尹志尧 | 从数码智能时代到第三次工业革命

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1956到1962年，尹志尧先生在北京四中就读初中和高中，1962年毕业后考入中国科学技术大学化学物理系，1967年毕业后到兰州工作十年。先在兰州炼油厂催化剂分厂，后在中科院兰州化物所。1978到1980年在北京大学化学系就读研究生，1980年到美国加州大学洛杉矶分校就读物理化学，于1984年获得化学博士。1984至1986年就职于硅谷英特尔中心研发部，担任工艺工程师。1986至1991年就职于泛林研究公司，历任研发部资深工程师、研发部资深经理。1991至2004年就职于应用材料，历任等离子体刻蚀设备产品总部首席技术官、总公司副总裁及等离子体刻蚀事业群总经理、亚洲总部首席技术官等职务。2004年和一批资深半导体设备专家回国，创立中微半导体设备公司并担任董事长及总经理。

本文为尹志尧校友在北京四中2020年科技文化节开幕式的讲话(节选)。

非常感谢马校长、王书记让我今天给大家做个讲演，我最近也在不同场合讲了很多次，但是这是让我感到最不安的一次，离开学校时间很长了，我讲的东西不一定大家都感兴趣，希望下面的一个小时尽量让大家有所收获。

我讲的题目是从数码智能时代到第三次工业革命，特别想说的是我国科学技术赶超的希望，寄托在你们年轻一代。

第一代和第二代工业革命的特征和它的核心产业

既然提到第三代，我首先讲讲第一代和第二代工业革命的特征和它的核心产业。

关于工业革命的断代问题，国内外专家做过很多陈述。有专家在六十年代就讲，人类工业革命已经进行到四代，这种说法把蒸汽机和电的发明算作两代工业革命。经过这么多年的发展，我觉得关于工业革命的断代应该做不同的解释。

我认为第一次工业革命就是从英国开始的，创造了一个500到600年的威武雄壮的机械化时代。这个时代的特点是从手工劳动转为机械化、用机器代替人手，这样的一个500年的历史。实际上是一个以宏观加工为核心的传统工业，首先要有宏观的材料：钢铁、化工、陶瓷、纤维、塑料等等。有了材料以后要用机器把它加工成型：如车床、铣床、刨床、镗床、钻床、磨床等等，现在叫五轴联动加工中心，甚至出来六轴联动加工中心。有了这个机器，还需要有宏观能源的推动，包括蒸汽机、内燃机、电动机等等，这样就形成了一个宏观加工为核心的传统工业，我们叫它机械化时代。

我们国家改革开放40年，绝大部分精力用在补机械化时代的课。机械化时代的特点是把东西越做越大，现在盖楼可以盖到600米、800米，甚至要盖到上千米高；修跨海的长桥30公里到50公里；造高铁、大飞机，这就是这一代工业革命的标志性产品。

但是在最近的五六十年代，从美国硅谷开始了一个本质不一样的革命，催生了数码时代，也有人叫智能化时代。这个时代的特点是从机械化到智能化，造出电脑来代替人脑，造出很多不同的微观器件，看不见摸不着的小器件，来代替人的各种感官，实行智能生产、智能工作。在第二代工业革命里，微观加工成为了核心产业，它的特点是越做越小。它也需要三个基本产业的组合，一个是微观材料，就是用化学或者物理的办法，在表面长成各种各样的膜，有半导体、导体，还有绝缘体的膜。第二部分要有微观加工的母机，包括光刻机、等离子刻蚀机等等，在很小的尺度上精雕细刻，做出微观结构。伴随着这一代的工业革命，有能源的变革、包括核能、太阳能和氢能等等。

我们现在正处在第二代工业革命的高潮，微观器件的产品层出不穷，特别是集成电路正在处于大发展时期。

集成电路的微观加工和设备是基础

下面我就讲一下关于集成电路产业的微观加工，半导体微观加工设备是数码产业的基石。我今天讲的东西可能使你们对其中某一方面感兴趣，希望对你们将来事业的发展有些启发。

数码产业有四个层次。我们经常用一个倒三角，或倒置的金字塔来描述整个数码产业的结构。

最高的层次是软件、网络、电商、传媒、大数据、AI、VR等等，这些叫应用，利用我们创造出来的微器件做各种各样的应用，每天都会出新的东西，五花八门。这样的一个上层建筑，尺度非常大，像阿里巴巴、Facebook、Google都是千亿以上的产值，甚至万亿的公司市值的大公司。因为它接触老百姓，面对着几十亿的用户。

但这些应用必须有电子系统来支撑，就是要有一个硬件系统，比如小到电子玩具、每个人手里的电脑、手机，大到全世界的网络系统，超级计算机等等，这属于硬件的电子系统，这是第二个层次。

而这些电子系统里面最核心的就是芯片，半导体的集成电路和各种微观器件，包括芯片设计和芯片制造。这个产业尺度大概每年的销售在5000亿到6000亿美金，它比电子系统和应用小很多，但是它是数码产业的核心，是第三个层次。

如果你走到一个芯片生产厂里——比如台积电，目前世界上最先进的生产厂，生产14纳米到10纳米器件——你看到的全部是设备，有3000多台，里面完全没有人，是智能生产的生产线。大家知道台积电也有了5纳米的生产线，需要100亿美金的投资，就相当于700亿人民币。那么其中70-80%的投资是购买3000多台设备，这个设备有10大类、细分300多种来组成这样的一个生产线。

所以我们看这个第四个层次——半导体设备是整个数码产业的基础。中国有一句老话叫「工欲善其事，必先利其器」，如果没有能够加工到微观器件的这种高精尖的设备，就不能做出这样的芯片。

给大家简单介绍一下芯片的结构。如果把一个小的芯中间切一刀，然后用高倍电子显微镜来看，就是右边这个竖向的结构。这个图还是比较老的32纳米结构，现在做到5纳米结构就复杂多了，要50到60层。就像盖楼房，一层一层地盖上去，每一层楼里面有导线、阀门、二极管、三极管、电阻、电容等等，形成了集成的电子线路。每一层都需要15个步骤左右，加起来大概需要1000个步骤。

这样一个微观加工过程对设备具有极大的挑战性，难度不亚于做两弹一星，所以国际上现在可以做人造卫星或者原子弹的国家大概有十几个，但是能够做这样高精尖微观加工设备的，大概也就是两个半。除了中国现在有很多公司开始后发制人起步来做以外，原来就只有美国、日本和欧洲的凤毛麟角的公司可以做。

做这样微观加工设备需要多少学科呢？我这里列了大概有50多个科学和技术，包括物理、化学、数学，工程技术绝大部分的领域和特种工程技术。比如说一个真空的气压计，在全世界只有一两家公司能做出准确测定真空气压的这样一个元件，也是美国商务部对中国最严格控制的基本原件之一。

大家可能听到过一个摩尔定律，也就是大概国际上每一年半到两年就会向下走一代，所以从上面台积电的时间表看，14纳米、10纳米、7纳米、5纳米一直往下做，越做越小，大概就是一年半到两年一代。现在3纳米器件的开发已经基本上做完了，到今年年底、明年年初就要进行试生产了。2纳米到2023年的时候也要进入试生产了，所以说发展速度非常快。

最底下是我们国内的进度，大家看现在14纳米刚刚进入生产，所以我们和最先进的水平差了差不多三代到三代半，我们必须要急起直追了。

刚才我说建一条芯片生产线，需要大概上百亿美金的投资，购买十大类设备。其中第一大宗设备就是等离子刻蚀机，第二大宗设备是光刻机，之后是化学薄膜等其他机器。美国可以提供的设备大概在50%左右，剩下50%是日本、德国和其他国家提供的。到目前为止，有很多设备还是一家独大或者一两家垄断市场。

所以集成电路是全世界集成的努力，没有一个国家可以关起门来自己做集成电路。现在中国的形势很好，有大概40多条生产线在计划或者已经动工投入生产，所以中国大陆的芯片投资量占全世界20%，这已经是除了台湾地区以外最大的一个地区了。但是这20%里面有10%是海外的芯片公司，像英特尔、三星、台积电、海力士在中国的生产线，而中国本土的生产线只占10%，所以我们还有相当大的距离要追赶。

大概很多人都听过光刻机、等离子刻蚀机、薄膜设备等等，听说过光刻机怎么怎么重要，中国做不出来。首先说光刻机、等离子刻蚀机和薄膜是什么关系呢？这就像我们剪窗花，你得先有一个红纸，然后你要用笔在上面画一些花纹，最后用剪子把不要的部分剪掉，这样就把窗花做出来了。其实做半导体微观结构，一层一层就是这么做的：化学薄膜就是做一层薄膜的材料，然后光刻机在上面画一些花纹，最后刻蚀机用等离子体把不需要的部分刻掉、通过物理化学的表面反应把它去掉。这样三种机器轮番作战，一层层结构就盖起来了。

做光刻机目前最先进的是荷兰ASML这个公司，花了20年的时间开发出了深紫外光刻机，目前可以做到14纳米线条的光刻。他们花了多少钱开发呢？花了200亿欧元，就是1500亿人民币左右。这个机器有多重？180吨，运的话要三个半747飞机，集装箱需要40个，是非常非常大型的一个机器。机器里面最关键的是光学反光碗，就是把平行光经过反光碗聚焦起来的这么一个东西。这个反光碗世界上只有一个公司能加工到那个精度，就是德国的蔡司公司。

在40年前，美国硅谷和全世界有将近35个公司都在做等离子刻蚀机和化学薄膜这些工艺设备。经过将近40年的拼搏，拼的可以说是你死我活，剩下三个最大的公司：一个是美国的应用材料公司，年销售150亿美金以上，每年研发经费20亿美金；有美国的泛林集团，年销售到100亿美金，年研发经费11亿美金；还有日本的东京电子，年销售100亿美金，年研发经费9亿美金。这些公司都是庞然大物，都是1到2万人的公司。

我比较有幸的是在美国这20年就是为三个公司开发等离子刻蚀机的，所以眼看着这几个公司长得非常快。我们回国以后必须做一件事，就是面对我们的老东家和它竞争，而且一定要争得过它。

创立中微半导体公司

下面我讲讲中微的情况。中微是在2004年5月建立的，注册在上海，到现在为止已经发展到将近900人，去年7月份有幸上了科创板。

等离子刻蚀机是我们的专长了，我们刚刚做出来最先进的刻蚀机有6米长、5米宽、3米高、16吨重，用30万瓦功率，产生非常强有力的离子六，去钻很深的孔或者抠很深的沟。

另外我们还做了发光二极管所用的化学薄膜设备。现在照明灯绝大部分都变成发光二极管了，这些发光二极管的微观器件都是用我们公司的设备做的。它是把一个很大的转盘加热到1100度，每分钟转1000转，然后在上面长很多巧妙的三五族单晶结构，这样长出发光元件。

这是两种最典型的工艺设备，前面一个是把东西拿掉，后面一个是把材料铺到底物上去。看起来很简单，但是我们是在纳米级的尺度上来盖楼房的。大家知道，人的头发丝0.06到0.09毫米，那么7纳米是什么概念呢？正好是人头发丝的一万分之一，我们在那样小的尺度上盖一个五六十层的楼房，这个就是微观加工的奇妙之处，也是大家所以能用手机、电脑，有全世界网络的基础。

我们做的东西最难的是刻蚀深孔，就像一个钻床要钻一个非常深的孔，如果机械钻床长度和直径的比超过20：1的话，钻头经常会断。而我们是要钻40：1的圆孔，甚至到60分之一或更深。一个等离子刻蚀机一年要加工10的18次方的孔，也就是100万万亿个孔。这样巨大的加工量，每个孔都要加工到合格，这是一个非常难做的事情。我们中微现在技术上有突破，可以刻出这样深的深孔。

36年以来，在国际等离子体的科室和设备技术发展中，曾经有32项重大突破，这列了第一类和第二类的突破。我本人和我们的团队，包括回国之前和以后做出了19项突破，占了32项的60%。

我们现在有1600多个反应台，在亚洲、欧洲54个芯片制造公司的73条生产线全面量产。在几条国内逻辑和存储器的生产线上，我们的介质刻蚀的市场占有率已经占到第二位了。在台湾地区最先进的生产线，5纳米我们也有相当的占有率了，到5纳米以下，我们的市场占有率有进一步的提高。

因为我们的产品做得比较好，在市场接受程度也很高，经过16年的努力，终于在去年得到机会在科创板上市。在第一批25家上市公司里面，第一个达到了1000亿人民币市值，也给我们上海政府和国家大基金的投资赚回了20倍回报，大家都很高兴。

在这里我特别讲一条，我最欣慰的一件事就是公司上市做到1000亿的时候，全公司当时是700多人，有50个人，有一亿以上的身价，有一半的人有1000万的身价，剩下的只要不是刚刚来的，都有百万身价。因为我们在第一天就实行了彻底的社会主义分配制度和全员持股的期权激励制度，公司开车的司机和看门的招待员都有公司股票。

我这里特别要感谢四中的教育，因为我在初中是做少先队的大队主席，在高中做共青团团委，一直受到党和共青团少先队的教育，教育我们不要只为自己的利益奋斗，要为国家、为社会、为大家的利益奋斗。所以在启动这个公司的时候，我就规定了这样的规则，每一级都有期权，每级差别也就是20%。

上市以后，我们公司在接下来的10到15年要进一步大发展，这里做点宣传工作。你们还有六七年就大学毕业了，来得及加入我们。我们一方面横向在集成电路的设备上一个接一个地做，从刻蚀机到薄膜到测试设备；另外从竖向来做泛半导体设备，包括发光二极管、太阳能电池，还有显示屏的技术、传感器、功率器件等等；另外我们还在探索一些新的领域，特别是电子生物工程，一会我稍微讲讲。

我们在临港有非常大的建设项目，今年年底就开工，要建设一个新的总部大楼，有7.5万平方米建筑面积。在临港中心地带有一个产业化基地，第一期要建一个18万平方米的生产和研发厂房。我们在南昌也在建一个14万平方米的生产基地，也很漂亮。希望大家大学毕业以后到我们公司来工作。

前面我就讲了我们产业的情况、公司的情况和给大家做点宣传，希望大家都能关注我们微观加工集成电路产业。

半导体设备是中美科技博弈的焦点

接下来我稍微讲一下，半导体设备最近成为了中国和美国科技博弈的焦点。

大家知道就在今年4、5月，8、9月，美国的商务部连出了五招，都是集中用美国的设备来卡我们的集成电路。它的讲法就是只要在中国的一条生产线上，有一个美国的设备，或者有一个美国的技术，这样的生产线就不能给军方提供芯片。后来说不能给华为的海思设计，再后来干脆就不给华为提供芯片。现在中芯国际要买任何美国的设备都要一台一台地受他们批准，否则就不卖。

刚才我说荷兰的ASML，这是世界上唯一可以做到14纳米光刻机的。本来中芯国际已经买了一台，去年定了几月几号运，结果到最后一分钟，荷兰政府不给出口许可，就不让运给中国。所以从这个意义上讲，美国对中国高科技战线，在集中力量攻我们的设备。

其实在华为之前，美国政府很早就已经开始治中微了。2009年美国的两大公司——应用材料和泛林都通过商业机密和专利告诉来制裁中微，引起了美国政府的高度重视。但是我们和美国商务部做了及时沟通，化解了矛盾。

在最近12年里，美国的三大设备公司和我们打了四场大官司。

一种官司是说你们设计违反了美国的专利，还有一种就说你有那么多人，从美国公司到中国，参加中微，一定带走了商业机密。

第一场，是2007年开始的，打了两年半，最后和美国公司和解了，因为我们没有拿原公司的任何商业秘密。

第二场，是2009年美国的公司在台湾地区告我们侵他的专利，因为我们及时提出了充分的证据，说明他的专利根本是无效的，所以在8个月之内我们就打赢了。后来他又上诉了4年，一共败了5次，最后他的专利被彻底否定了。

第三场，是2010年我们反过来告美国公司窃取了我们高度机密文件，经过6年的商业告诉我们取得了第一轮的胜利。

第四场，是美国一设备公司，原来他们的设备产品占了中国市场90%，现在都被我们拿过来，所以不甘心，又告我们侵他的专利权。因为我们及时地披露了在他专利之前50年就有相同的专利，所以他的专利是不成立的。而他们现在的设计实际上是侵犯我们的专利，所以在我们有利的情况下使对方同意和解了。

经过这四场官司，我们也学到了很多在知识产权方面的保护措施。所以大家以后如果进入科技战线，一定要注意自己有想法要尽快申请专利保护自己。别人的专利也一定要了解，不要去违反人家的专利。

在2015年，美国商务部认可中微已经做出了国际水平的等离子刻蚀机，就把对中国30多年的等离子体刻蚀机的出口控制给取消了。商务部工业安全局的副局长宣布：我确定在中国已有一家非美国的公司，事实上已有能力供应足够数量和同等质量的刻蚀机，所以继续现在的国家安全出口管制已达不到其目的了。

我见过他几次，每次见到都对他们说：你们美国人要想走在前面，就要自己走得快，不能靠堵截和限制别人的发展来竞争，这是不起作用的。

第三代工业革命——超人时代已悄悄到来！

最后讲一下第三代工业革命——超人时代。如果同意我前面讲的两代工业革命，就要看到，现在人类已经走到了超人时代的门口。

重复一下，第一代工业革命用机器代替人手，第二代工业革命用电脑代替人脑，第三代工业革命是造出超人来代替人，也就是对人的身体动刀子了。毛主席很早就说，人类在改造客观世界的过程中，最终要改造自己。这个过程就是从一个智能化到超人化的过程，这里面有三个技术路线，正在紧锣密鼓地开展。

第一个是原生态人的改造，要把人改造的更美丽、更健康、更长寿，脑子可以变得更聪明，这是改造原生态的人。第二个是智能机器人，实际上应该是超智能的机器人和智能机器人及原生态人的集成。第三个是通过生物遗传工程造出人的器官和整体的人。这三个路线世界上都在做。大家知道克隆人很多国家是禁止的，但是你要查，可以看到有三个国家是允许的，而且现在克隆人的成果并不太好，还没有技术突破。

这三个技术路线可以互相组合。七八年前我在上海电视台讲，再过五六十年，大家走在路上看见的人，说的不好听，叫「人模狗样」的都是人，但是你不知道他是原生态的人、是超智能机械人、是克隆出来的人、还是集成的。我自己已经是机械的集成人了，我因为年轻时劳动锻炼太厉害，腰间盘突出很严重，就把其中一节给拿掉了，然后用一个钛钢架子架住，钻了螺丝钉把脊椎骨连起来，所以已经是机械集成了。

我再举几个例子，第一个例子关于穿戴式接口和植入式接口。大家知道马斯克吧，宣称把一个元件插在人的后脑里，就可以控制门开关。他的话音刚落，美国卡内基州梅隆大学的一个华人教授贺斌就宣布他做了一个实验，根本不需要植入，只要带一个头套，里面有个芯片，像蓝牙一样，这个人的意念就可以开门了。而且这个技术已经商业化了。

其实很早，40年前人们就发现，人的脑神经实际上是电化学的链反应，这种电化学的电流产生磁场，他可以把这个信号用芯片感应出来。

美国南加州大学有个教授组已经宣布做了一个实验，他把一个比较聪明的狗植入一个芯片，训练那狗看30种不同图案，比如一个三角形一个圆形，告诉它三角形是正确选择；一个蓝球一个红球，红球是正确选择。这个狗开始不知道怎么回事，后来经过训练知道了，每拿出一对图案，它就会找正确的图汪汪叫。然后把这个芯片拿下来插在另外一个狗的后脑，那个狗不经过训练就能做出正确选择。

这个就是第三代工业革命的入门砖，这场革命将是非常非常深刻的革命。

前两代革命改变了人们的生产方式和生活方式，单一个手机已经把我们搞得神魂颠倒了，第三代工业革命会完全不一样，最后到什么程度？刚才我说这个技术如果再成熟50到100年就不需要学校了，孩子在很小的时候就可以把数学、物理甚至方法论都输进脑子里去，然后他就可以做事了，不需要22年苦读了，而且可以选择，你想发展什么就输入什么。

图/豆瓣

另外生孩子也不像现在自然生育了，你到生育公司去注册填表，想要男孩女孩？个子大概多高？长圆脸方脸？性格是内向外向？设计好了就走，过了几个月，可能也用不了10个月，就去领孩子了。

在这样一个革命里什么是核心技术？我把它叫做电子生物工程，或者叫数码生物工程，是把数码时代最高层的技术和人体科学结合起来。美国现在已经开始讲这个词了，叫Bioelectronic。我想这个革命其实已经开始了，而且会越搞越大，正好是你们这代人碰上了最好的机会，希望大家能够抓住这个机会。

但是我要特别警告一条，在新的时代革命到来的时候，我们要担心人们到底怎么生活？如果按照现在的人工智能发展趋势，再过个几十年，恐怕70%的医生、律师、教师、会计都没工作了，这个社会怎么办？所以虽然高科技带来很多奇妙的东西，但是也带来很多危机。我们要进一步认识这场革命的机会和风险，积极参加这场革命，积极引导这场革命向健康的方向发展。

谢谢大家！

图片| 中微公司

封面 | 王海明

编辑 |范小彤

审核|李一川

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