高端芯片制造难,究竟难在哪里

处理器芯片被称为芯片产业皇冠上的明珠，设计复杂度极高，难度也很大。在很多领域，国产芯片的占有率不到5%，需要有更多的力量发展国产芯片。芯片怎么开发？开源将带来哪些价值？如何培养关于芯片的人才？

出品：格致论道讲坛

以下内容为中国科学院计算技术研究所研究员包云岗演讲实录：

大家好，我是包云岗，来自中国科学院计算技术研究所，今天来讨论大家都很关心的芯片问题。我的题目是《开源，让天下没有难做的芯片》。所以什么是开源呢？在这里我先卖个关子，待会儿再一起探讨。

芯片是怎么来的？

我们首先来看一看什么是芯片。我想可能很多人都见过下面这些芯片，比如左边的中央处理器CPU芯片，还有最近很热的人工智能深度学习处理器NPU芯片，以及图形加速处理器GPU芯片。

CPU（左）、NPU（中）和GPU（右）

但是，大家有没有见过下图中的芯片？其实这就是我们把刚才的芯片打开，放大几百倍以后所看到的模样。

Motorola处理器

如果仔细去看，你会不会觉得每一颗芯片就像一座小小的城市，里面有楼房、马路和工厂？实际上，今天的芯片设计和城市规划是非常像的。

在芯片领域里其实有很多种芯片，可以分成几十个大类，每一类里又会分为成百上千种小类。

各类芯片，其中右下角为处理器芯片

国际上有个公司叫德州仪器（TI），这一家公司就生产八万多种芯片，所以芯片的种类是非常多的。

处理器芯片

在这么多种芯片里，有一类叫做处理器芯片，它被称为芯片产业皇冠上的明珠。因为这类芯片的设计复杂度非常高，难度也很大。在大家使用的手机和电脑里，处理器芯片都是不可或缺的。但很遗憾的是，我们现在还需要大量地进口这类芯片，它的进口额占我国芯片进口总额的比例高达49%。

世界上第一台电子计算机ENIAC（年）

处理器芯片最早可以回溯到世界上第一台电子计算机ENIAC。它发明于年，重达30吨，占地面积约平方米。这个机器是怎么工作的呢？

电子管

这些灯泡其实就是扮演开关的作用，灯泡亮的时候表示开，灯泡灭的时候表示关。这就等于二进制，用开来表示1，用关来表示0。

莱布尼茨的论文

二进制的发明又要回溯到年前。5年，德国的数学家莱布尼茨发现，只用0和1也能够做加减乘除。7和6用十进制数可以加出13，而用0和1也能够加出13。所以，只用0和1就能够做各种各样的运算，这也是今天的计算机计算的基础。

然而，用灯泡来做开关的计算机显然还是太大了，有没有办法能够让它小一点？在ENIAC发明以后，很多科学家都在想怎么能够做出更小的开关？

在ENIAC发明后的第二年，即年，有三位科学家，分别是巴丁、布拉顿和肖克利，他们发现可以用一种半导体材料做出开关，叫做晶体管。

晶体管：开关元器件

在不同的条件下，半导体可以是导电或者不导电两种状态，所以它能非常完美地起到开关的作用。这样的晶体管就可以被用来做电路。

集成电路：将电路集成在半导体底板

在年，又有一位科学家基尔比，他把当作开关的晶体管和其他一些元器件例如电阻、电容，做到了一块板子上。这块板子下面就是一个半导体，也就是不需要像原来一样用电线把各种元器件连起来，而是用板子就可以连接。这块集成了各种各样的元器件的板子就被称为集成电路。于是整个电路变得更加小巧了。

芯片：将电路微缩集成到硅片

再往后晶体管越来越小，集成度越来越高，今天甚至可以在一个指甲盖大小的芯片上集成上亿个晶体管，这就被称为是芯片。所以，当说到芯片的时候，大家可以把它理解成一种超大规模的集成电路。

我们国家对于芯片进口是很依赖的，过去几年里，芯片一直是第一大进口产品。在年，我国进口了多亿个集成电路，进口额高达亿美元，远远超过了第二位石油的进口额0多亿美元，以及第三位铁矿石的进口额（亿美元）。所以，国产芯片的发展依然任重道远。

芯片自给率低于5%

在很多领域里，国产芯片的占有率还不到5%。所以，我们需要有更多的力量参与到国产芯片的发展中。

处理器芯片是怎么开发的？

前面讲了芯片的基本概念。那芯片、尤其是最复杂的处理器芯片到底是怎么开发的？

首先我们需要一个指令集，指令集就是一种规范、一种标准。像右图中的螺钉和螺母，它们的直径就是一种规范、一种标准。大家约定好5个毫米的直径，不同厂商生产的螺钉和螺母就能够拧到一起。

其实指令集也是一样，它是软件和硬件之间的标准和规范。不同的软件厂商和不同的硬件厂商只要遵循同一个指令集，软件和硬件就能够在一起工作。

每一个指令集里会有上千条标准和规范，当我们把这样的标准规范放到一起就变成一本手册。大家可以想象一下，一个标准有点像一个单词，那么几千个单词放到一起就像一本词典。大家掌握这本词典之后，就可以写芯片的“小说”了。

芯片制造可以分为三个阶段。第一个阶段是设计，第二个阶段是制造，第三个阶段是封装和测试。

设计：指令集手册→芯片版图

我们先看看第一个阶段——设计，设计就是从指令集出发做成一个版图。中间要分成几个环节：我们需要做架构的设计，需要找工程师写很多代码来做开发，然后还要找一些工具——EDA工具，这是一种自动化的设计工具，来把代码变成版图。版图其实就是上亿个晶体管怎么摆放。

这有点像是写小说，指令集手册就是一本字典，拿到这本字典以后，我们可以创作，有自己的想象空间。其实在芯片设计里，也赋予了我们很大的想象空间。

制造与封装测试：芯片版图→芯片

当小说写好以后，它会变成一个电子文件，我们就可以去制造了。这就像小说写好以后去出版，找到一个出版商把小说印出来。所以，制造和封装测试就相当于小说的印刷，以及最后把印出来的文稿装订成一本书。只不过芯片的打印要比小说更复杂，因为它要把设计印到硅片上去。

芯片新趋势——开源

最近这几年出现了一些新的趋势，整个芯片的设计过程开始采用开源的方式。为什么会采用开源？开源到底会带来什么样的价值呢？

开源是一种新思路，它把设计的所有原代码和文档都向全世界公开。可能有的人会想：“为什么要这么做呢？”

其实，开源对于产业的发展有很大的意义。如果回看过去15年云计算、移动互联网、大数据、人工智能、区块链等新兴产业，它们的核心技术很多都是基于开源的。举一个例子，我们每一个人都经常会用手机APP（应用软件），而今天的APP几乎都是基于开源软件发展起来的。开源使得APP的开发门槛大大降低，三五个工程人员用几个月时间就可以快速地开发出一个APP。这也使得我们国家APP的数量特别多，从工信部统计的数据可以得知，年我国就有多万个APP，让我国的互联网产业在全世界处于领先的行列。

有人可能还会问：“开源把所有的秘密都公开了，那我还能不能活？企业还感不感兴趣？”我们从下图中可以看到，开源会让软件更加富有生命力。

从30年Linux的发展历程看开源生命力

这是一个叫做Linux的操作系统，它在年开源，到今年正好30年。我们可以看到，在它诞生的时候还有很多其他的操作系统。这些操作系统和Linux最大的区别在于，其他的操作系统都由公司所有，而Linux操作系统是开放给全世界的，大家可以一起去维护它。30年后，所有其他公司的操作系统都逐渐淡去，唯有Linux这个开源的操作系统直到今天依然具有蓬勃的生命力。

92%的软件使用开源库

通过一些统计我们也可以发现，在今天的软件中，超过92%的都在使用开源，包括开源的一些组件和开源的库。

Linux基金会发布中英文版的《了解开源科技和美国出口管制》白皮书

从另外一个角度来看，开源是能够超越国界的。当我们把所有的源代码和文档开源以后，就不会受到政治或者 的影响。年7月8日，Linux基金会发布了一份中英文版的《了解开源科技和美国出口管制》的白皮书，声明开源技术不受出口管制。这也使得我们能够基于开源技术，去构建一个技术领域里的人类命运共同体。

那么，芯片的开源为什么会受到这么多人的

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