《了不起的芯片》是一本专业的芯片科普书籍，介绍了芯片的前世今生以及中国的“芯”路历程，并由此指出芯片的前沿发展方向，展望芯片的未来。作者王健在知乎等平台累计创作内容高达百万字，涉及科技热点解读、芯片科普、技术分享、职场成长等主题，全网关注人数超过30万，阅读量过亿人次。长江日报《读+》周刊专访芯片设计工程师王健(笔名：温戈)，聊聊芯片设计之难，到底难在哪里。
《了不起的芯片》王健 著 电子工业出版社
资深码农写亲身经历
多年前的一个夏天，在苏州石湖蠡岛上的一间茶馆里，王健和几位同事一边品茶，一边憧憬着自己将来理想的职业生涯。当被问到自己时，王健毫不犹豫地表示想成为一名作家。
想成为作家的念头和他小时候读了很多名著有关。童年时，他痴迷于《西游记》中惊险刺激的故事，也沉迷于儒勒·凡尔纳在《海底两万里》中描绘的奇幻瑰丽的海底世界；既会因为诸葛亮病逝五丈原而难过，也会在看到唐·吉诃德种种荒唐的行为时笑得前仰后合。有时，他不满足于书中的情节，或者不喜欢书中的结局，就会在日记本上改写或者续写小说的情节，让它变得更加波澜壮阔、曲折离奇。
王健是东北人，从西安电子科技大学毕业后，在国内外著名的半导体供应商厂家工作过，参与了多款高性能CPU、GPU、服务器等超大规模SoC芯片的设计和验证。
2020年，他在知乎上看见一个问题：“芯片为什么每年都能进步？”就很认真地写了一篇回答，结果收到了许多回复。这些回复激励着他继续去回答更多问题，在此过程中，王健也认识了不少做科普知识分享的朋友，有的是物理方向的，有的是化学方向的，时常一起讨论碰撞，看到大家坚持码字持续输出，王健也一头扎了进去——六百多个高质量的回答，全网关注人数超过30万，阅读量过亿人次……这些让他真真实实成了芯片、CPU话题的优秀答主。
作为一名芯片行业的从业者，王健亲身经历了国内半导体2016—2023年发展的浪潮。2016年行业开始暗流涌动，2018—2020年芯片行业发展步入快车道，2021—2022年到达巅峰，2023年开始逐渐回归理性。
这期间，很多工程师迎来职业生涯的重大转折，他们日复一日地努力学习、认真工作，多年的等待终于迎来了机会。“光刻机”“跳槽”“流片”……芯片这个曾经默默无闻的小众行业，一跃成了科技领域最为耀眼的名词之一。
资深码农萌生出了要写书的念头，王健说，这似乎是偶然中的必然。在平台上的回复与反馈，让他开启了芯片科普创作之路，与之相随的写作习惯也一直保持至今。
芯片的进步关乎每个人
近年来，芯片逐渐成为科技行业的热点话题，王健希望借自己的经验与所学，写一本书可以让大家更全面、系统地了解芯片，以独特的视角带领读者漫步芯片波谲云诡的发展史、理解芯片的运作机理、了解中国的芯片产业。
写作的过程也是学习的过程。严谨的技术来不得半点虚假，查资料需要时间、严谨表述也需要时间，尤其是要把有深度的技术讲得外行人都能看得懂，更是需要来回推敲琢磨。作为一名凡事细致认真到极致的工程师，王健有时候一晚上就能码几千字，有时候一个星期都是交白卷。除了文字，书里一些流程、架构和电路图，甚至是封面的底图，都是他一张一张亲自画的。
技术类工作，尤其是迭代较快的信息技术，有非常强的年龄焦虑感。对于工程师如何在技术工作中获得突破，战胜年龄门槛，王健觉得需要有一些正向的观念。
他认为一个技术扎实，工作认真负责的工程师，面临的中年危机并不大。其次，王健也强调作为技术人员需要保持学习，在多个方面构建自己的核心竞争力。另外，技术人员不能只关注自己的“一亩三分地”，要经常性地、有意识地拓宽自己的视野。
未来的竞争是科技的竞争，更准确地说，是芯片的竞争。在王健看来，芯片的进步不仅仅是科学家和工程师的责任，也是每一个普通人的责任。“当我们每个人都意识到，芯片和生活有多么息息相关的时候，也许就意味着国产芯片全面崛起时代到来了。”
王健
【访谈】
芯片是科技时代的根基
读+：您在书中说，芯片是人造物的巅峰。“芯片就如同闪电划破黑夜，点亮了人类历史。”如何阐述芯片包含的划时代意义？
王健：芯片是科技时代的根基。这里我举两个贴近生活的例子。
第一个是计算机，计算机的出现促进了信息的交流和分享，解决了大量人类难以完成的、繁琐的计算问题，无论于生活还是科学的发展，都发挥了极大的作用，而计算机的核心就是处理器芯片。
第二个是自动（辅助）驾驶，新能源汽车的智驾能力是影响我们购车决策的一项关键因素。无论是采用视觉还是雷达，或者是二者结合的自动驾驶解决方案，最终所收集到的数据都要交由芯片去处理运算，然后再输出运算结果，向控制系统传达控制指令。
从驾驶员的角度来说，当我们踩下油门时，油门接收到的加速信号就通过控制器局域网收发器芯片传输给汽车的大脑，完成加速的操作。同时这颗芯片还可以轻松传输驾驶者或者乘车人对发动机、座椅、雨刷等功能的配置信号。一辆新能源汽车包含上千颗芯片，包括自动驾驶计算芯片、MCU控制芯片、接口芯片、电源管理芯片等等，正是这些不同种类的芯片，为汽车的正常行驶提供了保障。
芯片是信息时代的无名英雄，而面向未来的新技术，如量子计算、人工智能、元宇宙等也少不了作为底层的硬件支撑，在每一轮的科技浪潮中，它都扮演着不可或缺的角色。
读+：请您介绍一下中国芯的发展过程，以及芯片的前沿发展方向与芯片的未来。
王健：国内对半导体的布局可以说非常早。新中国成立初期，百废待兴，当时国际局势动荡，资源有限。即便如此，国家也并没有放弃发展半导体，反而在半导体领域开启了一场横跨半个多世纪的艰苦卓绝的追赶之旅。
1956年是我国半导体行业发展进程中一个具有里程碑意义的起点。这一年，国家提出了“向科学进军”的口号，并发布《1956－1967年科学技术发展远景规划》，正式将半导体列为重要攻关方向之一。其中，有两件事比较值得关注。一是召集一批留学回国的半导体专家在北京大学、复旦大学等重点高校开设半导体专业。二是由黄昆、谢希德合著的国内第一部半导体领域著作《半导体物理学》诞生。自此，中国的半导体学科已雏形初现。
1960年9月6日，中国科学院在北京成立半导体研究所，同时期取得了一系列不错的成就，包括成功地拉制出硅单晶、砷化镓单晶，以及研制出平面型晶体管等。尽管彼时我国在半导体领域取得了不错的进展，但国际形势严峻，当时的半导体技术主要服务于“两弹一星”计划，还未形成真正的产业。改革开放之初，日韩半导体的发展已进入快车道，我们与国际先进水平的差距被逐渐拉大。随即国家发起了半导体领域著名的“三大战役”——531战略、908工程和909工程。
“531战略”开始于1986年由电子工业部在厦门举行的集成电路研讨会上，具体是指“普及5微米技术，研发3微米技术，攻关1微米技术”。
1990年8月，国务院决定在“八五”计划期间推动半导体产业升级，“908工程”规划出炉，目标是使半导体工艺制造技术达到1微米以下。
1995年，“909工程”走向舞台。1997年，由上海华虹与日本NEC共同投资12亿美元的上海华虹NEC电子有限公司成立，承担超大规模芯片产线的建设任务。但因为缺乏经验，“909工程”最终也没能挽救国内的半导体颓势，但它为进入21世纪的半导体行业培养了一批人才。
进入21世纪，中芯国际、展讯通信、龙芯、华为海思等半导体公司相继成立，与此同时，邓中翰、张汝京等大批拥有海外留学及工作经验的半导体人才回国，再加上国内微电子等相关专业的毕业生逐渐增加，国内的半导体产业化之路也由此开启。
在历经近20年的平稳发展后，从2018年开始，美国接连对中兴和华为发起制裁，随后又把多家中国企业列入实体清单，国内半导体行业受到了一定的冲击，并因此又受到了空前的重视。2020年7月，集成电路被提为一级学科。2021年，清华大学、北京大学等高校先后成立集成电路学院，瞄准集成电路难题，聚焦集成电路学科前沿，力争在关键核心技术实现突破，为国家培养相关人才，支撑我国集成电路事业的自主创新发展。
尽管半导体行业已经发展了大半个世纪，但着眼未来，科学家和工程师们依然在很多方向探索着。比如人工智能，一种是人工智能芯片的设计，另一种是利用人工智能设计芯片。再比如封装，从平面封装，到2.5D封装，再到3D封装，甚至3.5D封装，芯片的封装从平面走向立体，也给芯片的性能带来可观的进步。
在未来，芯片竞争尤为重要
读+：我国国产芯片还有哪些难题要解决？与世界发达国家相关产业相比，中国的芯片制造优势在哪？不足又在哪？
王健：光刻机依然是首要的难题。光刻机作为半导体设备三大件之一，被誉为“半导体工业皇冠上的明珠”。2023年1月，随着美国拉拢日本、荷兰达成新的限制对中国出口先进芯片制造设备的协议，将围堵“中国芯”的事件推向了一个高潮，也成了全民关注的焦点话题。2024年1月，荷兰政府宣布撤销ASML旗下几款光刻机的出口许可证。此外，少部分中国晶圆厂亦无法取得NXT:1970i和NXT:1980i两个型号光刻系统的出口许可。可预见的是，未来两年国内进口ASML用于先进制程的光刻机依然处于严格管制状态。
其实，除了光刻机以外，在我国半导体庞大的产业链中，还有很多环节处于发展的初期，国产芯片的崛起，任重而道远，主要有三方面需要我们关注：
第一，是作为芯片根基的材料，国内公司的市占率极低。第二，半导体设备方面，芯片产出的任何一个环节，没有半导体设备的支撑，都难以完成芯片的交付，但目前国产率在全球市场中的占比中较低。第三，被誉为“芯片之母”的EDA领域，国产方面仍然受制于人。
半导体材料是芯片行业的根基，芯片制造没有原材料，就好比“巧妇难为无米之炊”。目前，国产半导体材料整体还相对薄弱，在品类丰富度和竞争力处于劣势地位，2023年国内半导体材料国产化率仅15%左右。未来几年，国家政策和基金开始向材料侧倾斜，国产半导体材料厂商也迎来了机遇和挑战。
再来谈一谈半导体设备。除了光刻机，半导体领域还有很多关键设备。比如：自动测试设备、刻蚀机、离子注入机等，这些都是芯片产业链条里的关键环节。
目前，全球半导体测试机主要市场仍被美国的泰瑞达、日本的爱德万两大海外龙头占据，国产化依然有着很大的增长空间。
刻蚀机也是非常重要的装备。随着半导体制程的微缩和结构的复杂化，半导体刻蚀设备的种类和技术难度递增。但目前刻蚀设备领域长期由海外龙头垄断。
除了集众多高精尖技术的光刻机，我国已经开始加速其他半导体设备国产替代化的进程，但目前国内依然无法做到先进工艺的全流程国产化。在成熟工艺的市场上，我国半导体的自给率目前大约在20%左右，依然有巨大的替代空间。
最后是EDA，EDA被誉为“芯片设计之母”。从2018年到2020年，国产EDA工具在国内市场的销售份额分别为6.2%、8.3%、11.5%。尽管规模依然很小，但市场占有率稳中有升。EDA的发展周期长、难度大，虽然罗马不是一日建成的，但如果假以时日，相信国产EDA一定会稳定发展。
读+：为什么说未来的竞争是科技的竞争，更准确地说，是芯片的竞争？
王健：从社会的角度看，科技的发展提高了生产效率，减少了人力和物力的浪费，促进了社会的发展。从经济的角度看，科技创新带动了相关产业链的发展，创造了更多的就业机会和经济增长点，许多国家的经济增长都离不开科技的贡献。
从国际的竞争格局来看，在每一次科技革命中率先拔得头筹的国家将在未来很长一段时间引领世界的发展。立足当下，着眼未来，第四次科技革命的制高点依然是各个科技大国竞相追逐的目标。
以时下备受关注的人工智能为例，AI大模型引爆了2023年的科技领域，利用AI进行创作，让每一个普通人的想法都得到了天马行空般的实现。但AI大模型的训练需要大量的GPU或者AI芯片，这也让高性能的GPU/AI芯片曾一度成了紧俏货。
无论是过去的30年，还是未来的30年，芯片都是科技发展的决定性因素，而《芯片战争》的作者也把芯片的竞争称为 “世界最关键技术的争夺战”。
读+：芯片设计之难，到底难在哪里？
王健：对这个问题，一千个芯片设计工程师可能有一千种不同的感受吧。从宏观层面来看，我认为可以归结为以下几点。
难点之一在于设计具有竞争力的高性能芯片。以个人计算机中的CPU为例，其全球市场几乎被AMD和英特尔瓜分。在消费电子领域，高性能就是绝对的竞争力，这在AMD和英特尔几十年的竞争历史上得到了完美的证明。
AMD和英特尔之间的竞争如“神仙打架”一般，鲜有第三家公司能挤进这个领域。这是因为AMD和英特尔拥有最优秀的架构师，架构设计思想经过多年的市场验证及迭代，始终走在领域的最前沿。
难点之二在于为芯片设计新功能。业内的多数芯片都有着成熟的设计方案，并且新产品都是基于上一代项目的迭代而诞生的，芯片设计过程相对容易。如果为了解决一个新的问题或者适应新的使用场景，从头开始设计一款芯片，那么难度会直线上升。首先要考虑如何设计架构，实现新的功能；其次要考虑如何用硬件描述语言实现架构师的想法，以及如何在有限的硬件资源条件下尽可能提高性能。这些问题都非常考验工程师的技术实力。
难点之三在于验证。事实上，验证工程师承受着非常大的压力，因为面对功能复杂的芯片，保证覆盖率达标是一件非常困难的事情。在流片之后，如果芯片没有成功点亮，验证工程师也会挺身而出，与硅后工程师一起完成芯片的调试工作。在实际的芯片项目中，找到芯片设计中一个相对隐晦的错误并不容易。
难点之四在于可测性设计和测试。在可测性设计中，业界通常要求固定型故障的测试覆盖率要达到99%或者99.5%，甚至更高。在超大规模的芯片中，逻辑设计极为复杂，逻辑深度大，很多电路难以被控制和观测，尽管有EDA工具作为辅助，但要达到目标并不容易。
芯片行业需要工匠精神
读+：通过您的著作，我们了解到，了不起的不仅是芯片，更是各位设计与制造芯片的工程师。他们具备着“芯片行业的工匠精神”。要成为一名优秀的芯片工程师，需要具备怎样的品质？
王健：我尝试总结一下：对技术执着、对行业热爱、对工作负责。
首先，芯片行业是有一定门槛的，它是一个技术密集型行业。任何时候，合格的技术能力是在这个行业站稳脚跟的唯一硬解。
其次，芯片是一个学科交叉型的行业，对人才的复合技术能力要求较高，不仅仅要懂电路，还要求会写代码，高性能芯片的设计和制造是需要抠细节的，如果没有对技术的偏执劲儿，是难以设计有竞争力的芯片的。想从事这个行业的朋友，至少是要有一些热血的，或者说要保持乐观，只有我们从业者抱着积极的态度，才能建设好国内的芯片行业。
第三点是对工作负责、重视承诺。芯片设计是一个需要多方合作的工作，一款超大规模的芯片包含上百亿个晶体管、十几个IP，需要成百上千个工程师共同努力来完成。即便是一款小规模的芯片，也需要十几个工程师进行合作。合作的过程中需要互相依赖，答应其他工程师的事情要保质保量完成，承诺的交付时间不能逾期，否则会影响整个项目的进度。信守承诺的工程师会在一家公司中或者在业内慢慢积累起个人信誉与口碑，这与技术能力同样重要。
工匠精神中踏实专注、钻研技艺的精神内核，放在芯片设计及制造领域再合适不过了。芯片的大小在方寸之间，但对工程师来说，芯片就是他们的整个世界。
读+：科学技术人员如何在竞争中不断学习，在各方面构建核心竞争力？
王健：关于构建核心竞争力的方法学很多，这里我简单谈谈容易被忽略的几点。
第一是注重自己精力的合理分配。科学技术人员从事的是非常消耗脑力的工作，适当的转移注意力，多锻炼身体，可有效地缓解职业的倦怠感。这个社会一直在告诉我们要努力，但如果不能体验人生的多姿多彩，努力也会变得黯淡无光。
第二是保持一颗好奇心。科学技术人员一直在拓宽我们对这个世界的认知边界，好奇心则是我们持续学习，解决问题的原动力。我接触过很多优秀的前辈，在他们身上最能体现他们并未老去的就是那颗珍贵的好奇心。我也建议各位多参加行业论坛，多读一些感兴趣的论文，去看看那些最聪明的大脑里都有哪些新奇的观点和想法。
第三是设计自己的习惯。好的习惯让我们做事更加高效。这里我推荐詹姆斯·克利尔的《掌控习惯》，这本书分析了习惯形成的底层逻辑，可以让我们轻松地戒除坏习惯，形成适合自己的好习惯。
有“芯”之人，有趣之人
芯片工程师王健会把自己的一天分成若干个板块，从最有效的睡眠周期中醒来，学习、用餐、运动、再学习、写作……如同运转精密仪器一样，使自己效率最大化。在我采访的一些专家身上，这样的生活方式不少见，他们的时间概念也浓缩在一枚无形的“芯片”中，镌刻着无形的自律以及规律。然而，在交书稿的过程中，王健还是有无所适从的时刻。日均码字两三千的目标不易完成，情绪是难以捉摸和控制的东西。他试过使用AI，但它无法“表达出想要的情感”。王健的理想之一是成为一名作家。要实现这个理想，计划的生活方式与难以掌控的情绪表达之间，需要有效的平衡。芯片之难，有时难在攻克技术瓶颈，有时难在情感喷薄的调节。我们可以将时间和获得以精致的方式来计算、加工，却很难将流动的感性思维量化——思考一下，如何做一个性能稳定的有“芯”之人，同时做一个有情绪价值的可爱之人，这才是难但有趣的事。
（长江日报记者马梦娅）
【编辑：商佩】