1.2　工业革命与不死摩尔定律

1.2.1　五次工业革命与半导体发展

1）五次工业革命历程

工业革命是制造业的革命，更是人类文明和自身的革命，每次革命都进一步地将人类从原来相对低级的劳动中解脱出来，而正在发生的第五次工业革命（工业革命5.0）中的超级人类主题尤其引人注目：蜘蛛侠不再是传奇，它的部分超级功能已经实现；意念控制也不再是科幻，猴子可以用意念玩乒乓游戏。人类正成为一切智能的创造者。在人与自然的深度融合方面，可以连接的版图不断扩大，以实现更广泛的连接与操控，包括物理世界，也包括虚拟空间。而人的永生也成为第五次工业革命中的热门话题。表1-8列出了四次工业革命过程及第五次工业革命推演。

第一、二、三次工业革命的驱动因素分别是蒸汽、电力、计算机技术。第四次工业革命（工业革命4.0）的实现通常称为“智能制造”。工业革命4.0的主要特点包括制造系统的垂直整合。在工厂中，具有网络连接的生产系统称为信息物理生产系统（CPPS）(21)。在工业革命4.0中，CPPS将信息垂直整合和连接，以便使环境和价值链中的任何变化都能反映到制造过程中。特点是将制造设备与合作伙伴、供应商、分包商等一起水平整合到价值链中，通过云、大数据、移动和AI等新一代技术实现加速整合。

第四次工业革命的核心是信息物理系统（CPS）(22)，它通过3C(23)技术的有机融合与深度协作，实现大型工程系统的实时感知、动态控制和信息服务。CPS实现了计算、通信与物理系统的一体化设计，可使系统更加可靠、高效，实时协同，具有重要而广泛的应用前景。从产业角度看，CPS涵盖了小到智能家庭网络、大到工业控制系统乃至智能交通系统等国家级甚至世界级的应用。更为重要的是，这种涵盖并不仅仅是将现有的家电简单连在一起，而是要催生出众多具有计算、通信、控制、协同和自治性能的设备。图1-8是信息物理系统的一个示意图，物理世界的所有信息通过传感器到达云端的数字中心，经过智能大脑创造基于物理现象的多维度价值，包括分析与预测、计划与优化等。

数字化转型的加速使半导体在工作与生活中触手可及，由于技术的整合和快速商品化，半导体公司之间的竞争继续加剧，创新日益重要。公司必须设法克服前所未有的半导体设计挑战并不断创新，才能生存和繁荣。在向工业革命4.0的核心CPS转型的浪潮中，拥有150年历史的东芝是典型代表。东芝于1980年研发出全球第一款闪存芯片，于2018年成立东芝内存株式会社，其NAND闪存固态硬盘收入约占全球市场的五分之一。后来品牌被命名为铠侠（KIOXIA），成为全球第二大NAND内存厂商。同样是在2018年，东芝公布了未来五年发展规划—“东芝Next计划”，明确指出东芝的未来发展目标是“成为世界上首屈一指的CPS技术企业”，并通过在制造领域长年积累的实践经验，以及产业数字化领域积累的物联网和AI等技术融合的方式，提高各事业领域的附加价值，创造出新活力。这个目标也源于东芝的“三好”理念，即基于对买卖双方和整个社会都有利的经营模式打造企业。在具体应用上，东芝在能源管理领域和精准医疗领域的两个案例都非常有特色：

●　能源管理领域：东芝可以部署虚拟发电厂（VPP）来协调分布式能源，如太阳能、风能和氢能发电站，可充电电池和电动汽车。这些资源都可以实现虚拟控制，就好像它们是单一的发电厂一样。

●　精准医疗领域：重粒子束癌症治疗设备将碳离子的重粒子束加速到光速的70%左右，以照射癌细胞。同时使用图像识别技术，通过与患者呼吸运动同步的电子束来精确识别肿瘤位置。这两种技术都有望显著减轻患者的压力。

东芝再次进行转型，着重发展新能源、物联网、AI等业务，逐渐从一家传统制造业企业，转型为一家以技术为导向的多元数字化公司。东芝目前在全球拥有约13万员工，年销售额在3000亿元左右。东芝希望每一位员工都能清楚地认识到：不实施数字化战略，东芝将无法存活！2022年2月7日，东芝发布声明称，将最早于两年内将公司整体按业务拆分为两家公司，分别是包含发电、公共基础设施、IT解决方案、铠侠控股股权管理等基础设施的服务型公司，以及包含功率半导体、HDD、半导体制造设备相关的组件公司。

目前东芝的半导体业务主要包括功率、通用逻辑IC、射频器件、存储等。全球范围内，东芝在功率半导体领域具备较强竞争力，2020年在Discrete IGBTs领域东芝占有全球5.5%的市场份额，在MOSFETs领域东芝占有全球7.7%的市场份额。随着全球环境气候问题的日趋严峻，下游应用市场更加注重节能减排，对功率半导体的需求将持续上升。东芝在2022财年投资约8.3亿美元用于扩大石川县工厂功率半导体的制造能力，这比2021财年所预期的5.7亿美元增加了约45%，这使东芝使用碳化硅或氮化镓的新一代功率半导体的产能增加，其目标是将功率半导体的整体产能提升2.5倍，如图1-9所示。此外，东芝正在研发将存储容量提高至目前的1.7倍、达到30TB以上的技术。2022年2月，东芝表示计划投资约10.9亿美元，将电源管理半导体的产量提高一倍以上，旨在追赶英飞凌等电源芯片巨头。

让我们回到工业革命4.0与半导体的关系。从半导体产业来看，并不严格区分第四次工业革命与第五次工业革命。第四次工业革命的计算机时代是半导体产业推动的，之后集成电路产品“进入寻常百姓家”又推动了全球GDP的快速增长，在2010年之后又快速推动人类进入第五次工业革命。因此对于半导体产业来说，这是一个连续、完整的过程。台积电的定义代表了一种新视角，即半导体产业的发展模式经历了四个阶段：IDM、ASIC、Fabless和开放式创新OIP（即基于产业链各专业分工，形成一个紧密协同的虚拟大IDM的利益共同体）。总的来说，半导体从第四次工业革命到第五次工业革命的连续发展过程体现了人类开始从宏观科学走向微观科学，即原子的领地。芯片制程也开始向埃米级挺进。

从技术应用上看，一方面，工业革命4.0已经远远超出了最初的概念，在制造中融入了越来越多的基于智能的控制技术，并为制造增加了更多的前瞻性、一致性和敏捷性。另一方面，半导体远在工业革命4.0这个概念出现之前就在朝着这个方向努力。20世纪70年代，半导体产业就制定了SECS/GEM(24)半导体设备通信协议的两个标准，如图1-10所示。这两个标准保障了机械化的设备可以基于一样的语言进行通信。

●　SECS包括了三个主要的文件SECS-I（E04）、SECS-II（E05）、SECS-HSMS（E37），其中E04是基于RS232（串口），E37是针对TCP/IP（网口）。而E05则定义了SECS传输的内容规范。

●　GEM则定义了设备的模型和所提供的功能。

2）半导体视角的新工业革命说

如图1-11所示，1947年贝尔实验室的研究人员肖克利、巴丁、布拉顿三人发明了第一个晶体管，这个器件具有扩展电子设备实用性的巨大潜力。

早期的晶体管是用锗作为材料，在20世纪50年代后期的研究中，成功地生产出适用于半导体器件的硅材料，并且从大约1960年开始制造出由硅制成的新器件。硅比锗丰富得多，价格便宜，很快成为首选原材料。硅基允许通过光刻工艺形成的掩膜图案也创建了微型晶体管和其他电子组件。1960年，真空管迅速被晶体管取代，因为后者体积小、抗高温、更耐用、更可靠。这一特点很快就被军工行业看中，晶体管满足了导弹电子制导系统的紧凑、轻便与可靠的需求，从而促成了集成电路的发明。早期的集成电路在3毫米（0.12英寸）见方的硅芯片上包含大约10个单独的组件；到1970年，相同尺寸的芯片上的组件数量达到1000个；到20世纪80年代中期，廉价的微处理器刺激了种类繁多的消费产品的计算机化，常见的例子包括可编程微波炉和恒温器、洗衣机和烘干机、自调谐电视机和自聚焦相机、录像机和视频游戏、电话和答录机、乐器、手表和安全系统。微电子也在商业、工业、政府和其他领域脱颖而出。基于微处理器的设备激增，如零售店的自动取款机（ATM）和销售点终端，以及自动化工厂组装系统和办公工作站。

从历史的进程来说，上面的这个过程显然包括在第三次工业革命之中，可是，从另外一个视角（也就是从宏观走向微观）来说，半导体可能开启了一个全新的工业革命时代。所以对工业革命的断代，半导体人也有独到的理解和洞察。2019年，中微半导体董事长尹志尧博士(25)在世界人工智能大会（WAIC）做了题为《从微观加工为基础的数码时代展望第三代工业革命的到来》演讲，如图1-12所示。他的“半导体工业革命说”是当代我国半导体人在中美集成电路与芯片博弈下，对历史的总结及对未来的深刻思考。很多专家把蒸汽机和电的发明算作两代工业革命，他认为关于工业革命的断代应该做不同的解释，具体如表1-9所示。更详细的阐释请扫码查看。

在时隔三年后的一次访谈中，他表示：我国在集成电路的发展中晚了30年，后面的科技发展将迎来“超级人类时代”，我国不能再晚了，因为这是未来的科技战场。面向未来的第三次工业革命是令人兴奋的，我们将进入超级人类时代，得以基于原生人和智能器件的合体来改造自身，使人类可以更健康、更智慧、更美丽。尹博士这样来解释他们的工作难度：最杰出的米粒微雕艺术家在一颗米粒上雕刻200个汉字已经达到极限，而中微半导体公司研发的等离子刻蚀机的加工工艺相当于在一颗米粒上雕刻10亿个汉字。这似乎让我们想起了电影《阿丽塔：战斗天使》，其中的角色大部分都是半人半机械的合体，在未来，加工超级人类就如同制造一台计算机那样简单。

尹博士是一位把技术和管理完美结合的半导体行业领导人。中微半导体实现了全员持股制度，因为高科技企业和低端生产力为主的企业不同，没有员工的断层结构，是一个阶梯式的渐进结构，不能只允许高管持有公司的股票。从具体的技术细分来看，半导体制造业中影响品质的“魔鬼”都藏在细微之中，需要每个人都有担当。公司除了提供处于核心地位的、在业界领先的刻蚀机之外，尹博士更着眼于长远的未来。在2020年的一次会议中，他在回顾了中微半导体公司发展历史之后，提出了一个问题：如何发明中国每个家庭都需要的下一代智能设备？这个下一代智能设备当然不是智能音箱，应该是他所关注的科技下一站—超级人类时代的智能设备。