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帖子主题:中国芯能否登顶?从芯片产业发展史找答案(下)

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中国芯能否登顶?从芯片产业发展史找答案(下)

齐心协力干趴下日本之后,美国芯片企业喜滋滋地开始了新的征程。芯片行业经过30多年发展,已经形成四大种类,分别是CPU、内存芯片、专业芯片与片上系统(SoC)。除了内存芯片被韩国人拿走,其它种类统治权都还在美国企业手里。而全球芯片产业总产值也在90年代初突破500亿美元,并持续保持高速增长。

在营收大幅增长的同时,各家企业却感觉压力徒增,甚至很难继续支撑下去。这是什么原因呢?日本人又来了?不是,他们现在乖着呢。一切都是摩尔定律在搞鬼。摩尔定律预示着约每隔18-24个月,集成电路上可容纳的元器件的数目便会增加一倍。也就是说每隔18-24个月,就是芯片制造工艺提升的一次节点,而每次提升必定伴随着巨量的资金投入,资金投入的增加并不是线性的,而是倍数甚至指数级的增长。在长期的游戏中,上一个工艺节点突破后,厂商在市场上赚取的利润,会拿出一部分用于下一工艺节点的研发投入,由此形成良性循环。然而到了上世界八十年代中期以后,越来越多的芯片厂商发现,产品如果缺乏足够的生产规模巨量的研发投入只能导致亏损。许多中小型芯片公司逐渐陷入了经营困境。同时由于芯片的分类非常繁多,即使是大型芯片厂商,也只能维持一部分芯片品类生产线的工艺进化。而市场规律是无情的,跟不上工艺的进步,等待企业的就是被市场淘汰!又是一场产业危机!

根据历史的经验,危机严重到了一种程度往往就是转机的开始。解决的办法很简单:进行产业分工。以前产业内也有分工,但那是根据产品种类进行的横向切分,每个厂商有自己擅长的产品种类,如英特尔主攻CPU,德州仪器以专业芯片见长,摩托罗拉与IBM则各样都做点……各家经过多年较量也都划定了基本的势力范围,避免两败俱伤。而这一次的分工则是要进行纵向切分,按芯片制造的流程(设计、制造、封装测试)来切分。原来所有的芯片厂商生产模式叫做IDM(IntegratedDeviceManufacture,集成器件制造),即负责芯片生产的全流程。现在则出现三种新的厂商模式:Fabless、Foundry、OSAT。Fabless是Fabrication(制造)和less(无)的组合,即“没有制造业务、只专注于设计”的一种经营模式。Foundry则是专门负责生产、制造芯片的厂家,也称为晶圆代工厂商。OSAT是Out Sourced Assembly and Testing,委外封测代工,也就是常说的封测代工厂商。大型芯片企业因为能扛住工艺成本上升压力,继续选择IDM模式,如英特尔、IBM、德州仪器。而许多规模较小的企业则纷纷卸下生产包袱,转做Fabless。显而易见三种新的厂商模式中,投入成本最高的是Foundry。新的战争中下场较量的就只有Foundry厂家与IDM厂家了。而在Foundry厂家中,最早出现的一家也是至今最成功的一家是1987年成立的台积电(台湾积体电路制造公司,TSMC)。

台积电的创始人是张忠谋,他早年在德州仪器工作,做到了资深副总裁(第三把手),对芯片行业有深刻的理解,非常清楚芯片产业链当时困境的症结所在。他首倡晶圆代工的模式,又经过十余年的稳步发展后打响了芯片制程之战。

首先给大家解释一下制程的概念。我们现在常听到10纳米制程、7纳米制程,这个长度的含义可以简单理解成芯片上制作的一个晶体管的尺寸。晶体管的作用,简单地说,是把电子从一端(源极,S极),通过一段沟道,送到另一端(漏极,D极),这个过程完成了之后,信息的传递也就完成。这个沟道的长度,和前面说的晶体管的尺寸,大体上可以认为是一致的。

那么缩小制程有什么好处?第一,制程越小,传送电子的沟道越短,信息传递越快,性能也就越好。第二,缩减元器件之间的距离之后,晶体管之间的电容也会更低,可以提升它们的开关频率,同时能更加省电。第三,晶体管越小,同一片晶圆可切割出来的芯片就可以更多。即使因为制程工艺提升而采用更昂贵的设备,其投资成本也可以被更多的晶片所抵消。

制程之战比之前的历次产业战争都要更激烈更复杂,总共有三大战役。

第一场战役是攻占130纳米制程。晶圆代工厂的技术大多是从IBM得到授权 ,台积电也是这样。2003年,IBM希望把新开发的130纳米铜制程工艺卖给台积电。IBM的研究表明用铜作为连接导线将比传统的铝导线电阻低大约40%,并使芯片的速度提高15%。但经过研究以后,张忠谋认为IBM技术不成熟,提出要自己干。这是一个很大胆的决策,类似的研发他们之前并没有开展过,如果不成功台积电将错过制程发展节点,从此处于被动局面。率队研发的是蒋尚义,成员包括余振华、梁孟松、孙元成、杨光磊、林本坚,他们大多有贝尔实验室、德州仪器、IBM、AMD等美国半导体大企业的工作经历。经过一年多的攻关,台积电铜制程率先突破。而同在台湾地区的另一家代工厂联电(台湾联华电子)选择继续与IBM合作,最后遭遇失败。经此一役,台积电拥有了自己的技术研发团队,同时与联电拉开了距离。

第二场战役是押注浸润式光刻机。当制程进展到65纳米时陷入了瓶颈,当时绝大多数行业厂商认为解决的办法需要将光刻机光源波长由193纳米缩小至157纳米,并投入巨资进行研发。但这条路极其艰难,进展很慢。时任台积电研发副总经理的林本坚来了个脑筋急转弯:既然157纳米难以突破,为什么不退回到技术成熟的193纳米,再把透镜和硅片之间的介质从空气换成水。水的折射率为1.4,波长可缩短至193/1.4=132nm,反而大大小于久攻不克的157纳米。林本坚曾在IBM从事成像技术的研发长达22年,是世界上顶尖的微影专家。但是如果采用这项技术,已经花费在157纳米光源上的巨额投资怎么办?占市场领导地位的光刻机设备厂商如尼康、佳能等纷纷抵制,只有一家荷兰的小厂商愿意尝试,这家厂商叫ASML。

ASML(Advanced Semiconductor Material Lithography)成立于1984年,之后20年一直默默无名,因为产品没有特色,主要靠较强的销售能力维持公司生存。长期干销售形成的敏锐,让它抓住了历史的机遇。2004年,ASML和台积电共同研发出第一台浸润式微影机,能够助力芯片制程持续突破到10纳米节点。凭借产品先进的技术和优异的性能,ASML对尼康、佳能进行了降维打击。只用了5年时间,尼康、佳能就失去了大部分市场份额,变得无足轻重。芯片行业中企业的兴衰,往往就在很短的时间内发生。2004年,顺利突破制程节点的台积电拿下了全球一半的芯片代工订单,位列世界晶圆代工厂第一。

一步登天的ASML与台积电建立了良好的合作关系,为了深度绑定发展ASML提出了“客户联合投资专案”,台积电在2012年以8.38亿欧元获得了ASML合计5%的股权,并承诺未来5年投入2.76亿欧元支持ASML的研发。同样地,ASML也将英特尔与三星发展成为它的股东。再加上现在最新的EUV(极紫外光刻)和DUV(深紫外光刻)光刻机高昂的价格。ASML为头部晶圆制造厂商筑起了一道又一道高墙,阻挡着后来者的进攻。

第三场战役是革新晶体管架构。当制程继续缩小到45纳米以下时,原来的晶体管架构存在的问题被放大了。前面说到在晶体管中电子从S极到D极要经过一段沟道,这个沟道的开闭由晶体管的第三极(即栅极)控制。栅极与这段沟道不直接连通,中间隔了一层薄薄的(约为一点几纳米)氧化物绝缘体。但是这层绝缘体做不到完全绝缘,会有轻微的漏电,称为隧穿泄漏。这本来不算什么,不太影响性能。但是到45纳米节点时,晶体管的尺寸使得这个问题突然变得严重了。解决办法是使用HKMG(High-K Metal Gate,高介电质金属栅极)。HK好理解,就是更好的材料换掉原来的氧化物绝缘层,减小漏电。而MG则是用金属栅极更换原来的多晶硅栅电极,以配合新的绝缘层。但是MG出现了两种技术方案,分别叫Gate-first与Gate-last,IBM、英飞凌、NEC、格罗方德、 三星、意法半导体以及东芝等采用Gate-first方案,而英特尔与台积电采用Gate-last。结果证明真理掌握在少数派手里。因为正确的判断和严格的工艺,台积电良率大幅提升。

制程继续向22纳米以下进发时,又有事了,还是老问题:尺寸缩小后漏电变严重了。为了解决这一问题分为两派,一派是采用FinFET(Fin Field-Effect Transistor,鳍式场效晶体管),原理简单说是将S极和D极由水平改为垂直,沟道被栅极三面环绕,增厚绝缘层增加接触面积,减少漏电现象的发生。阵营成员包括台积电、英特尔、三星。而且FinFET的发明人胡正明在2001年被台积电聘为第一任CTO。另一派是采用SOI(Silicon-On-Insulator,绝缘层上硅),该技术是在顶层硅和衬底之间增加一层氧化绝缘体,减少向底层的漏电,成员是继承IBM遗志的格罗方德。结果证明真理不是掌握在少数派手里,是掌握在台积电手里。FinFET胜,2015年台积电顺利实现16nm制程。

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台积电在关键制程技术的演进
经过这几场战役后,路线错误的晶圆制造玩家损失惨重,场上的战友越来越少。2014年IBM倒贴15亿美元将芯片生产线转给格罗方德。当制程工艺节点来到14纳米时,联电止步于此;来到10纳米时,英特尔长期无法突破;来到7纳米时格罗方德宣布放弃。现在7纳米及以下制程只剩下台积电与三星两家,而台积电在良率、性能上均优于三星,成为晶圆制造无可争议的霸主。

台积电通过三场战役确定市场领先地位,这个过程让人印象最深刻的是其自身技术力量的成长与强大。如果没有最初下决心培养并信任自己的技术团队,就不可能形成可以依赖的技术力量,也不可能拥有在一次次技术变革中准确的判断能力。芯片企业过硬的技术队伍,是其在行业的立身之基、力量之源、制胜法宝。

第六战:新兴市场之战

前面说了芯片有四大种类,在CPU领域里,英特尔是无法撼动的王者。英特尔地位牢固的基础自然是其强大的技术能力,但它还有放肆的资本:x86架构建立起来的生态系统,也就是它与微软结成的“Wintel联盟”。吃尽苦头知道打不过的对手们纷纷下线,退出与英特尔的直接竞争。高傲如苹果最后在PC领域也不得不采用英特尔的CPU。好在还有一个AMD这么多年一直和它相爱相杀,不然英特尔太无趣了。AMD也是从仙童分化出来的公司,只是它的创始人是仙童的销售负责人杰里·桑德斯(Jerry Sanders),并非八叛逆之一,辈份上低点,名字里虽然有德,但其实是鹤字科的。而AMD之所以能与英特尔直接竞争,是因为它有x86架构的授权,而这个授权是当年IBM趁英特尔幼小无助又可怜时,用霸王条款逼着给AMD的。但AMD实力实在不够看,市值长期只有英特尔的零头。好不容易,AMD在2003年抓住一次历史机会,率先推出64位桌面CPU,打了英特尔一个措手不及。但是微软此时态度却非常端正,一定要精益求精慢工出细活,花了一年多才拿出64位操作系统。巧了,英特尔的64位产品正好也赶上上市了。

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AMD功亏一篑,之后再也没能发起像样的威胁,英特尔无敌了。无敌是寂寞的,于是英特尔懈怠了,每次拿出的新产品改进少,亮点少,得了个“牙膏厂”的美誉。

但是英特尔的对手们并没有停歇,水面下暗流涌动。在老战场无法取胜,那就开一个新地图吧。2007年,穿着一成不变黑T恤蓝牛仔套装的乔布斯亮出了令人惊艳的iPhone手机,从此全新的移动互联网战争正式开打。你说苹果卖手机就卖吧,它还开始做芯片。苹果从iPhone 4开始使用自家设计的A系列处理器,所以它成为了一家芯片Fabless厂商。其它手机厂商没有芯片设计能力,就直接购买高通、联发科这几家Fabless厂商的处理器芯片。还有一家最特殊的手机厂商:三星,它是唯一一家移动互联网领域的IDM,芯片设计、制造一条龙全是自家的。英特尔呢?英特尔是谁?在移动互联网领域,基本没英特尔什么事。虽然英特尔也后知后觉地推出了自家的手机芯片,却没有激起什么水花。当年它在PC领域让别人流的泪,现在手机市场里自己都偷偷流干了。后来,英特尔试图在通信基带上寻求突破,但在5G时代来临时却碰了壁,只得将相关资产出清退场,留给人们一个昔日霸主的背影,这次它是真的寂寞了。

新兴市场不仅是新的产品领域,更是新的地域。随着中国的崛起,中国成了世界移动互联网最大的市场。在这个市场上,被外国厂商启发的中国人渐渐看明白了套路,推出了自己的手机产品。本来觉得中国人只会山寨的外企们,脸上的笑容渐渐凝固甚至开始抽搐:中国人要追上来了!在中国的厂商中,华为是直接对标苹果,拥有自主芯片设计能力,也是一家Fabless厂商。但华为依靠其通信领域深厚的积累,推出的通信基带与CPU集成的片上系统(SoC)在5G时代独步天下,让芯片外企心中更是升起阵阵寒意。而在晶圆代工领域,以中芯国际为首的中国Foundry也在稳步追赶。具体的情况我就不多说了,读者们都已经很清楚。

话说人红遭嫉,树大招风。美国人想起了三十多年前对日本的那场酣畅淋漓的大战,不禁面色潮红,按捺不住想要再来一次。于是许多参与当年行动的老运动员们纷纷下场,要对中国企业施以老拳。这就是我们当前的局势。这场发生在新兴市场的战争还没有打完,但是我们有信心能赢!

四、三条经验与两条规律

在解释为什么我们能赢之前,我们先把六场芯片行业战争给我们的历史经验做一个总结:

1. 芯片行业战争是技术路线之争。技术路线涵盖广泛,包括材料、工艺、结构、设备等,任何一个选择错误,都会给企业带来灭顶之灾。而行业的特点又决定了,每隔18-24个月,芯片企业的决策者们都要像拆弹专家一样,面临剪红线还是剪蓝线的抉择。做出正确抉择的背后需要深厚的理论与技术储备,也需要对市场规律的深刻体悟。因此芯片行业是高度知识密集型行业,对人才永远处于饥渴状态。

2. 芯片行业战争是经济体制之争。在美国芯片企业发展过程中,自由市场发挥了重要的作用。在市场繁荣的环境里,在风险资本的支持下,人才、技术充分流动,优化组合,加快了新技术、新产品的形成,加速了企业的生长周期。但是这样的经济体制并不是完美的,更不是无懈可击的。在遭遇东亚三国的竞争时,有政府参与的经济行为表现出来的组织性与战斗力,让美国芯片企业吃了大亏。中国、日本不用说了,政府作用是在明面上的。韩国虽然看似是三星这家企业在参与战斗,但别忘了韩国的别称是“三星共和国”。三星能够调动的资源不是仅仅一家企业能够相比的。就连台湾地区的台积电背后也不缺少台湾当局的影子。你可知道台湾当局曾经抄日本的作业,推出一模一样的VLSI计划?你可又知道台积电新增晶圆厂会消耗台湾新增电力的1/3?你可还知道台湾平均每1000平方公里,就有一座大型晶圆厂,是全世界晶圆厂最密集的地区?东亚三国虽然是芯片产业的后发者,但是经济体制的优势使得其芯片企业成长极快,竞争力惊人。这说明东亚三国采取的经济体制是行之有效的。这个结论纵览芯片产业发展史是不难得出的。再反过来看美国政府在芯片产业发展过程中所起的作用,它采取的是放任自流的态度,说是自由市场的忠实信徒也好,说是小政府缺乏经济引导能力也罢,它并没有对美国芯企提供足够的发展保障与有效约束。而当美国芯企在竞争中落败时,它又“自由去踏马,盟友算几把”以国家安全为借口横加制裁。但就算当年那一战,美国凭借霸权把日本干趴了,但是失去的市场份额并没有回到美国。后续又有韩国、中国台湾、中国大陆的不断崛起与挑战。美国芯企无论再如何努力创新,却始终是在不断失血,这个现状是非常明显的。虽然当前美国国势还处于强盛之中,虽然美国社会还有丰厚的家底与充沛的创新源泉,但如果美国政府不改变经济体制,改变粗放的经济管理方法,协调经济社会力量,认真解决一些根本性问题,那么下滑的趋势是确定无疑的。美国政府在经济竞争中所起的作用就像是一个混社会的家长,家里很豪横除了给钱平常也不管孩子,好在孩子自己努力上进。但突然有一天发现孩子被欺负了,他能做的是找上人家去把对方揍一顿出气。如果哪天他碰上一个揍不动的呢?

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3. 芯片行业战争是综合国力之争。芯片产业代表了当前人类科技的最高水平,也是人类社会重要的基础设施。芯片技术的产生与发展源自国家的科技、经济与社会积累,芯片企业的发展壮大离不开政府的保驾护航。日本芯企挑战美国芯企失败,根本原因不是技术不行,而是综合国力差得太远。技术上打不过,美国就用国力来压死。日本的科技力量源自美国、经济运行绑定美国、安全保障依靠美国、产品市场也在美国,拿什么跟人家斗?韩国与台湾地区则自愿服低做小,换来美国的不杀之恩。不就是跪着挣钱嘛,不丢人。而当历史的舞台上出现中美相争时,过去的经验与做法都不具备参考价值了,因为国力不一样,双方能打的牌不一样了。至于该怎么打,我们还是放在后面再说。

从芯片产业发展史中,我们还可以发现两条规律始终在起作用:

第一条是市场规律。市场是芯片产业发展的决定力量。市场是技术演进的原动力。市场需求逼迫着企业以更高效、更低成本的方式提供更好的产品,适应这种要求的企业才能长久。无论是从电子管到晶体管的升级换代,还是集成电路与微处理器创造新的产业,都是适应市场需求的结果。市场是旧有格局的破坏力。在市场需要面前,专利、产业联盟、高昂成本等壁垒都不是不可逾越的天堑。所有造成创新停滞的壁垒最后要么摧枯拉朽般攻克,要么弃之敝履般绕过。Wintel联盟建再高的堡垒又有何用呢?移动互联网的新战场它俩连下场的份都没有。市场是后发国家的支撑力。后发国家的芯片产业需要一个足够大的市场支撑发展,中国的芯片产业因为依靠一个庞大且充满活力的市场才能快速而又持续的发展,这是日、韩、台湾地区的芯企无法相比的优势。

第二条是行业规律。芯片产业一直处于技术扩散、产业分化的趋势中。芯片产业的技术与技术人才都是在不断地从一家企业扩散到另一家企业,从一个国家扩散到另一个国家,这种趋势一直没有停止。有没有一直牢牢攥在一家企业中的技术呢?可能有,但在摩尔定律的裹挟下,技术的保鲜期非常短。保守技术不如在有价值的时候卖个好价钱,这个账企业是能算清的。行业的特点又决定了企业成本越来越高,只有通过集中化、专业化才能保证行业的正常发展,这是行内企业不得不做出的选择。而在这个分化过程中,向哪里集中,又是由市场规律所决定。

有了芯片产业发展史的三条经验与两条规律,我们就可以回答两个问题:

五、为什么我们能赢?我们怎样能赢?

其实这两个问题属于两个不同层面。第一个问题是战略层面,综合判断给出定性的答案。第二个问题是战术层面,具体分析给出对策性方案。

对第一个问题,我们从历史可以知道,美国这次打中国华为和三十年前打日本芯企,所用的理由与思路是一脉相承的。但中国不同于站起来又跪下的日本,也不同于一直就跪着的韩国与台湾地区,中国可以动用的力量完全不一样。

首先,中国可以依靠自身市场的力量。当年日本芯片企业能够崛起,政府参与的经济体制起了关键的作用。而其失败除了政治上的原因,自身市场小依赖美国市场是一个重要的因素。美国一旦对日本关闭市场,日本的产品根本就无处消化,与其被迫削减产能还不如主动投降留一线生机。而中国经济体制的优势只会比日本强,这不用多说。更重要的是中国市场足够大。当今世界电子产品三大市场:中国、美国、欧洲。中国是其中最大的单一市场。这个市场除了足够广阔能消费海量的产品,更重要的是它高度繁荣,而且需求最鲜活多变激励着企业不断的创新。中国消费类电子产品以及对应的芯片产品创新已经是世界上最活跃的,这点从中国拥有最多的手机国际大品牌,每年发布最多的新款就可以看出。许多新颖的手机功能往往都是中国厂商抢先一步发布。虽然中国厂商现阶段的创新多是应用层面创新,但从历史的角度来看,中国现在所处的阶段与美国二战之前非常类似。中国的市场持续提供能量,使中国企业始终保持旺盛活力,可能某个历史机遇就可以完成最重要的蜕变。“好风凭借力,送我上青云”!而那时就是中国企业包括芯企登顶之时。

其次,中国可以团结世界的力量。这个世界分为美国的盟友与非盟友。非美国盟友的国家不用多说,中国企业与中国产品不会受到什么阻碍,更多考虑如何进一步深化开拓。而美国所谓的盟友,有的是友有的是狗。如果是狗就要打狗,如果是友就要撬走。美国要求盟友对华为统一行动,但实际上响应的并不多,说明并不是铁板一块,中间存在着裂隙。这次美国对疫情的处理,对美国黑人抗议的镇压,许多盟友已经明确表达失望。美国与盟友之间的裂隙会越来越明显,存在很大操作空间。

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通过团结世界,我们就可以击破美国的妄想:让中国脱钩。美国现在对华为的禁令其实是对中国完全脱钩的预演。让华为不能使用美国的技术,是对市场与行业规律的双重违背。当今世界的芯片产业链是很多国家很多企业共同打造的技术生态,早已不再是美国一家的贡献。例如在最先进的代工生产线上,美国技术占比不到10%,这就行业规律作用的结果。芯片产业极其依赖规模效应,如果销售额下降,资金收不回来,企业将有非常大的经营风险。美国用蛮横的政治手段不让芯片企业赚华为的钱,又没有相应的补偿措施,在市场规律的驱使下,资本家自然要下决心尽量规避美国技术。违背规律的蛮干,等于美国自己把市场机会让给了别人,最后结果不是中国脱钩,一定是世界脱美!当中国与世界进一步整合,实现市场与技术的完全顺畅交流,就是我们胜利之时。

最后,中国可以发动企业的力量。中国在发展的过程中,以美国为首的西方国家一直是制裁、封锁声不断,因此中国患上了“产业链条缺失恐惧症”。几十年下来,弄成了世界上最完整的产业链。而在发展芯片产业的过程中,对企业门类的选择根本与日、韩、台湾地区不一样,不是搞什么单点突破、打造局部优势,而是我全都要!

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经过多年的发展,通过培育本土半导体企业和国外招商引进国际跨国公司,国内逐渐建成了覆盖设计、制造、封测以及配套的设备和材料等各个环节的全产业链半导体生态。大陆涌现了一批优质的企业,包括华为海思、紫光展锐、兆易创新、汇顶科技等芯片设计公司,以中芯国际、华虹半导体、华力微电子为代表的晶圆制造企业,以及长电科技、华天科技、通富微电、晶方科技等芯片封测企业。

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国内半导体产业链相关公司
虽然每个领域目前都不拔尖,但是内部联动共渡难关已经完全没有问题。去年华为没有被列入实体清单前,很多人还在鼓吹美国的自由市场理念。等到不断有企业进实体清单,杂音马上就没有了,企业家集中注意力在如何少用美国技术与产品,避免陷入被动。今年美国禁令再加码时,行业内其实并没有引起太多议论,因为早就料到了。美国一次教育行动,效果比领导喊话十几年都好。少用或不用美国技术,结果只有两个,改用其它国家技术或自研。

中国芯片行业的企业,如果不想倒在美国的制裁下,还想在市场中存活下来,必将对技术加大重视与投入,产业也将在压力下进行重塑,这将会蓄积起难以预料的力量。而当我们的企业摆脱外部的依赖,以创新能力形成自主的技术体系,并最终成为世界新的科技源头时,那就是我们胜利之时。

这三个方面,是依据历史规律做出的定性分析,只能判断出什么会是符合规律的发展方向。至于要花多长时间能够实现中国芯片行业登顶?五年?十年?二十年?这是无法预测的。历史的发展有必然性,也有偶然性。我们只能判断历史的大方向,偶发的大事件谁也做不到未卜先知。谁又能知道2020年会以一场疫情开始?谁又能知道强大如美国居然成了世界上疫情最严重的国家,何时结束都无法判断?谁又能知道一个黑人的枉死能让美国陷入全国性的混乱?我们不能预知偶然,我们只有信心我们自己能越来越好!

对第二个问题,我们需要把它细化为三个更具体的问题,分别是:

1. 华为怎么办?

2. 芯片产业差距太大怎么办?

3. 缺乏技术能力、没有理论储备怎么办?

华为怎么办?这个问题其实已经有很多文章讨论过了,华为对各种情况也早已做过预判,不用过多担心。华为与中芯国际是中国芯片企业的两只领头羊,无论如何也要保住。如果华为真地撑不住了,中国政府早就会出手了,但现在还没有,这就说明新的禁令并不能置华为于死地。突破封锁的办法有的是,小招与大招都有,这里就不一一列举。

芯片产业差距太大怎么办?实事求是地说,除了华为的芯片设计水平已经跻身世界领先水平,中国芯片产业在各环节都有较大的差距,要正视差距。要解决则有两条策略:

一是紧追现有先进技术。对于我们来说,现在是重要的历史机遇:摩尔定律的极限在逐渐逼近。硅原子的直径为0.1纳米,再缩小晶体管制程,沟道的构成将从几十个原子变为十几个原子,这中间每一步的技术难度都将以几何方式增加。因此现在先进制程的发展速度在减慢。领先者在减速,而追赶者在加速。中芯国际在新的联席CEO梁孟松到任以后,已经跳过22纳米、16纳米,直奔14纳米。中芯国际第一代14纳米FinFET技术在2019年进入量产,在第四季度达到了晶圆收入的1%。预计在2020年,14纳米工艺将会稳健上量。而第二代FinFET技术平台也会持续迎来客户导入。相信中国队伍与世界先头部队胜利会师的那天应该不远了。

二是抓住下一次技术革命的机会。摩尔定律逐渐失效不一定是其本身的问题,市场对更高性能的芯片的需求依然如故。如果有人嫌芯片速度太快,就和说5G无用是一样的无知。我们还有多少能想象出来的未来世界产品用现在的芯片无法实现。市场的需求并未满足,技术进步脚步是不会停下来的。那么就有一种可能,不是摩尔定律走到尽头,而是现有技术路线山穷水尽,要由新的结构、新的材料甚至新的器件来代替。试着给大家列举几项未来可能采用的技术:

环绕式栅极晶体管(GAAFET,Gate-All-Around FET)。GAAFET是对FinFET技术路线的进一步延展。FinFET是将晶体管从平面改为立体,已经历16纳米/14纳米、10纳米/7纳米、5纳米三个工艺节点。在衡量技术成熟度、性能和成本等因素后,台积电的3纳米制程首发也将沿用FinFET晶体管方案。而3纳米以下,FinFET逼近物理极限,GAAFET将成为新的技术选择。比FinFET的立体结构更进一步,GAAFET的沟道被栅极四面包围,沟道电流比三面包裹的FinFET更加顺畅,能进一步改善对电流的控制。三星、台积电、英特尔均引入GAA技术的研究,其中三星已经先一步将GAA用于3纳米芯片。三星采用的GAA技术名为多桥通道FET(MBCFET,Multi-Bridge Channel FET),这是一种纳米片FET(nanosheet FET)。不过纳米片FET现在并不成熟,还有许多难题需要攻关。

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从平面场效应管到FinFET再到GAAFET的演变
碳纳米管。自从1954年硅晶体管取代锗晶体管以后,半导体技术所用材料绝大多数是硅或硅的化合物。但硅材料的使用眼看就要到极限,有没有新材料代替?在元素周期表上,锗、硅、碳属于同一主族,所以很自然的问题就是,碳能不能用?以前人们知道的碳材料有石墨、金刚石和无定形碳,但它们都不适合作为半导体材料。但后来人们发现了碳纳米管,在原理上它可以使用,而且在不少方面还优于硅。真正的困难是加工工艺,要制造出粗细一致并且排列均匀的碳纳米管现在还有挑战。其它还在研究的新材料包括过渡金属硫化物(Transition-Metal Sulfdes, TMDC)。

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各种材料性能对比
光子芯片。电子芯片技术越来越难有突破,重要原因是热量。这是由于电子穿过芯片上的铜导线时遇到电阻而产生的。与电子不同,光子没有电阻概念。由于它们没有质量或电荷,它们在经过的材料中的散射较少,因此不会产生热量,从而减少能量消耗。此外,通过用光通信代替芯片内的电通信,可以将芯片内部和芯片间的通信速度提高1000倍。光子芯片或许将会是未来最适合用作AI计算的硬件架构,这是因为光的特性先天适合AI计算里最重要的线性计算部分,也就是高维度的并行计算。自从晶体管1947年发明,已经有70多年没有革命性的器件发明了,光子芯片会不会就是下一个?

量子芯片。量子计算并不是对现有电子计算的全面取代,而是一种全新的计算模式,服务于特定的问题。量子计算的处理器,即量子芯片集成有大量的量子逻辑单元,可以执行量子信息处理过程,在诸如量子化学模拟、量子人工智能等诸多领域具有巨大的潜力,有望突破传统计算机的算力极限。目前,超导系统、半导体系统、离子阱系统等,都有相应的量子芯片研究,并正在往大规模集成的方向摸索。目前,基于超导约瑟夫森结(Josephson junction)体系的技术路线在当前阶段走在了前面,但近年来基于半导体量子点的技术也发展迅速,未来的量子计算机究竟采取哪种技术路线尚未有定论。

以上这些研究方向中未来可能成为现实,从而颠覆现有的芯片产业格局,这样的事件在芯片产业发展史上一再出现。对于新的技术革命,所有参赛者可能又回到同一起跑线,从而给后来者超越的机会。

缺乏技术能力、没有理论储备怎么办?我们还是要从历史中找到答案。美国科技从世界边缘走向中心,是从应用研究向理论研究逐步提升的,这是一个必然的过程。日本、韩国、台湾地区技术与人才初期都是从美国引进,后续才培养出自己的人才队伍,创造出自己的技术。这条路我们需要同样走一遍。技术转移、吸收、消化再创新要毫不动摇地走下去。以中芯国际为例,台积电最早的六名技术骨干中蒋尚义、梁孟松、杨光磊先后任职,为中芯技术提升做出了重要贡献。相信我们自己的工程师不会比任何人差,能在学习追赶的过程中快速成长。而理论及科学家的储备需要时间。一方面如华为全球重金招募科学家,这是在全球化时代非常聪明的做法,为企业发展节省时间,同时也能极大促进中外的科技交流。另一方面,在理论研究方面国内也已经开展多年有了许多重大的成果。如不久前报道的北京大学电子系教授、中科院彭练矛院士在碳米管研究上取得的突破,中国科学技术大学郭国平教授也在量子芯片研究上取得重要进展。这些成果都是厚积薄发才取得的,类似的理论研究还有许多,相信我们会不断收获惊喜。

说了这么多,就是希望大家能从芯片产业发展历史中得到启示,历史的车轮受规律的约束,历史往哪里走,不是由某个强权说了算。阻挡历史的前进或强行改变历史发展的方向,其结果不过是粉身碎骨。倒行逆施正说明对手日暮途穷。对那些还怀着帝国春梦的美帝老打手们,就需要用事实让他们明白,时移世易,换了人间!身处历史大变局的我们,可能正在感受着巨大的压力。但是如果再过十年、二十年或者更长的时间,回顾这段历史的进程,我们是否又该庆幸曾经参与历史创造历史,骄傲地反复回味这一过程中的点点滴滴呢?坚定信心去迎接胜利吧!

最后再给大家提一个新闻。美国国会提出了《无尽前沿法案》(Endless Frontier Act)将向国家科学基金会(National Science Foundation)分5年注入1000亿美元,用于高科技领域研究以对抗中国。这说明美国人有了进步,政府开始主动作为推动科技发展。但另一方面,这个法案又受到了科技界人士的批评,认为其内容私心太重急功近利。不管其对错如何,中美在科技领域的竞逐都将加速推动人类科技的进步,我们还是以积极的眼光去看待。同时法案中列出的十大科技领域也是给了我们方便,这就是个寻宝图嘛:

人工智能和机器学习

高性能计算、半导体和先进计算机硬件

量子计算和信息系统。

机器人、自动化和先进制造

预防自然或人为灾害

先进的通信技术

生物技术、基因组学和合成生物学。

先进的能源技术

网络安全、数据存储和数据管理技术

与其他重点领域相关的材料科学、工程和勘探

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      2020/6/7 12:38:12

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      这一次,美国人恐怕是一脚踢到石头上了!

      2020/6/8 16:54:18
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      真是难得好文,一文看懂芯片产业。。

      2020/6/8 11:45:34
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      突然有一天发现孩子被欺负了,他能做的是找上人家去把对方揍一顿出气。如果哪天他碰上一个揍不动的呢?,,(小日本本来就是没有骨头而且还没有筋的。),,,,,现在不就是有一个揍不动的嘛。

      2020/6/7 16:43:43
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      回复:中国芯能否登顶?从芯片产业发展史找答案(下)

      2020/6/7 15:30:09

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