科技前沿·芯片技术

芯片技术带给你的影响远远不止手机、电脑等、如果没了芯片，就切断了我们跟数字世界的一切连接；摆脱对产业的情绪和争论，从科学和前沿的视角全面理解芯片技术的内涵，一次性搞懂芯片。

• • 一.发刊词丨芯片技术正在加速
• • 连接物质世界和数字世界的基石
    • 物质世界与数字世界的连接
    • 物质世界与数字世界的互动
    • 物质世界与数字世界的协同演化
  • 芯片技术特征
    • 重要性
      • 影响各个行业和领域
      • 提供竞争优势
      • 改造世界的能力
    • 难点
      • 技术复杂性
      • 高度专业化
      • 大规模生产的挑战
    • 芯片技术的发展与未来
      • 芯片技术的快速发展
      • 重要性延续100年
      • 前沿技术值得关注
  • 芯片产业的战略重要性
    • 芯片是信息化时代的盾牌
    • 芯片连接英雄与宝剑的组合
    • 芯片重构社会和改变世界
  • 芯片产业的关键角色
    • 华为在战场上的重要性
    • 华为作为芯片产业的一部分
    • 华为成功启发对芯片产业的思考
  • 走向未来的变革
    • 芯片技术推动新世界的建设
    • 面临美国对华为的打压
    • 芯片产业难以阻挡的历史潮流
  • 学习芯片技术的意义与目的
    • 适应现代社会的数字化要求
    • 获得竞争优势
    • 与工作领域结合
    • 理解和把握未来变革的机遇
• • 二.本质丨芯片到底是什么？
• • 芯片的本质是半导体和集成电路
    • 小薄片上排布了晶体管
    • 需要封装保护
    • 引线连接芯片电路和外界电路
  • 半导体使得“用电控制电”成为可能
    • 半导体可以在导体和绝缘体之间切换
    • 实现用电直接控制电的能力
  • 芯片是物质世界与数字世界的接口
    • 芯片将物理量转化为数字信号
    • 实现信息在两个世界之间的流动
  • 芯片构建了数字世界的基础
    • 复杂功能通过晶体管构成的开关系统实现
    • 数字世界的运算可以还原为0和1的逻辑
  • 集成电路实现了功能的集成和微小化
    • 在半导体表面刻画线路
    • 器件数量越多，功能越复杂
  • 芯片的接口功能越来越强大
    • 可映射物质世界中各种物理量到数字世界
    • 物质世界与数字世界的连接的关键
  • 芯片决定了信息技术的水平
    • 数字世界的基石
    • 芯片技术决定了与数字世界的连接
  • 芯片的掌握与数字世界的控制密切相关
    • 控制芯片即控制与数字世界的一切连接
    • 芯片是进入数字世界的关键工具
• • 三.优势丨人类为什么最终选择芯片?
• • 数字化信息的完美载体
    • 二进制的简单方式实现数字化
    • 半导体集成电路实现高速计算
    • 提供最好的数字化处理方案
  • 重要特征
    • 芯片具有高度可靠性
      • 比真空管等旧技术更可靠
      • 可靠性要求极高，万分之一的错误率也会带来损失
      • 科学原理和制造工艺保证可靠性
    • 芯片能够持续高速进化
      • 18个月内性能翻倍
      • 持续追求指数级进化
      • 超过其他技术进化速度
  • 技术和需求正反馈
    • 技术满足需求，刺激新需求产生
    • 芯片技术与人类需求形成正反馈循环
    • 不断刺激芯片技术的发展
  • 完美结合现实生活
    • 芯片广泛应用于各领域
    • 芯片驱动智能化和自动化
    • 实现信息处理的问题得以解决
  • 可以与其他技术结合
    • 芯片与其他技术进行组合创新
    • 实现物联网和智能设备发展
    • 增加人类生活的便利性和效率
  • 极高的制造要求
    • 制造过程复杂，需要高精度工艺
    • 材料和设备要求极高的纯度和稳定性
    • 制造过程中的质量控制与纠正手段
  • 芯片技术带来新应用场景
    • 适应不断变化的需求
    • 刺激新的应用场景产生
    • 更高级&强大的计算和信息处理能力
• • 四.极限丨芯片的理论极限在哪里?
• • 理论极限沟道长度：0.2纳米
    • 沟道长度决定电子通过速度和信息传递
    • 硅半导体材料的沟道不可能比0.2纳米更短
  • 热力学极限芯片工作温度影响
    • 芯片工作温度引起的噪声
    • 热量聚集导致芯片工作温度上升
  • 量子力学极限量子隧穿带来的不确定性
    • 沟道越短，电子隧穿的可能性越大
    • 量子效应影响晶体管的开关能力
  • 沟道尺寸限制硅晶体管的理论极限
    • 单个晶体管器件的极限
    • 硅晶体管的极限尺寸：1纳米左右
  • 功耗问题制约芯片整体性能因素
    • 高功耗导致热量积聚
    • 散热系统对维持芯片正常工作至关重要
  • 集成密度限制影响
    • 集成数量和规模对芯片性能有影响
    • 集成越多，性能可能受限制
  • 时钟频率限制影响
    • 时钟频率越高，性能越好
    • 时钟频率受制于电源和热散发
  • 电源电压限制影响
    • 电源电压过高容易导致芯片故障
    • 电源电压需要维持在适当范围内
  • 布线层数限制影响
    • 芯片布局和信号传输
    • 更多层数会增加制造成本和功耗
  • 发展趋势技术改进和工程突破
    • 技术改进和工程突破推动技术的发展
    • 未来仍有可能实现更先进的工艺
• • 五|发展：为什么芯片还能繁荣100年?
• • 芯片技术仍将继续繁荣100年
    • 芯片行业顶级专家的观点
    • 学术界和产业界一致认同
  • 芯片技术本身还能高速发展
    • 摩尔定律的延续
    • 创新的技术路径
    • 三维芯片和集成多个功能模块
  • 芯片仍然是未来人类操控信息的主要方式
    • 芯片是物质世界和数字世界的接口
    • 芯片在各行各业的应用
    • 新技术与芯片结合
  • 未来多需求需要芯片支持
    • 农业领域的精细化耕作
    • 虚拟现实应用的扩展
    • 多领域的感知
    • 处理和传输能力需求
  • 芯片行业需要不断提升芯片性能
    • 硬件和软件协同发展
    • 新技术的融合
    • 持续优化芯片的功能和性能
  • 新技术可能不会彻底取代芯片
    • 技术优势必须达到量级提高
    • 芯片产业的投资和建设成本巨大
  • 未来技术仍会与芯片结合发展
    • 继续探索新的计算体系
    • 借助芯片形式和优势实现提升
  • 芯片行业有持久繁荣的信心
    • 技术的不断进化
    • 作为主要工具的广泛应用
• • 六丨挑战：为什么芯片有“卡脖子”的问题?
• • 最高端芯片面临卡脖子问题
    • 美国禁令限制台积电供应给华为
    • 自主生产目前不可能
  • 中低端芯片具备生产能力
    • 国防级芯片可自主生产
    • 一些中低端应用不受限制
  • 芯片科学原理难度大
    • 需解决半导体材料特性、器件模拟等难题
    • 进阶技术对算法和性能的要求更高
  • 芯片生产工艺复杂困难
    • 芯片制造包括设计、加工和封测
    • 设计阶段依赖于EDA软件
      • 关键难点
        • 高级芯片设计依赖专业软件
        • 需要针对生产线参数进行算法优化
      • EDA和光刻机是瓶颈
        • EDA软件和光刻机生产困难
        • 供应链掌握在少数企业的手中
    • 光刻机：制程工艺关键
      • 光刻版制作和加工涉及光刻机
      • 光刻机要求波长短、功率高
  • 芯片产业全球化
    • 芯片生产涉及多方合作和竞争
    • 技术和设备供应受限制
  • 美国制裁影响华为芯片供应
    • 美国掌握关键技术和供应链
    • 限制对华为芯片的供应
  • 中国加强自主芯片研发
    • 意识到芯片产业重要性
    • 加大研发投资和技术积累
• • 七丨竞争：美国在芯片产业更有话语权的理由
• • 芯片产业：会员制俱乐部
    • 三种角色进不去
    • 核心玩家掌握全球市场份额
    • 中国：会员之一
  • 美国拥有话语权的原因
    • 先进的技术优势
      • 技术里程碑事件在美国诞生
      • 美国掌握核心专利技术
      • 垄断EDA软件市场
    • 国家影响力
      • 技术遍及信息产业的每个角落
      • 强大的全球影响力
      • 使用国家力量维持科技霸权
  • 美国限制华为原因
    • 威胁到信息产业霸主地位
    • 技术限制和非技术手段结合使用
    • 任何威胁美国的国家
      • 目前中国威胁大
  • 日本对韩国的限制
    • 日本加强出口管制
    • 影响韩国芯片产业
    • 韩国寻找替代品化解限制
  • 技术优势和国家影响力共同作用
    • 技术优势奠定了话语权基础
    • 国家影响力加强限制措施的效果
  • 先发优势与技术门槛
    • 先发优势使后来者突破更加困难
    • 技术门槛限制新设计的发展
• • 八丨机遇：我们如何突破封锁?
• • 创新是突围的关键
    • 技术上的创新（ARM的成功案例）
    • 商业模式上的创新（代工生产的引入）
  • 平衡战略性和市场性
    • 摩托罗拉和惠普的失误教训
    • 重视市场需求和战略规划的平衡
  • 人才是创新的核心
    • 缺乏芯片产业人才的挑战
    • 培养各个层次的技术人才和领军人才
  • 产业政策变化
    • 购买芯片战略在信息时代的成功
    • 国家基金和免税政策的支持
  • 技术路径的多样性
    • ARM的基于RISC的创新路径
    • ASML和台积电在技术上的创新
    • 全球合作的重要性
  • 利用合作公司的技术和生态优势
    • 合作推动技术进步和突破
    • 想要突围，需坚持长期发展
    • 投资长期技术研发和创新
  • 保持产业的可持续发展
    • 不断适应变化的产业格局
    • 意识到芯片产业的变化和特点
    • 根据时代需求调整产业政策和战略规划
• • 九I 集成：摩尔定律如何延续？
• • 芯片性能提升的两条技术路径
    • 自下而上改进器件性能
    • 自上而下优化系统架构
  • 热门技术方向
    • 环绕栅晶体管 (GAAFET)
      • 器件结构强化栅极对沟道的控制力
      • 持续缩小晶体管，提高性能
      • 3纳米及以下技术节点的必经之路
    • 片上系统 (SoC)
      • 集成多种功能模块
      • 提高表现
        • 集成度
        • 信号传输速度
        • 功耗
      • 超高级别的工艺和复杂设计要求
    • 系统级封装 (SiP)
      • 不同功能模块集成到多颗子芯片上
      • 折衷不同功能模块的工艺要求
      • 减小加工难度
      • 提高生产效率
    • SoC的挑战和SiP的优点
      • SoC
        • 高成本
        • 复杂设计
        • EDA软件难题
      • SiP
        • 各子芯片可用不同工艺
        • 成本可控
        • 稳定
      • 差异及适用环境
        • SoC
          • 最高性能
          • 高成本
          • 适用于高级电子设备
        • SiP
          • 加工难度低
          • 灵活性高
          • 适用于各类设备
    • SoC和SiP的封装方案
      • SoC
        • 单一芯片
        • 复杂性能
        • 成本高
      • SiP
        • 多颗子芯片
        • 灵活性能
        • 成本较低
  • 发展芯片性能的目标
    • 不断提高器件性能
    • 拓展整体系统集成思想
  • 器件的发展极限
    • FinFET达到极限
    • 下一代选择:环绕栅晶体管
      • 可保证3纳米节点器件性能可靠
  • EDA软件问题
    • 面对系统集成需考虑多维度参数
    • EDA软件需适应多方面仿真要求
• • 十丨专用：为什么AI芯片是当今热点?
• • 专用芯片的兴起
    • 专用芯片的重要性和竞争点
    • 通用芯片的局限性
    • GPU作为最早的专用芯片
    • 人工智能的发展推动了专用芯片的兴起
  • 人工智能的要素特征
    • 大数据、算法和算力的重要性
    • 大数据量和复杂算法的需求
    • 通用芯片的不适应性
    • 人工智能算法的特点
  • AI芯片的发展动力
    • 人工智能应用的爆发增长
    • 大数据、算法和算力的集合
    • 芯片技术的发展
      • GPU特征
        • GPU在图像处理中的应用
        • 并行计算能力的优势
        • GPU在人工智能领域的应用
        • GPU的发展推动了AI芯片的发展
      • FPGA的灵活性
        • FPGA的可编程性
        • 根据需求修改芯片连接形式
        • FPGA的编程烧录过程
        • FPGA在人工智能中的作用与优势
      • ASIC定制芯片
        • 定制化芯片的特点
        • 高效和低能耗的优势
        • 丧失通用性的劣势
        • 著名的定制AI芯片： Google TP
  • 通用AI芯片的趋势
    • 高效
    • 低功耗
    • 通用性
    • 未来发展的前景和重要性
  • 特定问题的解决
    • 针对重要问题的专用芯片需求
    • 专用芯片针对特定问题的优化
    • 人工智能的高强度计算需求
    • 专用芯片能够提供高效的解决方案
• • 前沿丨未来哪些技术值得关注?
• • 新原理器件
    • 低维材料
      • 碳纳米管
      • 石墨烯
    • 优势
      • 传输速度快
      • 信息处理时间短
      • 功耗低
    • 挑战
      • 工艺难度大
      • 缺乏均匀性和可靠性
  • 可重构芯片
    • 动态调整电路结构
    • 定制化硬件性能
    • 解决问题的最优架构
    • 经济性和高性能的平衡
  • 经典芯片和量子计算混合
    • 协同工作、互为补充
    • 大规模优化问题的解决
    • 经典计算与量子计算的结合
    • 进一步提高信息产业
  • 类脑芯片
    • 存算一体的新计算模式
    • 仿照大脑的运算方式
    • 阻变存储器的应用
    • 实现高性能低功耗的智能计算
• 科技前沿·芯片技术