芯片之困

劉植榮 彭天放

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

這就要從芯片是個(gè)什么東西來(lái)說(shuō)起。

信息時(shí)代的偉大發(fā)明

1947 年，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室3位科學(xué)家發(fā)明了鍺晶體三極管，電子世界進(jìn)入半導(dǎo)體時(shí)代。1959年，美國(guó)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(dǎo)線把它們連接成電路。這塊簡(jiǎn)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(gè)新的高峰。

芯片可謂20 世紀(jì)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(jī)、電腦、智能手表等智能設(shè)備有芯片，路由器、U 盤、儲(chǔ)存卡等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備有芯片，身份證、銀行卡、購(gòu)物卡、消費(fèi)卡等隨身證件也有芯片……如果誰(shuí)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(huì)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(gè)晶體管，到2004 年，一塊芯片上便已經(jīng)有了上百億個(gè)晶體管。芯片運(yùn)算速度不斷提高，正是得益于芯片的集成度越來(lái)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(dǎo)線也就越短，電流通過(guò)時(shí)用的時(shí)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?yàn)檫@會(huì)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(gè)原子或幾個(gè)分子大，要用更小的單位納米和埃來(lái)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(wàn)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(wàn)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(lái)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(fù)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(fù)雜。

制造芯片就像在一顆米粒上雕刻出一個(gè)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(lái)。道路就是芯片上的導(dǎo)線，建筑就是芯片上的電子元件。其難度之大不難想象。

中國(guó)芯片之困

最初中國(guó)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(jì)90 年代，逐漸認(rèn)識(shí)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(guó)的芯片業(yè)和國(guó)際水平的差距逐漸縮小，特別是在封測(cè)和設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，中國(guó)可以說(shuō)位居世界前列。但芯片行業(yè)三大環(huán)節(jié)除了封測(cè)和設(shè)計(jì)，還有制造。而制造的短板，也最終讓今天的中國(guó)芯片業(yè)受制于人。

中國(guó)臺(tái)灣的臺(tái)積電是芯片制造業(yè)當(dāng)之無(wú)愧的龍頭，全球市占率高達(dá)50%，而大陸的中芯國(guó)際則只有5% 左右。作為中國(guó)大陸芯片制造的最高水平，中芯國(guó)際在2019年實(shí)現(xiàn)了14 納米制程的量產(chǎn)，而臺(tái)積電則已經(jīng)進(jìn)入5 納米量產(chǎn)。

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

半導(dǎo)體材料很多， 但九成以上都選用硅，因?yàn)楣璧娜埸c(diǎn)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(gè)9），而制造芯片的硅的純度至少要達(dá)到11 個(gè)9，即每10 億個(gè)硅原子里的雜質(zhì)原子不得超過(guò)1 個(gè)，這一純度的硅1955 年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室就提煉出來(lái)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(huì)把整塊芯片廢掉。我們不妨打個(gè)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(huì)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(lái)。這方面我國(guó)與國(guó)際相比仍有一定差距。

實(shí)際制造中，芯片通過(guò)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(shuō)的光刻機(jī)、蝕刻機(jī)，中國(guó)已經(jīng)有了5 納米的蝕刻機(jī)，但光刻機(jī)一直沒有顯著突破。

“光刻機(jī)”這個(gè)名字很有誤導(dǎo)性，讓人誤認(rèn)為光刻機(jī)是在晶體硅表面上“刻”出集成電路來(lái)。其實(shí)，芯片不是“刻”出來(lái)的， 而是“ 照” 出來(lái)的。光刻機(jī)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(guò)化學(xué)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(lái)了。光刻過(guò)程和傳統(tǒng)照相的照片沖印是一個(gè)道理，光線通過(guò)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(guò)數(shù)十次甚至數(shù)百次光刻。

中芯國(guó)際為了實(shí)現(xiàn)7 納米的技術(shù)突破，曾向荷蘭阿斯麥公司訂購(gòu)一臺(tái)最先進(jìn)的光刻機(jī)，但因?yàn)槊绹?guó)從中阻撓，遲遲未能交付。

再有，芯片上有數(shù)以千億計(jì)的電子元件，這么龐大的電路靠人工是畫不出來(lái)的，必須使用電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件EDA。EDA在芯片制造過(guò)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(jì)能力，而EDA 由美國(guó)凱登、新思科技和明導(dǎo)三家公司壟斷。

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

全球化既是問(wèn)題也是答案

隨著中國(guó)芯片被高度關(guān)注，大家都擔(dān)心每年進(jìn)口這么多芯片，如果人家不賣了，怎么辦？其實(shí)，國(guó)外的芯片公司也在苦惱，如果我們買不了了，他們?cè)撛趺崔k？畢竟中國(guó)采購(gòu)了全球2/3 的芯片，沒有人想放棄如此龐大的市場(chǎng)。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(chǎng)。

這提示我們，在今天，全球化之所以重要，是因?yàn)樗且粡埨婢W(wǎng)絡(luò)，大家你中有我我中有你，既會(huì)帶來(lái)摩擦也是一種解決問(wèn)題的方式。

芯片制造非常復(fù)雜。一塊7納米芯片大概需要4000 道流程，一個(gè)7 納米工藝的芯片制造工廠，其建設(shè)成本相當(dāng)于一個(gè)航空母艦戰(zhàn)斗群的制造價(jià)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(wàn)種材料。不夸張地說(shuō)，芯片制造工藝是目前人類最精密、最復(fù)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(gè)龐大的全球化產(chǎn)業(yè)網(wǎng)絡(luò)，任何一個(gè)國(guó)家都不可能壟斷全部環(huán)節(jié)。

產(chǎn)業(yè)的復(fù)雜性也注定了其脆弱性。任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)出問(wèn)題，都會(huì)給整個(gè)產(chǎn)業(yè)造成不小的麻煩。比如，在2019 年，日本和韓國(guó)在半導(dǎo)體領(lǐng)域開打，美國(guó)罕見地出面調(diào)停，可見這種沖突后果的嚴(yán)重程度。而美國(guó)也正是利用了芯片產(chǎn)業(yè)脆弱性的特點(diǎn)，來(lái)制約華為甚至中國(guó)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(guó)的原子彈、航空航天、北斗導(dǎo)航，沒有一項(xiàng)不被封鎖，沒有一項(xiàng)不被打壓，但沒有一項(xiàng)至今仍孱弱不堪。而針對(duì)芯片行業(yè)的特點(diǎn)，我們應(yīng)對(duì)打壓最好的方式，除了繼續(xù)在該領(lǐng)域加強(qiáng)自主創(chuàng)新能力，還要繼續(xù)擴(kuò)大開放，把自己牢牢嵌入芯片產(chǎn)業(yè)網(wǎng)絡(luò)之中。

無(wú)論哪家企業(yè)都不能忽略中國(guó)市場(chǎng)的存在，特別是2019 年全球芯片市場(chǎng)比2018 年下降大概10%。而2020 年的疫情又對(duì)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(guó)際合作和更健康的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，才能讓整個(gè)行業(yè)快速?gòu)?fù)蘇。華為輪值董事長(zhǎng)郭平說(shuō)：“盡管華為不斷遭受打壓，也不會(huì)走向封閉和孤立，會(huì)堅(jiān)持全球化腳步發(fā)展?！?/p>

（資料來(lái)源：《羊城晚報(bào)》、得到app 邵恒頭條專欄等，魏克圖）