To see a World in a Grain of Sand
And a Heaven in a Wild Flower
Hold Infinity in the palm of your hand
And Eternity in an hour
劉雷波教授是我們的帶班教授，也是我的導師。對我來說，劉老師的課特別親切。他給我們準備了170頁的ppt，對我們真的是傾囊相授。為照顧到同學們不同專業背景的差異，他從最基本的概念講起，幾個小時裡細細講述整個集成電路產業的重要性、技術水平、發展狀況。他對這項事業充滿感情，講起我國目前集成電路產業在全球所處的位置、面臨的挑戰、今後的任務時，有嘆息有驕傲，實事求是又充滿希望。更是對我們在座的各位充滿期待，囑咐我們任重而道遠，肩負使命，創新領軍，真正為集成電路事業開創一番天地。
一，什麼是集成電路？
目前集成電路晶片量產最先進位程已縮至5nm，真可謂是「一沙一世界」了。
集成電路是把電晶體、電阻、電容、電感、集合在一起，封裝好引線接出來的一個具有特定功能的微型器件。
電晶體原理：水壩、閘門開關；電子管之後，可以用電控制電。
閘門開關時間是非常重要的性能。（MOS管的開關時間）
MOSFET：MetalOxide Semiconductor Field Effect Transistor (Field Effect 就是指電壓控制下的開關特性)
開關區分0 和1；這一原理的應用自1947年以來支撐信息領域的發展。
二戰的大炮射程表推動自動計算的發展（電子計算機），1946年ENIAC第一臺電子計算機面世（電子管為基本單元）
電子管：陰極發射電子到陽極被捕獲
1947年肖克利：電晶體發明，與電子管相比，所有都是優點。
1954年第一臺電晶體計算機TRADIC，為了攻克同流層堡壘。
1958年TI的Jack kilby提出了理論模型。
1959年BobNoyce 製作出了掩膜曝光刻蝕方法，發明了集成電路技術。
矽谷八叛逆（Shockley的八個學生）實際是八個天才。
發現與發明；科學與技術
諾貝爾獎獎勵科學從無到有。
1964年IBM360集成電流計算機,50億美金研發。
1971 Intel4004，第一款晶片，2300個電晶體—> 一個CPU.
1980 IBM PC 5105，第一臺個人電腦。
2016神威太湖之光（56所）超級計算機奪冠。目前最快是日本富士通公司的。
二，如何理解集成電路使電子信息產業的基礎和核心：
信息產業最近二十年平均GDP 65.1萬億，是前面31年的3.6倍。
移動網際網路促進了全球經濟的大發展。
集成電路：近15年GDP 2901億美元，是前面的2.9倍。
集成電路產業和全球GDP的曲線相關性很強。特別是進入本世紀以來。
消失的膠捲：CIS (CMOS image sensor) 電子成像技術，CCD電荷耦合器件，1969年發明。利用了1921年愛因斯坦諾貝爾獎的光電效應。
純粹的微電子技術: 感光，存儲電荷。
鐘錶作為計時工具已被顛覆：CMOS Electronic Wristwatch Motolora, ISSCC，1971.
磁存儲被電存儲替代：RCA 1966，ISSCC。
NEC 1966, 6T SRAM; ISSCC。
許多產品被手機APP替代。
手機：顯示屏，電池，攝像頭，耳機，麥克風，集成電路，無源器件，軟體等集大成者。
NASA， 1969年的計算力，把人送上了月球。我們現在多少倍的計算力，也就是打個遊戲？
人到底在追求什麼?
三，摩爾定律說明了什麼？
摩爾定律：18個月翻一番。
迪納德定律：performance, power, area都在縮小，存儲器和處理器同時shrink。如何實現器件倍增的方法：等比例縮小。
其他產業和微電子的對比，例如汽車行業。
集成電路魔咒：要麼跟隨摩爾定律，要麼死
四，今天的集成電路技術：
延續摩爾定律：MOS –> FINFET -> GAAFET 環繞柵的技術演進。
拓展摩爾定律：Multi chip IC; MCO IC in production. 異質器件系統（大平層轉小高層）
後MOS時代：分子級電晶體。
後MOS時代：二維半導體，厚度6A；MESO 磁電旋轉。
物理極限：1A 、40fsec; 一個原子的直徑。功耗極限 1千瓦/平方釐米。
工藝極限：需要革命性的材料或器件創新。
經濟極限：製造和開發費用急劇上升。
功耗已經成為制約發展的瓶頸，功耗主要由漏電導致。
冷卻方法：150W, 風扇；300w, 水冷；350以上，液氮。
漏電是核心原因之一。（subthreshold voltage）
HITRON取代胃鏡加腸鏡。（LED閃光拍照，CCD傳出圖像，放出到硬碟）
7~45小時排出體外，圖像拼接。（電池爆炸問題，不能卡進去出不來，功耗要能持續）
血管裡：血管鏡。
雷達通過血管壁發射回來，計算介電常數。功耗是最大的問題。在流體裡，電池是個最大的問題。
物聯網，也需要低功耗。
胡正明教授組：鐵電材料做Gate,可以極大的降低漏電。
工藝難度越來越大：
工藝中使用的元素越來越多，mask layer越來越多。
設計複雜度快速提升。利用率在不斷降低。（電晶體不能都在用，很多是關掉的，否則功耗吃不消）
可復用電路的開發。
設計複雜度越來越高。
晶片軟體也越來越複雜。系統級軟體。
I/O INT timer etc, Core,drivers, RTOS, API, applications .
晶片封裝技術走向系統集成
Chiplet integration, 通過bump連接。
通過復用降低成本，提高靈活性：模塊化。
Lakefield:compute/chipset/package substrate
成本持續攀升
28nm是單位電晶體成本的谷底，之後IC成本持續上升。
走向工藝極限，複雜度大幅提升。
多次曝光和多次刻蝕，降低了利用率。
設計費用大幅上升。5nm設計一款晶片的費用高達 4.7億美金。
五，全球集成電路目前的水平：
2019，半導體Revenue4121億美金。
Memory壟斷地位，增長具有起伏性。
通信和computer佔了大頭。汽車電子也非常重要。
六：中國的集成電路產業在全球的位置：
中國電子產品產量佔比都在80%到90%。
集成電路逐步增長，遠遠高於全球的增長率。複合增長率19.2%，在國內L型增長背景下尤其值得關注。
集成電路產業在中國三業分離：設計+製造+封裝
設計：應用產品導向；創新密集；人才密集；知識密集；智慧財產權密集；
製造：規模化製造；設備密集；資金密集；人才密集；專利技術密集；
封裝：規模化生產導向；設備密集；勞動密集；投資密集；品控密集。
全球半導體排名：中國企業沒了。前五名Intel/Samsung/TSMC/Hynix/Micron (有四個是IDM, 有三個做存儲器)
各個環節規模和增速：第一是設計，28%增加。
製造：年複合增長率24%
全球封測業一半的產能在中國.
設計也是全球第二大設計業聚集地。
設計、製造、封測幾乎都集中於長三角地區。
高端：
國產通用CPU, 很大程度可用，目標是從專用領域轉到通用領域。
嵌入式CPU與國外產品同臺競爭：中天微。
3D NAND , DRAM量產（長江存儲，合肥長鑫），技術接近國際水平。
國產FPGA晶片全面進入通信和整機市場：（國微）紫光同創
EDA:華大九天（單點工具），但綜合布局布線和仿真還要進一步提升。
80年代，曾經集所有牛人於一體開發EDA：PANDA。做完之後產業化還是有問題，不穩定等。最後失敗了。
晶片市場全球市佔率穩步提升，仍然有龐大的發展空間。
率先走出新冠給了我們先手機會。
七，中國集成電流面臨的挑戰：
1， 產品結構和需求失配
民用領域：MPU, MCU,FPGA,DSP, application processor, communicationprocessor, embedded mcu, embedded DSP, DRAM, NAND, Display driver 幾乎是零。（國產晶片佔有率）
CIS, NOR, MCU (低端) ，高端都沒有。
進出口貿易逆差2000億美金，超過了石油，鋼鐵，糧食的總和。
處理器、存儲器，模擬晶片進口都在增加。
2， 資源錯配：兩頭在外；
設計在國外生產（主要使用海外資源），國內的foundry接國外的單子（為海外客戶服務）。
封測：為全球客戶服務。
3， 製造能力和設計能力失配
製造產能嚴重不足，滿足50%後，還需要100萬片，目前只有15萬片。
EDA是別人的，流程是別人的。設計主要依靠工藝技術的進步。嚴重依賴具備成熟IP核的資源平臺。
4， 設計業能力需要發展
國產基礎軟體差距巨大。
100萬小時平均故障率；而國產是2000小時。
如何提高可靠性，是一個系統工程。
高端晶片，基礎軟體七國八制
投資欠帳太多（投資喜歡網際網路行業）
2014大基金開始，才慢慢開始上漲。
5， 集成電路投資欠帳
6， 生產線建設，雷聲大，雨點小
生產線新增佔全球42%，而光刻機只有7% （ASML）。到底在幹嘛。
晶片項目爛尾。
尊重產業規律，克服急功近利。12寸：28條；8寸，35條。
7， 代工模式的深刻影響。
學了大量的臺灣模式，沒有規模的IDM。一個遺憾。
中國大陸作為世界上最大產業縱深的國家應具備IDM的全產業鏈能力。
目前：長江存儲、合肥長鑫在走這條路。
8， 人才團隊：嚴重短缺
從業人員40萬人，缺口30萬人。畢業只有兩萬人。流入加流出。
沒有基礎研發，只是引進不夠，不培養不行。
9， 結構性失衡，產教脫節、研發投入嚴重不足，全國一年的研發投入不到intel一家公司的一半。
供需失配。
10，外部環境不斷惡化，美反全球化進程，制裁力度加大。
全球半導體大幅下降。
八，晶片產業發展的艱巨：
1， 非常貴的投資（製造）
2， 以產品為中心重新審視五大板塊的發展策略
3， 戰略指導下的技術，資本雙輪驅動。
4， 準確定位IDM.美國,日本，歐盟，韓國是IDM ；我們應該走哪條路？
5， 人才：得人者興，失人者崩。人才，特別是高端人才，極度稀缺。
6， 標題黨橫行。（吸引眼球，非0即1）
Fact v.s. opinion
九，集成電路產業還能成長多少年？
Products that can replace CPUand semiconductor memory have not come into the world. (胡志明)
5G移動通信
新媒體：全息圖。
物聯網：萬物互聯
工業網際網路只能讓效率提升1%，效益也是巨大的。
超高清晰度電視餘光視場
虛擬實境和增強現實
人工智慧帶來新機遇，關鍵點：
哪些應用需要AI
希望解決什麼問題
什麼是殺手級應用
自動駕駛是信息技術的集大成者，已經不是汽車了，是行走的物聯網。
類腦計算機與智能晶片：類腦計算的快速發展
十，晶片的硬體安全與抗量子攻擊密碼晶片：
現有安全防禦體系的問題：內核不可控導致體系安全風險
晶片安全問題無法單獨通過軟體方法解決。
不能保證晶片安全，其他任何形式的安全都無從談起。
目前尚無有效手段防止木馬或後門的植入
目前尚無有效手段防止硬體前門，硬體漏洞被惡意利用。
技術手段是確保晶片安全的唯一可靠途徑：自主研發不自動意味著安全
同態加密晶片：實現大數據、雲存儲下數據安全與隱私保護的一項密碼技術。
當前：雲服務商對用戶數據完全可見，用戶只能選擇信任雲服務商。
用戶使用同態加密晶片：加密使得雲端無法獲得數據內容，同時全同態加密使得雲端可以對加密數據進行任意計算。雲端只負責計算，對輸入數據、計算結果一無所知。