中國(guó)芯片的困境與發(fā)展之路的探討

吳濛濤， 武文一， 鄭佳依， 劉 暢

（徐州工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院， 江蘇 徐州 221018）

引言

近期，海思麒麟980芯片正式發(fā)布。它采用臺(tái)積電的7 nm制程工藝，集成了69億的晶體管，其性能和能效一舉超越了高通旗艦驍龍845。海思麒麟980上搭載了國(guó)內(nèi)AI芯片廠商寒武紀(jì)的雙核NPU，引領(lǐng)國(guó)產(chǎn)芯片突破了高端芯片的難題，性能表現(xiàn)與創(chuàng)新之處得到了業(yè)界的高度評(píng)價(jià)，開(kāi)創(chuàng)了國(guó)產(chǎn)芯片的新紀(jì)元[1]。

然而，中興通信遭芯片禁售事件的教訓(xùn)與啟示對(duì)國(guó)人影響深刻。2018年中國(guó)與美國(guó)發(fā)生了貿(mào)易摩擦，中興通訊被美國(guó)商務(wù)部開(kāi)出了14億美元的巨額罰單，并發(fā)出了長(zhǎng)達(dá)7年的“禁售令”。作為通訊行業(yè)的巨頭，遭受如此巨大的打擊，確實(shí)讓國(guó)人深深感到了切膚之痛。從中興通訊制造的基站來(lái)看，電路板上除了一些數(shù)字基帶芯片能夠自產(chǎn)外，通信鏈路上RF（射頻）芯片、PLL（鎖相環(huán)）芯片、ADC（多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器）芯片和DAC（數(shù)模轉(zhuǎn)換器)芯片都來(lái)自ACIA、Oclaro與高通等美國(guó)的頂級(jí)芯片供應(yīng)商。初步統(tǒng)計(jì)，一臺(tái)完整的中興通訊基站至少有20%～30%關(guān)鍵元器件都要從美國(guó)進(jìn)口。而一臺(tái)基站中只要有1顆芯片被禁運(yùn)，整臺(tái)基站就無(wú)法成功運(yùn)行，也就會(huì)導(dǎo)致這臺(tái)基站無(wú)法供應(yīng)顧客，從而只能支付高額的毀約費(fèi)。美國(guó)當(dāng)局卡住了芯片的供應(yīng)，也就意味著牢牢地卡住了中興通訊的命門(mén)，使企業(yè)生產(chǎn)難以為繼，從而導(dǎo)致行業(yè)巨頭的坍塌。

“禁售令”的出現(xiàn)，使大家深刻了解到我國(guó)芯片行業(yè)的弱點(diǎn)所在。沒(méi)有掌握核心技術(shù)，關(guān)鍵零部件依賴國(guó)外，就可能被別人卡住命門(mén)。從中國(guó)海關(guān)總署提供的數(shù)據(jù)來(lái)看，到2017年我國(guó)在芯片方面的進(jìn)口額，已經(jīng)連續(xù)五年超過(guò)2000億美元。其實(shí)早在2005年，我國(guó)自主研發(fā)的“龍芯2號(hào)”CPU已經(jīng)問(wèn)世。但龍芯的問(wèn)世，只是讓中國(guó)告別了無(wú)"中國(guó)芯"的時(shí)代，并不意味著所有芯片都能夠自主生產(chǎn)。至今為止，我國(guó)的部分芯片，依舊需要進(jìn)口，仍告別不了“缺芯”的時(shí)代。

1 “中國(guó)芯”面臨的主要問(wèn)題

在電腦端中央處理器上我國(guó)有龍芯的成功，但在手機(jī)高端中央處理器領(lǐng)域仍存在差距。既沒(méi)有自主研發(fā)的指令集，也沒(méi)有能夠適配主流手機(jī)操作系統(tǒng)的自研處理器架構(gòu)。即便像“華為”這類在國(guó)產(chǎn)芯片領(lǐng)域已有不錯(cuò)作為的科技巨頭對(duì)此也無(wú)能為力。以海思麒麟980為例，一枚指甲蓋大小的手機(jī)端中央處理器，除了基帶、NPU等是我國(guó)科技公司自主研發(fā)的以外，其它例如指令集、CPU等重要部分都需要通過(guò)國(guó)外廠商的授權(quán)。而國(guó)外如高通、蘋(píng)果和三星等科技巨頭，在設(shè)計(jì)手機(jī)CPU的過(guò)程中，都需要經(jīng)過(guò)ARM公司的授權(quán)，才能進(jìn)行下一步的生產(chǎn)制造。

對(duì)于自主架構(gòu)而言，在設(shè)計(jì)出來(lái)后，需要考慮的問(wèn)題很多。首先是自主架構(gòu)的功耗和性能是否能達(dá)到預(yù)期；其次，能否能適配主流的手機(jī)操作系統(tǒng)，或者能夠適用于我國(guó)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的操作系統(tǒng)，是否搭建起了完整的應(yīng)用生態(tài)；最后，在推向市場(chǎng)時(shí)，是否因?yàn)槭袌?chǎng)迭代太快，剛完成所有的設(shè)計(jì)還未流片時(shí)，就已經(jīng)落后了國(guó)際廠商一大截。而這些問(wèn)題，給工程師們?cè)黾恿嗽S多無(wú)形的壓力。

在芯片制程工藝上，也是一座難以逾越的“大山”。目前國(guó)內(nèi)芯片制程工藝發(fā)展進(jìn)度最快的芯片代工企業(yè)——中芯國(guó)際，也僅僅在第一代14 nm的FinFET技術(shù)開(kāi)發(fā)上獲得重大進(jìn)展，像有一些制程工藝及其小的芯片，目前仍然還未有突破性的進(jìn)展，部分加工設(shè)備仍然需要進(jìn)口；而同時(shí)間像三星、臺(tái)積電等公司都已經(jīng)推出了10 nm的FinFET制程工藝，都進(jìn)入量產(chǎn)階段，臺(tái)積電已經(jīng)量產(chǎn)了7 nm的制程工藝，三星也已經(jīng)推出了8 nm的LPP FinFET的制程工藝，目前臺(tái)積電的5 nm制程工藝已經(jīng)開(kāi)始研發(fā)。由于芯片制程工藝的研發(fā)必須保持階梯式發(fā)展，有一個(gè)循序漸進(jìn)的過(guò)程，中國(guó)芯片企業(yè)要從28 nm的制程工藝一下跳到目前量產(chǎn)的10 nm的制程工藝是具有很大難度的。因此，中國(guó)芯片代工企業(yè)現(xiàn)在只能在國(guó)內(nèi)芯片市場(chǎng)上提供低端產(chǎn)品，而像處理器、存儲(chǔ)器以及高端的模擬芯片、功率芯片等核心元器件都由外資企業(yè)把控。在集成電路的毛利率方面，中國(guó)集成電路設(shè)計(jì)公司普遍都在30%以下，而歐美競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手都在45%以上，500多家集成電路設(shè)計(jì)公司收入僅是美國(guó)高通公司的60%～70%。

在芯片設(shè)計(jì)、制程工藝方面我國(guó)與世界頂尖技術(shù)有差距，尤其是芯片制造差距更大。高水平的芯片制造依賴的是先進(jìn)的制造設(shè)備，而中國(guó)目前在先進(jìn)制造工藝方面與國(guó)際先進(jìn)水平有著25年的技術(shù)差距，而且半導(dǎo)體核心設(shè)備供應(yīng)商都集中在美國(guó)、日本與荷蘭等國(guó)手中，尤其是芯片制造最重要的設(shè)備光刻機(jī)超80%是由荷蘭ASML所供應(yīng)，其他例如高頻射頻元器件、高端光刻膠、化合物半導(dǎo)體等在芯片制造上起關(guān)鍵作用的設(shè)備也都完全依賴進(jìn)口。在參與芯片制造的生產(chǎn)線構(gòu)成中，目前我國(guó)能國(guó)產(chǎn)化的設(shè)備只占其中的12%，而且?guī)缀跞侵械投嗽O(shè)備。

目前，中國(guó)是全球最大的芯片消費(fèi)市場(chǎng)，僅去年的銷售額就達(dá)到了5 411.3億元，但是，在整個(gè)芯片市場(chǎng)占比中，僅有10%左右的芯片為中國(guó)企業(yè)生產(chǎn)，換句話說(shuō)，外國(guó)的芯片產(chǎn)品占據(jù)了國(guó)內(nèi)芯片市場(chǎng)90%左右的份額，國(guó)外科技巨頭在中國(guó)市場(chǎng)上贏取了巨大的利潤(rùn)。據(jù)賽迪研究院數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，在2017年世界前20半導(dǎo)體企業(yè)中，美國(guó)企業(yè)占了13家，在中國(guó)市場(chǎng)銷售額合計(jì)是667億美元，其中，高通、博通、美光有一半以上的市場(chǎng)銷售額是在中國(guó)實(shí)現(xiàn)的，而作為中國(guó)本土最大的芯片制造商，華為海思的營(yíng)收還不到英特爾和三星的10%。

2 追趕過(guò)程與未來(lái)展望

事實(shí)上，我國(guó)的本土公司一直在不斷地追趕國(guó)外芯片領(lǐng)域?qū)儆谛袠I(yè)巨頭公司的腳步?！爸袊?guó)高端芯片聯(lián)盟”的成立，包括了像華為、中興通訊、紫光集團(tuán)、中芯國(guó)際在內(nèi)的27家國(guó)內(nèi)芯片龍頭企業(yè)，他們是國(guó)產(chǎn)芯片追趕世界先進(jìn)水平的主要力量。過(guò)去19年全球芯片專利數(shù)量增長(zhǎng)了6倍，而中國(guó)芯片專利量則增長(zhǎng)了23倍，以芯片專利申請(qǐng)數(shù)量而論，我國(guó)已躍居世界第一大國(guó)，并且連續(xù)6年蟬聯(lián)全球第一。

2018年8月，中芯國(guó)際成功從ASML訂購(gòu)一臺(tái)EUV光刻機(jī)，預(yù)計(jì)2019年春出貨。作為7nm制程工藝的主力，EUV光刻機(jī)的成功訂購(gòu)也意味著我國(guó)在制程工藝的追趕上，又邁出了重要的一步。然而，無(wú)法改變的事實(shí)是仍然需要進(jìn)口光刻機(jī)來(lái)進(jìn)行生產(chǎn)。一臺(tái)ASML EUV光刻機(jī)，其售價(jià)約為1.2億美元，而每臺(tái)光刻機(jī)的零件就達(dá)到了五萬(wàn)多個(gè)，且一年的產(chǎn)量?jī)H為12臺(tái)。對(duì)于我國(guó)而言，發(fā)展自主光刻機(jī)也是重中之重?；谧陨砗诵募夹g(shù)的短缺，在芯片設(shè)計(jì)領(lǐng)域國(guó)內(nèi)企業(yè)可以與海外的芯片公司進(jìn)行合資或者通過(guò)專利授權(quán)的技術(shù)路線來(lái)維系自己的產(chǎn)品生產(chǎn)與加工。而對(duì)于光刻機(jī)而言，作為受《瓦森納協(xié)定》的限制的對(duì)象，我國(guó)在技術(shù)壟斷的情況下，科學(xué)家們?nèi)匀辉谔剿髦胁粩嗲斑M(jìn)。目前，我國(guó)華中科技大學(xué)的甘棕松教授已經(jīng)在世界范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了單線9 nm線寬的超分辨光刻，追趕上荷蘭ASML公司也只是時(shí)間長(zhǎng)短的問(wèn)題。

對(duì)于國(guó)產(chǎn)芯片來(lái)說(shuō)，未來(lái)仍是一條艱苦卓絕的發(fā)展之路，增大頂尖芯片領(lǐng)域人才的儲(chǔ)備也愈發(fā)重要。我國(guó)的高校應(yīng)大力培養(yǎng)芯片領(lǐng)域所需的交叉學(xué)科的人才，從海外引進(jìn)優(yōu)秀的人才，與企業(yè)合作，將企業(yè)的電子工程師經(jīng)過(guò)培訓(xùn)轉(zhuǎn)軌為集成電路設(shè)計(jì)工程師，建立全國(guó)統(tǒng)一的以集成電路設(shè)計(jì)、制造為核心的學(xué)習(xí)實(shí)踐平臺(tái)，對(duì)全國(guó)高校開(kāi)放，允許相關(guān)專業(yè)的學(xué)生申請(qǐng)使用這個(gè)平臺(tái)上的資源，多方面加快人才培養(yǎng)的速度，提高人才培養(yǎng)的質(zhì)量，來(lái)加快光刻機(jī)等關(guān)鍵制造設(shè)備的技術(shù)開(kāi)發(fā)，提高超精密制造設(shè)備所用元器件的精度，逐步提升我國(guó)在芯片設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域的實(shí)力，盡快擺脫對(duì)國(guó)外公司頂尖技術(shù)與尖端制造設(shè)備的依賴。如此，才能夠?qū)崿F(xiàn)芯片真正的國(guó)產(chǎn)化，而不會(huì)在芯片從設(shè)計(jì)到變?yōu)閷?shí)物的整個(gè)過(guò)程中受制于人。