1.2　工業革命與不死摩爾定律

1.2.1　五次工業革命與半導體發展

1）五次工業革命歷程

工業革命是制造業的革命，更是人類文明和自身的革命，每次革命都進一步地將人類從原來相對低級的勞動中解脫出來，而正在發生的第五次工業革命（工業革命5.0）中的超級人類主題尤其引人注目：蜘蛛俠不再是傳奇，它的部分超級功能已經實現；意念控制也不再是科幻，猴子可以用意念玩乒乓游戲。人類正成為一切智能的創造者。在人與自然的深度融合方面，可以連接的版圖不斷擴大，以實現更廣泛的連接與操控，包括物理世界，也包括虛擬空間。而人的永生也成為第五次工業革命中的熱門話題。表1-8列出了四次工業革命過程及第五次工業革命推演。

第一、二、三次工業革命的驅動因素分別是蒸汽、電力、計算機技術。第四次工業革命（工業革命4.0）的實現通常稱為“智能制造”。工業革命4.0的主要特點包括制造系統的垂直整合。在工廠中，具有網絡連接的生產系統稱為信息物理生產系統（CPPS）(21)。在工業革命4.0中，CPPS將信息垂直整合和連接，以便使環境和價值鏈中的任何變化都能反映到制造過程中。特點是將制造設備與合作伙伴、供應商、分包商等一起水平整合到價值鏈中，通過云、大數據、移動和AI等新一代技術實現加速整合。

第四次工業革命的核心是信息物理系統（CPS）(22)，它通過3C(23)技術的有機融合與深度協作，實現大型工程系統的實時感知、動態控制和信息服務。CPS實現了計算、通信與物理系統的一體化設計，可使系統更加可靠、高效，實時協同，具有重要而廣泛的應用前景。從產業角度看，CPS涵蓋了小到智能家庭網絡、大到工業控制系統乃至智能交通系統等國家級甚至世界級的應用。更為重要的是，這種涵蓋并不僅僅是將現有的家電簡單連在一起，而是要催生出眾多具有計算、通信、控制、協同和自治性能的設備。圖1-8是信息物理系統的一個示意圖，物理世界的所有信息通過傳感器到達云端的數字中心，經過智能大腦創造基于物理現象的多維度價值，包括分析與預測、計劃與優化等。

數字化轉型的加速使半導體在工作與生活中觸手可及，由于技術的整合和快速商品化，半導體公司之間的競爭繼續加劇，創新日益重要。公司必須設法克服前所未有的半導體設計挑戰并不斷創新，才能生存和繁榮。在向工業革命4.0的核心CPS轉型的浪潮中，擁有150年歷史的東芝是典型代表。東芝于1980年研發出全球第一款閃存芯片，于2018年成立東芝內存株式會社，其NAND閃存固態硬盤收入約占全球市場的五分之一。后來品牌被命名為鎧俠（KIOXIA），成為全球第二大NAND內存廠商。同樣是在2018年，東芝公布了未來五年發展規劃—“東芝Next計劃”，明確指出東芝的未來發展目標是“成為世界上首屈一指的CPS技術企業”，并通過在制造領域長年積累的實踐經驗，以及產業數字化領域積累的物聯網和AI等技術融合的方式，提高各事業領域的附加價值，創造出新活力。這個目標也源于東芝的“三好”理念，即基于對買賣雙方和整個社會都有利的經營模式打造企業。在具體應用上，東芝在能源管理領域和精準醫療領域的兩個案例都非常有特色：

●　能源管理領域：東芝可以部署虛擬發電廠（VPP）來協調分布式能源，如太陽能、風能和氫能發電站，可充電電池和電動汽車。這些資源都可以實現虛擬控制，就好像它們是單一的發電廠一樣。

●　精準醫療領域：重粒子束癌癥治療設備將碳離子的重粒子束加速到光速的70%左右，以照射癌細胞。同時使用圖像識別技術，通過與患者呼吸運動同步的電子束來精確識別腫瘤位置。這兩種技術都有望顯著減輕患者的壓力。

東芝再次進行轉型，著重發展新能源、物聯網、AI等業務，逐漸從一家傳統制造業企業，轉型為一家以技術為導向的多元數字化公司。東芝目前在全球擁有約13萬員工，年銷售額在3000億元左右。東芝希望每一位員工都能清楚地認識到：不實施數字化戰略，東芝將無法存活！2022年2月7日，東芝發布聲明稱，將最早于兩年內將公司整體按業務拆分為兩家公司，分別是包含發電、公共基礎設施、IT解決方案、鎧俠控股股權管理等基礎設施的服務型公司，以及包含功率半導體、HDD、半導體制造設備相關的組件公司。

目前東芝的半導體業務主要包括功率、通用邏輯IC、射頻器件、存儲等。全球范圍內，東芝在功率半導體領域具備較強競爭力，2020年在Discrete IGBTs領域東芝占有全球5.5%的市場份額，在MOSFETs領域東芝占有全球7.7%的市場份額。隨著全球環境氣候問題的日趨嚴峻，下游應用市場更加注重節能減排，對功率半導體的需求將持續上升。東芝在2022財年投資約8.3億美元用于擴大石川縣工廠功率半導體的制造能力，這比2021財年所預期的5.7億美元增加了約45%，這使東芝使用碳化硅或氮化鎵的新一代功率半導體的產能增加，其目標是將功率半導體的整體產能提升2.5倍，如圖1-9所示。此外，東芝正在研發將存儲容量提高至目前的1.7倍、達到30TB以上的技術。2022年2月，東芝表示計劃投資約10.9億美元，將電源管理半導體的產量提高一倍以上，旨在追趕英飛凌等電源芯片巨頭。

讓我們回到工業革命4.0與半導體的關系。從半導體產業來看，并不嚴格區分第四次工業革命與第五次工業革命。第四次工業革命的計算機時代是半導體產業推動的，之后集成電路產品“進入尋常百姓家”又推動了全球GDP的快速增長，在2010年之后又快速推動人類進入第五次工業革命。因此對于半導體產業來說，這是一個連續、完整的過程。臺積電的定義代表了一種新視角，即半導體產業的發展模式經歷了四個階段：IDM、ASIC、Fabless和開放式創新OIP（即基于產業鏈各專業分工，形成一個緊密協同的虛擬大IDM的利益共同體）。總的來說，半導體從第四次工業革命到第五次工業革命的連續發展過程體現了人類開始從宏觀科學走向微觀科學，即原子的領地。芯片制程也開始向埃米級挺進。

從技術應用上看，一方面，工業革命4.0已經遠遠超出了最初的概念，在制造中融入了越來越多的基于智能的控制技術，并為制造增加了更多的前瞻性、一致性和敏捷性。另一方面，半導體遠在工業革命4.0這個概念出現之前就在朝著這個方向努力。20世紀70年代，半導體產業就制定了SECS/GEM(24)半導體設備通信協議的兩個標準，如圖1-10所示。這兩個標準保障了機械化的設備可以基于一樣的語言進行通信。

●　SECS包括了三個主要的文件SECS-I（E04）、SECS-II（E05）、SECS-HSMS（E37），其中E04是基于RS232（串口），E37是針對TCP/IP（網口）。而E05則定義了SECS傳輸的內容規范。

●　GEM則定義了設備的模型和所提供的功能。

2）半導體視角的新工業革命說

如圖1-11所示，1947年貝爾實驗室的研究人員肖克利、巴丁、布拉頓三人發明了第一個晶體管，這個器件具有擴展電子設備實用性的巨大潛力。

早期的晶體管是用鍺作為材料，在20世紀50年代后期的研究中，成功地生產出適用于半導體器件的硅材料，并且從大約1960年開始制造出由硅制成的新器件。硅比鍺豐富得多，價格便宜，很快成為首選原材料。硅基允許通過光刻工藝形成的掩膜圖案也創建了微型晶體管和其他電子組件。1960年，真空管迅速被晶體管取代，因為后者體積小、抗高溫、更耐用、更可靠。這一特點很快就被軍工行業看中，晶體管滿足了導彈電子制導系統的緊湊、輕便與可靠的需求，從而促成了集成電路的發明。早期的集成電路在3毫米（0.12英寸）見方的硅芯片上包含大約10個單獨的組件；到1970年，相同尺寸的芯片上的組件數量達到1000個；到20世紀80年代中期，廉價的微處理器刺激了種類繁多的消費產品的計算機化，常見的例子包括可編程微波爐和恒溫器、洗衣機和烘干機、自調諧電視機和自聚焦相機、錄像機和視頻游戲、電話和答錄機、樂器、手表和安全系統。微電子也在商業、工業、政府和其他領域脫穎而出。基于微處理器的設備激增，如零售店的自動取款機（ATM）和銷售點終端，以及自動化工廠組裝系統和辦公工作站。

從歷史的進程來說，上面的這個過程顯然包括在第三次工業革命之中，可是，從另外一個視角（也就是從宏觀走向微觀）來說，半導體可能開啟了一個全新的工業革命時代。所以對工業革命的斷代，半導體人也有獨到的理解和洞察。2019年，中微半導體董事長尹志堯博士(25)在世界人工智能大會（WAIC）做了題為《從微觀加工為基礎的數碼時代展望第三代工業革命的到來》演講，如圖1-12所示。他的“半導體工業革命說”是當代我國半導體人在中美集成電路與芯片博弈下，對歷史的總結及對未來的深刻思考。很多專家把蒸汽機和電的發明算作兩代工業革命，他認為關于工業革命的斷代應該做不同的解釋，具體如表1-9所示。更詳細的闡釋請掃碼查看。

在時隔三年后的一次訪談中，他表示：我國在集成電路的發展中晚了30年，后面的科技發展將迎來“超級人類時代”，我國不能再晚了，因為這是未來的科技戰場。面向未來的第三次工業革命是令人興奮的，我們將進入超級人類時代，得以基于原生人和智能器件的合體來改造自身，使人類可以更健康、更智慧、更美麗。尹博士這樣來解釋他們的工作難度：最杰出的米粒微雕藝術家在一顆米粒上雕刻200個漢字已經達到極限，而中微半導體公司研發的等離子刻蝕機的加工工藝相當于在一顆米粒上雕刻10億個漢字。這似乎讓我們想起了電影《阿麗塔：戰斗天使》，其中的角色大部分都是半人半機械的合體，在未來，加工超級人類就如同制造一臺計算機那樣簡單。

尹博士是一位把技術和管理完美結合的半導體行業領導人。中微半導體實現了全員持股制度，因為高科技企業和低端生產力為主的企業不同，沒有員工的斷層結構，是一個階梯式的漸進結構，不能只允許高管持有公司的股票。從具體的技術細分來看，半導體制造業中影響品質的“魔鬼”都藏在細微之中，需要每個人都有擔當。公司除了提供處于核心地位的、在業界領先的刻蝕機之外，尹博士更著眼于長遠的未來。在2020年的一次會議中，他在回顧了中微半導體公司發展歷史之后，提出了一個問題：如何發明中國每個家庭都需要的下一代智能設備？這個下一代智能設備當然不是智能音箱，應該是他所關注的科技下一站—超級人類時代的智能設備。