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世紀浪人︰EUV光刻機、EDA軟件,中國芯片制造的短板在哪? - 軟硬件

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世紀浪人︰EUV光刻機、EDA軟件,中國芯片制造的短板在哪?

wl09222017發表於 2020-10-26 23:34:07
  資鯨網原創出品,首發資鯨網,轉載請加資鯨(ID︰zijingkeji)。

世紀浪人︰EUV光刻機、EDA軟件,中國芯片制造的短板在哪?

華為海思芯片廣告宣傳圖(來源︰百度百科)

  【前言】一只木桶能盛多少水,並不取決于最長的那塊木板,而是取決于最短的那塊木板。也可稱為短板效應。任何一個組織,可能面臨的一個共同問題,即構成組織的各個部分往往是優劣不齊的,而劣勢部分往往決定整個組織的水平 。 因此,整個社會與我們每個人都應思考一下自己的“短板”,並盡早補足它。這就是管理學中著名的木桶效應。

  從去年中美貿易大戰開始,就有很多國家、媒體、機構和群體唱衰中國,尤其是當美國將華為、中芯國際、海康威視等一些中國高科技公司列入實體清單後,各種負面言論更是甚囂塵上。然而,在經歷新冠疫情後,中國經濟反而成為全球經濟恢復和發展的“火車頭”,高效、迅猛、快速,無論用什麼褒義詞匯描述中國經濟的發展都不為過。

  本文著重說說關于中國芯片制造的那些事兒。

  一、芯片究竟是什麼

  1.芯片概念

  芯片,又稱微電路(microcircuit)、微芯片(microchip)、集成電路(英語︰integrated circuit, IC)。是指內含集成電路的 片,體積很小,常常是計算機或其他電子設備的一部分。

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華為海思麒麟芯片(來源︰百度百科)

  集成電路在電子學中是一種把電路(主要包括半導體設備,也包括被動組件等)小型化的方式,並通常制造在半導體晶圓表面上。前述將電路制造在半導體芯片表面上的集成電路又稱薄膜(thin-film)集成電路。另有一種厚膜(thick-film)混成集成電路(hybrid integrated circuit)是由獨立半導體設備和被動組件,集成到襯底或線路板所構成的小型化電路。本文是關于單片(monolithic)集成電路,即薄膜集成電路。

  晶體管發明並大量生產之後,各式固態半導體組件如二極管、晶體管等大量使用,取代了真空管在電路中的功能與角色。到了20世紀中後期半導體制造技術進步,使得集成電路成為可能。相對于手工組裝電路使用個別的分立電子組件,集成電路可以把很大數量的微晶體管集成到一個小芯片,是一個巨大的進步。集成電路的規模生產能力,可靠性,電路設計的模塊化方法確保了快速采用標準化IC 代替了設計使用離散晶體管。

  IC 對于離散晶體管有兩個主要優勢︰成本和性能。成本低是由于芯片把所有的組件通過照相平版技術,作為一個單位印刷,而不是在一個時間只制作一個晶體管。性能高是由于組件快速開關,消耗更低能量,因為組件很小且彼此靠近。2006年,芯片面積從幾平方毫米到350 mm?,每mm?可以達到一百萬個晶體管。

  第一個集成電路雛形是由杰克€€基爾比于1958年完成的,其中包括一個雙極性晶體管,三個電阻和一個電容器。

   2.應用領域

  最先進的集成電路是微處理器或多核處理器的“核心(cores)”,可以控制電腦到手機到數字微波爐的一切。存儲器和ASIC是其他集成電路家族的例子,對于現代信息社會非常重要。雖然設計開發一個復雜集成電路的成本非常高,但是當分散到通常以百萬計的產品上,每個IC的成本最小化。IC的性能很高,因為小尺寸帶來短路徑,使得低功率邏輯電路可以在快速開關速度應用。軍用芯片更是在國防裝備上得到普遍應用,如全數字化輪式步兵戰車、激光制導導彈控制芯片、超視距雷達系統集成芯片等。

  這些年來,IC 持續向更小的外型尺寸發展,使得每個芯片可以封裝更多的電路。這樣增加了每單位面積容量,可以降低成本和增加功能-見摩爾定律,集成電路中的晶體管數量,每兩年增加一倍。總之,隨著外形尺寸縮小,幾乎所有的指標改善了-單位成本和開關功率消耗下降,速度提高。但是,集成納米級別設備的IC不是沒有問題,主要是泄漏電流(leakage current)。因此,對于最終用戶的速度和功率消耗增加非常明顯,制造商面臨使用更好幾何學的尖銳挑戰。這個過程和在未來幾年所期望的進步,在半導體國際技術路線圖(ITRS)中有很好的描述。

  越來越多的電路以集成芯片的方式出現在設計師手里,使電子電路的開發趨向于小型化、高速化。越來越多的應用已經由復雜的模擬電路轉化為簡單的數字邏輯集成電路。

   計算機芯片

  如果把中央處理器CPU比喻為整個電腦系統的心髒,那麼主板上的芯片組就是整個身體的軀干。對于主板而言,芯片組幾乎決定了這塊主板的功能,進而影響到整個電腦系統性能的發揮,芯片組是主板的靈魂。

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intel和AMD公司CPU(來源︰百度百科)

  芯片組(Chipset)是主板的核心組成部分,按照在主板上的排列位置的不同,通常分為北橋芯片和南橋芯片。北橋芯片提供對CPU的類型和主頻、內存的類型和最大容量、ISA/PCI/AGP插槽、ECC糾錯等支持。南橋芯片則提供對KBC(鍵盤控制器)、RTC(實時時鐘控制器)、USB(通用串行總線)、Ultra DMA/33(66)EIDE數據傳輸方式和ACPI(高級能源管理)等的支持。其中北橋芯片起著主導性的作用,也稱為主橋(Host Bridge)。

  生物芯片

  與PCR技術一樣,芯片技術已經開展和將要開展的應用領域非常的廣泛。生物芯片的第一個應用領域是檢測基因表達。但是將生物分子有序地放在芯片上檢測生化標本的策略是具有廣泛的應用領域,除了基因表達分析外,雜交為基礎的分析已用于基因突變的檢測、多態性分析、基因作圖、進化研究和其它方面的應用,微陣列分析還可用于檢測蛋白質與核酸、小分子物質及與其它蛋白質的結合,但這些領域的應用仍待發展。對基因組DNA進行雜交分析可以檢測DNA編碼區和非編碼區單個堿基改變、缺失和插入,DNA雜交分析還可用于對DNA進行定量,這對檢測基因拷貝數和染色體的倍性是很重要的。

  人腦芯片

  幾十年來,科學家一直“訓練”電腦,使其能夠像人腦一樣思考。這種挑戰考驗著科學的極限。IBM公司的研究人員18日表示,在將電腦與人腦結合在一起的研究道路上,他們取得了一項重大進展。

  這家美國科技公司研制出兩個芯片原型,與此前的PC和超級計算機采用的芯片相比,這些芯片處理數據的方式與人腦處理信息的方式更為接近。這兩個芯片是一項為期6年的項目取得的一項具有里程碑意義的重大成就。共有100名研究人員參與這一項目,美國政府的國防高級研究計劃局(DARPA)提供了4100萬美元資金。IBM的投資數額並未對外公布。

  日前,由瑞士、德國和美國的科學家組成的研究小組首次成功研發出一種新奇的微芯片,能夠實時模擬人類大腦處理信息的過程。這項新成果將有助于科學家們制造出能同周圍環境實時交互的認知系統,為神經網絡計算機和高智能機器人的研制提供強有力的技術支撐。

  以前的類似研究都局限于在傳統計算機上研制神經網絡模型或在超級計算機上模擬復雜的神經網絡,而新研究的思路是︰研發在大小、處理速度和能耗方面都可與真實大腦相媲美的電路。研究小組成員基爾克莫€€因迪韋里表示︰“我們的目標是直接在微芯片上模擬生物神經元和突觸的屬性。”

  做到這一點面臨的主要挑戰,是配置由人造神經元組成的網絡,讓其能執行特定的任務。研究小組現在已經成功地攻克了這一“碉堡”,他們研發出一種被稱為“神經形態芯片”(neuromorphic chips)的裝置,能夠實時執行復雜的感覺運動任務,並借助這一裝置,演示了一個需要短期記憶力和依賴語境的決策能力的任務,這是認知測試所必須的典型特征。

  由于神經形態芯片可以實時處理輸入的信息並作出回應,有關專家認為這項技術將有望走向實用化,從而允許機器人在復雜環境中,在不受人類遠程遙控的情況下實現自動作業。

  歐盟、美國和瑞士目前正在緊鑼密鼓地研制模擬大腦處理信息的神經網絡計算機,希望通過模擬生物神經元復制人工智能系統。這種新型計算機的“大腦芯片”迥異于傳統計算機的“大腦芯片”。它能運用類似人腦的神經計算法,低能耗和容錯性強是其最大優點,較之傳統數字計算機,它的智能性會更強,在認知學習、自動組織、對模糊信息的綜合處理等方面也將前進一大步。

  不過也有人表示了擔憂︰裝上這種芯片的機器人將來是否會在智能上超越人類,甚至會對人類造成威脅?

  3.制造流程

  芯片(半導體)產業從上游到下游到底在做些什麼。先來看一下關聯圖︰

世紀浪人︰EUV光刻機、EDA軟件,中國芯片制造的短板在哪?

來源︰半導體行業觀察

  半導體產業最上游是IC設計公司與 晶圓制造公司,IC設公司計依客戶的需求設計出電路圖, 晶圓制造公司則以多晶 為原料制造出 晶圓。中游的IC制造公司主要的任務就是把IC設計公司設計好的電路圖移植到 晶圓制造公司制造好的晶圓上。完成後的晶圓再送往下游的IC封測廠實施封裝與測試,即大功告成!

  (1) 晶圓制造

  半導體產業的最上游是 晶圓制造。事實上,上游的 晶圓產業又是由三個子產業形成的,依序為 的初步純化 → 多晶 的制造 →  晶圓制造。

  a 的初步純化

  將石英砂(SiO2)轉化成冶金級 ( 純度98%以上)。

  b多晶 的制造

  將冶金級 制成多晶 。這里的多晶 可分成兩種︰高純度(99.999999999%,11N)與低純度(99.99999%,7N)兩種。高純度是用來制做IC等精密電路IC,俗稱半導體等級多晶 ;低純度則是用來制做太陽能電池的,俗稱太陽能等級多晶 。

  c 晶圓制造

  將多晶 制成 晶圓。 晶圓又可分成單晶 晶圓與多晶 晶圓兩種。一般來說,IC制造用的 晶圓都是單晶 晶圓,而太陽能電池制造用的 晶圓則是單晶 晶圓與多晶 晶圓皆有。一般來說,單晶 的效率會較多晶 高,當然成本也較高。

   (2)IC設計

  前面提到 晶圓制造,投入的是石英砂,產出的是 晶圓。IC設計完成後,產出則是電路圖,最後制成光罩送往IC制造公司,設計就告一段落了!

  不過,要讓理工科以外的人了解IC設計並不是件容易的事(就像要讓念理工的人了解復雜的衍生性金融商品一樣),作者必需要經過多次外出取材才有辦法辦到。這里先大概是一下觀念,請大家發揮一下你們強大的想象力!

  簡單來講,IC設計可分成幾個步驟,依序為︰規格制定 → 邏輯設計 → 電路布局 → 布局後模擬 → 光罩制作。

  a規格制定

  品牌廠或白牌廠(沒有品牌的品牌廠)的工程師和IC設計工程師接觸,並開出他們需要的IC的規格給IC設計工程師。討論好規格後,工程師們就開始工作了!

  b邏輯設計

  所謂的“邏輯”設計圖,就是指它是由簡單的邏輯元件構成,而不是由半導體種類電路元件 (如二極體、電晶體等)所構成。什麼是邏輯元件呢?像是AND Gate(顧名思義,兩個輸入都是1的話,輸出才是1,否則輸出就是0),OR Gate(兩個輸入只要有一個輸入是1,輸出就是1)等。邏輯元件會在IC設計單元再和大家做進一步的介紹。

  c電路布局

  d布局後模擬

  e光罩制作

  (3) IC制造

  IC制造的流程較復雜,但其實IC制造就只做一件事而已︰把光罩上的電路圖轉移到晶圓上。它的過程其實和傳統相片的制造過程非常類似。你如果上網google一下“IC制造”,會看到很多火星文的資料,保證你看不懂那些流程到底代表什麼意思。

  IC制造的步驟是這樣子的︰薄膜→光阻→顯影→蝕刻→光阻去除,然後不斷的循環數十次。我們來看一下示意圖︰

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來源︰半導體行業觀察

  a薄膜

  鍍上金屬(實際上不一定是金屬)。

  b光阻

  在晶圓上涂上一層光阻(感光層)。

  c顯影

  用強光透過“光罩”後照在晶圓上。這樣的話,除了“電路”該出現的部分,其余光阻的部分是不是都照到光了?

  d蝕刻

  把沒有光阻覆蓋的薄膜沖蝕。

  e光阻去除

  把上面的光阻去除,留下的薄膜部分就是電路圖了,簡單嗎?當然,實際的過程沒那麼簡單。實際的情形是光罩是由好幾十層構成的,而每層需要的材質也不一樣。也就是說,薄膜那一層需用不同的材質。譬如說,SiO2。(部分素材來源于大學教材和半導體行業研究文獻)

  (4)IC封測

  IC制造廠商完成的IC大致如下圖︰

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晶圓完成品(來源︰百度百科)

  這一片片的晶圓完成品就被送往IC封測廠,實行IC的封裝與測試。

  a封裝

  封裝的流程大致如下︰切割→黏貼→焊接→模封。

  b切割

  第一步就是把IC制造公司送來的一片片晶圓切割成一顆顆長方形。

  c黏貼

  把IC黏貼到PCB上。

  d焊接

  顧名思義,把IC的小接腳焊接到PCB上,這樣才和大PCB(如主機板)相容。

  e模封

  就是把接腳模封起來。最近很火的題材-BT樹脂,就是用在這里。

  二、我國芯片產業現狀

  1.面臨的問題

  中國是全球最大的芯片進口國,年均進口中高端芯片總值超過2000億美元,芯片消費市場超過萬億美元,是全球芯片企業最重要的銷售市場。長期以來,我國裝備制造業和消費電子業采用的中高端芯片主要依賴進口,利潤集中在上游,產成品附加值低,即便在某些領域已經開發出中低端的芯片產品,但受供給能力的制約, 仍然無法創造更高的價值回報。

  如今,越來越多新興產業與技術的層出不窮,使得芯片需求與要求不斷走高,伴隨著芯片發展再度成為風口,各國對于芯片產業也是愈發重視與關注。今年以來,在激烈的行業競爭之下,全球芯片產業發展便迎來了巨變。一方面行業並購潮的升溫,使得行業洗牌持續加速;另一方面美國對我國的進一步打壓,也使得全球產業鏈遭受重創。

  相比兩方面的變化,無疑後者對于我國芯片產業發展來說影響更大。畢竟目前,我國對于芯片進口需求巨大,每年差不多有近3000億美元芯片需要從國外獲取。與此同時,國內各大芯片廠商的發展也離不開國外企業的助力合作。在此背景下,美國通過多次打壓切斷我國芯片供應鏈,制約國內企業芯片生存與發展,顯然帶來的破壞巨大。

  當前,包括中興、華為、中芯國際等在內,芯片領域主要的本土企業基本都已經遭受到美國方面嚴厲制裁,形勢可以說不容樂觀。短期來看,華為、中芯國際等借助前期大量囤積的儲備芯片,還能暫時堅持一段時間。但長期來看,芯片供應鏈的切斷、芯片原材料的斷絕、芯片合作伙伴的失去,都將給企業們的業務發展和生存帶來嚴峻考驗。

  而從現有國際形勢來看,美國等對于我國芯片的打壓不是三分鐘熱度,很可能持續非常長的一段時間,基于此,要想擺脫或破解現有不利局面,只能求助于自身。只有發揮出南泥灣精神,實現芯片的自主研發、國產替代,才能滿足我國整個相關產業發展的自力更生,才能實現本國工業制造發展的不受制于人。當然,這些具體實現並不容易。

  困難的主要原因,是我國芯片一直以來的基礎比較薄弱,不管是人才、原材料、關鍵技術還是資金方面,都與國外存在明顯差距。不過,我們自己也不必過分妄自菲薄,相比國外來說,我國也存在一定的優勢,那就是強大的政府、廣闊的市場以及巨大的人口基數……這些共同為我國解決芯片長期以來的發展問題提供了關鍵助力。

  2.關鍵短板

  去年5月,華為被納入制裁清單後,中國芯片制造的短板讓所有人警醒,大家都呼吁國產光刻機,可有誰意識到,在這份清單中,華為還被終止與美國的EDA軟件廠商的合作。

  EDA軟件是什麼?這是一種工業軟件,安裝在電腦上,用來設計芯片的。幾十年前,制造工藝沒有今天發達,芯片里面集成的晶體管數量不多,可以在紙質的圖紙上畫出來。後來,隨著工藝的進步,指甲蓋大小的芯片里集成了幾十億個晶體管,不可能用圖紙詳細繪制,技術人員開始把圖紙挪到電腦上,在軟件上設計芯片,可以縮小放大,看清楚芯片內部結構,還可以模擬現實場景,檢查設計是否有錯誤。華為與美國廠商終止合作後,無法再獲取軟件更新服務,只能使用老版的EDA軟件設計芯片。

  除了EDA,工業軟件還包括CAD、CAE等。CAD是用來畫圖的,把你想要的零部件,在電腦上畫出來。CAE則是用來仿真的,在軟件里,輸入參數,直接對設計好的零部件進行受力分析,看看它承受多大的力,什麼樣的情況下才會破裂。如果虛擬環境中通過測試,就可以在工廠里生產了。沒有這些工業軟件,按照傳統的方式,需要在實驗室里反復做試驗,才能得到結果,既耗錢又耗時間。

  中國雖然有很多互聯網公司,能夠設計出微信、抖音這樣世界級App,但在工業軟件領域,非常落後。比如說,設計芯片的EDA軟件,Synopsys、Cadence、Mentor三家美國背景的巨頭佔據了中國95%的市場,剩下的5%,國內廠商還要與國外其他公司競爭。

  為什麼工業軟件這麼難?它和一般的IT軟件不一樣,像我們平時使用的淘寶、QQ等,只需實現數據交換、通訊等功能,不需要程序員了解其他學科的知識。開發者不僅懂代碼,還要了解工業制造。行業內工程師將自己多年的實踐經驗,總結成算法,融合到軟件里,日積月累,更新換代。而這樣的平台,往往只有大的制造企業才能掌握,哪怕隻果、亞馬遜產品酷炫、市值過萬億,也難在工業軟件上有所作為。單從代碼行數來看,世界上最大的軟件公司,不是微軟,也不是谷歌,而是全球最大的軍火商,洛克希德€€馬丁公司。

  在工業軟件領域,美國擁有絕對的霸主地位,這樣實力也是美國國防部扶持起來的。上世紀50年代,美國為了防備甦聯人的遠程轟炸機,決定建造SAGE防空系統,通過各地的雷達站,檢測敵人飛機動向,再將數據回傳到空軍總部。麻省理工學院林肯實驗室負責方案設計,IBM公司負責軟件開發。那時候,既沒有C語言,也沒有C++,SAGE系統只能用最基礎的匯編語言編寫,雖然代碼只有50多萬行,但它是那個年代最大的應用軟件。整個項目經費達到120億美元,放在今天至少1000億,只有政府牽頭,才能推進,普通企業沒有這樣的財政基礎。

  SAGE系統有一個重要的功能,在電腦上繪圖。這是麻省理工學院開發的技術,IBM在項目合作中學習到了該技術,並在1964年推出了第一代繪圖產品IBM2250,這是CAD軟件的原型。80年代的時候,CAD的價格非常高,一般的企業根本用不起,只有洛克希德€€馬丁、通用電氣、波音幾家軍火商才有錢購買,因為他們有國防部的資金支持,軍工企業為CAD軟件最初的發展,輸了一波血。之後,隨著制造業向高端邁進,以往在圖紙上的工作,被軟件替代,不管是汽車制造商,還是家電公司,都需要工業軟件的支持。這些被國防軍工孵化、養大的軟件廠商們,開始走上市場化道路,向各類硬件制造商提供服務,擺脫了對政府的依賴。

  近幾年,國產工業軟件也在不斷發力,但是核心模塊仍然受制于人,基本上是在別人的地基上,搭建自己的產品。常見的工業軟件產品中,很少有一家公司編寫所有的代碼。這就像生產汽車一樣,沒有哪家公司所有的零件都自己生產,肯定要向外采購。但是要注意的是,核心的部件,肯定要自己造。比如說,波音公司研制787型飛機時,使用了8000多種軟件,只有不到1000種是市場上的商業軟件,其他的都是波音自己研發的,並且不對外銷售。

  國內很多企業和研究機構,使用國外的工業軟件,存在安全隱患。今年6月,哈工大,哈工程被禁止使用Matlab,這是一款常用的商業數學軟件,由美國公司開發,在學術研究領域處于壟斷地位,全球有6000多所大學,1萬家企業在使用。哈工大、哈工程因為參與軍方項目,被禁止使用該軟件。這多少會影響到老師和學生,因為論文中的很多數據圖片,都需要用Matlab繪制。

  更加需要警惕的是,國內很多重大工程項目,都有采用國外的軟件,像西氣東輸工程、南水北調工程,采購的都是國外的產品系統。國產的“華龍一號”三代核電技術,已經是世界一流,但業內人士透露︰“如果德國西門子現在對中國民用核工業領域禁用NX軟件,將是一場災難,整個產業將受到巨大影響,甚至無法正常運轉”。同樣在航空航天領域,中國的殲10、殲16、殲20 、運20、飛豹戰斗轟炸機、長征五號火箭,都需要依賴法國達索公司開發的軟件。可是在2011 年,達索公司的軟件被曝存在計算機後門,這可能意味著客戶設計的產品參數信息會被泄露。

  實際上,國產工業軟件起步並不晚,1976年,國內企業從IBM引進了當時最先進的MRPII軟件,並帶回說明書,里面詳細的記載了該軟件的基本原理和算法,這是中國工業軟件的起步。一批國內的研究機構和企業,在國家政策的支持下,研發國產工業軟件。90年代的時候,中國公司的產品一度佔據國內市場25%的份額。當時,國產工業軟件與國外產品相比並不差,國外產品引進有漢化和適應中國國情的問題,有些方面國產工業軟件的優勢還比較明顯。

  可是好景不長,國內企業各自為戰,惡性競爭,相互壓價,這和今天互聯網公司為了爭取客戶,不要命的燒錢是一樣的。國產CAD軟件價格從一萬多元,掉到了不足五千,有人干脆以500元一套的白菜價拋售。偏偏這時候,國外企業也強勢入侵,這些外國公司營銷手段豐富,國內企業根本不是對手。他們最厲害的有兩點︰一是,向大學和科研機構免費捐贈軟件,培養學生和教授的使用習慣,就像今天習慣使用隻果手機的人,不會去買安卓手機一樣。美國公司精通此道,去年5月,在哈工大的校園里,Matlab公司還搞了一場大學推廣活動,把大學生召集起來,現場免費講解軟件怎麼使用,還發放小禮品,誠意十足。二是,除了花心思推銷,外國公司還放任盜版軟件佔領中國市場,防止國產軟件做大,這和當年微軟的套路是一樣的,盜版的Windows操作系統,在國內泛濫,可微軟睜一眼閉一眼,這樣做是為了擠壓國產操作系統的生存空間,大家都用盜版的Windows系統,沒人用國產的。

  3.對策

  在強有力的政府主導下,近期我國已經出台了多項芯片支持政策,同時也釋放出眾多企業紅利。例如在今年9月,國務院便印發了《新時期促進集成電路產業和軟件產業高質量發展的若干政策》,其中在強調集成電路產業和軟件產業重要性的同時,也對產業鏈上的企業推出稅收紅利,據了解,滿足要求的企業最高可免稅十年。

  而除了政策支持以外,我國政府也在加大對芯片發展關鍵性因素的突破︰

  其中在資金方面,國家已經先後成立集成電路產業投資大基金,並在一期已經大量投資半導體材料公司的基礎上,今年二期更是加大投資規模,僅上半年金額就超過了2000億元。與此同時,國家還積極引導社會資本對企業們的支持,鼓勵企業們通過融資合作等形式吸取資金,並在稅收層面給予企業們重大利好。

  在人才方面,作為整個芯片產業發展的基石,今年以來我國也是加大了對芯片人才的重視和培養,在支持引進國外先進人才的同時,更注重源頭上解決人才匱乏與質量不高問題。據報道,近日我國更是在南京成立了國內第一所專門培養芯片人才的高校€€€€南京集成電路大學,這為芯片行業人才問題的解決帶來福音。

  在尖端技術方面,國家在強調加強芯片技術研發、企業技術交流合作的同時,也是派出了“科研國家隊”。據中國青年報報道,日前中科院已經正式入場,為國內芯片尖端技術突破加油助力。中科院院長白春禮表示,未來將把光刻機等芯片尖端技術的突破列入科研任務,以推動中國芯片行業的國產化。

  除此以外,在芯片材料方面,我國發改委、科技部、工信部、財政部四部門也在積極發力。9月份,四部門聯合印發了加速新材料技術突破的意見書,以加速在芯片領域的光刻膠、大尺寸 片、電子封裝材料等新材料領域的技術突破。這些實際行動為我國芯片材料的國產化突破打下堅實基礎。

  總而言之,雖然我國芯片產業發展當前面臨挑戰,但我國也正在積極給出應對,相信用不了多久,肯定能看到效果。

  三、如何突破短板

  1.瘋狂的EUV光刻機

  在芯片領域,有一樣叫光刻機的設備,不是印鈔機,但卻比印鈔機還金貴。

  歷數全球,也只有荷蘭一家叫做阿斯麥(ASML.US)的公司集全球高端制造業之大成,一年時間造的出二十台高端設備,台積電(TSM.US)與三星(SSNGY.US)每年為此搶破了頭,中芯國際(20.05,?0.25,?1.26%)(00981)足足等了三年,也沒能將中國的首台EUV光刻機迎娶進門。

  關于售價,ASML總裁兼首席執行官Peter Wennink10月14日介紹公司三季度業績情況時間接給出了答案。他表示,“我們第三季度的新增訂單達到29億歐元,其中5.95億歐元來自4台EUV設備。”簡單換算一下,一台EUV光刻機的售價為1.48億歐元,折合人民幣高達11.74億元。

世紀浪人︰EUV光刻機、EDA軟件,中國芯片制造的短板在哪?

荷蘭產阿斯麥EUV光刻機(來源︰百度百科)

  這是什麼概念?2019年,A股還有1462家上市公司的營業收入低于11.74億元。換句話說,ASML每年賣一台EUV光刻機,收入就可完勝A股的1/3公司。

  售價這麼高,ASML根本不愁買家,公司愁的是產能跟不上需求。

  ASML的EUV光刻機是目前全球唯一可以滿足22nm以下制程芯片生產的設備,其中10nm及以下的芯片制造,EUV光刻機必不可缺。

  ASML的EUV光刻機在2016年正式上市,主要供應給英特爾、台積電和三星這三家大客戶。其EUV光刻機出貨量一直在增加,從2016年的5台上升到2019年的26台。

  日前,業內領先的半導體設備供應商ASML(ASML.US)發布了公司2020年第三季度的財報。財報顯示,淨銷售額(net sales)金額為40 億歐元,淨利潤金額(net income)為11 億歐元,毛利率(gross margin)達到47.5%。從訂單上看,公司在第三季度新增訂單(net booking)金額為29 億歐元。

  2.國產光刻機

  研究半導體行業的人士都知道,國產光刻機的發展史比全球最先進的光刻機廠商ASML還要早20余年,然而國產光刻機和全球頂尖光刻機還有很大的差距。在半導體漫長的發展史中,光刻機始終是最耀眼的明珠,從某種程度上來說,它代表了人類科技發展的頂級水平之一,沒有光刻機就生產不了芯片,光刻機是芯片制造中必不可少的非常精密的設備。

  近兩年美國對華為的限制一步步升級,美國發布公告全面限制華為購買采用美國軟件和技術生產的半導體,包括那些處于美國以外,被列為美國商務管制清單中的生產設備,要為華為和海思生產代工前,都需要獲得美國的許可證。

  眾所周知,華為的芯片設計能力處于世界前列,但是卻沒有生產芯片的能力,國產光刻機由于發展緩慢,還有荷蘭光刻機被美國限制出售給中芯國際,從而國產芯片制造業被美國掐住了脖子。

  國產光刻機發展史可以說是很漫長了,在70年代國產光刻機的研究上取得了很大的進步,據相關資料記載,當時中國半導體產業雖然沒有超越當時世界最先水平,但是也沒有太大的差距,但是到了80年代,一大批企業紛紛開始采取“造不如買”的政策,盲目對外開放,沒有了頂層設計,中國光刻機發展可以說是最緩慢的年代,漸漸的和世界先進光刻機拉開了較大的距離。

  目前國產生產光刻機的廠家有上海微電子裝備、合肥芯碩半導體、京先騰光電科技、無錫影速半導體科技等。然而其中規模最大、技術最先進的就是上海微電子裝備有限公司了,可以生產90nm工藝技術的光刻機。

  面對美國對國產光刻機技術的長期封鎖,國內依然生產出了90nm高端光刻機,這意味著國內半導體產業又向前跨出了關鍵的一大步,國內現在正在攻克14nm光刻機技術,相信在不久的將來國產光刻機能夠達到世界頂級水平。

  值得注意的是,此前中國的光刻技術一直被限制在90nm的瓶頸里,與世界主流的芯片制造商所能生產的芯片完全不是一個量級的,不過此次22nm級芯片技術和光刻技術所獲得的突破,正在使得我們的“中國芯”強勢崛起。這與目前阿斯麥光刻機4nm工藝生產技術比還相差較大距離。台積電正在向3nm制程工藝挺進。

  3.國產工業設計軟件

  國內背景

  90年代末,面對國外產品強勢入侵,國內CAD企業,曾經搞過聯盟,一致對外,可最終因為各家產品相似,利益交叉,聯盟根本沒有約束力,無法擰成一股繩。外國公司的中國代理商還批評這樣的做法是“閉關守舊”。中國公司為了生存,紛紛放棄自主研發,選擇給外國公司做代理,或者在國外的軟件平台上,做二次開發,用別人的模塊,搭建產品。而且,國內的采購人員,對國產CAD軟件存在天然的鄙視,先入為主的認為國外的東西好。如果公司買了國產軟件,設計人員踫到困難,就會把責任推到采購人員身上,指責軟件質量差,如果買的是國外的產品,就沒人敢抱怨軟件不行。奇怪的是,海外用戶鄙視程度最低,會嘗試使用中國的CAD軟件。

  國內一直存在重視硬件、輕視軟件的風氣,中國加入WTO後,引進了很多高端設備,但這樣的采購,往往伴隨著捆綁服務,硬件、軟件必須一起買,這也導致國產工業軟件的路越走越窄。2013年,有關部門直接就終止了對自主研發的支持。

  從美國成功的經驗,中國失敗的教訓看,要想擺脫對外國工業軟件的依賴,國家政策的支持肯定少不了。但是,還有重要的一點,就是知識產權的轉換機制。新中國成立70年來,從一窮二白成長為全球第一制造大國,這期間,積累了大量工藝流程經驗、關鍵技術參數,這些東西散落在各個企業,停留在技術人員的大腦中,隨著企業的變遷、人員的流動而不斷耗散和流失,沒能總結成算法代碼保留下來。國內很多好的產品,因為產權問題,只能在家里趴窩,沒有真正地在市場上用起來,工程師幾十年的心血就這樣浪費了。航空623所主導的HAJIF有限元分析軟件,早在1985年,就獲得了國家科技進步一等獎,但該軟件缺乏商業化環境,用戶少得可伶,勉強維持生存。

  國際局勢

  反觀美國,知識產權無縫切換。這是一個簡單而又嚴謹的流程,軍方最早完成工業軟件模塊的開發,交給像波音這樣的軍火公司完善,將幾十年的工程經驗,總結成代碼,添加到軟件里。之後,垂直領域的仿真軟件公司,從波音手中收購,將軟件平台升級為Windows版本,在市場上推銷。從軍方到制造業巨頭,再到獨立軟件公司,產權轉換輕松自如。

  德國西門子,在工業軟件研發方面,與美國相比,算是後來者,尤其是在EDA軟件領域。但如今,卻可以和美國公司平起平坐,為什麼?西門子的辦法是買買買,直接出價45億美元,收購了半導體軟件設計公司Mentor ,該公司前面已經提到過,是全球三大EDA軟件廠商之一,也是一家美國企業。

世紀浪人︰EUV光刻機、EDA軟件,中國芯片制造的短板在哪?

德國西門子工業設計素材(來源︰百度百科)

  人才缺乏

  中國電子信息產業發展研究院編制的《中國集成電路產業人才白皮書(2019€€2020年版)》顯示,中國半導體產業2019年就業人數在51.2萬人左右,同比增長11%,半導體全行業平均薪酬同比提升4.75%。到2022年,中國集成電路專業人才缺口將近25萬,而且存在結構性失衡問題。

  如何應對弱勢

  中國企業是否可以學習西門子的套路,通過並購提升工業軟件研發能力?答案是不能,西門子之所以能夠全資收購美國公司,是因為美德同處于一個陣營,技術水平不相上下。而且,西門子的股東非常分散,55%股本來自海外,早就和美國、歐洲其他國家形成了“你中有我,我中有你”的利益格局。

  中國企業雖然有足夠的資金並購外國企業,但是,已經有無數的事實告訴我們,國外的高技術企業,對我們是大門緊閉。2015年,紫光集團本來打算出資37億美元,收購美國公司西部數據,該公司在機械硬盤、固態硬盤市場擁有較大的份額。可是,收購計劃宣布沒過多久,美國政府就介入調查,收購計劃被迫中止。所以,要想突破高端產業,中國公司走收購的路線,很難。

  技術的競爭,本質上是錢的競爭,人才的競爭。2000年到2015年間,國家對三維CAD、CAE等核心工業軟件研發的投入不足2億人民幣。而全球最大的CAE仿真軟件公司Ansys,2016年在研發的投入3.5億美元,大約20億人民幣。也就是說,在工業軟件投資上,國外一家公司一年的研發投入,相當于國內三個五年計劃投資總數的10倍。我國約有1500人的EDA軟件開發工程師,但在本土EDA公司和研究單位工作的工程師只有300人左右,其他大部分都是在三大巨頭工作,而且放大到全球,僅Synopsys一家公司就有5000多個EDA研發人員,差距明顯。

  開發國產工業軟件,還得兩條腿走路,在堅持自主創新的基礎上,也不否定與國外合作,但前提是我們需要掌握 技術。美國的技術打壓,從某些方面來說,可能還是利好消息。華為過去在采購國產軟、硬件產品時,往往會安排一個專家組,只要專家組當中有一人意見保留,生意就很大可能談不成。美國商務部將華為納入“實體清單”以後,華為就開始主動培育本土供應鏈,並且與本土工業軟件企業深度融合。

  四、如何破局

  隨著中美貿易摩擦的升級,無論是從市場接受程度還是從未來的發展來說,都將對我國集成電路產業的發展帶來或多或少的負面影響。要知道,核心技術受制于人是我國集成電路產業大而不強的癥結所在。對此,中國半導體行業協會副理事長于燮康指出,從產業現狀來看,我國集成電路產業仍處于中低端水平,可靠性和品質與國外相比還有很大差距,需要從設備材料、芯片設計、制造及封測等環節全面突圍。但是對于正在尋求進口替代的中國集成電路產業來說,或許將成為最大的推動力。

  眾所周知,集成電路產業是全球化分工,國際化發展的。因不確定因素增加和各方面限制,對于政府及民間投資和利用外資“雙輪驅動”的中國集成電路產業,今後的前進之路也會多一些崎嶇。也影響到中外技術的充分交流與合作,技術創新一定程度上會受到影響。我國的一些外向型半導體企業將受到境外訂單減少的不確定性影響,導致出口下降;進而代工企業的產線有放空的影響。在產業鏈無法完全補齊的情況下,生產工藝用的關鍵裝備、材料仍需國外供給,國產替代的邏輯在短期內很難完全實現。

  盡管未來發展的道路依然曲折,但長期來看,對于中國半導體業發展可能是一次極好的機遇,許多產業發展中的深層次矛盾會趁此次機會解決部分,甚至更多。由此我們對國產集成電路產業鏈的崛起依然充滿信心。

  我國集成電路產業突圍已在路上。在加速國產化基礎上構建國內供應鏈,形成較完善的自我配套能力,將會成為重要議題並加大力度進行實施。可以大大地推進集成電路生產供應鏈的國產化進程,尤其是推進國內終端應用半導體集成電路的國產化水平,大大提升集成電路生產企業的自我創新能力與積極性,並逐步形成良性循環。

  支持國產EDA等關鍵工具軟件的研制,加快集成電路基礎平台的建設,促進集成電路人才的培養。逼迫國產EDA等關鍵工具軟件加速進入大規模應用階段。同樣,集成電路產業的發展離不開基礎平台和集成電路人才的需求,因此,政府應在集成電路基礎平台的建設和人才培養上給予足夠政策,進一步保障集成電路的設計開發。

  加大對集成電路重點領域和重點平台的投入和政策扶持。尤其應大力度加大對人才的政策扶持,近幾年,我國集成電路產業在需求驅動下迎來了難得的發展機遇。在加大投資力度的同時,各地政府更應該聚焦關鍵技術及高端環節,集中力量實現我國集成電路產業實質性突破,避免跟風搶進與重復投資。

  在國家政策支持下,芯片投資力度加大,芯片創業公司如雨後春筍般涌現。但是,需要注意的是,芯片投資不宜過熱,否則,將亂象叢生,如武漢弘芯半導體項目暴雷並引發行業震動,就是一個很好的例子。

  五、曙光乍現

  淒風淅瀝飛嚴霜,蒼鷹上擊翻曙光。

  中國擁有全球數量最多的芯片設計公司,芯片設計水平也位列全球第二,僅次于美國。我們設計出了一批優秀產品,連續幾年登上世界第一寶座的“神威€€太湖之光”超級計算機用的CPU(中央處理器)芯片,就是典型代表。國產手機、電腦和服務器用的CPU芯片性能也基本上達到了國際先進水平。但還存在設計工具方面的“短板”。

  芯片設計需要依賴電子設計自動化工具(EDA),這一工具使設計者能用計算機進行一系列工作,最終完成芯片設計。目前,提供該軟件服務的主要是3家美國公司。在芯片制造領域,包括制造工藝和制造裝備,中國能力尚弱。芯片制造听上去像是傳統制造,實際上其制造工藝和裝備的精密、繁雜程度遠超後者。其工藝包括光刻、刻蝕、離子注入、薄膜生長、拋光、金屬化、擴散、氧化……與制造工藝相對應的,是200多種關鍵制造裝備,包括光刻機、刻蝕機、清洗機、切割減薄設備、分選機等。每種裝備的制造技術要求都很高,制造難度極大且造價十分高昂。

  中科院院士倪光南說︰目前,在芯片制造領域,佔有領軍地位的企業大多來自美國、日本等國家,中國芯片制造廠80%的裝備需要從國外進口。有了裝備,還要開設生產線、制定經營計劃。建廠需要2-3年,芯片制造技術不斷迭代更新,如果新建成的生產線不能充分實現量產,之前的投入將面臨重大風險。此外,芯片制造所需的材料,如光刻膠需全部進口。國內半導體材料產業與發達國家相比仍存在較大差距。

  到目前為止,雖然我們有華為海思、中芯國際等國際知名的芯片設計和芯片制造企業,但就整體而言,相較國際先進水平,我們可能需要一二十年才能追上。主導理念的偏差導致創新推進不夠是現實原因。核心技術是買不來的。中國芯片行業的“短板”最終還是需要中國人自己奮斗追趕。

  中國很早就意識到了半導體產業的巨大潛力,投入資源建立了初級的半導體產業。以光刻機為例,中國1978年開發5微米制程半自動光刻機,此後,電子工業部45所、上海光機所、中科院光電所、上海微電子等單位持續推出多個版本的光刻機。與自身相比,中國芯片產業並未停滯,2019年生產集成電路2018.2億個,40年來增長上萬倍。

  據央視財經8月19日援引國務院發布的相關數據顯示,中國芯片自給率要在2025年達到70%,而2019年我國芯片自給率僅為30%左右。

  除了國家政策和資本的支持之外,我國企業也開始加大對半導體的研發投入。中芯國際5月15日發布公告稱,旗下14納米及以下產能平台中芯南方將獲得注資,注冊資本由35億美元增加至65億美元;阿里通過收購兩家芯片企業和投資五家芯片企業進軍芯片領域……在各界的共同努力下,中國集成電路產業正迅速發展。

  復旦大學中國研究院院長張維為教授認為,中國與美國的芯片生產的確有一定差距,但並非所有領域。他指出,在國防安全領域里,中國使用的幾乎都是國產芯片,例如北斗三號衛星導航系統、太湖之光超算計算機、殲-20高性能飛機、嫦娥四號的芯片和系統等。“相對而言,中國芯片弱在商業應用的芯片,例如手機芯片等。”張維為說。

  而現在,得益于中國廣闊的市場和應用領域,中國商業芯片行業正展現出很強的發展動能和潛力。最為關鍵的是,在外部環境倒逼和內部技術提升的共同作用下,國產芯片加速試錯、改造、提升,已經從“不可用”向“基本可用”、再到“好用”轉變。

  過去,只有航空航天、超級計算機、高鐵、衛星導航系統等使用“中國芯”;現在,手機、筆記本電腦、智能穿戴設備等,也已經部分使用國產芯片。

  實踐證明,關鍵核心技術是買不來、討不來的。只有把關鍵核心技術掌握在自己手中,才能從根本上保障國家經濟安全、國防安全和其他安全。

  眼下,中國芯片產業正在進行一場沒有硝煙的戰爭。這一仗的勝負,要放在十年乃至更長時間來評估。

  任何人不要低估中國科學家的能力和韌勁,任何人不要低估中國企業銳意進取的決心和能力。對于中國高科技企業來說,這毫無疑問是痛苦而艱難的時刻,但這或許也將成為華為,乃至整個中國芯片產業涅€€的開端。

  相關概念股詳見本人原創文章《世紀浪人︰重鑄輝煌,中國半導體行業全景式掃描》,鏈接︰ https://t.cj.sina.com.cn/articles/view/7128888640/1a8ea354000100ml8p

  (本文數據來自Wind資訊、新浪網、半導體行業觀察、中國電子信息產業發展研究院、快科技等)

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  (來源︰資鯨網 作者︰世紀浪人)

作者:资鲸网

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