芯片之困

劉植榮 彭天放

2020 年9 月15 日，美國阻止全球廠商向中國華為供應(yīng)芯片，華為面臨巨大生存困境。不只華為，過去一年多，美國為阻擊中國高科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展，屢屢對中興、華為、中芯國際“卡脖子”，中國芯片行業(yè)發(fā)展的不足被充分暴露。有人問，很早之前中國大陸便開始布局半導體產(chǎn)業(yè)，還從全球頂端企業(yè)不斷引進人才，華為也有高端芯片的設(shè)計能力，為什么差距依然如此之大？

這就要從芯片是個什么東西來說起。

信息時代的偉大發(fā)明

1947 年，美國貝爾實驗室3位科學家發(fā)明了鍺晶體三極管，電子世界進入半導體時代。1959年，美國德州儀器公司成功制造出世界上第一塊集成電路，即芯片。該集成電路就是在一塊鍺片上蝕刻出PNP 型晶體管（三極管）、電阻和電容，用外部導線把它們連接成電路。這塊簡陋的集成電路拉開了芯片產(chǎn)業(yè)的序幕，也把人類科技水平推向一個新的高峰。

芯片可謂20 世紀最偉大的發(fā)明，其他很多發(fā)明都建立在芯片的基礎(chǔ)上。手機、電腦、智能手表等智能設(shè)備有芯片，路由器、U 盤、儲存卡等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備有芯片，身份證、銀行卡、購物卡、消費卡等隨身證件也有芯片……如果誰發(fā)明一種代碼讓世界上所有的芯片失效，那人類生活將會停滯。

普通人看不到芯片“真身”，其小如人的頭皮屑，大的也就像人的指甲蓋。1959 年，一塊芯片上只有6 個晶體管，到2004 年，一塊芯片上便已經(jīng)有了上百億個晶體管。芯片運算速度不斷提高，正是得益于芯片的集成度越來越高。而芯片的集成度越高，上面的電子元件就越小，各電子元件之間的導線也就越短，電流通過時用的時間隨之縮短，能耗減少，處理速度加快。

而讓一塊芯片承載更多的晶體管，有三種方法，一是增加芯片面積，二是縮小晶體管體積，三是讓集成電路立體化。增大芯片面積一般不被考慮，因為這會增加能耗，降低芯片效率。現(xiàn)在，人們主要采取后兩種方法增加芯片上的晶體管數(shù)量。

芯片制造屬于微觀世界，上面的電子元件小到只有幾個原子或幾個分子大，要用更小的單位納米和埃來衡量。1 毫米等于1000微米，1 微米等于1000 納米，1納米等于10 埃。人的頭發(fā)直徑是7 萬納米，而用5 納米工藝制造芯片，就好比沿著一根頭發(fā)修建4.4萬條公路。縮小晶體管體積畢竟有極限，人們便考慮在一塊芯片上搭建多層集成電路來增加晶體管數(shù)量。這就好比是把平房變樓房，但集成電路的疊加可比蓋樓房復雜得多。樓房各層布局是相同的，而芯片各層電路是不同的，層與層之間的連接異常復雜。

制造芯片就像在一顆米粒上雕刻出一個完整的地球，而且要把地球上所有的道路和建筑都雕刻出來。道路就是芯片上的導線，建筑就是芯片上的電子元件。其難度之大不難想象。

中國芯片之困

最初中國芯片行業(yè)采取了“造不如買，買不如租”的發(fā)展思路，直到20 世紀90 年代，逐漸認識到芯片自主的重要性，才推出發(fā)展微電子產(chǎn)業(yè)的“909 工程”。自此，中國的芯片業(yè)和國際水平的差距逐漸縮小，特別是在封測和設(shè)計環(huán)節(jié)，中國可以說位居世界前列。但芯片行業(yè)三大環(huán)節(jié)除了封測和設(shè)計，還有制造。而制造的短板，也最終讓今天的中國芯片業(yè)受制于人。

中國臺灣的臺積電是芯片制造業(yè)當之無愧的龍頭，全球市占率高達50%，而大陸的中芯國際則只有5% 左右。作為中國大陸芯片制造的最高水平，中芯國際在2019年實現(xiàn)了14 納米制程的量產(chǎn)，而臺積電則已經(jīng)進入5 納米量產(chǎn)。

不僅如此，在制造環(huán)節(jié)，中國還嚴重依賴國外原材料和關(guān)鍵設(shè)備。

半導體材料很多， 但九成以上都選用硅，因為硅的熔點是1415 攝氏度，可在芯片加工中允許高溫工藝。能制造芯片的硅，需要極高的純度，我們把純度為99.99% 的金叫純金（4 個9），而制造芯片的硅的純度至少要達到11 個9，即每10 億個硅原子里的雜質(zhì)原子不得超過1 個，這一純度的硅1955 年美國貝爾實驗室就提煉出來了。為什么制造芯片的硅要求純度這么高？芯片上的電子元件非常微小，如果用5 納米制程工藝制造芯片，上面有1 納米的雜質(zhì)就會把整塊芯片廢掉。我們不妨打個比方，如果一條公路40 米寬，公路中間有塊1 米寬的大石頭，汽車可避開這塊石頭走，不會造成交通擁堵。

但是，如果一條公路只有5 米寬，公路中間有塊1 米寬的大石頭，汽車就避不開這塊石頭了，這條公路就堵死了。

不掌握硅的提純技術(shù)，不可能造出芯片來。這方面我國與國際相比仍有一定差距。

實際制造中，芯片通過光刻、刻蝕等手段將電路布圖集成于晶體硅上，也就是大家常說的光刻機、蝕刻機，中國已經(jīng)有了5 納米的蝕刻機，但光刻機一直沒有顯著突破。

“光刻機”這個名字很有誤導性，讓人誤認為光刻機是在晶體硅表面上“刻”出集成電路來。其實，芯片不是“刻”出來的， 而是“ 照” 出來的。光刻機把集成電路圖投影到晶圓表面的光刻膠上，光刻膠曝光后，通過化學藥液把曝光區(qū)域蝕刻，然后清洗， 這樣， 集成電路的圖形就出來了。光刻過程和傳統(tǒng)照相的照片沖印是一個道理，光線通過底片讓相紙感光，然后把感光的相紙放在藥液里顯影、定影。一塊芯片要經(jīng)過數(shù)十次甚至數(shù)百次光刻。

中芯國際為了實現(xiàn)7 納米的技術(shù)突破，曾向荷蘭阿斯麥公司訂購一臺最先進的光刻機，但因為美國從中阻撓，遲遲未能交付。

再有，芯片上有數(shù)以千億計的電子元件，這么龐大的電路靠人工是畫不出來的，必須使用電子設(shè)計自動化軟件EDA。EDA在芯片制造過程中起著決定性作用， 芯片的功能和集成度， 完全取決于EDA 的設(shè)計能力，而EDA 由美國凱登、新思科技和明導三家公司壟斷。

以上種種現(xiàn)實，讓中國芯片制造業(yè)的發(fā)展舉步維艱，為此我國每年要進口超過3000 億美元的相關(guān)商品，而我國的石油進口每年也不過2000 億美元。

全球化既是問題也是答案

隨著中國芯片被高度關(guān)注，大家都擔心每年進口這么多芯片，如果人家不賣了，怎么辦？其實，國外的芯片公司也在苦惱，如果我們買不了了，他們該怎么辦？畢竟中國采購了全球2/3 的芯片，沒有人想放棄如此龐大的市場。目前，有部分公司已經(jīng)獲得向華為供貨的許可證，其供貨范圍主要是面向筆記本和服務(wù)器等低端芯片市場。

這提示我們，在今天，全球化之所以重要，是因為它是一張利益網(wǎng)絡(luò)，大家你中有我我中有你，既會帶來摩擦也是一種解決問題的方式。

芯片制造非常復雜。一塊7納米芯片大概需要4000 道流程，一個7 納米工藝的芯片制造工廠，其建設(shè)成本相當于一個航空母艦戰(zhàn)斗群的制造價格。而制造一枚芯片，至少要用到元素周期表118 種元素中60 種以上的元素所組成的上萬種材料。不夸張地說，芯片制造工藝是目前人類最精密、最復雜的工業(yè)技術(shù)，沒有之一。它需要大量的技術(shù)、人才、資本相互合作，是一個龐大的全球化產(chǎn)業(yè)網(wǎng)絡(luò)，任何一個國家都不可能壟斷全部環(huán)節(jié)。

產(chǎn)業(yè)的復雜性也注定了其脆弱性。任何一個節(jié)點出問題，都會給整個產(chǎn)業(yè)造成不小的麻煩。比如，在2019 年，日本和韓國在半導體領(lǐng)域開打，美國罕見地出面調(diào)停，可見這種沖突后果的嚴重程度。而美國也正是利用了芯片產(chǎn)業(yè)脆弱性的特點，來制約華為甚至中國芯片產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

即便如此，我們也沒有理由一味悲觀。中國的原子彈、航空航天、北斗導航，沒有一項不被封鎖，沒有一項不被打壓，但沒有一項至今仍孱弱不堪。而針對芯片行業(yè)的特點，我們應(yīng)對打壓最好的方式，除了繼續(xù)在該領(lǐng)域加強自主創(chuàng)新能力，還要繼續(xù)擴大開放，把自己牢牢嵌入芯片產(chǎn)業(yè)網(wǎng)絡(luò)之中。

無論哪家企業(yè)都不能忽略中國市場的存在，特別是2019 年全球芯片市場比2018 年下降大概10%。而2020 年的疫情又對芯片行業(yè)產(chǎn)生了巨大的下行壓力，在此情況下，只有更大范圍的國際合作和更健康的市場競爭，才能讓整個行業(yè)快速復蘇。華為輪值董事長郭平說：“盡管華為不斷遭受打壓，也不會走向封閉和孤立，會堅持全球化腳步發(fā)展。”

（資料來源：《羊城晚報》、得到app 邵恒頭條專欄等，魏克圖）