吕乃基，系统科学学报，2024年第一期。引用请注明出处。

拙文系业外人士跨界习作，敬请业内人士指教，幸勿拍砖。

摘  要：经过认识和改造过的自然是“真正的人类学上的自然界”，芯片（芯片业）在“人类学的自然界”中起到特别重要的基础作用。

从人工自然的生态来看，半导体产业链有三个特征。其一，多方面同时并进相互交叉，不像是“链”，不存在明显的0-1与1-100这样的“纵向”关系，而是一个综合体。其二，芯片业与其他行业的关系，主要是作为硬件的芯片与各色软件的关系，可以由安迪-比尔定律来理解。其三，知识前沿、密集、集成，以及资本密集，需长期积累。从人类社会三大支柱视角来看，材料、能源、信息三合一，软硬（科技）兼施，合于芯片。

人与芯片双向选择，在更广的视野，是人类与人工自然的双向选择。人类只有一个地球，但可能在不同时期会面对一个或多个互相竞争的“人类学的自然界”。芯片是各个产业0-1-100共同之“1”，是人类“本质力量”合作之舞台，同时也是未来“奇点人”的细胞。

原始、未经人类触动的自然界是动植物赖以生存繁衍的自然界。人类降生后，逐步由直接依赖自然界，转为更多地依赖驯养的动植物，人所创造的各种工具和机器，依赖蒸汽机、内燃机和电机。如果说自然界是动物的生存基础，那么自然界再加上人工自然（界）就是人类的生存基础。说到底,只有经过认识和改造过的自然（本文主要讨论后者）——人工自然才是“真正的人类学上的自然界”(马克思)。经过漫长的岁月，两次工业革命，特别是近年来的发展，“人类学的自然界”已是蔚为大观。

人有“三大关系”，分别是与自然、他人和自我的关系（梁漱溟）。随着人类社会的发展，工具、机器等越来越重要，于是或者把人与自然的关系扩展为包括人工自然在内的“人与物”的关系，或者另辟第四大关系：人与人工自然的关系。无论何种划分，都彰显人工自然对于人类的极端重要性。

人工自然的“人类学”意义主要在于三个方面。其一，在生产和制造的供给侧注入人的因素，包括动机、价值观、知识、资本、人的劳动，以及制度等，质言之，即“人的本质力量的对象化”。其二，在需求侧，将人（消费主要是个人行为）的活动建立在人工自然的基础上。也就是通过自主选择，将自然界的规律和他人对此的认识和实践，内化为自己的本质力量。近年来，出现供给侧与需求侧互易、融合的趋势。其三，人类社会生产和消费人工自然，同时又在围绕人工自然的生产和消费中，各种社会组织得以运行。

芯片（后文如不特别注明，也指芯片业）在“人类学的自然界”中起到特别重要的基础作用。芯片是科技黑箱中的黑箱，无法拆卸，无法修改，无法条分缕析还原到枝末细节，无法山寨；只能更换和升级换代。

一、人工自然生态的视角

如同自然界的生态，人工自然彼此间也形成某种相互依存或对抗的生态关系。

芯片，也具有自己的“生态”。

1.不一样的产业——从“安迪-比尔定律”说起

从空间上看，国方资本行业合伙人王磊认为，芯片作为基础是横向的底层技术，应用于彼此有所不同的由众多环节（如1-100）构成纵向的各行各业。如果有什么产业如今还没用到芯片，那是因为该产业尚未成熟，尚未形成相对稳定的运行程序；正如马克思论及数学在科学中的地位和作用一样。

如果说及芯片自身的产业链，那么主要是芯片设计、晶圆制造，以及芯片封装测试等。与其他行业的产业链相比，半导体产业链有三个特征，其一，多方面同时并进相互交叉，不像其他产业那样具有明显的前后相继的线性和单向的依赖关系，材料、设备、EDA和知识产权核等齐步推进，各擅胜场。半导体产业不像是“链”，而是一个综合体，其本身不存在明显的0-1与1-100这样的“纵向”关系。

其二，作为硬件的芯片与和层出不穷的各色软件的关系，简单说，也就是安迪-比尔定律（Andy and Bill's Law）。实际上不是半导体产业链本身的特征，而是芯片业与所有其他行业的关系中最重要的关系。芯片是软件的载体，软件赋予芯片生命。

安迪-比尔定律的原话是“比尔要拿走安迪所给的（What Andy gives, Bill takes away.”安迪，英特尔公司已故CEO安迪·格鲁夫；比尔，即微软的比尔·盖茨。如果说安迪是硬件制造的代表，那比尔无疑是软件制造的代表。比尔，以及其他软件开发商（含游戏）制造的软件，会不断地“吃掉”安迪们所提升的硬件性能。很多新的软件在旧款机（手机、电脑……）上根本就跑不动。一旦有更高制程芯片问世，以前想都不敢想的应用软件就会蜂拥而至。

安迪-比尔定律把本来属于耐用消费品的硬件设备活生生变成了消耗型商品，从而“促逼”整个 IT 产业的增长。由此形成的周期是：微软等软件开发商消化掉硬件提升带来的好处，迫使用户更新机器，让硬件厂商受益，再将新利润投入研发，按照摩尔定律预定的速度，提升硬件性能，为微软下一步更新软件、吃掉硬件所提升的性能做准备。

从消费互联网到产业互联网，以及从电脑、手机到智能汽车各种终端的演化更新，各行各业持续不断且越来越快地推出形形色色的软件，促使，实际上是迫使芯片升级换代；芯片作为软件存储和运行的基础，一次次翻番，存储更多，运行更快，以满足各行各业发展的需要。

令人惊讶的是，五十多年来人们总能突破极限，摩尔定律持续有效。而且这种进展十分稳定，几乎没有加速、下降或者停顿。战争与和平、繁荣与衰退，似乎对摩尔定律都没有影响，乃至于被历史学家称为“现代世界的节拍器”。

不同于往日一二三产产业链的1-100，相对来说节点之间呈现线性和可以替代；在芯片和芯片业的基础上，软硬结合，互相促进，各种软件彼此兼容难以替代，形成“人类学自然界”中独特的生态型的产业关系。各环节之间的耦合性强，一旦一个操作系统在市场上领先于竞争对手，那在生态链中的下家就会越来越多，进而在该操作系统下可用的软件也会越来越多，相互帮衬锁定，在一定程度上形成对外的生态壁垒，比如微软的 Windows 系统几乎已是不可撼动。

在这些产业链，在软件生态的底部，是芯片和芯片业。此即王磊所说之“横向”及其扩展。这是从空间上看。

从时间上看，在芯片问世后的数十年间，芯片中已经存储了包括巨量的知识和资本在内的社会资源。领先一步，招招领先；领先了那么多步，自然形成对于众多下游产业的巨大势差。这样的先发优势形成的时空壁垒，足以对所有后续行业和整个社会产生重大影响。

其三，知识前沿、密集、集成，以及资本密集。芯片被誉为人类智慧皇冠上的宝珠，关系到量子力学、量子化学、数学、认知科学、纳米技术、信息技术、人工智能等前沿领域，集中体现在芯片这一“方寸之间”（三体），以及设计、制造、封装测试的过程中，这些知识互相依赖、耦合，科学和技术浑然一体。知识的背后是知识产权、个人、各色机构，直至国家的制度安排和相互关系。一块小小的芯片，既存储和运行各种软件，也测试人际的契约和信任关系，故而“深不可测”。

伦纳德·里德在《铅笔的故事》中讲述了一支仅含木头、油漆、标签、金属片和橡皮的铅笔，是在世界不同角落的各行各业生产者合作之下被生产出来的。这就是人的本质力量的对象化。简单似铅笔亦然如此，复杂如芯片尤甚。根据埃森哲的分析，半导体价值链上的每个环节，平均有25个国家直接参与供应链的运作，23个国家提供市场支持，半导体产品在到达终端用户手中前，会在各国之间辗转超过70次。

芯片技术的不断进步使得制造成本与研发投入大大增大，由科学推向技术或技术回溯科学的难度也越来越大。从一项新技术方法在一篇研究论文中被引入，到大规模商业制造，预计平均需10-15年的时间。例如，极紫外线（EUV）技术是最先进的半导体制造节点的基础，从早期的概念演示到在晶圆厂的商业实现，花了近40年的时间。晶圆厂也不是一朝一夕就能建立起来，扩增产能往往需要至少两年才能正式投产。中芯国际的高管认为，集成电路制造行业不存在弯道超车和跳跃式前进。

2.弯道超车？

芯片业近日的亮点之一是，小芯片和先进封装的发展形式异军突起，与传统芯片制造和设计的一大区别是，采用异构形式，制造不同架构的芯片。有业内人士认为，此即弯道超车，虽然中芯国际的高管不这么认为。

中国首个原生小芯片技术标准日前正式发布，表明国内芯片产业开始出现统一的技术，可以促进产业的规范和快速发展，有可能发展成为以后的行业标准，有助于打造国内芯片产业的软件和硬件生态。中国拥有世界上最大的芯片市场，因此国外厂商将会陆续适配小芯片标准，加入并推进由此形成的生态。

小芯片技术将可能是未来芯片产业的一个方向，是芯片产业从同构走向异构的必经之路，也会是今后芯片巨头之间竞争的关键地带。

以往的芯片是同构芯片，芯片性能的提升非常依赖制造工艺，制造工艺越先进，就可以集成更多的晶体管，用同样空间内增加晶体管数量，来换取芯片性能的提升。由于台积电在7纳米开始便掌握了先进工艺的主动权，以及制造此类先进工艺的芯片所需要的光刻机，只有ASML可以提供，所以台积电和ASML开始成为行业“明星”，继续按摩尔定律发展。然而，在某种意义上，单纯依赖先进工艺有线性思维之嫌，非唯一，或许亦非最佳之途。ASML高层也表示，光刻技术似乎已经走到了尽头。

小芯片的技术标准，不是依靠晶体管的数量来提升芯片性能，而是依靠异构的优势，用不同架构的小芯片，最终利用先进封装技术，形成一颗“大芯片”。

利用小芯片技术，将“大芯片”中的很多功能“模块”设计成由一个个独立的小芯片来完成，它们可以分别采用不同的架构和制造工艺，而不是像“模块”那样都要采用相同的架构和制造工艺。

针对不同的“模块”所具备的功能，可以有针对性的采用更适合的架构，再采用不同的工艺，往往并不都需要采用先进工艺，可以大幅降低成本，同时因为架构的原因，性能上依然强劲。相对于按摩尔定律的线性发展而言，小芯片技术另辟蹊径，走的是灵活多样的非线性发展道路。虽然如此，能否算得上是，以及能否“弯道超车”，尚有待观察。

反过来看台积电同构“大芯片”的“弱点”。虽然3纳米工艺的晶体管密度比5纳米提升了70%，但实际上的性能提升只有10%到15%。关键是3纳米工艺下的SARM的密度，只比5纳米提升了约5%。SRAM是静态随机存储器，是芯片中的高速缓存。缓存的大小其实更能决定一颗芯片的性能。性能的提升幅度，与成本已经严重不成正比。

对于苹果、三星等手机巨头来说，供应商清一色的同款芯片，已无法满足他们性能升级、产品差异化、生态壁垒等的需求。 

高制程芯片也有弱点，如抗干扰能力差等，这些问题出现在手机中不一定出大错，可若是出现在军事设备中，极有可能造成无法挽回的损失。发挥稳定、在极端情况下不掉链子更重要，所以制程略低、性能过硬的芯片成为各国军事领域的首选。

另有报道称，未来整个晶体管可能被预制为一个分子（molecule）。通过定向自组装 (DSA：directed-self-assembly) 的制程被带到在芯片中的精确位置。可以联想到 COVID 病毒如何使用其尖峰来寻找并化学停靠在特定人类细胞表面的确切位置。 

一个可能引发的问题是，在越来越高的统一制程硬件基础上开发的软件可以彼此兼容，在众多异构和个性化硬件基础上开发的软件，是否需要，以及如何做到相互兼容？

芯片为各色软件提供了用武之地，反过来，其本身的设计又需要软件的支撑（不是上文提及的“促逼”关系）。专用软件EDA (Electronic Design Automation) 专用来辅助芯片设计。在 EDA 诞生之前，芯片远没有现在这么精细复杂，设计芯片靠手绘或一些基础设备就可以完成。

现在不一样了。天数智芯物理设计经理郑长春表示：“芯片设计是一个非常复杂的流程，有的芯片集纳几百亿个晶体管，它的物理实现、功耗分析、物理验证等都只能依靠 EDA 工具。EDA 只有百亿美元市场规模，撬动的却是万亿美元规模的芯片市场，就像咽喉（脖子）一样，虽然很小，但能决定人的生死。”EDA处于芯片设计产业链的上游，“谁掌握了 EDA，谁就有了芯片领域的主导权”。

没有哪个厂商愿意使用一款盗版 EDA 软件来研发芯片（文献6）。对于 EDA 公司来说，想研发一款能挤进整个产业生态的软件，绝非易事。如果说芯片是“脖子”，那么EDA可以说是脖子的“脖子”。

魏少军认为，通过应用定义软件、软件定义芯片促成软硬件有机融合，是提高计算效率的可行路径。然而目前芯片已难以靠工艺进步实现高性能计算，AI呼唤新的芯片架构具有较高灵活性，考虑到硬件和软件两个部分，使硬件和软件形成比较有效的可编程性。智能计算芯片应有学习和成长能力，有算法和软件自主演进能力、架构动态变换能力、可编程性等，具备高能量效率和高计算效率，避免使用指令这类低效率架构。

https://mbd.baidu.com/newspage/data/landingsuper?rs=330599

二、人类社会三大支柱的视角

人类社会的“三大支柱”指材料、能量和信息。

1.工作机、动力机和控制学习机

所有的人工自然可以区分为三大类：工作机、动力机和控制学习机。有的人工自然是其中之一，如黄道婆的织布机是工作机，有的人工自然是其中的二或三项，如风车和数控机床。工作机干活，实现功能；动力机驱动；控制学习机实施过程中的控制和学习。工作机和控制学习机含收集和输出信息的传感机。在人类早期，人工自然主要只是由杠杆、斜面和轮子等组成的工作机，需要人力、畜力、风力和水力等推动，由人和简单的反馈过程控制。在两次工业革命中，工作机日益复杂，热机和电机充当动力机，自动化开始在各个领域的工作机和动力机上得到初步应用，如蒸汽机的离心调速器。从20世纪末至今，控制学习机的地位和作用越发重要。

在上述过程中，工作机所需之材料，从直接取自自然，如木材、石料到需要冶炼的铜铁等金属，到具有特殊性能的各种合成材料；动力机的材料包括其结构本身如锅炉、叶轮需要的材料，以及工质，如燃料电池和锂电池；控制学习机如电子管、晶体管和芯片的材料如金属、半导体，以及实施控制的工质，如电子、光等。上述种种无一不关系到对材料的认识和制备。材料，是工作机的躯体，动力机和能源的载体和工质本身，以及作为控制学习机的载体和工质。发展到智能阶段，控制学习机的重要性进一步凸现，各行各业都用到芯片，而且应用领域越来越深入。芯片，位于工作机、动力机和控制学习机的核心，是当代科技发展的前沿。应用定义软件、软件定义芯片。在此意义上，所有的压力都集中到芯片。

2.由材料、能量到信息

远古社会，人类的发展主要体现在材料上，石器时代、青铜时代、铁器时代，按材料分期，可见彼时材料之重要性。工业革命，虽然钢铁和人工合成材料等依然在进步，能量的作用跃居首位。社会的进步划分为蒸汽、电力和原子能时代，这是按能源分期。20世纪中叶，信息取能量的地位和作用而代之。社会的发展区分为信息、互联网和元宇宙时代，这是按信息和数据分期。人类在总体上沿材料、能量和信息三个阶段前行。然而在此过程中，往往忽略了之前阶段的重要性，特别是材料的基础性。

在材料时代，材料的重要性在于其本身，牢固、耐用、锋利和易加工等；到能量时代，加上了耐高温高压腐蚀和电磁等属性，同时要求工质可以更多储能和充放电，核聚变发电的“容器”至今尚未解决。在信息时代，要求可以用于存储和运算数据的载体。芯片是软件存储和运行的载体，其重要性如同大脑之于意识。

就芯片本身的材料而言，第一代半导体芯片以熟悉的硅为主要材料，广泛应用在手机、电脑和电视等领域。第二代半导体材料以砷化镓和锑化铟为主，多用于光纤和移动通讯等领域。第三代半导体的主要材料则是氮化镓和碳化硅，更适合制造耐高温、耐高压、耐大电流的高频大功率器件。目前这类材料主要应用在手机快速充电、新能源车和轨道交通等领域，以及广泛应用于5G基站、数据中心等场景，大幅降低整体能耗。

不同材料制成的芯片应用在不同领域，它们之间是共存关系，不是替代关系。

眼下，IBM的最新成果是：2nm芯片，计算速度快45%，能源效率高出75%，电池最高寿命提升4倍。后来者追赶的难度越来越大。

在人工智能的发展中，“脱碳入硅”的声音一再响起，或将从根本上改变信息乃至所有人工自然物的载体。与此同时，追赶的风险或不确定性也在增大。硅基芯片的制程工艺已经逼近物理极限。上世纪80年代提出柔性电子概念，试图用有机半导体替代硅等无机半导体，通过硅与碳的无缝无障碍结合，使有机电子器件具备柔性特点。

碳基纳米材料，特别是石墨烯和碳纳米管材料，被认为是最有希望取代硅从而延续摩尔定律的半导体材料之一，成为“脱碳入硅”潮流中的“逆行者”。碳基器件相比传统硅基器件具有 5～10倍的速度，可以实现 5nm以下的半导体技术节点，满足新型半导体芯片的发展需求。台积电将铋进行优化，转向新的0-1，开启新的技术路线。

很可能花那么多钱和时间、精力，把硅作为基材的芯片做到5纳米甚至2纳米时，猛然发现，基材变了，不再是硅为基础材料，而是某种“第n代半导体”。地基一旦更迭，在此基础上的技术路线不得不或多或少改变，甚至重起炉灶。

光的通信性能比电高三个数量级，超高速度、超强的并行性、超高带宽，所以可以传输更多信息。在集成电路上实现对发达国家的反超非常难，但是在集成光路上的差距相对较小。未来还有光子芯片，集成光路。在产业化方面，全球还处于起步孕育期，产业生态尚未形成，有可能为“后摩尔时代”提供巨大空间。

此外还有生物芯片，主要是生物电子芯片和生物分析芯片。前者用于生物计算机等生物电子产品的制造，目前在技术和应用上很不成熟；后者用于各种生物大分子、细胞、组织的操作以及生物化学反应的检测。一般情况下所指的生物芯片主要为生物分析芯片。光子芯片和生物芯片表明，如同前述动力机的工质，芯片业的发展，也需要考虑控制学习机的“工质”。

二十四岁MIT华裔科学家朱家迪领军在原子级晶体管研究上实现突破，引发芯片革命。采用气象沉淀逐层堆叠的生产工艺，不用光刻机就能生产一纳米甚至以下制成的芯片，将使计算机的大小和功耗都变得只有目前的千分之一。

更深远的改变是量子计算机和量子芯片。传统芯片基于硅打造，而量子芯片的工质不同，量子线路集成在碳基材料上实现信息处理和运算，工作原理大为不同，速度大增，制造过程也不需要光刻机，仅在概念和算法上借鉴原来的理论。

芯片所涉及的材料，不仅是硅片，而且还要有靶材、CMP抛光材料、光刻胶、湿电子化学品、电子特种气体，以及封装材料等，一个也不能少。半导体塑封材料，光刻胶，中国只能做中低端产品，高端的关键材料只有日本有。在日韩外交冲突中，亦可见光刻胶等材料的身影。

芯片的漏电、功耗和散热等问题关系到能量。研究人员预测每平方厘米 IC 产生的热量会达到核反应堆堆芯的热量。单一机器学习模型训练所产生的碳排放，相当于普通汽车寿命期内碳排放量的5倍。碳基器件相比传统硅基器件具有能耗优势，光子芯片的功耗只有电的千分之一。量子芯片同样功耗大降。

王阳元院士认为，今后集成电路的技术进步节点将不再唯一的以特征尺寸为标尺，而以提高系统的性能/功耗比为切入点，降低功耗成为重要指标。神经形态计算方案从生物大脑中汲取灵感来创建节能设计。虽然这些芯片在节能方面可以超过数字计算机，但它们缺乏运行大型深度神经网络所需的计算能力。制造这样的设备也很困难，因为目前的内存形式与处理器中的技术不兼容。

哈佛大学天体物理学家蔡森认为：诱发整个宇宙变迁的关键是能量，能量（借人之手）倾向于选择更善于利用密集能量的系统（芯片），并同时引发其他系统的灭亡；其遵从的规律，大致是广为人知的达尔文主义自然选择，而生物大脑的能率密度值稳居最高位。尽管从绝对数量上看，人类及人类社会的能量值远低于宇宙星系，但前者的能率密度却高出恒星和星系100 多万倍。

有必要进一步考察信息与其载体的关系。信息具有渗透性和共享性。渗透性意为，可以从任何事物中提取信息，或者反过来将信息输入到任何事物中去组织其物质和能量。共享性指不同的事物可以接受同种信息。

信息的渗透性与共享性意味着信息对于载体的超越。然而不能否认材料作为载体的基础地位。

信息时代的主角是信息，同时也对能源和材料提出更高要求：材料、能源、信息三合一，合于芯片。如果只见信息、互联网，不见或不重视能源和材料，那么信息和互联网只是“砂器”，一旦在能源和材料方面有风吹草动，砂器就会塌陷，信息时代也就成为一句空话。

针对虚拟现实技术和互联网等“软科技”，中科创星创始合伙人米磊提出“硬科技”。站在本文的角度来理解，所谓“硬科技”，其核心即材料技术和能源技术。没有硬科技的支撑，信息技术难为无米之炊。材料技术与能源技术，是人工自然生态的基础。越是底层，向上的涉及（控制）面越广。韩启德强烈主张把“物质科学”放在首位。

硬科技不是为了硬科技自己。材料、能源、信息，前者支撑后者，硬科技支撑软科技，软科技对硬科技提出更高要求。在更大的时空跨度，是为了包括气候在内的生态，不仅是材料和能源硬科技起作用，还需要软科技，需要信息技术。硬科技和软科技，两手都要硬。

在芯片的发展过程中存在人与芯片的双向选择，摩尔定律描述了一段时期内这种双向选择的路径。为了能存储更多的信息，运行更复杂的软件，一部分人，摩尔、安迪、比尔、乔布斯、张忠谋，现在的明星是黄仁勋，以及他们公司，将其本质力量对象化于芯片之中。更多人则在使用中接受芯片和软件运行所蕴含的内化过程。双向选择，既在供给侧，也在需求侧。在更广的视野，实际上是人类与人工自然的双向选择。

人类只有一个地球，但可能在不同时期会有一个或多个互相竞争的“人类学的自然界”。芯片是国民经济现在和看得见的未来所有产业0-1-100共同之“1”；是人类“本质力量”合作的舞台。集材料、能量和信息于一身，融科技、经济和制度为一体的芯片——之间的关系还将一再更迭——也将是未来“奇点人”的“细胞”的雏形。