《芯片简史》书封。
芯片可以看作人体器官的延伸,它延伸了我们的大脑、眼睛、皮肤……
“芯片可以看作人体器官的延伸,它延伸了我们的大脑,因为它有计算和储存知识信息的能力;它也延伸了我们的眼睛,因为它有拍照能力;它还延伸了我们的皮肤,因为它有感知能力……”芯片不是一项孤立的技术,它与人类和环境共同构成了一个彼此依存的世界。
汪波博士
近日,资深芯片研究专家、《芯片简史》作者汪波博士在接受澎湃科技采访时,对芯片在人类生活中扮演的角色作出了上述表述。
芯片自诞生迄今,不过60多年的时间,却已“带领”人类告别信息闭塞和诸多不便的时代。如今,芯片产业的发展处于瓶颈之中,如何应对“极限”挑战?
芯片危机
芯片是指由半导体构成的集成电路。半导体是一类特殊的导电材料,而集成电路则是半导体器件的集合。
芯片由一大张晶圆分割而成,体积很小,常常是计算机或其他电子设备的一部分。
如果把晶圆体看成一本书,半导体便是造纸的原材料,芯片则是一页页纸张。
1965年,英特尔创始人戈登·摩尔提出,依据成本最低原则,芯片上的元件数量将以每年翻倍的速率增加。
1975年,他将翻倍周期修改为两年。在这种增长节奏的推动下,人类先后进入了PC时代、互联网时代和AI时代。
但功耗、内存、开关频率以及算力瓶颈等问题,正滞缓摩尔定律的前进。更为重要的是,摩尔定律受量子力学的限制,晶体管的尺寸正逼近物理极限。“当晶体管小到原子尺寸时,量子效应会发生作用,电子会从原子中逃逸出去,晶体管就无法正常工作,芯片也会失效。”
对中国而言,汪波认为,“目前非常紧迫的(问题),一个是,先进的光刻机我们买不到。另一个是,先进的GPU我们也买不到。”
光刻机是制造芯片的关键技术支撑。光源发出的紫外光通过印有电路图形的掩模板,对涂有光刻胶的晶圆片进行曝光,被光照射到的光刻胶发生化学反应,这样掩模板上的电路图形就转移到了光刻胶上,进而通过刻蚀使得晶圆表面也形成了电路图形。光刻是芯片制造流程中极为关键的一步,其精度决定了芯片加工能达到的最小尺寸。
由于前期技术投入的疏忽以及起步较晚,中国目前尚未造出先进的EUV光刻机。
GPU(Graphic Processing Unit)即图形处理器,本来是一种显示芯片,用于加速计算机上的图像处理。但由于GPU 可快速执行数学计算,能使某些计算的运行速度比在CPU上运行快10至100倍。这一特性使GPU成为推动机器学习 (ML)、人工智能 (AI) 和区块链等新兴和未来技术发展的重要工具。
随着西方对中国在GPU领域的技术封锁,许多国内公司转向了自研GPU。但相较于国际巨头AMD和英伟达(NIVIDIA),国产GPU在性能上仍有较大差距。
“还有一个很重要的问题,是对芯片集成电路领域的人才培养。”汪波坦言,“我们过去培养的人才不多,而且很多都转行去了互联网等更高薪的行业,加剧了今天芯片领域的卡脖子问题。”汪波认为,人才培养需要花大量时间、长久地积累经验,以及建立完善的实验线,“成本非常大,但我们必须进行这样的培养。”
应对危机,需要坦诚的创新与叛逆
“应对芯片危机,我们需要原始创新,而唯一的方法是诚实地面对现实和历史。”在汪波眼中,这种诚实意味着实事求是地面对当下芯片升级发展的阻碍,认清芯片发展的规律,脚踏实地,做好长期应对难题的准备。
汪波认为,摩尔定律的终结是一件无须辩论的事情,那一天终究会来到。为了延缓那一天的到来,他提出了三种应对策略:一是“延续摩尔”,继续提高芯片中晶体管的密度;二是“扩展摩尔”,提高芯片的丰富程度、拓展芯片用途、集成各类专门芯片的功能;三是“超越摩尔”,探索MOS场效晶体管以外的新型晶体管,开发新的芯片品种。
汪波表示,当下应以“延续摩尔”为主线,同时不放松对其他路径的研究。通过立体堆叠、改变现有晶体管的工作模式、探索除硅之外的新材料等手段,继续提升芯片的性能和算力。
创新的发生无法预测, 但往往是从已有的脉络着手。汪波表示,可以从技术底层寻求突破,构思出不同于现有硅晶体管的新器件,从而改变芯片的架构和应用。同时应该顺应应用驱动的趋势,从应用需求中寻找新的突破点,进而优化甚至发明新的芯片。
芯片的发展史是一部创新史和叛逆史。”汪波在书中强调,“要不盲从,不畏惧,从否定中汲取能量。”
汪波博士接受采访。
他以肖克利发明结型晶体管的故事为例。肖克利作为贝尔实验室晶体管研究小组的组长,却被两个手下巴丁和布拉顿抢先发明了第一个晶体管——点接触晶体管,他因此遭受了很大的心理挫折。但肖克利并没有一味沮丧,而是把失败当作进步的垫脚石,埋头思考巴丁和布拉顿的点接触晶体管存在的问题、如何加以改进,最终成功发明了双极结型晶体管(BJT),成为后来30年间的主流晶体管结构。
汪波表示,只要创新和叛逆不停止,芯片产业就一直在前进的路上。正如摩尔本人所说,一切已成事,皆可再超越。“对否定的否定,也是一种创新。”
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