摩爾定律將死 芯片業(yè)面臨全球洗牌

　　“宛如在白紙上作畫(huà)，芯片業(yè)正面臨一個(gè)全球洗牌的機會(huì )。”舊金山時(shí)間1月22日，斯坦福大學(xué)應用物理學(xué)和電機工程系教授張首晟在接受本報記者獨家專(zhuān)訪(fǎng)時(shí)，將矛頭直指IT業(yè)奉為圭臬的摩爾定律。英特爾創(chuàng )始人之一戈登·摩爾在上世紀60年代初提出：集成電路上可容納的晶體管數目約每隔18個(gè)月便會(huì )增加一倍，而性能也將提升一倍。半個(gè)世紀以來(lái)，這一定律見(jiàn)證了人類(lèi)信息技術(shù)前進(jìn)的腳步，也養肥了芯片業(yè)的巨無(wú)霸——英特爾。

　　2003 年，為應對摩爾定律即將失效的問(wèn)題，張首晟等在2003年組建了“IBM-斯坦福自旋電子研究中心”，并于2006年將其基于芯片業(yè)未來(lái)提出的新構想—— 通過(guò)電子的自轉來(lái)降低其能耗——在理論上完成了預演。2007年，這一新構想被德國的一個(gè)實(shí)驗小組通過(guò)實(shí)驗證明。同年，張首晟的這一發(fā)現被評為“全球十大 重要科學(xué)突破”之一。

　　作為斯坦福最年輕的正教授，張首晟以其在半導體和超導方面的研究獲得國際公認，并在《科學(xué)》、《自然》等期刊上發(fā)表論文100多篇。張同時(shí)還擔任“IBM-斯坦福自旋電子研究中心”聯(lián)席主席，致力于研究下一代先進(jìn)半導體設備。

　　“這同時(shí)也是中國芯片業(yè)唯一一個(gè)可超前的機會(huì )，政府、科研機構和產(chǎn)業(yè)界應積極行動(dòng)起來(lái)。”張首晟說(shuō)，如果到時(shí)還是跟在別人后面、被動(dòng)購買(mǎi)專(zhuān)利，那么中國在芯片業(yè)將幾乎沒(méi)有翻身機會(huì )。

　　當“摩爾定律”失效

　　《21世紀》：摩爾定律被IT業(yè)奉為圭臬，全球芯片技術(shù)、產(chǎn)業(yè)界基本都是在這一固定原理下運行，你基于哪些因素判斷，現在全球芯片業(yè)正經(jīng)歷一個(gè)轉型期?

　　張首晟：在過(guò)去差不多六十多年中，摩爾定律不斷解決了很多問(wèn)題，但發(fā)展到今天，芯片業(yè)根本性的瓶頸已經(jīng)顯露，即如果按摩爾定律的原理，芯片將不可能再按原來(lái)速度發(fā)展。估計在2015-2020年左右，芯片的升級速率會(huì )慢慢停止。對全球來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)比較危機的時(shí)間點(diǎn)。

　　當然，這也是一個(gè)轉機。美國政府很早就看到了這一點(diǎn)，目前已在創(chuàng )新發(fā)展方面進(jìn)行很多投資，美國研究機構在此方面也做了大量布局，希望能在這個(gè)重新洗牌期率先找到一個(gè)新原理來(lái)工作。

　　《21世紀》：瓶頸由何而生?

　　張 首晟：這一根本性瓶頸是：如果我們仍按原來(lái)的原理工作，電腦每做一次運算，芯片每個(gè)三極管都要發(fā)出一定熱量，而每過(guò)18個(gè)月三極管上面就要Double一 次，這是一個(gè)指數增長(cháng)的概念。指數增長(cháng)很可怕，雖然一個(gè)三極管本身散發(fā)熱量不多，但上面放那么多三極管，而芯片大小始終沒(méi)有太多改變。

　　事實(shí)上，有關(guān)如何降低功耗的問(wèn)題現在已迫在眉睫，再發(fā)展下去，芯片將無(wú)法正常工作。為此，工程師已想盡幾乎一切解決辦法，但這是一個(gè)根本性的問(wèn)題，每做一次運算，必然就會(huì )出現這樣的結果。

　　所以現在工業(yè)界的挑戰或者說(shuō)科研界的機會(huì )就在于，是否能找到一個(gè)比較有革新性的構想，使工業(yè)界用一個(gè)全新原理工作，讓三極管根本不會(huì )散出那么多熱量。

　　《21世紀》：目前美國是否已經(jīng)找到根本性的解決方案，可能的方向是在哪里?

　　張首晟：如果要真正從根本上解決這一問(wèn)題，選擇肯定不會(huì )太多，因為能想到的基本都已經(jīng)想過(guò)了，而我們說(shuō)電子工業(yè)最終還必須建立在電子上。通常來(lái)說(shuō)，我們是通過(guò)電子所在的電流來(lái)做集成電路，而基于我們以往所發(fā)現和知道的電子特性，小革新仍會(huì )有，但重大的革命機會(huì )已不會(huì )太多。

　　《21世紀》：在這種情況下，如何讓電子工業(yè)最終仍建立在電子上?

　　張首晟：必須注意電子仍是電子，它就是這些性質(zhì)，不可能去空想出一個(gè)新性質(zhì)。我們現在所使用的一個(gè)新思想是：電子除具有帶電這一基本特性外，它還有另一性質(zhì)，即它在一邊運動(dòng)時(shí)，同時(shí)還在做自轉。這就如地球繞著(zhù)太陽(yáng)轉，但地球本身也在自轉。

　　自轉是電子本身所固有的另一性質(zhì)，而這一固定性質(zhì)可以用來(lái)作為研究的原理和新方向。這可能也是目前大家最熱、最集中投資的一個(gè)方向，即通過(guò)電子自旋來(lái)做邏輯運算。

　　“電子自轉”會(huì )顛覆什么?

　　《21世紀》：“電子自旋”怎么做邏輯運算，這一原理的運作方式是怎樣的?

　　張 首晟：在運動(dòng)過(guò)程中，電流本身是比較有規律的，即從左邊到右邊，但在半導體中，電子的運動(dòng)基本為無(wú)序。比如說(shuō)，假設我們面前的這個(gè)桌子是一個(gè)芯片，那么當 電流要從桌子這一頭傳到另一頭時(shí)，就如同我們要走過(guò)一個(gè)非常雜亂無(wú)章的迪斯科舞廳──你(電子)總是會(huì )不斷碰撞到別人，由此，你(電子)本身具備的能量也 在這一過(guò)程中被消耗。

　　所以我們一直在思考，大自然是否可能存在一種比較漂亮的跳舞方式讓電子在里面運動(dòng)，即電子是否能有一種更有序的運動(dòng)形式。如果能找到，就意味我們能更好地控制熱量或根本不會(huì )有熱量散出來(lái)，因為電子不需經(jīng)常碰來(lái)碰去就不會(huì )有很多熱量消耗。

　　《21世紀》：你從2003年開(kāi)始就在做這方面的研究，你們發(fā)現了什么?

　　張首晟：到2006年有一個(gè)重大突破，即找到了電子的一個(gè)運動(dòng)循環(huán)規律。我們發(fā)現，電子自轉方向與電流方向實(shí)際上有一定規律。這樣的話(huà)，相當于運動(dòng)時(shí)大家有一定默契，電子在運動(dòng)中就不會(huì )互相亂碰撞。

　　這一規律已在實(shí)驗上被證實(shí)。接下來(lái)的一步是希望能向工業(yè)化，但整個(gè)東西要投入工業(yè)大概差不多還需要五年時(shí)間，所以這是一個(gè)非常緊迫的歷史機遇。

　　另外一點(diǎn)，規律雖然已被找到，但目前仍須在特殊條件下才能實(shí)現：首先它的材料不是硅，是另外一種材料，我們所找到的還比較特殊，兩個(gè)基本元素Hg(貢)和Te(碲)，它們在自然界也有，但要做得比較好的話(huà)需人工合成;而另一個(gè)條件就是，溫度相對來(lái)說(shuō)還較低。

　　《21世紀》：對于產(chǎn)業(yè)界而言，這是一種怎樣的機遇?美國工業(yè)界，比如一些大公司是否已經(jīng)行動(dòng)起來(lái)?

　　張首晟：這是一個(gè)全球重新洗牌機會(huì )，或者說(shuō)是在白紙上面畫(huà)最新的圖案。這一機遇的重要性可能相當于當年集成電路的發(fā)明。人類(lèi)芯片史上有以下幾個(gè)革命：真空管、晶體管和集成電路，但其實(shí)從集成電路到現在，一直都沒(méi)有一個(gè)大的變化。

　　目前，美國產(chǎn)業(yè)界基本上還是在原來(lái)模式下做更多進(jìn)步，但針對這一重新洗牌機會(huì )，也已聯(lián)合起來(lái)共同給大學(xué)和科研機構資金。這是美國慣常的一個(gè)做法，即由政府和工業(yè)界聯(lián)合起來(lái)支持大學(xué)研究機構。

　　我認為中國半導體工業(yè)也一定要有這樣的超前意識，不能整天打價(jià)格戰，說(shuō)我們這里便宜你們就過(guò)來(lái)?，F在看來(lái)，這并不是一個(gè)很成功的模式。

　　中國機會(huì )

　　《21世紀》：但目前全球芯片產(chǎn)業(yè)格局已基本成型，中國還能在這一新方向上有所作為嗎?

　　張 首晟：我們今天談的更多是非常前端的創(chuàng )新，在這方面雖然中國一直非常注重，但總的來(lái)說(shuō)并不成功。我希望強調的是，這一重新洗牌的機會(huì )也是中國芯片業(yè)唯一一 個(gè)可以超前的機會(huì )。而往往洗牌的機會(huì )都是在規則改變時(shí)，如果大家都在循規蹈矩，那將永遠也超越不了。比如說(shuō)臺灣地區，其在上世紀60-70年代抓住了芯片 的設計與代工相脫節的機遇，賺了很多錢(qián)。中國大陸這么多年來(lái)，基本上是在用政府的良好政策和較低的人工成本來(lái)拷貝這一模式。

　　但我更愿意認為，中國也能在這一最新機遇中找到比較新的機會(huì )。除在斯坦福工作，我也經(jīng)常訪(fǎng)問(wèn)中國的大學(xué)，聯(lián)系和合作比較緊密的是清華大學(xué)及中科院物理所。我發(fā)現他們在這方面跟得很緊，做的實(shí)驗也很漂亮。

　　中國科研人員很聰明，人數也很多。我還發(fā)現一個(gè)特點(diǎn)，即只要知道了一個(gè)努力的基本方向，中國會(huì )跟得很快。就電子自旋學(xué)來(lái)說(shuō)，中國科研界在尋找更容易生產(chǎn)的材料以及把工作的溫度提得更高兩個(gè)方面，已經(jīng)做了很多。

　　《21世紀》：中國芯片企業(yè)在這方面應該怎樣布局?

　　張首晟：我想首先要做的事情是：把產(chǎn)業(yè)和科研較緊密聯(lián)系起來(lái)。在這方面，美國一直做得比較好。比如說(shuō)上述的研究項目，英特爾在其中有很多投資。

　　但這一投資不單是給一些錢(qián)，其實(shí)這些錢(qián)政府也完全可以單獨給，但一旦英特爾投了一點(diǎn)、政府再跟進(jìn)的話(huà)，英特爾就已通過(guò)此舉作了一定選擇。這樣一來(lái)，科研機構要做下一步發(fā)展，比如我們在做很多方案時(shí)，英特爾作為股東就會(huì )在此時(shí)提出非常關(guān)鍵性的“反饋”。

　　《21世紀》：作為科研機構，你們怎么在不同的芯片公司之間進(jìn)行選擇?

　　張首晟：英特爾、AMD和IBM等六大公司雖然有競爭關(guān)系，但他們的競爭主要是在如何把產(chǎn)品做得更好。他們唯一不想的是：競爭對手有了之后把我摒棄在外。

　　我們所做的是知識產(chǎn)權方面的戰略，這個(gè)知識產(chǎn)權在六個(gè)公司之內共享，然后大家可以就誰(shuí)能把這個(gè)東西做得更好展開(kāi)競爭。這六個(gè)公司中，不具備排他性，但中國不在里面。

　　《21世紀》：如果現在中國的芯片公司想做第“七”個(gè)，是否可以?

　　張首晟：這是一個(gè)很好的idea。但這樣的合作在歷史上沒(méi)有過(guò)，這不是因為有什么限制，主要還是公司自身做得不夠好。

　　還有一層原因是，如果公司整天都忙于打價(jià)格戰，自然也不可能有遠見(jiàn)來(lái)考慮如何讓自己翻身。

　　這 種合作模式對企業(yè)而言還有另外一個(gè)好處。我們現在在斯坦福做的可能還是一個(gè)比較實(shí)驗性的工作，但我們的學(xué)生畢業(yè)后大部分會(huì )去公司，因為他們平時(shí)做研究時(shí)就 與公司保持緊密聯(lián)系，這樣一旦做成，最后的開(kāi)花結果可能還是在公司里面。中國在產(chǎn)學(xué)研相結合的問(wèn)題上一定要邁出這一步。

　　《21世紀》：政府可以在其中起到什么樣的作用?

　　張首晟：中國政府現在很有錢(qián)，完全可以來(lái)做這方面的研究和投資，但我認為最好的方式還是要比較有意識地與工業(yè)界聯(lián)系起來(lái)，使后者也成為一個(gè)股東，不用承擔太大風(fēng)險。

　　我們現在已經(jīng)有一些知識產(chǎn)權，但一個(gè)東西要做成一個(gè)行業(yè)需要成百上千個(gè)專(zhuān)利，中國仍有機會(huì )介入。但你如果不做的話(huà)，讓美國又把整個(gè)領(lǐng)域占領(lǐng)，到時(shí)候中國將又碰到同樣的問(wèn)題——跟在后面、花很多錢(qián)去買(mǎi)專(zhuān)利。