芯片之困

刘植荣 彭天放

2020 年9 月15 日，美国阻止全球厂商向中国华为供应芯片，华为面临巨大生存困境。不只华为，过去一年多，美国为阻击中国高科技产业发展，屡屡对中兴、华为、中芯国际“卡脖子”，中国芯片行业发展的不足被充分暴露。有人问，很早之前中国大陆便开始布局半导体产业，还从全球顶端企业不断引进人才，华为也有高端芯片的设计能力，为什么差距依然如此之大？

这就要从芯片是个什么东西来说起。

信息时代的伟大发明

1947 年，美国贝尔实验室3位科学家发明了锗晶体三极管，电子世界进入半导体時代。1959年，美国德州仪器公司成功制造出世界上第一块集成电路，即芯片。该集成电路就是在一块锗片上蚀刻出PNP 型晶体管（三极管）、电阻和电容，用外部导线把它们连接成电路。这块简陋的集成电路拉开了芯片产业的序幕，也把人类科技水平推向一个新的高峰。

芯片可谓20 世纪最伟大的发明，其他很多发明都建立在芯片的基础上。手机、电脑、智能手表等智能设备有芯片，路由器、U 盘、储存卡等网络设备有芯片，身份证、银行卡、购物卡、消费卡等随身证件也有芯片……如果谁发明一种代码让世界上所有的芯片失效，那人类生活将会停滞。

普通人看不到芯片“真身”，其小如人的头皮屑，大的也就像人的指甲盖。1959 年，一块芯片上只有6 个晶体管，到2004 年，一块芯片上便已经有了上百亿个晶体管。芯片运算速度不断提高，正是得益于芯片的集成度越来越高。而芯片的集成度越高，上面的电子元件就越小，各电子元件之间的导线也就越短，电流通过时用的时间随之缩短，能耗减少，处理速度加快。

而让一块芯片承载更多的晶体管，有三种方法，一是增加芯片面积，二是缩小晶体管体积，三是让集成电路立体化。增大芯片面积一般不被考虑，因为这会增加能耗，降低芯片效率。现在，人们主要采取后两种方法增加芯片上的晶体管数量。

芯片制造属于微观世界，上面的电子元件小到只有几个原子或几个分子大，要用更小的单位纳米和埃来衡量。1 毫米等于1000微米，1 微米等于1000 纳米，1纳米等于10 埃。人的头发直径是7 万纳米，而用5 纳米工艺制造芯片，就好比沿着一根头发修建4.4万条公路。缩小晶体管体积毕竟有极限，人们便考虑在一块芯片上搭建多层集成电路来增加晶体管数量。这就好比是把平房变楼房，但集成电路的叠加可比盖楼房复杂得多。楼房各层布局是相同的，而芯片各层电路是不同的，层与层之间的连接异常复杂。

制造芯片就像在一颗米粒上雕刻出一个完整的地球，而且要把地球上所有的道路和建筑都雕刻出来。道路就是芯片上的导线，建筑就是芯片上的电子元件。其难度之大不难想象。

中国芯片之困

最初中国芯片行业采取了“造不如买，买不如租”的发展思路，直到20 世纪90 年代，逐渐认识到芯片自主的重要性，才推出发展微电子产业的“909 工程”。自此，中国的芯片业和国际水平的差距逐渐缩小，特别是在封测和设计环节，中国可以说位居世界前列。但芯片行业三大环节除了封测和设计，还有制造。而制造的短板，也最终让今天的中国芯片业受制于人。

中国台湾的台积电是芯片制造业当之无愧的龙头，全球市占率高达50%，而大陆的中芯国际则只有5% 左右。作为中国大陆芯片制造的最高水平，中芯国际在2019年实现了14 纳米制程的量产，而台积电则已经进入5 纳米量产。

不仅如此，在制造环节，中国还严重依赖国外原材料和关键设备。

半导体材料很多， 但九成以上都选用硅，因为硅的熔点是1415 摄氏度，可在芯片加工中允许高温工艺。能制造芯片的硅，需要极高的纯度，我们把纯度为99.99% 的金叫纯金（4 个9），而制造芯片的硅的纯度至少要达到11 个9，即每10 亿个硅原子里的杂质原子不得超过1 个，这一纯度的硅1955 年美国贝尔实验室就提炼出来了。为什么制造芯片的硅要求纯度这么高？芯片上的电子元件非常微小，如果用5 纳米制程工艺制造芯片，上面有1 纳米的杂质就会把整块芯片废掉。我们不妨打个比方，如果一条公路40 米宽，公路中间有块1 米宽的大石头，汽车可避开这块石头走，不会造成交通拥堵。

但是，如果一条公路只有5 米宽，公路中间有块1 米宽的大石头，汽车就避不开这块石头了，这条公路就堵死了。

不掌握硅的提纯技术，不可能造出芯片来。这方面我国与国际相比仍有一定差距。

实际制造中，芯片通过光刻、刻蚀等手段将电路布图集成于晶体硅上，也就是大家常说的光刻机、蚀刻机，中国已经有了5 纳米的蚀刻机，但光刻机一直没有显著突破。

“光刻机”这个名字很有误导性，让人误认为光刻机是在晶体硅表面上“刻”出集成电路来。其实，芯片不是“刻”出来的， 而是“ 照” 出来的。光刻机把集成电路图投影到晶圆表面的光刻胶上，光刻胶曝光后，通过化学药液把曝光区域蚀刻，然后清洗， 这样， 集成电路的图形就出来了。光刻过程和传统照相的照片冲印是一个道理，光线通过底片让相纸感光，然后把感光的相纸放在药液里显影、定影。一块芯片要经过数十次甚至数百次光刻。

中芯国际为了实现7 纳米的技术突破，曾向荷兰阿斯麦公司订购一台最先进的光刻机，但因为美国从中阻挠，迟迟未能交付。

再有，芯片上有数以千亿计的电子元件，这么庞大的电路靠人工是画不出来的，必须使用电子设计自动化软件EDA。EDA在芯片制造过程中起着决定性作用， 芯片的功能和集成度， 完全取决于EDA 的设计能力，而EDA 由美国凯登、新思科技和明导三家公司垄断。

以上种种现实，让中国芯片制造业的发展举步维艰，为此我国每年要进口超过3000 亿美元的相关商品，而我国的石油进口每年也不过2000 亿美元。

全球化既是问题也是答案

随着中国芯片被高度关注，大家都担心每年进口这么多芯片，如果人家不卖了，怎么办？其实，国外的芯片公司也在苦恼，如果我们买不了了，他们该怎么办？毕竟中国采购了全球2/3 的芯片，没有人想放弃如此庞大的市场。目前，有部分公司已经获得向华为供货的许可证，其供货范围主要是面向笔记本和服务器等低端芯片市场。

这提示我们，在今天，全球化之所以重要，是因为它是一张利益网络，大家你中有我我中有你，既会带来摩擦也是一种解决问题的方式。

芯片制造非常復杂。一块7纳米芯片大概需要4000 道流程，一个7 纳米工艺的芯片制造工厂，其建设成本相当于一个航空母舰战斗群的制造价格。而制造一枚芯片，至少要用到元素周期表118 种元素中60 种以上的元素所组成的上万种材料。不夸张地说，芯片制造工艺是目前人类最精密、最复杂的工业技术，没有之一。它需要大量的技术、人才、资本相互合作，是一个庞大的全球化产业网络，任何一个国家都不可能垄断全部环节。

产业的复杂性也注定了其脆弱性。任何一个节点出问题，都会给整个产业造成不小的麻烦。比如，在2019 年，日本和韩国在半导体领域开打，美国罕见地出面调停，可见这种冲突后果的严重程度。而美国也正是利用了芯片产业脆弱性的特点，来制约华为甚至中国芯片产业的发展。

即便如此，我们也没有理由一味悲观。中国的原子弹、航空航天、北斗导航，没有一项不被封锁，没有一项不被打压，但没有一项至今仍孱弱不堪。而针对芯片行业的特点，我们应对打压最好的方式，除了继续在该领域加强自主创新能力，还要继续扩大开放，把自己牢牢嵌入芯片产业网络之中。

无论哪家企业都不能忽略中国市场的存在，特别是2019 年全球芯片市场比2018 年下降大概10%。而2020 年的疫情又对芯片行业产生了巨大的下行压力，在此情况下，只有更大范围的国际合作和更健康的市场竞争，才能让整个行业快速复苏。华为轮值董事长郭平说：“尽管华为不断遭受打压，也不会走向封闭和孤立，会坚持全球化脚步发展。”

（资料来源：《羊城晚报》、得到app 邵恒头条专栏等，魏克图）