司馬南對話北大教授曹和平：中國的芯片差距到底有多大？

司馬南

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　　光刻機的應(yīng)用

　　司馬南：說到數(shù)字，很多人都知道，美國人從芯片入手來“卡”我們的脖子，現(xiàn)在芯片是我們最大的短板。我們每年進口的芯片比我們進口糧食花的錢還要多。華為能夠設(shè)計出世界上最先進的芯片，但是美國人“卡脖子”，不讓用美國技術(shù)，所以臺積電生產(chǎn)不行。

　　現(xiàn)在華為呢，由于美國人打壓，導(dǎo)致他必須用的高端芯片制作的這種手機，這種終端設(shè)備現(xiàn)在被擠出世界前三了。華為只好開辟新的戰(zhàn)場，任正非老爺子開誓師大會，講的熱血沸騰啊，要發(fā)起新的戰(zhàn)役。

　　任正非老爺子這種精神，現(xiàn)在中國科技人員的這種努力，什么時候我們芯片這事能夠有突破？我請教曹先生問他中國的芯片什么時候能夠安穩(wěn)生產(chǎn)，曹和平先生人家是專業(yè)的。在芯片的事情，我們現(xiàn)在到底是什么樣的？前幾天我坐飛機碰見一個人，他告訴我光刻膠的問題我們已經(jīng)解決了。這是不是重大突破？

　　曹和平：其實芯片有兩方面需要做好，一塊是材料，一塊是設(shè)計。設(shè)計相當(dāng)于是芯片的電路，材料是芯片的物理載體，這兩個東西都重要。舉個例子，你比如繡花的時候，假定說你是一個蜀繡大師，可是我讓你在麻袋上繡花，我沒你繡的好，但是我是在絲綢上繡花，結(jié)果哪個好看？

　　換句話說，那個芯片的材料也是特別重要的，他一般是單晶硅或者多晶硅，這個硅高純度的底片上，假定說是5個9，那他非常純，那么你可以想象，如果這個硅是不導(dǎo)電的，或者說它是高純度能導(dǎo)電的，你想想看，如果你給它摻進去一點點磷，它反方向就不導(dǎo)電，正方向就導(dǎo)電，正方向是導(dǎo)電的。

　　我聽說15寸晶圓或者24寸晶圓上，可以放36億個晶體管。所以材料工也是特別重要的，剛才你問了說，那光刻膠要是突破了的話，我們國家的晶圓有六條生產(chǎn)線，大概在兩年前還是三年前，特朗普還沒制裁我們的時候，我們有三條生產(chǎn)線到四條生產(chǎn)線是閑置的，那你想想，如果我們光刻膠一突破，我們芯片的材料供應(yīng)就幾乎處在了工業(yè)化和規(guī)?；a(chǎn)的這個條件上。

　　司馬南：這個信息很確切，那就是說，我們在芯片的問題上，我們實行量產(chǎn)的話能夠達到多大呢？

　　曹和平：第一，假定你要是10納米可以調(diào)線的話，你大概可以生產(chǎn)20億個晶體管。你要是5納米的話，就可以生產(chǎn)40億個晶體管。那想想看，如果芯片的集成度越高，就是納米的數(shù)量越小，你那個芯片的量就越小，越小的話你就會發(fā)現(xiàn)放在手機里面和放在電腦里面是不一樣的。第二，芯片的量越小，耗電就越少。

　　你可以想想一個手機里面，假定是200個APP，APP和APP之間信息傳播的時候，它是多維方向的，那耗電是非常大的，你摸手機它是非常熱的的。假如芯片的量越來越小的話，手機就不燙，而且耗電也小了。換句話說，你如果有了這種高質(zhì)量的原材料，那就缺把電路刻到這個芯片上的技術(shù)了，就是那把刀，現(xiàn)在就卡到這了。那用來刻的刀，其實是光。我們過去認為這個光呢？就是我們可見的這個光，激光或者x光和β光，光的波普有非常長的序列，最長的是紅外。比如說我們的這個無線電波就是非常長的紅外。然后硬x光夠把某些材料給擠開，不會傷害物理材料，只是給擠開了。硬x光大概是0.01到0.1納米左右。

　　曹和平：人類在一些科學(xué)家像牛頓和愛因斯坦出現(xiàn)之前是沒有思考過什么是“光”的。愛因斯坦和德布羅意提出的概念叫“波粒二象性”，他們認為光一定是波動的，它既有波動特征，又具有粒子特性。用我們今天的話說，光到底是材料？還是一束波？像無線電波，你用你的手機掃我的二維碼，都是用的光的波動特征；像我們現(xiàn)在在這拍照，那個打光燈的光源也是用光的波動特征傳過來的。那光材料是什么？像長江里的水，它是動態(tài)的，可以行船，可是要是把水想成材料的話，你喝進肚子里，那就是吸日月之精華了。

　　光也是一樣，如果能作為材料來用，來刻芯片，比如硬x光就像一把刀子，晶圓底板上附的薄薄的一層膠，它能給擠開一個口子。硬x光應(yīng)該是光作為材料特征最厲害的地方，再把它增長300納米或500納米以上的話，它的波動特征就更強。像水一樣，一滴一滴的是材料性質(zhì)，大量的流入太平洋是波動特征。

　　司馬南：水滴石穿用的是什么特征？

　　曹和平：我覺得更像材料，不像波動。其實我們真正能用得上的光的波段是很小的一部分，我們需要最具粒子性的那一部分。21世紀(jì)人類的競爭，某種意義上不再是芯片，不再是操作系統(tǒng)，是光的利用。如果既能利用光做材料也能做波動，就是 “質(zhì)” 和 “能” 都用好，那才是厲害的。我們國家有兩到三個地方已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了工業(yè)級別的光刻膠了，如果修正鉆研一下，就沒有問題了。

　　2

　　芯片卡不住中國人

　　司馬南：那現(xiàn)在中國批量生產(chǎn)的最小的芯片是多少納米？

　　曹和平：我們現(xiàn)在在生產(chǎn)17納米這個級別上，最早18個月，最晚24個月，基本上沒有問題了。其實現(xiàn)在最先進的手機使用的是7納米左右的芯片，但很少，絕大多數(shù)都在12納米左右，算是先進的。

　　司馬南：單從手機角度而言，7納米和17納米的差別在哪呢？

　　曹和平：其實我們從厚度來講是感覺不到的，但是手機的待機時長不一樣。真正用起來沒多大區(qū)別，速度什么的都是一樣的，就是待機時間不一樣。

　　司馬南：那現(xiàn)在這個芯片越做越小，有沒有一個物理極限？比方說現(xiàn)在做了4納米，還能做到1納米嗎？

　　曹和平：其實用光刻機這種制作方法差不多5納米或者7納米就是極限了，但是用另外一種方法來生產(chǎn)的話，比如我說的用數(shù)字方式來生產(chǎn)，而不是用光刻機這種物理方式來生產(chǎn)，那就牛了。

　　曹和平：舉個例子，他們說這次開五中全會談“雙碳政策”的時候，科技人員用花盆演示了一下。一個花盆里有兩公斤的土，三年后花長開了長多了，但是土一克沒少，那總的重量怎么變重了？花盆里的一片葉子大概有39億到65億個碳原子，在水的溫度和濕度沒有到門檻線之上的時候，這個碳原子是趴在那沒有活性的，但是當(dāng)溫度，濕度和光線都齊全的時候，碳原子就站起來了。

　　在長碳鏈的最邊緣處，碳的化合價是正四價，在水平位置碳原子站起來的話，就相當(dāng)于碳變極性了，那39億個碳原子一起變極性，有利于進行光合作用。

　　像這個發(fā)財樹，外面的樹皮是輸送養(yǎng)料和水分的，里面呢就變成一個個線粒體排列在那。國家領(lǐng)導(dǎo)人說這樣不就是讓我們現(xiàn)在從“量”的拓展向“質(zhì)”的提升過程當(dāng)中，用39億分子工作的這個級別在工廠里完成地球45億年才進化的這種碳過程嗎？

　　回到我們剛才這個故事里邊來。想想看，如果你用39億個納米來生產(chǎn)，那光刻機就是個19世紀(jì)的小玩意。應(yīng)該說中國在這個新技術(shù)的突破方面，跟美國處在不整齊的戰(zhàn)線，有的時候中國在前面，有的時候美國在前面，而數(shù)字技術(shù)中國人并不熟。

　　司馬南：這個技術(shù)什么時候能夠出來？

　　曹和平：國家說2060年前要實現(xiàn)碳中和，還是比較遙遠的。然后美國人公布說“我們2050年實現(xiàn)碳中和，我們比中國提前十年”。結(jié)果過了一個半月，歐盟也說我們要在2050年實現(xiàn)碳中和。第一次，在科學(xué)方面，有人在遠景規(guī)劃里追著我們走了，這在過去是不可能的。芯片不是卡住中國人絕對極限的條件，芯片卡不住中國人。

　　司馬南：我本來向曹先生請教關(guān)于芯片的技術(shù)問題，曹先生還額外跟我們講科普，講“碳達峰”和“碳中和”，還有遠景規(guī)劃。我們說不定在有生之年，甚至是在我這個老頭的有生之年，看到中國追平美國及其他國家的技術(shù)水平，甚至是引領(lǐng)世界的那一幕。

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