芯片鐵幕下的迷夢

梁坤

美國已經(jīng)擰熄了“燈塔”，我們進入“黑暗森林”。

2023年2月，《中國科學(xué)院院刊》刊載了兩位中國半導(dǎo)體領(lǐng)域頂級專家的文章，給出了如此非常罕見而措辭嚴(yán)厲的警示。專業(yè)的研判、真實的吶喊，直面當(dāng)下芯片產(chǎn)業(yè)嚴(yán)峻的形勢，既是對一些激進的假想和盲目樂觀的正本清源，也是對產(chǎn)業(yè)泡沫的深刻反思。

中美產(chǎn)業(yè)鏈“脫鉤”以來，美國的“限芯”手段不斷升級，中國半導(dǎo)體行業(yè)面臨空前挑戰(zhàn)。尤其是近兩年，美國從設(shè)備、軟件和人員等維度，給中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)織下讓人透不過氣的網(wǎng)。

據(jù)美國媒體報道，今年1月27日，美國、荷蘭和日本達成非公開協(xié)議，約定嚴(yán)格限制向中國出口先進的芯片制造設(shè)備。荷蘭的阿斯麥、日本的尼康和佳能這全球光刻機三巨頭將陸續(xù)對中國斷供，這代表未來，大陸在未經(jīng)許可的情況下無法得到7nm-45nm的光刻機。去年，美國也正式實施EDA（設(shè)計軟件）禁令，試圖讓中國無法自主設(shè)計芯片；另外，美國早就禁止美籍公民在中國從事芯片開發(fā)或制造工作。

如果說之前禁止對華出口先進芯片是給我們的一記悶棍，那當(dāng)下的手段則是真正的“大招”，意圖處處圍堵，將我們鎖死在當(dāng)前的制造水平，半導(dǎo)體鐵幕驟然降下。

這是一場謀劃已久的鉗制。

早在2021年3月1日，美國人工智能國家安全委員會在一份長達756頁的報告中稱，美國要想在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)保持全球領(lǐng)先，就必須考慮與荷蘭和日本一起，限制中國的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，設(shè)法妨礙中國進口光刻機等尖端芯片生產(chǎn)設(shè)備。

近年來，套在中國半導(dǎo)體領(lǐng)域上的絞索一再收緊，試圖徹底打上“死結(jié)”，沒有騰挪的空間。中科院在文章中表示，國內(nèi)的半導(dǎo)體企業(yè)落后國際先進水平兩代以上，主要在別人提供的PDK（工藝設(shè)計套件）基礎(chǔ)上做工藝優(yōu)化提高良品率，無暇圍繞下一代晶體管開展前沿基礎(chǔ)研究。

三朵烏云

半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)是個流程長、門類多、場景復(fù)雜的行業(yè)，上游包含半導(dǎo)體設(shè)備及零部件、半導(dǎo)體材料等支撐性產(chǎn)業(yè)，中游包括芯片設(shè)計、制造和封測三大環(huán)節(jié)，下游包含消費電子、通訊、人工智能等多種應(yīng)用領(lǐng)域。王陽元院士曾言：“半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈上游的任何一種材料、一種設(shè)備甚至一個配件都可能成為制約競爭者的手段。”

在美國的反復(fù)打壓下，我國的科研團隊和企業(yè)也在奮起直追，努力追趕黎明前的第一束光亮。“卡脖子”危機出現(xiàn)后，華為麒麟芯片面世，讓國產(chǎn)芯片在芯片設(shè)計上實現(xiàn)突圍，這時我們又發(fā)現(xiàn)，還得在代工領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)工藝的突破；緊接著，中芯國際死磕代工廠的制程精度時，制造設(shè)備又一次受制于人，計劃中的產(chǎn)線隨時可能癱瘓。就這樣，我們又在EDA、關(guān)鍵零部件、原材料上發(fā)現(xiàn)一個又一個“卡脖子”的節(jié)點，它們像一條條裂谷，在前行之路上劃出深不可越的鴻溝。

這種產(chǎn)業(yè)拼圖式的創(chuàng)新，讓我們被一條條禁令帶入一個無休止的莫比烏斯循環(huán)中，逐步被困在原地。具體來看，我們受制于人的領(lǐng)域就像三朵烏云，盤旋在產(chǎn)業(yè)上方。

1.設(shè)計軟件

EDA是電子設(shè)計自動化（Electronic Design Automation）的縮寫，是芯片設(shè)計的核心軟件。可以說，全球半導(dǎo)體物理和微電子領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究成果都被整合在EDA工具的工藝設(shè)計套件（PDK）中。

這個過程可以用畫圖來比喻。以往芯片制程沒那么高時，我們可以用手一點點“畫”出晶體管和布線方式，可現(xiàn)在一個指甲蓋大小芯片容納了幾十億個晶體管，這種工程量用以往的方式根本無法實現(xiàn)。而EDA就是自動設(shè)計軟件，科研人員導(dǎo)入設(shè)計文件后，計算機可以自動完成邏輯編譯、化簡、分割、綜合、優(yōu)化、布局、布線和仿真，完成設(shè)計。

EDA是芯片產(chǎn)業(yè)絕對的生產(chǎn)力工具，軟件里面豐富的IP庫，讓極度復(fù)雜的布局工作變成“搭積木”，可以直接調(diào)用這些模塊化的功能，無需重復(fù)設(shè)計，讓芯片設(shè)計成為站在前人肩膀上的工作。此外，EDA的仿真能力，可以自主檢驗設(shè)計好的芯片，確保芯片在投產(chǎn)前沒有大漏洞，節(jié)省生產(chǎn)成本。

目前芯片設(shè)計端的EDA 軟件有三大巨頭，分別是Synopsys、Cadence和SiemensEDA，在全球EDA市場占85%以上份額。這意味著，美國一道禁令，我國大部分芯片設(shè)計工作就會停擺，無從發(fā)力。

2.生產(chǎn)設(shè)備

光刻機，顧名思義，就是以“光”為刀，在晶圓上雕刻復(fù)雜線路，精度已達到5nm。制作一枚芯片大概需要3 000道工序，芯片的良品率也必須在90%以上才能不虧損。于是，光的每一刀，命中率都要高于99.99%。

因此，光刻機是生產(chǎn)環(huán)節(jié)價值量和技術(shù)壁壘最高的部分。全球光刻機年銷量約為500臺，市場規(guī)模超1 000億元，主要被3家廠商瓜分，阿斯麥獨占高端市場，尼康致力追趕，佳能深耕低階市場。 其中，阿斯麥?zhǔn)悄壳笆澜缟衔ㄒ荒軌蛏a(chǎn)EUV的廠商，只有EUV光刻機才能用于生產(chǎn)制造7nm以下的高端芯片。

在目前的半導(dǎo)體設(shè)備領(lǐng)域，我國的短板仍是光刻機，國產(chǎn)化替代率僅為1.1%，且分辨率尚未達到制造高端芯片的要求。半導(dǎo)體行業(yè)符合木桶理論，真實水平取決于最短的那一塊的短板的能力。若沒有光刻機，中國目前的研發(fā)進展無疑將遭受一記重創(chuàng)，不僅目前規(guī)劃中的45nm及以下的芯片量產(chǎn)線無法繼續(xù)建設(shè)，配套的光刻膠等產(chǎn)品的研發(fā)也將嚴(yán)重滯后，無法協(xié)同完成突破。

3.尖端材料

半導(dǎo)體材料貫穿了半導(dǎo)體生產(chǎn)的整個流程，按照應(yīng)用環(huán)節(jié)，半導(dǎo)體材料可以分為制造材料與封測材料。其中，晶圓制造材料主要包括硅片、特種氣體、掩膜版、光刻膠及配套材料、濕電子化學(xué)品、靶材、CMP 拋光液和拋光墊等；封裝材料主要包括封裝基板、引線框架、鍵合絲、包封材料、陶瓷基板、芯片粘接材料等。

由于技術(shù)壁壘高、生產(chǎn)難度大、驗證周期長等特點，大部分半導(dǎo)體材料都處于寡頭壟斷的局面。在半導(dǎo)體制造過程所需的19種核心材料中，日本就占到了14種，處于絕對領(lǐng)先地位。

我國半導(dǎo)體材料行業(yè)起步晚、發(fā)展慢，加之本土市場長期被國外巨頭牢牢占據(jù)，呈現(xiàn)“小而散”的格局。據(jù)國信證券的研報，2021年，我國半導(dǎo)體材料國產(chǎn)化率僅約10%，在品類豐富度和競爭力上處于劣勢。

趕超，需要長跑，背后是超長的耐心、極致的專注力，更是實驗室和車間里一次次實驗、觀察、記錄、改良。

泡沫、困局與出路

半導(dǎo)體領(lǐng)域的很多環(huán)節(jié)不是“有”與“沒有”的絕對值，它不像原子彈、氫彈，研發(fā)出來就大功告成。半導(dǎo)體是一個長長的產(chǎn)業(yè)鏈，產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新是一項系統(tǒng)工程。這需要產(chǎn)業(yè)上下游匯聚各方智慧和力量共同推進。此外，半導(dǎo)體行業(yè)被“卡脖子”，影響的也不僅僅是芯片產(chǎn)業(yè)，它對新能源車、消費電子等行業(yè)都有巨大影響。

就在美、荷、日三方達成秘密協(xié)定后的不久，之前鬧得沸沸揚揚的武漢弘芯千億“芯騙”項目再度傳出新動態(tài)——遣散全體員工。潮水過后，曾紅極一時的造芯運動一地雞毛。

最新數(shù)據(jù)顯示，2022年，中國超過5 700家芯片公司消失，較2021年激增68%，平均每天吊銷、注銷的企業(yè)數(shù)量超過15家，成了中國芯片淘金熱退潮的真實寫照。

近幾年，中國數(shù)家代表性芯片企業(yè)快速崛起，但同時也引發(fā)了企業(yè)以造芯片為名義騙取政府補貼、獲取融資的現(xiàn)象，最終因資金鏈斷裂導(dǎo)致百億元級半導(dǎo)體項目爛尾的情況發(fā)生數(shù)起。2021年，就有成都格芯、南京德科碼、陜西坤同、貴州華芯通等數(shù)個計劃投資幾十億元到上百億元不等的半導(dǎo)體大項目先后停擺，造成了巨大損失。

由此可見，我國芯片產(chǎn)業(yè)的問題并不在于“缺錢”。有些企業(yè)核心隊伍尚未成型，就靠PPT路演、融資；也有些地方政府火急火燎地砸錢招商，浪費財政資源；更有企業(yè)愛追熱點，戰(zhàn)略不聚焦、基礎(chǔ)不牢靠，擔(dān)不起沖擊高端的職責(zé)。種種現(xiàn)象，讓行業(yè)浮起了一些“泡沫”。

芯片產(chǎn)業(yè)不能蒙眼狂奔。亢奮的芯片投資熱潮后，很多人都得以冷靜下來。我們不得不承認(rèn)，盲目自嗨、自欺欺人無法改變現(xiàn)狀，只有認(rèn)真溯源半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，才能在看似無解的困局中探尋生路。

中科院指出，半導(dǎo)體物理是一切半導(dǎo)體技術(shù)的源頭。可是，當(dāng)前晶體管已接近物理極限，“摩爾定律”即將失效，急需發(fā)展突破CMOS器件性能瓶頸的新材料、新結(jié)構(gòu)、新理論、新器件和新電路，面臨眾多“沒有已知解決方案”的基本物理問題挑戰(zhàn)。

這種認(rèn)知，一針見血，振聾發(fā)聵。

樂觀來看，當(dāng)前的瓶頸，是“彎道超車”的另一個機遇。我們在半導(dǎo)體行業(yè)補短板固然重要，但只看短板，很難實現(xiàn)真正地、全方位地發(fā)展與趕超，必須加強基礎(chǔ)研究，才能另辟蹊徑，發(fā)展長板，真正實現(xiàn)創(chuàng)新。這是一場任重道遠的馬拉松，漫長、艱辛，閃著榮光。

當(dāng)前的芯片困局，與當(dāng)初“造不如買、買不如租”的思想有極大關(guān)聯(lián)。沒有基礎(chǔ)研究的支撐，對國際合作抱有過于樂觀的期待，讓我們錯失產(chǎn)業(yè)發(fā)展的最佳窗口。俗話說，“牽牛要牽牛鼻子”，現(xiàn)在，我們發(fā)現(xiàn)這個“牛鼻子”就是基礎(chǔ)研究，沒有基礎(chǔ)研究做堅實的支撐，芯片國產(chǎn)化的想法無異于空中樓閣。對此，任正非有著清醒而深刻的認(rèn)知：“我們國家修橋、修路、修房子，已經(jīng)習(xí)慣了‘砸錢就行的風(fēng)格，但是芯片砸錢不行，得砸數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家、化學(xué)家。”

美國在半導(dǎo)體領(lǐng)域的“霸權(quán)”，同樣建立在基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)先世界的創(chuàng)新成果上。例如，世界物理學(xué)科前十名榜單中，美國獨占7席，世界數(shù)學(xué)和材料前十名榜單，美國也分別占有6席和5席。如今，美國依然在加強投資和引進人才，并引導(dǎo)國家實驗室轉(zhuǎn)向“后摩爾時代”的半導(dǎo)體創(chuàng)新。

如此來看，半導(dǎo)體的勝負(fù)手依然在基礎(chǔ)研究上。

這方面，日本為我們提供了一個不斷跟進、趕超直到領(lǐng)先的模板。1980年代，美國開始“絞殺”日本半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，今天上演在華為身上的劇目，在那時就已經(jīng)應(yīng)用在日本身上。重壓之下，日本的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)如自由落體般下墜，松下、東芝等日本引以為傲的企業(yè)中的半導(dǎo)體部門無奈被賣掉。

極端困境之下，日本深厚的基礎(chǔ)科學(xué)積淀成為困局之下的“壓艙石”。21世紀(jì)初，日本曾制定50年拿30個諾貝爾獎的計劃。20年過去了，日本已經(jīng)摘得20枚諾獎獎牌，物理學(xué)和化學(xué)領(lǐng)域成果頗豐。

此外，日本一頭扎進半導(dǎo)體材料的“深海”，結(jié)硬寨，打呆仗，以10年為單位，在光刻膠、特殊氣體等領(lǐng)域不斷精進，成為高精尖材料領(lǐng)域的世界標(biāo)桿。

做芯片最忌諱的就是浮躁。堅實的基礎(chǔ)研究，專注的發(fā)展態(tài)度，錯位的競爭策略，無疑是日本半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)給我們最有意義的啟發(fā)。要想縮短芯片國產(chǎn)化路徑，必須加強基礎(chǔ)研究，加大關(guān)鍵核心技術(shù)的研發(fā)投入，構(gòu)建系統(tǒng)的科技創(chuàng)新體系，從底層構(gòu)建技術(shù)產(chǎn)業(yè)生態(tài)。

直視現(xiàn)實、沉下心來、腳踏實地，放大現(xiàn)實的“分辨率”，才能更有力地激發(fā)想象力，在微小的“沙粒”中實現(xiàn)涅槃。