【2017CIO时代中国行深圳站】何进:从BSIM和FinFET成功看创新转型发展

2017-09-13 10:52:27  来源:CIO时代网

摘要:2017年9月9日,北京大学信息科学技术学院教授何进首先在“2017CIO时代中国行深圳站”活动上发表了题为《从BSIM和FinFET成功看创新转型发展》的主题演讲。
关键词: CIO 创新转型
  2017年9月9日,由中国新一代IT产业推进联盟指导,CIO时代学院与北京大学香港科技大学深圳研修院联合主办,Plug and Play、转型家、广东省首席信息官协会、大华南IT高管共赢圈、中山CIO联盟协办,CIO时代APP承办的“2017CIO时代中国行深圳站”活动在深圳成功举行。北京大学信息科学技术学院教授何进首先在活动上发表了题为《从BSIM和FinFET成功看创新转型发展》的主题演讲。以下为演讲实录:

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北京大学信息科学技术学院教授  何进
 
  各位朋友和老师,早上好!作为第一个演讲嘉宾有些诚恐,我算是一个教授、科学家,实际上应该是一个IT男。今天看到在座的各位CEO、CTO,以及即将要成为CTO、CEO的一些大拿,实在很诚恐。今天的主题是“边缘计算、智能技术与智能应用”,虽然这些词很时髦,但与我研究的芯片、集成电路有关。我讲的两个主题词BSIM和FinFET都是和芯片直接相关的科技内容,我自己也亲身经历了它们发展的历程,最终成为工业界使用,甚至影响我们日常生活的一些科技。所以,我要讲的内容与今天的会议主题多少相关,我亲身经历的BSIM和FinFET成功,再看我们今天的创新科技的转型,也许有一定的启示。
 
  我是北大老师,2005年从美国UCB回国,2001年来到深圳管理北京大学深圳SoC实验室,在北京或深圳的体验完全不同。9月的深圳是创新的时代,我们知道有双创周,深圳双创大赛,今天就借着创新的氛围来讲自己经历的事情,比较有意思。我自己有一个BSIM和FinFET相关的经历,我也希望能为我们国家的创新转型贡献自己的绵薄之力,特别是在美国工作期间获得的经验,在美国产学研方面,在学界和产业界的互动方面来给大家分享我们的经验。

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  上图为2010年经济学家提供的数据,预测到2042年的趋势。尽管现在看起来有些估计是错误的,但实际趋势基本正确的,分析了中美之间的差距和希望。第一个图为中国与美国的GDP比较,第二个图为个人人均GDP比值,深色的是中国,浅色的是美国。可以看出,1980年到2008年中国一直都是很小的份额,可以看到中国和美国的巨大距离。
 
  过去30年改革开放,中国取得了伟大的成就。1980年,我们国家的GDP是以千亿作为单位,只有1.8,而美国已经以万亿作为单位,有2.8,我们仅仅是他们的1/15;而我们的人均是以美元的个数为单位,我们只有300美元,美国个人是1.2万美元,我们仅仅是1/40;到2012年,中国GDP已经是8.2万美元,也是用万亿作为单位,美国是15.7万亿美元,我们达到了它的1/2;但个人收入差别仍非常巨大,中国达到6000美元,而美国是4.8万美元,我们从1/40赶到了1/8。预测到2022年,中国的GDP总值会超过美国,2032年将是美国的2倍,2042年将是美国的4倍。即使这样,到2042年我们的个人收入才达到美国2012年的水平:4.8万美金。估计30年后,中国的GDP有望达到目前的8倍,因此有巨大的发展空间。数字上的比较和增长希望,以及我们的发展空间要从哪里来?我认为是从科技创新来,这里需要我们的创新科技增长。
 
  一、科技创新——推动经济增长的主要引擎
 
  根据所有发达国家的经验可以看出,推动经济持续增长的重要引擎是科技创新,虽然还有投资等因素,但科技创新在美国是很明显的例子:所有信息时代采用的最主要工具和科技,无论是手机还是互联网,以及现在的云计算、近两年刚兴起的人工智能风口,主要源头还是美国。所以说推动经济增长的主要发展引擎是科技创新。美国是明显的例子,60%-80%GDP的增长来自于科技创新,而以美国硅谷为代表的高科技创新中心是其主要的增长点和驱动力。我们知道过去的30年,中国的发展模式是依赖于人口、环境、土地、能源的传统增长模式,我们说前途是美好的,未来有巨大的增长空间,但这种传统的发展模式是难以维系的。因此,我们需要探索新的创新模式,也只有探索到新的创新模式,才能实现我们的创新驱动,实现我们伟大的中国梦。我们要向先进国家学习、向硅谷学习,要建立自己的创新生态链。
 
  本人亲身经历的硅谷和UCB科技发展,特别是与芯片设计和产业密切相关的BSIM和FinFET成功故事或许有启发意义。前沿最尖端的科技研究,如何能很快转化到产业界应用,最终影响我们的日常生活,我想通过自己的亲身经历来分享如何建立我们国家自己的科技创新生态链,如何寻找我们自己转型发展的模式。这是我今天和大家主要分享的背景。
 
  二、芯片——先导性、战略性和基础性产业
 
  随着社会的加速发展,我们都知道了先导性、战略性和基础性的芯片产业。从我的大学时代开始,基本是从一个系才有一台电脑,到现在人手一台笔记本。从我的研究生时代的大哥大到今天的智能手机,所有发展的背后都离不开计算、存储以及通讯,它的基础都是和我们相关的芯片。而芯片的发展历程是变不可能为可能。华为的手机芯片-麒麟950采用的是16纳米的芯片技术,上周发布的麒麟970采用的是10纳米的芯片技术。从STRI图上可以看出芯片发展路径的假设:2018年将达到10纳米,但实际上2017年下半年已实现10纳米的芯片在商业化的产品上得以应用。而这个发展历程其实并不是一帆风顺的,这个过程我们会遇到很多问题,实际上是一些障碍,好像不可克服的问题,包括功耗问题、加工尺寸问题,以及物理成本问题。我们从2006年的45纳米到现在的10纳米,仅仅跨越了30纳米,但这是很多代的IC技术产品,是很不容易的。但技术的进步会把这种可能的红墙一一打破,最终变成白色的,成为可能的产品。这涉及刚才讲的功耗问题、驱动能量问题、加工成本问题,所有这些都是通过芯片技术的进步才能逐步实现。
 
  芯片技术的发展并不是一帆风顺的,发展过程中,从65纳米到10纳米,有新材料的突破,比如high K dielectric,这里面有现在中芯国际正在全力攻克的metalgate,它能使用28纳米技术来加工我们的芯片,它采用的是metal gate,这就是新材料的采用。新工艺的采用,low channel doping,这是新工艺技术的实现。最关键的是新结构,大家看到:我讲的classical,到40纳米以后出现问题,因此我们要使用ultra-thin body(超薄的芯片结构),应该说在20纳米以下又存在问题,所以要用multiple gate。这里面还有45纳米用到应力技术。从65纳米逐步使用,到45纳米大规模使用,是Intel和IBM采用的最关键的技术。刚才讲到我们的手机要求速度越来越快,主要是要求驱动能力提高。因此,技术的进步并不是一帆风顺,需要采用新原理、新材料、新结构、新工艺,最终突破刚才提到的“红墙”,一步步走下去。现在的SRTI图预测到10纳米,大家也知道,现在我们认为的极限是3nm,预计2022年3纳米的芯片就会出现。
 
  芯片非常重要,是国家的战略先导型产业,各个地方政府,像北京、深圳、上海都成立了500亿的专项基金来促进这个产业的发展。手机看不见的小芯片是一个很长的产业链,这里面有一个裸晶片,有12英寸还有8英寸、6英寸,深圳有方正微电子、深爱半导体以及中芯国际,他们分别是8英寸、6英寸及4英寸的wafer加工能力。wafer仅仅是一个硅元,国内80%依靠进口。除此之外还有芯片的加工,像台积电、Intel、三星都有这个芯片的加工能力。最关键的是深圳引以为豪的,深圳的ICDesign这块已经超过北京和上海,成为全国的No.1,这里的IC有design,有IC simulation、IC testing、IC transistor,每一项都会成为巨大的产业。这里面有使用到BSIM和采用FinFET,第一个FinFET与基本的design相关的单元有关,第二个BSIM与晶体管和IC simulation有关。
 
  三、BSIM和FinFET故事

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  BSIM是什么?其实BSIM来自伯克利,就是电子和计算机工程系,里面有一个小组叫Device Group,Device Group应该说教授不是太多,上图中间的四位是主要的教授,但对我们整个世界的IC产业产生巨大的影响。四位著名的教授,第一位是Jeffrey Bokor,第二位是Chenming Hu,第三位是Tsu-Jae King-Liu,第四位是AliNiknejad。其中三位是美国工程院的院士,有两位是华人之光,一位是胡正明教授,一位是Jsu-Jae King-Liu教授,他们直接促成了的BSIM和FinFET的成功。
 
  1.BSIM的故事
 
  BSIM的成功,我刚才讲了转型创新生态链要建立大学、企业、政府和民间社会合作能够成功的主要模式。刚才提到,深圳的IC设计是中国的NO.1,但要使用设计工具,深圳政府每年将近1亿的价格要找国际巨头购买IC设计的EDA工具,但IC的设计工具的核心Core是来自伯克利的。BSIM的全称是Berkeley Short-Channel IGFET Model,是IC设计的工具,其中涉及一些编程IT人员要做的软件工程,还涉及到来自提供资金的人,以及来自产业界的标准化设计,最重要的是产业界与Device Group合作的一些结果。BISM之所以能成为国际的IC工具,被国家上90%以上的芯片设计公司采用,因为它是一个非常好的平台,随工艺的研发,技术及电路的发展而进步,所以她这方面是一个社会型的工程。我在伯克利进行BSIM研发时,我们每个月都要去硅谷一次。甚至像Intel、IBM会来到我们的小组做应用开发的报告。研发动机是来自产业界的需求,而产业界应用的结果会反馈给我们的研究小组,研究小组需要不断改进,这就是美国的创新生态链。美国与EE研究相关的,钱大部分来自产业界,而不是来自政府。在中国,老师绝大部分的钱来自政府,而不是来自产业界。但在美国,有全球26家顶尖的IT公司,包括鼎鼎有名的IBM、TI、Intel以及东芝、索尼这些大公司组成的SRC联盟,他们出钱、出题目,大学的教授能做这些研究项目,做的结果能分享。这是他们的模式,和中国完全不同,中国的教授每天忙着申请政府的钱。今天不同了,像华为海思的研发成本在整个销售占很高的比例,中国的产学研、中国创新环境可以逐渐改变,需要我们的共同努力。
 
  BSIM的第一篇文章发表在1984年的一个IEEE TED期刊上,应该是一个研发内容;1995年成为国际标准;现在成为一个系列,5个产品。能成为一个国际标准,是不停的改进、发展。2000年到2005年我在美国期间,发展了BSIM新一代的BSIM5模型,我们小组与产业界有很多的合作,随着技术从90纳米一直过渡到今天的10纳米,它不停的发展,我们的内容、模型、工具也要不断改进、发展,也希望工业界的应用最后反馈给我们需要哪些方面的改进、哪些方面增加一些新的内容,反映技术的进步、产品的应用要求,最终能让研究的部分也产业界的需求良性互动。BSIM的研发已不仅仅是大学的事情,虽然最原始的研发来自大学,但很多应用的需求是来自产业界,政府也可以给一部分资助,最关键资助的部分是来自产业界和民间社会。如今有很多投资基金直接进入科技研发中,其实在美国硅谷是很平常的事,中国只有到今天这个时代才有可能。比如我们开双创大赛,当场有很多投资机构、投资基金能进入会场谈合作意向,支持你的技术。这是从过去的基础研发到生产研发最后进入市场,甚至到资本的投入,过去是分离的,今天应该结合在一起才能成功。虽然国际巨头都有很多IC芯片设计的工具,但他们的想法主要都是来自伯克利BSIM小组和SPICE工程。
 
  2.FinFET的故事
 
  说到科技创新战略,刚才讲的是16纳米到10纳米的进步,甚至将来的7纳米,都可以采用的基本结构是FinFET,这更是大学、公司、政府、民间相互合力的创造。

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  去年5月12日,奥巴马亲自给胡正明教授颁发最高科技奖,原因是胡正明教授带着他的小组发明了FinFET,2015年FinFET in all top Cell Phones and Computers上都用到了,正在影响到我们的日常生活。高性能的苹果、三星和华为的手机都采用FinFET的结构,才有今天的性能。因为FinFET的成功,华为海思与胡正明教授的合作,胡教授他被称为“麒麟之父”。华为的手机在2015年以前,应该说和联想、中兴的手机是同一层级。上周的报告说华为的手机销量首次超越苹果,成为全球No.2,主要得益于其芯片的成功。
 
  FinFET的发明人就是胡正明教授,它最基本的结构是把芯片从二维变成三维,从平面变成立体。从物理上来讲,能够用于25纳米以后,一直到7纳米都可以采用这种基本的FinFET结构,进一步提高手机的速度,提高电脑的功能,降低它的功耗。
 
  FinFET最先是1996年美国DAPAR项目支持的一个预研项目,仅仅20多万美元。1998年UCB DEVICE GROUP已经制出45纳米的芯片,所以1999年在旧金山IEDM会议上发表了这样一篇文章。2002年有AMD,过去也是做研发或生产CPU的,宣布10纳米的FinFET可以用于工业标准的technology。到2004年台积电宣称5纳米的FinFET实验成功。到2006年IBM和Intel同时宣布,使用FinFET结构,功能提高30%。一直到2014年底,华为使用台积电16纳米的技术加工出华为麒麟芯片,2014年三星宣布了14纳米的FinFET芯片,CortexA7和A15。2015年台积电和三星同时为苹果加工A9芯片,应该是iPhone6到iPhone7,全部采用FinFET工艺和技术。所以,2015年12月,奥巴马宣布胡正明教授因为FinFET发明影响人类的生活而获得美国最高科技奖。
 
  可以看出,从1996年到2015年,FinFET从最原始的学术研发开始,全球顶尖的芯片和计算机能使用这个最基本的结构,持续不到20年。今天大家看到基础的研发走入我们的日常生活,最终在产业界大规模使用,路程并不遥远。刚才讲到我们有好的创新环境、好的创新生态链、好的商业模式,一个最基础的研发可能成为我们的一个产品,甚至引领我们的产业发展。今年5月份UCB为胡正明建设的创新实验室,我的小组和胡正明教授一起照相,也谈到一些合作方面的事情。1999年12月,50纳米的FinFET在IEDM宣布成功,直到2005年我回国的时候,主要是FinFET工艺技术和芯片设计工作。2014年我们主要做FinFET的器件物理、模型以及电路设计的关键技术研发,也获得深圳市自然科学奖。FinFET的成功应该讲,政府最先有一个很小的资助,大学进行了一系列的研发,紧接着是产业界试用,不停的改进。这里面也有一些投资机构投资了芯片的研发。
 
  四、硅谷模式和类硅谷模式
 
  关于科技创新,刚才我讲了做BSIM和FinFET研发时就有和硅谷的互动。如今深圳被称为“硅州”,如何真正成为硅州?要建立创新生态链,借鉴国外的先进方式,硅谷就是对标的主要目标。
 
  硅谷有4700公里的土地,今天诞生了很多最前沿、提供信息时代主要产品的世界知名企业。仅仅300万的人口创造了2500多亿美金的GDP,人均达到接近10万美金,最关键的一条是产生很多专利,占了美国加州近一半,全美超过10%。
 
  硅谷之所以能成为今天的硅谷,应该说在1957年,贝尔实验室发明晶体管的肖克莱博士,从美国的东海岸离开贝尔实验室到美国的西海岸创业,没有想到他的行动能促成硅谷的真正诞生。硅谷之所以能够成功,由于美国1/3以上的风险投资在硅谷这样的地方。硅谷附近有世界知名的斯坦福、伯克利这些世界一流高校,同时MIT和哈佛等高校人都将硅谷作为他们创业的首选地。更主要的是聚集了像在座各位有梦想、有理想、有追求的一批创业者,他们高瞻远瞩、渴望成功、渴望证明自我。今天我们讲的,像Intel、IBM、Facebook他们很多都和芯片相关。硅谷今天有一家公司是做人工智能的芯片很出名,叫英伟达,现在做GPU,但最初是做存储器的。大家都知道存储器主要是靠芯片技术的结构,基于晶体管的结构来实现的。硅谷后来走出了Intel始创人,以及一系列大名鼎鼎的公司,比如乔布斯21岁创立苹果、扎克伯格19岁创立Facebook,还有谢尔盖·布林,埃隆·马斯克等等,相似的成功案例数不胜数。硅谷之所以成功,有几个关键因素:1、一批有梦想的人;2、有著名的大学提供环境;3、资本的介入;4、有宽松的环境。我们看出来硅谷首先是有人,然后有技术,然后有研发,紧接着还有资本的介入,因此能够成功。
 
  类硅谷的模式是以色列。大家知道中东战火不断,每天有不幸的事发生。以色列仅有800万的人口,在这么一个险恶的环境中,它在科技创新方面,我们深圳把它作为标杆追求,深圳和以色列有很多双向科技合作的项目。以色列也有硅谷的共同特点,有世界知名的大学,还有人才网络,他们很会经商,所以有强大的风投资金体系,最关键的是上世纪90年代,以色列又从俄罗斯吸引了100万受过良好高等教育的科技人才。2012年800万人口的以色列GDP高达2400亿美金;在纳斯达克挂牌的以色列上市公司有120多家,仅次于美国,超过欧盟的总和。英特尔、IBM、微软、惠普、谷歌等全球顶尖企业在以色列有研发中心。弹丸之地的以色列依靠科技创新发展,称为“世界创新工厂”。我们都知道Intel是全球最大的生产处理器CPU芯片的公司,Intel每款成功的芯片都是来自以色列的研发中心,而不是来自纽约或华盛顿的研发中心。可以看出,创新产业链体系建设是非常重要的。
 
  五、转型发展——科技创新生态链
 
  我们的转型发展就要集中于科技创新生态链的建立,第一个是人,人才是最根本的,但人会在各个组织里,我们这个组织能很好的平行互联、自助,首先要有政府的支持,能创造很好的政策环境,无论是创新还是创业。仅仅有政府还不够,还要有大学的研发人员,研究生、教授、博士等,他们真正能做到称为创新的项目,这才是最重要的。仅仅创新还不够,企业的老总还要参与其中,创新不仅仅是大学的事情、政府的事情,也不仅仅是工业界的事情,还有社会很多元素,如创客、用户、消费者等。传统的创新是政府、大学和公司的事情,但今天我们要增加新的元素,即以人为根本构成的四个创新要素。这种创新是开放式的创新,这种创新要把大学、企业、政府以及社会所有的有利因素加在一起激发出来,共同协调、共同发展。因此,开放创新有四大特点:一是一体化的无缝合作;二是快速融合采纳;三是共同创造价值,而不是单一创造价值;四是组成自组织生态系统。
 
  一体化的无缝合作。一体化包括研发一体化和要素一体化,传统的研发都是基础研究、应用研究及开发研究,甚至市场的开拓都是独立的,今天这些相对独立的也融为一体,相互促进。各种研究一体,最终直接转化为产品,像BSIM和FinFET就是基础的研发,但是与市场直接对接的。像胡教授的小组,他本人以及他的学生创立了很多公司,最终研究出来成为一个产品,被企业采用。传统创新和研究到应用研究开发到最后市场的开通,时间上是线性的距离,今天是平行的距离。要素一体化主要是研发要素和非研发要素,时间和空间也是连到一体的。过去讲基础研究,一个时间段完成,再申请专利,发论文,再到工业段研究,再到最后的进行小试、中试、大量又是一个时间段。今天已经不同了,我们研发的要素和应用的要素,甚至消费者的要求、体验,这些要连到一起,交互作用,在功能上是同一个主体,实现研发、投资及使用,研发要素和非研发要素要一体化。过去我们不认为投资、用户体验是一个要素,但创新生态链里就是重要的一个要素,是连在一起的。
 
  共同创造价值。这与过去创新模式完全不同。无论是生产者、研发者、消费者,还是创新者,他们都是一起创造价值的,传统的创新主要集中在物资的投入,而今天的创新主要是人的投入。因此,每增加一个创新者,是所有创新者交互的作用,使边际效应增加,总价值增加。而过去我们的创新是每增加一个元素都来均分,大家的收益会减少。现在的创新活动是把人才、知识、技术、资本无形投入,可变的因素越多,创新的总价值就出来了,成熟性的效应,也是我们讲的弯道超车、指数式增长。如何弯道超车呢?按照传统的线性增长模式,按照时间序列一步步完成,不可能实现弯道超车。只能在同一空间、同一时间段把所有的因素集合在一起,发挥交互作用,这样才有可能实现指数式增长,而不是线性的增长,这时才能实现弯道超车。因此,信息化时代,万物互联的时代,让互联极限增加,意味着创新的速度和成功的机遇大大增加。传统的投资者、消费者、生产者,不认为是在创造价值,但今天都是一起创造价值,为创新做贡献。
 
  快速的融合和采纳。以前研发、生产、应用不是一体化,而今天一定要一体化,过去要以产品作为中心目标,我们的用户都是局外人,今天是以用户为中心,以用户体验为中心进行我们的生产研发。生产应用中有研发,研发中有生产和应用,产品和服务推出到用户使用,这时的研发和使用是无缝对接。我们创新的成功率大大提高,这是快速的融合和采纳。把所有的元素放在一起,过去以产品为中心,今天以用户为中心、以市场为中心、以服务为中心,这和传统的模式完全不同。
 
  自组织创新系统。创新体系不再像过去一样是教授的事,是研究所研究员的事情,而是不限于个人、不限于公司、也不限于大家,成为跨越政府、经济、文化、社会环境的各个领域。连接了我们的发明者、投资者、生产者、消费者的组织系统。可以达到所有的主题,从社会组织到个人,把我们所有的要素,包括研发的、生产的、消费的、用户的、投资的,甚至个人的体验都放到一起,真正的转型发展才能实现,才能改变我们传统的以土地、环境、气候的牺牲为代价的模式。
 
  我们今天讲了很多时髦的词汇,如智能制造、人工智能、云计算、大数据,所有这些新型的商业形式,以及所有新的产业发展,关键是要实现创新生态链,而且是创新的生态链,把全社会每个要素的能量及优势发挥出来,这是我们讲的“1+1”永远大于2,我们今天做的不是加法,而是乘法的关系,我们要实现指数式增长,实现弯道超车,实现中华民族伟大的中国梦。
 
  讲到这里,谢谢大家!
责编:houlimin
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