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为什么我们造得好原子弹,却造不好芯片?

日期:2021/4/10 10:52:50
摘要:芯片是世界上最难掌握的核心技术之一,也是衡量一个国家科技实力的重要标准之一。就目前而言,中国在芯片的研究和生产领域跟其他国家比有着巨大的差距。现如今的华为只是攻克了芯片的设计问题,关于芯片制造的方法还不成熟。

抗美援朝战争结束后,曾经立下赫赫战功的冯石将军接到中央委派的使命,带着一支英雄部队挺进戈壁滩。与此同时,从美国归来的科学家陆光达匆匆与妻子告别,各科研机构、各重点大学也挑选大批优秀人才,奔赴西北荒漠。

他们即将在那里完成一项震惊世界的使命——建造原子弹发射基地。

苏联专家撤走,科技手段落后,物质极度匮乏,三年自然灾害,一件件难以想象的困难压在那时候中国人的头上。白手起家,艰苦创业,在内无经验外断支援的艰苦条件下,一群怀着崇高理想的无名男儿朝着共同的目标奋勇前进。

1990年,电影《横空出世》汇聚了一大批知名演员,故事讲述得凌厉而壮观,看罢让人荡气回肠。

在网络上,有很多人发出这样的疑问,中国人自己造芯片,复制出一台光刻机,难道比当年造原子弹还要难吗?

中国芯片产业为何落后?

芯片是世界上最难掌握的核心技术之一,也是衡量一个国家科技实力的重要标准之一。就目前而言,中国在芯片的研究和生产领域跟其他国家比有着巨大的差距。现如今的华为只是攻克了芯片的设计问题,关于芯片制造的方法还不成熟。

有专家认为,中国的芯片制造技术,相比与美国来说至少落后了20年。目前中芯国际作为国内最顶端的制造厂,一直以来只能生产28nm的芯片,而且精度不高,再加上由于受到光刻机的限制,今年才刚完成了14nm芯片的量产。

为什么中国芯片产业那么落后呢?任正非曾表达过这样的观点:

“修桥和修房子已经是常态,只要有钱就可以,但芯片这东西不行,要有数学家、化学家、物理学家才可以,中国只有在这些方面下功夫,才能让中国芯片在国际上拥有一席之地。”

也就说,芯片生产是事关一套漫长而且复杂的产业链条。中国在基础链条上的薄弱,就意味着需要有太多太多的领域需要很长的时间实现重大的技术突破。

打个比方说,生产芯片如果是开一家饭店,就中国目前的水平来说,还得学会自己生产桌椅板凳,锅碗瓢盆。

芯片生产大致分芯片设计、芯片制造、芯片封测三大环节。芯片设计的工具,用的是国外的EDA软件,就连中国最好的芯片设计公司华为海思,也只是刚刚开始“去美国化”。目前台积电是全球最大最好的芯片制造厂商,已经实现5纳米工艺制式的量产。

这个行业不但烧钱,而且周期长,技术更新快,你刚研发出来,别人已经开始打价格战。这意味着,前期要不断砸钱,还见不到水花。对民营资本而言,这是无法承受之痛。

第一,生产芯片的光刻机中国目前还产不了。

第二,即使有了光刻机,封装芯片的代工厂还要找外部企业(台积电总部及核心技术都在台湾,主要股份在荷兰公司和台“行政院”,所以统一前还不能认为是中国企业)

第三,芯片架构的知识产权都不在中国公司手中。

从市场的角度来看,国内芯片公司造芯片,就好像汽车零件厂商造出一个世界领先的零件,却无人采购。

不是零件不能用,而是汽车制造时,零件参数都是照抄国外的。企业也不知道零件参数为什么设置成这样,一旦换了新零件,害怕出现难以预料的问题,这正是大部分中国芯片企业的困境。

芯片行业,向来赢家通吃。通常是,老大吃好、老二吃饱,老三、老四可能生死难料。

大厂之间,尚且赢家通吃,小厂的生存窘境可想而知。中国1380家芯片设计企业中,80%以上企业年营收少于1亿。虽然这类企业的整体营收增速达到13.4%,但因为中国晶圆厂的代工产能无法满足芯片设计高涨的需求,导致缺口一直在扩大。

虽然海思冲进了全球前10,但也只是第10;芯片代工上,因为受制于光刻机,只能在14nm做文章,而台积电和三星已向5nm进发。芯片的战争,从中国寻求自立的开始,就注定是一场持久战。

芯片为什么难产

技术研发有三条铁则:研发就是烧钱烧时间,这是根本;有需求或者认为有需求才会投入研发,这是动机;研发第一步必然是探究已有的同类技术,俗称山寨。

把任何一种技术不断拆解,大概就分为这么几个方面:设计、材料、生产设备,而设备本身也可以归结为设计和材料,所以归根结底,技术能力可以笼统地理解为材料能力加设计能力。

如果把全世界所有技术的堆成一个金字塔,除了塔尖那一点之外,中国几乎可以掌握超过80%以上的技术,尤其在某些大需求大投入的领域更是不在话下。

但是,金字塔尖的那部分技术,就比较复杂,因为那些技术没法山寨,需要花费大量时间做研究,从材料到工艺,关系到整个的基础水平。

需要大量时间才能熬出来的技术,只能慢慢去追赶。在工艺材料这一关,很难突破。比如说,作为“工业之母”的高端机床,中国基本和国足一个水平,只能仰望日本德国瑞士。最大的限制就是材料,高速加工时,主轴和轴承摩擦产生热变形导致主轴抬升和倾斜,刀具磨损导致的误差,等等,所以加工精度极高的活,我们还是望“洋”兴叹。

做芯片的原材料是高纯度硅。

用于太阳能发电的高纯硅要求99.9999%,全世界超过一半是中国产的。但是,芯片用的电子级高纯硅要求99.999999999%(11个9),几乎全赖进口,直到2018年江苏的鑫华公司才实现量产,只是目前产量少的可怜,还不及进口的一个零头。

把70亿个晶体管在指甲盖大小的地方组成电路,其难度可想而知!一个路口红绿灯设置不合理,就可能导致大片堵车。电子在芯片上跑来跑去,稍微有个结点出问题,电子同样会堵车。所以芯片的设计异常重要,重要到了和材料技术相提并论的地步。

七十年代,英特尔率先想出了一个好办法:X86架构。这架构虽然能耗高、体积大,但性能优越,几乎垄断了电脑芯片市场,成就了如日中天的英特尔。

打个比方说,英特尔提出造汽车用4个轮子,以后其他人想造4个轮子的汽车,就得先付授权费。随后英国ARM公司提出了2个轮子的汽车方案:ARM架构。

ARM架构虽然省电小巧,但性能实在有点寒碜,一直被英特尔摁着打。进入21世纪,智能手机横空出世,芯片的能耗和体积一下成了关注点,于是ARM架构一飞中天,几乎垄断了手机芯片行业。

X86架构,能耗高、体积大、性能强。ARM架构,能耗低、体积小、性能弱。于是,一个占了电脑,一个占了手机,直到今天,仍是主流设计方案。

设计出汽车用几个轮子,距离造出汽车还差得很远。有了基本架构,后面的设计依然是漫漫长征路,还得要有好工具,就是EDA软件。美国的三家公司,几乎垄断了全球EDA市场。

虽然借助EDA软件的仿真功能可以判断电路设计是否靠谱,但要真正验证这种精巧线路的靠谱程度,只有一种办法,那就是:实践使用!广泛的使用!长久的使用!正因为如此,芯片设计不光要烧钱,也需要烧时间,属于试错周期较长的核心技术。

随着芯片越来越复杂,设计与制造就分开了,有些公司只设计,成了纯粹的芯片设计公司。比如美国的高通、博通、AMD,中国台湾的联发科,大陆的华为海思、展讯等。

高通是最牛的,世界上一半手机装的是高通芯片,AMD和英特尔基本把电脑芯片包场了。

华为的芯片之“根战争”

量子学派推送的一篇文章认为,美国对中国是打的一场“根的战争”。所谓的根的战争,就是关于核心的战争,就是可以釜底抽薪,一劳永逸的战争。

就算你全球出货量全球第一,一年不到就有可能被掐住命运咽喉。这就是技术之根的力量,它掌握着最终命脉。

商业企业谁不想赚钱?但没有一家可以离开美国的原生技术,一些国外的企业(包括台积电)断供华为虽然损失了一个重要客户,但如果违背美国的规定遭受的可是灭顶之灾。

即使是台积电这样TOP1的全球芯片制造龙头,基础材料依然来自于美国AMAT、LAM公司,同样操控于美国之手。

最近一个多月以来,华为的每一个动作都引起广泛关注。

从最早猜测华为将自建晶圆厂转型IDM模式起,到后来网上热传华为招聘光刻机工艺工程师,再到华为“疯狂挖人”,还有“松山湖会战”、“南泥湾项目”,一直到刷屏的“塔山计划”,所有的线索都指向了最初的猜测——华为将自建非美技术芯片生产线。

所谓的塔山计划,是指华为预计在年内建设完成一条“完全没有美国技术”的45nm的芯片生产线,以应对当前国际形势下,台积电等芯片代工厂无法为华为代工生产芯片的困境。

华为与相关合作伙伴还在探索建立28nm的自主技术芯片生产线。具体的合作伙伴包括上海微电子、沈阳芯源(芯源微)等等国内等数十家企业。

虽然45nm与台积电的5nm工艺制程相差了多少代,但是,简单的“去美国化”四个字就需要付出极大的努力去克服。

无论哪个类别的芯片,华为都需要高端的东西,毕竟手机用户,服务器用户是要看配置,看性价比。45nm产线似乎满足不了,或者只能满足华为极小一部分的产品需求。

但是,这也只能是没有办法的办法,而且难度巨大。

45nm的光刻机可以买日本尼康的,但是这台光刻机里也有美国的零部件。假如说为了华为定制专属机器,那也需要进行长期验证和测试,将耗费大量时间。产线设备上百种,如果做一个从底层就隔离美国技术的承诺,不要说金钱成本,时间成本上根本负担不起。

“这东西就像飞机发动机一样,换掉某种材料,或者减少一些零部件,这样的飞机你敢坐吗?半导体生产设备也是如此,一旦买了不能用,就变成了废品。”

“塔山计划”被部分海思员工澄清,但华为现在所面临的大环境,不得不逼迫其加快自主可控的步伐,而打破封锁最有效的方式就是拥有自己的芯片生产线。就算华为目前可以购买联发科的芯片,但如果美国真狠了心,同样可以以施加压力的方式阻止其购买,要化被动为主动,除了打造自己的生产线没有别的路可以走。

从命名方式来看,无论是“松山湖”、“南泥湾”、还是“塔山”,总有一种实现自给自足、艰苦奋斗、啃硬骨头的革命精神。

据称,“塔山计划”目标很明确,但要突破的点很多(主要的难题是要完全的去美国化),包括EDA设计软件、材料的生产制造、半导体制造、芯片封测在内的半导体产业链关键环节。

高纯度的单晶硅被日本信越垄断,半导体设备被美国应用材料垄断,先进光刻机被阿斯麦垄断,还有光刻胶、刻蚀机、EDA软件等关键技术和国外都有差距。

从信息化百人会余承东的表态来看,华为整合国内厂商,准备建芯片生产线毋庸置疑,不仅在搞,而且是花大力气在搞。

半导体材料权威专家莫大康认为,“如果用纯国内设备0.13微米8英寸(大陆现在已经拥有37座晶圆厂,所处理的晶圆直径从4英寸到12英寸。除了6英寸和8英寸工厂大量涌现之外,中芯国际已经在北京建成了12英寸晶圆厂。在制造工艺方面,大陆企业已经普遍使用0.18微米到0.13微米。)是行得通的,美国对此没有办法,但即便8英寸的生产线,也需要中国有效突破,不然连不成线。”

在8英寸及下列生产线中,主要设备以翻新的二手设备为主,而中国支持能力也较强,选用翻新加国内设备配套设施是理想方案,比如青岛芯恩用的就是自主翻新二手设备的方式,通过聘用日本、韩国等有经验的设备维护管理工程师,带领中国工程师,自己购置二手设备,自己开展翻新。”

据中芯国际创始人张汝京称,在翻新二手设备上,通过有经验的高手带领年轻人成长,可塑造中国青年的设备维护管理工程师,除此之外,通过二手设备翻新,还能够避开禁运风险。

也就是说,华为投资一条非美8英寸生产线是完全行得通的,130纳米是目前规避美国技术之后能够立即实现的真实水平,这与45纳米还有很大差距。虽然,目前中芯国际有14纳米的生产线,上海微电子能生产90纳米的光刻机,但问题在于中芯用到了美国技术不能代工,上海微电子同样也需要美国的供货,所以只能自己突破。

总之,客观上讲,建成一条完全排除美国技术自主45纳米芯片的生产线有很大的困难,但是,毕竟有很多企业在朝这个方向努力,加快了整个国产替代的进程。、

了解一颗芯片的诞生,可查看直播回放:

以举国之力打赢“中国芯”

中国的优势向来是“举国体制”。举一国之力,来突破一件大事。

芯片生产不仅仅关系到电脑、手机生产,不仅事关华为一家企业。几乎在今天所有需要利用电子计算的任何领域,都需要芯片的生产和设计,大到火箭的发射,小到汽车驾驶,更不用说未来的人工智能。

从现在到未来,芯片的设计和生产,关乎的是一个国家的基础科技水平,是命根子战略,命根子工程。

2014年,已经沉寂多时的中国半导体行业,空气突然炙热起来,精通时事的人第一时间在小圈子里传递着消息:大钱就要来了。

2013年,十几位院士联合上书,要求国家重新捡起对半导体的支持。这项提议得到了最高领导的积极回复。到了2014年9月份,规模达千亿的国家集成电路产业基金挂牌成立,由财政部和国家开发银行等实力单位出资,在接下来的三年中,它将彻底改变中国乃至全球半导体行业的生态。

国家集成电路产业投资基金(简称“大基金”)成立,重点投资集成电路芯片制造业,兼顾芯片设计、封装测试、设备和材料等产业,涵盖了IC产业上、下游。公开资料显示,大基金在制造、设计、封测、设备材料等产业链各环节投资比重,分别为63%、20%、10%、7%。

国家大基金采取了跟往常不同的投资方式:一,寻找行业内好公司进行重点扶持,尤其是前三名的龙头,都有机会获得国家资金。二,股权投资的方式,一般不干预生产经营,保证企业的独立发展。

这种“广撒网”式的股权投资方式,还没有走到验证成果的最后阶段。但中国半导体行业这么多年下来,成功的经验很多,失败的经验更多,总结起来无非就是一句话:如何调和资金、人才和机制之间的关系。

中国芯片行业已经拥有了走向成功的众多因素:无数从海外回流的顶级人才(如梁孟松),不断壮大的国产工程师队伍,卓越民企等树立的标杆机制,国家充沛且持续的资金支持。

大基金出现后,国内芯片公司掀起集体上市潮,且上市之路都一路绿灯。这基本坐实了中国在芯片领域全方位、全生态布局的基本思路。也通过现实证明了未雨绸缪非常有必要。

截止2020年5月,大量跟芯片有关的企业,市值纷纷突破千亿。它们在各自的领域,以领头羊的身份引领着中国芯片产业崛起。基于中国在5G、AI、物联网等“新基建”的全面带动,中国的芯片市场将迎来一轮爆发,并推动中国芯片生态的整体进步。

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