中國芯片的困境與發(fā)展之路的探討

吳濛濤 武文一 鄭佳依 劉暢

近期，海思麒麟980芯片正式發(fā)布。它采用臺積電的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上搭載了國內AI芯片廠商寒武紀的雙核NPU，引領國產芯片突破了高端芯片的難題，性能表現與創(chuàng)新之處得到了業(yè)界的高度評價，開創(chuàng)了國產芯片的新紀元。

然而，中興通信遭芯片禁售事件的教訓與啟示對國人影響深刻。2018年中國與美國發(fā)生了貿易摩擦，中興通訊被美國商務部開出了14億美元的巨額罰單，并發(fā)出了長達7年的“禁售令”。作為通信行業(yè)的巨頭，遭受如此巨大的打擊，確實讓國人深深感到了切膚之痛。從中興通訊制造的基站來看，電路板上除了一些數字基帶芯片能夠自產外，通信鏈路上RF（射頻）芯片、PLL（鎖相環(huán)）芯片、ADC（多通道模數轉換器）芯片和 DAC（數模轉換器）芯片都來自ACIA、Oclaro與高通等美國的頂級芯片供應商。初步統(tǒng)計，一臺完整的中興通訊基站至少有 20%～30%關鍵元器件都要從美國進口。而一臺基站中只要有1顆芯片被禁運，整臺基站就無法成功運行，也就會導致這臺基站無法供應顧客，從而只能支付高額的毀約費。美國當局卡住了芯片的供應，也就意味著牢牢地卡住了中興通訊的命門，使企業(yè)生產難以為繼，從而導致行業(yè)巨頭的坍塌。

“禁售令”的出現，使大家深刻了解到我國芯片行業(yè)的弱點所在。沒有掌握核心技術，關鍵零部件依賴國外，就可能被別人卡住命門。從中國海關總署提供的數據來看，到 2017年我國在芯片方面的進口額，已經連續(xù)五5年超過2000億美元。其實早在 2005年，我國自主研發(fā)的“龍芯2號”CPU已經問世。但龍芯的問世，只是讓中國告別了無“中國芯”的時代，并不意味著所有芯片都能夠自主生產。至今為止，我國的部分芯片，依舊需要進口，仍告別不了“缺芯”的時代。

1 “中國芯”面臨的主要問題

在電腦端中央處理器上我國有龍芯的成功，但在手機高端中央處理器領域仍存在差距。既沒有自主研發(fā)的指令集，也沒有能夠適配主流手機操作系統(tǒng)的自研處理器架構。即便像“華為”這類在國產芯片領域已有不錯作為的科技巨頭對此也無能為力。以海思麒麟980為例，一枚指甲蓋大小的手機端中央處理器，除了基帶、NPU等是我國科技公司自主研發(fā)的以外，其他例如指令集、CPU等重要部分都需要通過國外廠商的授權。而國外如高通、蘋果和三星等科技巨頭，在設計手機CPU的過程中，都需要經過ARM公司的授權，才能進行下一步的生產制造。

對于自主架構而言，在設計出來后，需要考慮的問題很多。首先是自主架構的功耗和性能是否能達到預期；其次，能否能適配主流的手機操作系統(tǒng)，或者能夠適用于我國擁有自主知識產權的操作系統(tǒng)，是否搭建起了完整的應用生態(tài)；最后，在推向市場時，是否因為市場迭代太快，剛完成所有的設計還未流片時，就已經落后了國際廠商一大截。而這些問題，給工程師們增加了許多無形的壓力。

在芯片制程工藝上，也是一座難以逾越的“大山”。目前國內芯片制程工藝發(fā)展進度最快的芯片代工企業(yè)——中芯國際，也僅僅在第一代14 nm的FinFET技術開發(fā)上獲得重大進展，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展，部分加工設備仍然需要進口；而同時間像三星、臺積電等公司都已經推出了10 nm的FinFET制程工藝，都進入量產階段，臺積電已經量產了7 nm的制程工藝，三星也已經推出了8 nm的LPP FinFET的制程工藝，目前臺積電的5 nm制程工藝已經開始研發(fā)。由于芯片制程工藝的研發(fā)必須保持階梯式發(fā)展，有一個循序漸進的過程，中國芯片企業(yè)要從28 nm的制程工藝一下跳到目前量產的10 nm的制程工藝是具有很大難度的。因此，中國芯片代工企業(yè)現在只能在國內芯片市場上提供低端產品，而像處理器、存儲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，中國集成電路設計公司普遍都在30%以下，而歐美競爭對手都在 45%以上，500多家集成電路設計公司收入僅是美國高通公司的60%～70%。

在芯片設計、制程工藝方面我國與世界頂尖技術有差距，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的制造設備，而中國目前在先進制造工藝方面與國際先進水平有著25年的技術差距，而且半導體核心設備供應商都集中在美國、日本與荷蘭等國手中，尤其是芯片制造最重要的設備光刻機超80%是由荷蘭 ASML所供應，其他例如高頻射頻元器件、高端光刻膠、化合物半導體等在芯片制造上起關鍵作用的設備也都完全依賴進口。在參與芯片制造的生產線構成中，目前我國能國產化的設備只占其中的12%，而且?guī)缀跞侵械投嗽O備。

目前，中國是全球最大的芯片消費市場，僅去年的銷售額就達到了5411.3億元，但是，在整個芯片市場占比中，僅有10%左右的芯片為中國企業(yè)生產，換句話說，外國的芯片產品占據了國內芯片市場90%左右的份額，國外科技巨頭在中國市場上贏取了巨大的利潤。據賽迪研究院數據統(tǒng)計，在2017年世界前20半導體企業(yè)中，美國企業(yè)占了13家，在中國市場銷售額合計是667億美元，其中，高通、博通、美光有一半以上的市場銷售額是在中國實現的，而作為中國本土最大的芯片制造商，華為海思的營收還不到英特爾和三星的10%。

2 追趕過程與未來展望

事實上，我國的本土公司一直在不斷地追趕國外芯片領域屬于行業(yè)巨頭公司的腳步。“中國高端芯片聯盟”的成立，包括了像華為、中興通訊、紫光集團、中芯國際在內的27家國內芯片龍頭企業(yè)，他們是國產芯片追趕世界先進水平的主要力量。過去19年全球芯片專利數量增長了6倍，而中國芯片專利量則增長了23倍，以芯片專利申請數量而論，我國已躍居世界第一大國，并且連續(xù)6年蟬聯全球第1。

2018年 8月，中芯國際成功從ASML訂購一臺EUV光刻機，預計2019年春出貨。作為7 nm制程工藝的主力，EUV光刻機的成功訂購也意味著我國在制程工藝的追趕上，又邁出了重要的一步。然而，無法改變的事實是仍然需要進口光刻機來進行生產。

一臺ASML EUV光刻機，其售價約為1.2億美元，而每臺光刻機的零件就達到了5萬多個，且1年的產量僅為12臺。對于我國而言，發(fā)展自主光刻機也是重中之重?；谧陨砗诵募夹g的短缺，在芯片設計領域國內企業(yè)可以與海外的芯片公司進行合資或者通過專利授權的技術路線來維系自己的產品生產與加工。而對于光刻機而言，作為受《瓦森納協(xié)定》的限制的對象，我國在技術壟斷的情況下，科學家們仍然在探索中不斷前進。目前，我國華中科技大學的甘棕松教授已經在世界范圍內實現了單線9 nm線寬的超分辨光刻，追趕上荷蘭 ASML公司也只是時間長短的問題。

對于國產芯片來說，未來仍是一條艱苦卓絕的發(fā)展之路，增大頂尖芯片領域人才的儲備也愈發(fā)重要。我國的高校應大力培養(yǎng)芯片領域所需的交叉學科的人才，從海外引進優(yōu)秀的人才，與企業(yè)合作，將企業(yè)的電子工程師經過培訓轉軌為集成電路設計工程師，建立全國統(tǒng)一的以集成電路設計、制造為核心的學習實踐平臺，對全國高校開放，允許相關專業(yè)的學生申請使用這個平臺上的資源，多方面加快人才培養(yǎng)的速度，提高人才培養(yǎng)的質量，來加快光刻機等關鍵制造設備的技術開發(fā)，提高超精密制造設備所用元器件的精度，逐步提升我國在芯片設計制造領域的實力，盡快擺脫對國外公司頂尖技術與尖端制造設備的依賴。如此，才能夠實現芯片真正的國產化，而不會在芯片從設計到變?yōu)閷嵨锏恼麄€過程中受制于人。