芯片铁幕下的迷梦

梁坤

美国已经拧熄了“灯塔”，我们进入“黑暗森林”。

2023年2月，《中国科学院院刊》刊载了两位中国半导体领域顶级专家的文章，给出了如此非常罕见而措辞严厉的警示。专业的研判、真实的呐喊，直面当下芯片产业严峻的形势，既是对一些激进的假想和盲目乐观的正本清源，也是对产业泡沫的深刻反思。

中美产业链“脱钩”以来，美国的“限芯”手段不断升级，中国半导体行业面临空前挑战。尤其是近两年，美国从设备、软件和人员等维度，给中国半导体产业织下让人透不过气的网。

据美国媒体报道，今年1月27日，美国、荷兰和日本达成非公开协议，约定严格限制向中国出口先进的芯片制造设备。荷兰的阿斯麦、日本的尼康和佳能这全球光刻机三巨头将陆续对中国断供，这代表未来，大陆在未经许可的情况下无法得到7nm-45nm的光刻机。去年，美国也正式实施EDA（设计软件）禁令，试图让中国无法自主设计芯片；另外，美国早就禁止美籍公民在中国从事芯片开发或制造工作。

如果说之前禁止对华出口先进芯片是给我们的一记闷棍，那当下的手段则是真正的“大招”，意图处处围堵，将我们锁死在当前的制造水平，半导体铁幕骤然降下。

这是一场谋划已久的钳制。

早在2021年3月1日，美国人工智能国家安全委员会在一份长达756页的报告中称，美国要想在半导体产业保持全球领先，就必须考虑与荷兰和日本一起，限制中国的半导体产业，设法妨碍中国进口光刻机等尖端芯片生产设备。

近年来，套在中国半导体领域上的绞索一再收紧，试图彻底打上“死结”，没有腾挪的空间。中科院在文章中表示，国内的半导体企业落后国际先进水平两代以上，主要在别人提供的PDK（工艺设计套件）基础上做工艺优化提高良品率，无暇围绕下一代晶体管开展前沿基础研究。

三朵乌云

半导体产业是个流程长、门类多、场景复杂的行业，上游包含半导体设备及零部件、半导体材料等支撑性产业，中游包括芯片设计、制造和封測三大环节，下游包含消费电子、通讯、人工智能等多种应用领域。王阳元院士曾言：“半导体产业链上游的任何一种材料、一种设备甚至一个配件都可能成为制约竞争者的手段。”

在美国的反复打压下，我国的科研团队和企业也在奋起直追，努力追赶黎明前的第一束光亮。“卡脖子”危机出现后，华为麒麟芯片面世，让国产芯片在芯片设计上实现突围，这时我们又发现，还得在代工领域实现工艺的突破；紧接着，中芯国际死磕代工厂的制程精度时，制造设备又一次受制于人，计划中的产线随时可能瘫痪。就这样，我们又在EDA、关键零部件、原材料上发现一个又一个“卡脖子”的节点，它们像一条条裂谷，在前行之路上划出深不可越的鸿沟。

这种产业拼图式的创新，让我们被一条条禁令带入一个无休止的莫比乌斯循环中，逐步被困在原地。具体来看，我们受制于人的领域就像三朵乌云，盘旋在产业上方。

1.设计软件

EDA是电子设计自动化（Electronic Design Automation）的缩写，是芯片设计的核心软件。可以说，全球半导体物理和微电子领域的基础研究成果都被整合在EDA工具的工艺设计套件（PDK）中。

这个过程可以用画图来比喻。以往芯片制程没那么高时，我们可以用手一点点“画”出晶体管和布线方式，可现在一个指甲盖大小芯片容纳了几十亿个晶体管，这种工程量用以往的方式根本无法实现。而EDA就是自动设计软件，科研人员导入设计文件后，计算机可以自动完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化、布局、布线和仿真，完成设计。

EDA是芯片产业绝对的生产力工具，软件里面丰富的IP库，让极度复杂的布局工作变成“搭积木”，可以直接调用这些模块化的功能，无需重复设计，让芯片设计成为站在前人肩膀上的工作。此外，EDA的仿真能力，可以自主检验设计好的芯片，确保芯片在投产前没有大漏洞，节省生产成本。

目前芯片设计端的EDA 软件有三大巨头，分别是Synopsys、Cadence和SiemensEDA，在全球EDA市场占85%以上份额。这意味着，美国一道禁令，我国大部分芯片设计工作就会停摆，无从发力。

2.生产设备

光刻机，顾名思义，就是以“光”为刀，在晶圆上雕刻复杂线路，精度已达到5nm。制作一枚芯片大概需要3 000道工序，芯片的良品率也必须在90%以上才能不亏损。于是，光的每一刀，命中率都要高于99.99%。

因此，光刻机是生产环节价值量和技术壁垒最高的部分。全球光刻机年销量约为500台，市场规模超1 000亿元，主要被3家厂商瓜分，阿斯麦独占高端市场，尼康致力追赶，佳能深耕低阶市场。 其中，阿斯麦是目前世界上唯一能够生产EUV的厂商，只有EUV光刻机才能用于生产制造7nm以下的高端芯片。

在目前的半导体设备领域，我国的短板仍是光刻机，国产化替代率仅为1.1%，且分辨率尚未达到制造高端芯片的要求。半导体行业符合木桶理论，真实水平取决于最短的那一块的短板的能力。若没有光刻机，中国目前的研发进展无疑将遭受一记重创，不仅目前规划中的45nm及以下的芯片量产线无法继续建设，配套的光刻胶等产品的研发也将严重滞后，无法协同完成突破。

3.尖端材料

半导体材料贯穿了半导体生产的整个流程，按照应用环节，半导体材料可以分为制造材料与封测材料。其中，晶圆制造材料主要包括硅片、特种气体、掩膜版、光刻胶及配套材料、湿电子化学品、靶材、CMP 抛光液和抛光垫等；封装材料主要包括封装基板、引线框架、键合丝、包封材料、陶瓷基板、芯片粘接材料等。

由于技术壁垒高、生产难度大、验证周期长等特点，大部分半导体材料都处于寡头垄断的局面。在半导体制造过程所需的19种核心材料中，日本就占到了14种，处于绝对领先地位。

我国半导体材料行业起步晚、发展慢，加之本土市场长期被国外巨头牢牢占据，呈现“小而散”的格局。据国信证券的研报，2021年，我国半导体材料国产化率仅约10%，在品类丰富度和竞争力上处于劣势。

赶超，需要长跑，背后是超长的耐心、极致的专注力，更是实验室和车间里一次次实验、观察、记录、改良。

泡沫、困局与出路

半导体领域的很多环节不是“有”与“没有”的绝对值，它不像原子弹、氢弹，研发出来就大功告成。半导体是一个长长的产业链，产业创新是一项系统工程。这需要产业上下游汇聚各方智慧和力量共同推进。此外，半导体行业被“卡脖子”，影响的也不仅仅是芯片产业，它对新能源车、消费电子等行业都有巨大影响。

就在美、荷、日三方达成秘密协定后的不久，之前闹得沸沸扬扬的武汉弘芯千亿“芯骗”项目再度传出新动态——遣散全体员工。潮水过后，曾红极一时的造芯运动一地鸡毛。

最新数据显示，2022年，中国超过5 700家芯片公司消失，较2021年激增68%，平均每天吊销、注销的企业数量超过15家，成了中国芯片淘金热退潮的真实写照。

近几年，中国数家代表性芯片企业快速崛起，但同时也引发了企业以造芯片为名义骗取政府补贴、获取融资的现象，最终因资金链断裂导致百亿元级半导体项目烂尾的情况发生数起。2021年，就有成都格芯、南京德科码、陕西坤同、贵州华芯通等数个计划投资几十亿元到上百亿元不等的半导体大项目先后停摆，造成了巨大损失。

由此可见，我国芯片产业的问题并不在于“缺钱”。有些企业核心队伍尚未成型，就靠PPT路演、融资；也有些地方政府火急火燎地砸钱招商，浪费财政资源；更有企业爱追热点，战略不聚焦、基础不牢靠，担不起冲击高端的职责。种种现象，让行业浮起了一些“泡沫”。

芯片产业不能蒙眼狂奔。亢奋的芯片投资热潮后，很多人都得以冷静下来。我们不得不承认，盲目自嗨、自欺欺人无法改变现状，只有认真溯源半导体产业链的关键环节，才能在看似无解的困局中探寻生路。

中科院指出，半导体物理是一切半导体技术的源头。可是，当前晶体管已接近物理极限，“摩尔定律”即将失效，急需发展突破CMOS器件性能瓶颈的新材料、新结构、新理论、新器件和新电路，面临众多“没有已知解决方案”的基本物理问题挑战。

这种认知，一针见血，振聋发聩。

乐观来看，当前的瓶颈，是“弯道超车”的另一个机遇。我们在半导体行业补短板固然重要，但只看短板，很难实现真正地、全方位地发展与赶超，必须加强基础研究，才能另辟蹊径，发展长板，真正实现创新。这是一场任重道远的马拉松，漫长、艰辛，闪着荣光。

当前的芯片困局，与当初“造不如买、买不如租”的思想有极大关联。没有基础研究的支撑，对国际合作抱有过于乐观的期待，让我们错失产业发展的最佳窗口。俗话说，“牵牛要牵牛鼻子”，现在，我们发现这个“牛鼻子”就是基础研究，没有基础研究做坚实的支撑，芯片国产化的想法无异于空中楼阁。对此，任正非有着清醒而深刻的认知：“我们国家修桥、修路、修房子，已经习惯了‘砸钱就行的风格，但是芯片砸钱不行，得砸数学家、物理学家、化学家。”

美国在半导体领域的“霸权”，同样建立在基础科学领先世界的创新成果上。例如，世界物理学科前十名榜单中，美国独占7席，世界数学和材料前十名榜单，美国也分别占有6席和5席。如今，美国依然在加强投资和引进人才，并引导国家实验室转向“后摩尔时代”的半导体创新。

如此来看，半导体的胜负手依然在基础研究上。

这方面，日本为我们提供了一个不断跟进、赶超直到领先的模板。1980年代，美国开始“绞杀”日本半导体产业，今天上演在华为身上的剧目，在那时就已经应用在日本身上。重压之下，日本的半导体产业如自由落体般下坠，松下、东芝等日本引以为傲的企业中的半导体部门无奈被卖掉。

极端困境之下，日本深厚的基础科学积淀成为困局之下的“压舱石”。21世纪初，日本曾制定50年拿30个诺贝尔奖的计划。20年过去了，日本已经摘得20枚诺奖奖牌，物理学和化学领域成果颇丰。

此外，日本一头扎进半导体材料的“深海”，结硬寨，打呆仗，以10年为单位，在光刻胶、特殊气体等领域不断精进，成为高精尖材料领域的世界标杆。

做芯片最忌讳的就是浮躁。坚实的基础研究，专注的发展态度，错位的竞争策略，无疑是日本半导体产业给我们最有意义的启发。要想缩短芯片国产化路径，必须加强基础研究，加大关键核心技术的研发投入，构建系统的科技创新体系，从底层构建技术产业生态。

直视现实、沉下心来、脚踏实地，放大现实的“分辨率”，才能更有力地激發想象力，在微小的“沙粒”中实现涅槃。