司马南对话北大教授曹和平：中国的芯片差距到底有多大？

司马南

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光刻机的应用

司马南：说到数字，很多人都知道，美国人从芯片入手来“卡”我们的脖子，现在芯片是我们最大的短板。我们每年进口的芯片比我们进口粮食花的钱还要多。华为能够设计出世界上最先进的芯片，但是美国人“卡脖子”，不让用美国技术，所以台积电生产不行。

　　现在华为呢，由于美国人打压，导致他必须用的高端芯片制作的这种手机，这种终端设备现在被挤出世界前三了。华为只好开辟新的战场，任正非老爷子开誓师大会，讲的热血沸腾啊，要发起新的战役。

　　任正非老爷子这种精神，现在中国科技人员的这种努力，什么时候我们芯片这事能够有突破？我请教曹先生问他中国的芯片什么时候能够安稳生产，曹和平先生人家是专业的。在芯片的事情，我们现在到底是什么样的？前几天我坐飞机碰见一个人，他告诉我光刻胶的问题我们已经解决了。这是不是重大突破？

曹和平：其实芯片有两方面需要做好，一块是材料，一块是设计。设计相当于是芯片的电路，材料是芯片的物理载体，这两个东西都重要。举个例子，你比如绣花的时候，假定说你是一个蜀绣大师，可是我让你在麻袋上绣花，我没你绣的好，但是我是在丝绸上绣花，结果哪个好看？

　　换句话说，那个芯片的材料也是特别重要的，他一般是单晶硅或者多晶硅，这个硅高纯度的底片上，假定说是5个9，那他非常纯，那么你可以想象，如果这个硅是不导电的，或者说它是高纯度能导电的，你想想看，如果你给它掺进去一点点磷，它反方向就不导电，正方向就导电，正方向是导电的。

　　我听说15寸晶圆或者24寸晶圆上，可以放36亿个晶体管。所以材料工也是特别重要的，刚才你问了说，那光刻胶要是突破了的话，我们国家的晶圆有六条生产线，大概在两年前还是三年前，特朗普还没制裁我们的时候，我们有三条生产线到四条生产线是闲置的，那你想想，如果我们光刻胶一突破，我们芯片的材料供应就几乎处在了工业化和规模化生产的这个条件上。

司马南：这个信息很确切，那就是说，我们在芯片的问题上，我们实行量产的话能够达到多大呢？

曹和平：第一，假定你要是10纳米可以调线的话，你大概可以生产20亿个晶体管。你要是5纳米的话，就可以生产40亿个晶体管。那想想看，如果芯片的集成度越高，就是纳米的数量越小，你那个芯片的量就越小，越小的话你就会发现放在手机里面和放在电脑里面是不一样的。第二，芯片的量越小，耗电就越少。

　　你可以想想一个手机里面，假定是200个APP，APP和APP之间信息传播的时候，它是多维方向的，那耗电是非常大的，你摸手机它是非常热的的。假如芯片的量越来越小的话，手机就不烫，而且耗电也小了。换句话说，你如果有了这种高质量的原材料，那就缺把电路刻到这个芯片上的技术了，就是那把刀，现在就卡到这了。那用来刻的刀，其实是光。我们过去认为这个光呢？就是我们可见的这个光，激光或者x光和β光，光的波普有非常长的序列，最长的是红外。比如说我们的这个无线电波就是非常长的红外。然后硬x光够把某些材料给挤开，不会伤害物理材料，只是给挤开了。硬x光大概是0.01到0.1纳米左右。

　　曹和平：人类在一些科学家像牛顿和爱因斯坦出现之前是没有思考过什么是“光”的。爱因斯坦和德布罗意提出的概念叫“波粒二象性”，他们认为光一定是波动的，它既有波动特征，又具有粒子特性。用我们今天的话说，光到底是材料？还是一束波？像无线电波，你用你的手机扫我的二维码，都是用的光的波动特征；像我们现在在这拍照，那个打光灯的光源也是用光的波动特征传过来的。那光材料是什么？像长江里的水，它是动态的，可以行船，可是要是把水想成材料的话，你喝进肚子里，那就是吸日月之精华了。

光也是一样，如果能作为材料来用，来刻芯片，比如硬x光就像一把刀子，晶圆底板上附的薄薄的一层胶，它能给挤开一个口子。硬x光应该是光作为材料特征最厉害的地方，再把它增长300纳米或500纳米以上的话，它的波动特征就更强。像水一样，一滴一滴的是材料性质，大量的流入太平洋是波动特征。

司马南：水滴石穿用的是什么特征？

曹和平：我觉得更像材料，不像波动。其实我们真正能用得上的光的波段是很小的一部分，我们需要最具粒子性的那一部分。21世纪人类的竞争，某种意义上不再是芯片，不再是操作系统，是光的利用。如果既能利用光做材料也能做波动，就是 “质” 和 “能” 都用好，那才是厉害的。我们国家有两到三个地方已经发现了工业级别的光刻胶了，如果修正钻研一下，就没有问题了。

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芯片卡不住中国人

司马南：那现在中国批量生产的最小的芯片是多少纳米？

曹和平：我们现在在生产17纳米这个级别上，最早18个月，最晚24个月，基本上没有问题了。其实现在最先进的手机使用的是7纳米左右的芯片，但很少，绝大多数都在12纳米左右，算是先进的。

司马南：单从手机角度而言，7纳米和17纳米的差别在哪呢？

曹和平：其实我们从厚度来讲是感觉不到的，但是手机的待机时长不一样。真正用起来没多大区别，速度什么的都是一样的，就是待机时间不一样。

司马南：那现在这个芯片越做越小，有没有一个物理极限？比方说现在做了4纳米，还能做到1纳米吗？

曹和平：其实用光刻机这种制作方法差不多5纳米或者7纳米就是极限了，但是用另外一种方法来生产的话，比如我说的用数字方式来生产，而不是用光刻机这种物理方式来生产，那就牛了。

曹和平：举个例子，他们说这次开五中全会谈“双碳政策”的时候，科技人员用花盆演示了一下。一个花盆里有两公斤的土，三年后花长开了长多了，但是土一克没少，那总的重量怎么变重了？花盆里的一片叶子大概有39亿到65亿个碳原子，在水的温度和湿度没有到门槛线之上的时候，这个碳原子是趴在那没有活性的，但是当温度，湿度和光线都齐全的时候，碳原子就站起来了。

　　在长碳链的最边缘处，碳的化合价是正四价，在水平位置碳原子站起来的话，就相当于碳变极性了，那39亿个碳原子一起变极性，有利于进行光合作用。

　　像这个发财树，外面的树皮是输送养料和水分的，里面呢就变成一个个线粒体排列在那。国家领导人说这样不就是让我们现在从“量”的拓展向“质”的提升过程当中，用39亿分子工作的这个级别在工厂里完成地球45亿年才进化的这种碳过程吗？

　　回到我们刚才这个故事里边来。想想看，如果你用39亿个纳米来生产，那光刻机就是个19世纪的小玩意。应该说中国在这个新技术的突破方面，跟美国处在不整齐的战线，有的时候中国在前面，有的时候美国在前面，而数字技术中国人并不熟。

司马南：这个技术什么时候能够出来？

曹和平：国家说2060年前要实现碳中和，还是比较遥远的。然后美国人公布说“我们2050年实现碳中和，我们比中国提前十年”。结果过了一个半月，欧盟也说我们要在2050年实现碳中和。第一次，在科学方面，有人在远景规划里追着我们走了，这在过去是不可能的。芯片不是卡住中国人绝对极限的条件，芯片卡不住中国人。

司马南：我本来向曹先生请教关于芯片的技术问题，曹先生还额外跟我们讲科普，讲“碳达峰”和“碳中和”，还有远景规划。我们说不定在有生之年，甚至是在我这个老头的有生之年，看到中国追平美国及其他国家的技术水平，甚至是引领世界的那一幕。