华为芯片背后的神秘大佬，「拯救」了摩尔定律

作者：时间：2023-10-30来源：蓝血研究收藏

胡正明教授在接受 2016 年 7 月采访时已经说道：「虽然中国在半导体行业起步晚，错过了全球半导体行业每年 17% 的高速增长。但如果把前面这三十年来创造的产值加在一起，还比不过近三年来的总和。我们并没有错过真正的好处，重点看如何把事情做好，特别是把这次政府的投资利用好，达到自给自足的目的。」

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/202310/452218.htm

胡正明教授究竟是谁？有人总结道，他是世界集成电路史上最牛的十个人之一。

胡正明是多种新结构器件的发明人，微电子学家，美国工程科学院院士、中国科学院外籍院士，美国加州大学伯克利分校杰出讲座教授，甚至坊间有传言说他其实是华为背后的高人。

至于是不是背后的高人？不好说，也不必说，这世间的高人都是「挥手自兹去，萧萧班马鸣」，一个背影转身，退隐江湖，不带走一片云彩。

「拯救」摩尔定律

胡正明教授 1968 年毕业于台湾大学电机工程系，然后赴美国深造，最终在 1973 年获得了加州大学伯克利分校的博士学位。自 1976 年以来，胡正明教授在加州大学伯克利分校电气工程和计算机系一直担任教职，他的智慧和辛勤耕耘为这个学科领域的发展注入了强大的动力。他的职业生涯不仅限于学术界，他也活跃于产业界，曾担任半导体制造商安霸的董事会成员，并在 2001 年至 2004 年期间担任台积电的首席技术官。

1947 年 7 月他出生于北京豆芽菜胡同，他的故事就像一部描绘科技与创新的史诗，充满了激情与成就。在 1995 年的一个清晨，当摩尔定律即将走到尽头，整个半导体行业都在为摩尔定律的终结而忧心忡忡时，胡正明教授却欣然接受了这一挑战。他，一个电气工程教授，带着对科技的热情和好奇心，在飞机的餐桌上设计出了 FinFET 的雏形。这个后来为他赢得 IEEE 荣誉勋章的想法，让摩尔定律又延续了几十年。

事情最早始于中国台湾，当时的胡正明还是个充满好奇心的孩子，那里的炉台、海水、闹钟，都成为他童年实验的材料。高中时，他对科学的兴趣尤其浓厚，尤其是化学。但电气工程这个当时录取分数最高的专业对他来说是一个挑战，而他也凭借着勇气和决心选择了它。

在大学的最后一年，一个来自美国的客座教授让他看到了半导体的未来，他决定将半导体作为自己未来的研究领域。1969 年，他来到伯克利，加入了一个研究小组，开始了他的半导体研究之旅。

然而，他的研究之路并非一帆风顺。曾经因为觉得半导体研究过于简单，他转向了光电路研究。但在 1973 年的石油禁运事件后，他意识到自己需要做一些有意义、重要的事情。于是他决定开发低成本的太阳能电池，这让他重返半导体领域。

20 世纪 80 年代初，胡正明再次投入到半导体研究中。他开始在硅谷投入时间，受一些企业的邀请，讲授半导体设备的短期课程。1982 年，他整个学术假期都在圣克拉拉国家半导体公司度过。在工业界的工作对他产生了深远的影响，他开始更加深入地研究晶体管的 3D 结构。

1983 年，胡正明读到了一篇描述晶体管可靠性问题的论文。在美国国家半导体公司工作了一段时间后，他意识到缺乏长期可靠性可能会给行业带来各种问题。于是他和一群学生投入研究，开发出了热载流子注入理论，用以预测 MOS 的可靠性。随后，他开始研究氧化物随时间分解的方式。随着制造商将半导体的氧化物层越做越薄，这个问题也越来越受到关注。

在半导体行业陷入困境时，胡正明教授却勇敢地接受了挑战，为半导体行业带来了创新。他的故事是关于突破、坚持和团队合作的。

在 1995 年，整个半导体行业都在为摩尔定律的终结而担忧。胡正明，加州大学伯克利分校的电气工程与计算机科学教授，却决定挑战这一现状。他很快想到了一个方案，即升高电流流过的通道，使其凸出芯片表面，成为鳍式场效应晶体管（FinFET）。这个设计让电流更好地通过晶体管，同时也减少了漏电。胡正明团队开发的这个晶体管模型后来成了行业的标准，至今仍在沿用。

随着晶体管变得越来越小，一个新的问题出现了——功率。晶体管处于「关闭」状态的漏电成了一个严重的问题，导致芯片的功耗增加。行业开始认为摩尔定律将在 100 纳米以下终结，因为在这个尺寸下，每平方厘米的功耗甚至可能超过火箭喷管的功耗。然而，胡正明并没有放弃。他坚信，通过改变晶体管的构造，可以解决这个问题。

胡正明认为，问题的根源在于把通道做得太窄了，导致电子从栅极漏过。他提出了两种解决方案：一种是在晶体管下面的硅中埋入一绝缘层，使电荷难以溜过栅极；另一种是将窄通道像鲨鱼鳍一样在基片上方垂直延伸，栅极可以三面环绕通道，从而让栅极更好地控制电荷的流动。这两种方法后来分别被称为全耗尽绝缘体上硅（FDSOI）和 FinFET，它们开启了 3D 晶体管时代。

然而，将想法变成现实需要时间。胡正明和他的团队需要在一周内拿出一份方案，时间非常紧张。他们在日本酒店里画出了这两幅设计的草图，随后传真到了伯克利。幸运的是，他们的方案被 DARPA 看中并获得了长达 4 年的研究经费。

胡正明的团队开发出了可生产的 FinFET 器件，并展示了如何设计将晶体管缩小至 25 纳米甚至更小。他们用这种方法打破了行业的困惑，并推动了摩尔定律的发展。

作为一名技术专家，胡正明认为他们有责任确保半导体行业的发展不会停止。他认为一旦停止，他们就失去了最大的希望，没有更大的能力来解决世界难题。他和他的团队沉着自信地开发出 FinFET，源于他教授学生研究器件的方法。他强调宏观、定性的理解，并教学生退一步尝试想象电场在器件的分布、潜在障碍的位置，当我们改变一个特定的维度时，电流会如何变化。

在 2000 年，胡正明及其团队在四年资助期满后，成功研制出了可工作的器件并公布了研究成果，这一突破性创新立即引起了业界的广泛关注。然而，十年漫长地等待后，2011 年英特尔公司才首次将 FinFET 芯片投入生产线。为什么会有如此长时间的延迟呢？

「它还没有被打破。」胡正明解释道，他指的是使半导体电路越来越紧凑的行业生产能力。尽管人们想象它很快会被打破，但你永远无法修复还没坏的东西。事实证明，DARPA 的项目经理颇有先见之明，他们将该项目称为「开启 25 纳米」，而当半导体产业发展到亚 25 纳米几何尺寸时，FinFET 便开始发挥作用。与此同时，FDSOI 技术也在不断进步，如今仍在行业中应用，尤其是在光学和射频设备领域。而 FinFET 在处理器行业中仍占主导地位。

胡正明表示，他从不提倡用一种方法替代另一种方法。自从胡正明回到伯克利后，FinFET 技术席卷了整个行业。尽管人们依旧还在预言摩尔定律的终结，但它并未止步于 25 纳米。

在学术领域，胡正明教授的成就如繁星般璀璨。他总共撰写了五本著作，发表了 900 篇研究论文，并拥有 100 多项美国专利。他以出色的才华和勤奋的努力获得了世界的认可。他的成就不仅体现在他的学术地位上，也体现在他对半导体工艺的独特见解和深入探索上。

在荣誉方面，1991-1994 年，他担任清华大学（北京）微电子学研究所的荣誉教授。1997 年，他当选为美国工程科学院院士。2007 年，他又当选为中国科学院外籍院士，他的成就得到了世界范围内的认可。2015 年 12 月，他荣获美国国家技术和创新奖。2016 年，他入选硅谷工程师名人堂，这是对他职业生涯的极高荣誉。同年，他更是荣获了由美国总统奥巴马授予的白宫国家技术创新奖，这是对他科技创新能力的最高褒奖。

胡正明教授的成就并不仅仅停留在 FinFET 的发明上。他在微电子器件可靠性物理研究方面也做出了突出的贡献。他首先提出了热电子失效的物理机制，并开发出用碰撞电离电流快速预测器件寿命的方法。这一方法的应用，使得我们能够更加准确地预测半导体器件的使用寿命，为产品的可靠性提供了有力的保障。

此外，他还提出了薄氧化层失效的物理机制和用高电压快速预测薄氧化层寿命的方法。这些成果不仅丰富了半导体理论，更为我们的技术实践提供了重要的指导。

随着 2020 年的国际电子电气工程学会（IEEE）公布了 2020 年 IEEE 荣誉奖章获得者，华人学者胡正明获奖，他是历史上第三位获得该奖项的华人学者。这一荣誉是对胡正明教授多年来在半导体领域杰出贡献的极高认可。

作为一位顶级专家，胡正明教授的成就得到了国际社会的广泛认可。他曾在台积电担任 CTO 时获得了「台湾第一 CTO」的雅号。然而，这样一位在业界享有崇高地位的专家，却始终保持低调，淡泊名利，将一生都奉献给了最热爱的半导体产业。

2004 年，胡正明离开台积电，回到美国柏克莱加大讲台「挥洒热忱」。放眼全球半导体业界，能够在学术界和产业界都交出亮眼成绩的人物可说是凤毛麟角，胡正明就是其中一位。

有人说，六十年一甲子，60 多年以前，随着集成电路的发明，人类进入新的时代。众多大名鼎鼎的企业诞生，华人在芯片历史上分量其实很重。

FinFET 与华为的故事

商业的世界里，他与华为的链接不容忽视。简单看，当传统的半导体工艺在 20 纳米制程走到尽头时，胡正明教授以超凡的智慧和独特的视角，提出了两种解决方案：一种是 FinFET 晶体管技术，解决了晶体做薄后的漏电问题；另一种是基于 SOI 的超薄绝缘层上硅体技术。他的这些洞见，使摩尔定律得以在今天延续传奇。

2012 年底，海思总裁何庭波拜访胡正明教授，向其请教 FinFET 技术在 16nm 工艺上的可实现性，做出了通过技术创新突破瓶颈的选择：跳过 20nm，开始了 16nm FinFET+ 工艺的技术突破之旅。基于此，2013 年海思团队决定跳过 20 纳米制程，直接采用 16 纳米 FinFET 工艺。这个决定对于当时的华为来说非常不易，但最终他们成功了。

在 2013 年寒冷的冬日，海思的未来看起来并不明朗。尽管他们已经在芯片设计领域取得了一些成绩，但他们的规模在台积电的客户名单上只排在 50 位左右。他们的技术水平也并不领先，当时主流的手机芯片制造工艺是 28nm，而他们正在寻求导入的却是业界顶尖的 16nm FinFET 工艺，这几乎是一项「mission impossible」的任务。

经过无数次的试验和失败，海思成功开发出了首款 16nm FinFET+工艺的麒麟 950 芯片。这款芯片采用了先进的 FinFET 技术，使得晶体管的性能得到了极大的提升，同时功耗却大大降低。

在这个过程中，海思还做出了一个重要的决定：开发首款自研 LPDDR。这是一个非常大胆的决策，因为 LPDDR 的开发需要大量的技术和资源投入，而且风险很大。在内部意见的反复碰撞中，华为最终决定同时研发两代 LPDDR。麒麟 950 首次搭载自研的 LPDDR。这无疑是当时业界最具挑战性的技术方案之一。

麒麟 950 采用了先进的 16nm FinFET+工艺和自研 LPDDR，性能和功耗都得到了优化，使得华为手机在市场上获得了巨大的成功。海思也因此在芯片设计领域获得了更多的机会和资源，成为业界的领导者之一。

最终，华为在 16nm FinFET 工艺上实现了业界首次投片，并在 2015 年 1 月实现量产投片——在麒麟 950 上，并于 10 月实现量产发货。麒麟 950 终于实现了 16nm FinFET 工艺的率先商用。从 FinFET 技术概念的提出，到 16nm FinFET 技术在华为麒麟芯片得到商用，20 年的过程艰难又曲折。在麒麟 950 发布会上，胡正明教授谈 16nm FinFET 技术的视频，令所有与会者震撼。

自此，海思开启工艺领先之路。麒麟 960 第一次在封装工艺上站上业界最前沿，并且其安全性达到了金融级安全标准。2016 年 11 月，麒麟 960 荣膺第三届世界互联网大会「领先科技成果」。麒麟 970 采用了当时业界最顶尖的 10nm 工艺。但更重要的是，麒麟 970 首次在手机 SoC 中集成了专用 NPU（嵌入式神经网络处理器），开启了端侧 AI 行业先河，其难度也是非常大的。麒麟 980 是业界首款 7nm 工艺的手机 SoC 芯片。7nm 相当于 70 个原子直径，逼近了硅基半导体工艺的物理极限，麒麟 980 实现了在针尖上翩翩起舞。