理想情況下的浮點運算（跑分）甚至在世界上傲視群雄，然而事實真是如此么？

首先我們要明確一個概念，超級計算機強調的是把眾多處理器協同起來工作即集合性能，并不特別強調單個處理器的能力，當然從功耗比的角度出發單個處理器的性能也十分重要。我們的神威太湖之光正是在單個芯片工藝落后intel兩代的基礎上堆疊更多的芯片依靠優秀的鏈接架構設計實現某一方面的計算能力超越。

通俗一點來說就像你玩游戲加多張獨立顯卡一樣，你有錢便能一直加RTX3090，你只需要想辦法設計出使眾多顯卡并行運算使其發揮出更多算力的架構便好，有錢便能一直加下去（另一種形式的鈔能力，不過可惜的是也不能無限制的加下去）。

①什么才是超算的核心指標？

我們都知道超算追求的是集合性能，不過你加1000個芯片實際計算峰值只有100個芯片的性能那未免也太浪費了。所以國際上通常認為超算最有意義的指標是效率。即計算峰值占理論峰值的百分比，也就是實際上能發揮的性能。

（備注：計算峰值為Linpack程序計算獲得，是國際通行標準。是一個超大規模線性方程式的開源并行程序）

這里插一句因為我國超算一般采用GPU與CPU間PCI-E總線鏈接的異構模式，算法復雜需要優化，軟件開發成本高，應用的普適性低，進而效率普遍不高。

②超算效率

這里的效率指的是并行程序效率。說效率之前讓我們先了解一個概念，并行程序的特點是將一個大問題分割成若干小問題交由多處理器計算，分割的同時也決定了其需要在多個處理器之間交換數據即通信，一般來說串行程序因為主要是在內存中通信時長可忽略（大型數據庫等性能要求苛刻的環境中才需優化），對于并行程序的超算由于其本質上是多個獨立計算機通過網絡連接到一起，是一種跨節點通信，網絡的性能直接決定通信時長影響最終效率。一般超算都會采用專用網絡，至少是萬兆級別的帶寬。

了解以上概念后，讓我們來看下面的公式：

并行程序運行時間 = 處理器運行時間 + 通信時間

并行程序效率 = 串行程序運行時間 / 并行程序運行時間 * 處理器數量X100％

由以上公式可知我們采用并行化（包含異構）來達到減少程序運行時間的同時極大可能也會增加通信時間，在單個處理性能恒定的情況下如何優化網絡縮短便顯得重要，效率指標直接衡量了這樣做是否值得，畢竟你用100匹馬拉贏了一輛坦克也不是什么值得驕傲的事。

未來的計算芯片

一個不得不承認的事實便是自二戰以來，基礎物理科學并未有突破性的創新，縱觀能源、材料、等領域的產業與二戰后的五六十年代相比也沒多大進步，更多的是對量子力學等基本理論在應用科學方面的發揚光大。半導體也是正是在對量子力學中能帶理論的研究中應運而生的，其應用造就了今天增長迅猛的IT行業。

IT行業：

如今還能高速發展的產業IT行業就是以芯片運算能力為基礎的產業。我們不禁會問隨著晶體管所承載的運算能力接近物理極限，摩爾定律逐漸消失，IT行業的發展是否也會遇到瓶頸？這就帶給我們一個問題，經濟發展的動力消失后生產力的增長也會停滯。當人口與欲望增加到一定程度后如若經濟不再增長便會形成巨大的社會矛盾。只有科技的突破與發展，例如三次工業革命才能提高生產力帶領人類走出馬爾薩斯陷阱。

在當前7nm商用化，5nm、3nm制程的芯片已經接近極限，摩爾定律即將失效的情況下未來的半導體乃至IT行業出路在何方呢？也許還是對量子力學的另一方面應用，涉及到量子糾纏等其他理論，也就是量子通信與量子計算機。

量子計算：

量子計算無疑是計算領域的又一次革命，我們表示一個信息的最小單位即比特（bite）傳統計算機是用晶體管實現電路是否導通表現出0或1，而量子計算機是用一個質子的自旋轉方向來表示，同時由于量子的疊加態一個質子可以同時存在多種狀態，也就是儲存多種變量，進而實現了多目標的并行（同時）運算，計算能力自然也呈指數型增強，計算效率成百上千倍的提高。

不過量子計算也還有很多亟待解決的問題，例如量子相干實體所組成的系統和其周圍環境的相互作用，會導致量子性質快速消失，這個過程稱為“退相干（decoherence）”，現在只能延長到零點幾秒，而隨著量子比特數量增加與周圍環境接觸可能性也增加，如何延長退相關時間便成為關鍵；此外量子計算中還會遇到熱量與隨機波動的影響俗稱噪聲導致計算結果的錯誤等等問題；其運行環境也極為苛刻需要在絕對零度附近。

展望：

半導體芯片制造是一個注重基礎科學與技術積累的行業，需要多領域全產業鏈的配合。芯片發展沒有捷徑可走，需要我們一步一個腳印的走出來。在如今貿易戰的大環境下我們已經認識到關鍵技術受制于人的嚴重性，相信我們會重視加大投入最終發展好半導體領域。

更進一步脫離國家層面的競爭，我們更應該意識到半導體芯片領域涉及到的科學技術突破不僅是給某一國家帶來好處，而是會給整個人類的發展與進步帶來福音，一旦實現技術突破什么馬爾薩斯陷阱都不在話下，我們能做的便是營造一個好的研究探索環境，尊重、培養、重用人才突破基礎科學，最終實現人類社會的進步。
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