中國為什么造不出自己的芯片?
首先需要更正的是我們常提到的“無芯之痛”,是指高端芯片,主要是主流的高端手機SOC和電腦通用的CPU。所以千萬別被帶節奏了,認為我們就真造不出一顆芯片了。
芯片是指內含集成電路的硅片,僅從產品種類來說就有幾十種大門類,上千種小門類,如果再細分到制備流程的話就更多了。我們常用的路由器、冰箱、洗衣機、空調、電視、藍牙耳機等等都需要芯片。依照我國現有的技術和半導體產業體系,雖然還不能制造10nm、7nm、5nm、3nm那種芯片,但依然可以造出14nm、28nm的芯片,在很多常用的領域是完全夠用的。
當然我們也只是在某些領域里面有所突破,并且絕大多數領域也并不是核心、高端的領域,像存儲器、CPU、FPG、高端模擬芯片、功率芯片等領域,我們是幾乎沒有的,比如:ADC模數轉換芯片我們目前主要依賴亞德諾、德州儀器等公司供應。
半導體集成電路被譽為比航天還要高的高科技,航天的可靠性在4個9、5個9的樣子,而制備芯片的硅晶圓純度就要達到11個9(99.999999999%)。一顆芯片的生產線大約涉及50多個行業,2000~5000道工序,光刻僅僅只是設計和制造的紐帶。
許多工藝都需要在獨立的工廠進行,使用的設備也需要專門的設備廠制造,使用的材料包括幾百種氣體、液體、靶材,都需要專門的化工工業。目前全球芯片仍然以美、日、歐企業產品為主,高端市場也幾乎被這三大主力地區壟斷,而我們在高端芯片的領域還沒有形成規模效應和集群效應,生產仍然以“代工”模式為主。
國內芯片產業走到了怎樣一個水平?芯片產業涉及到中游的芯片設計、制造、封裝測試,也包含了上游基礎EDA軟件、材料和設備,它們是中游制造的關鍵。芯片下游是應用領域,包括了通訊設備、汽車電子、消費電子、軍事、工業、物聯網、新能源、人工智能等等。目前我們在芯片產業中最薄弱的環節是EDA軟件。EDA是芯片設計必須要用的軟件工具,幾十上百億的晶體管集成電路,如果靠手工電路設計、繪圖是很難完成的。目前全球高端芯片設計EDA被美國Synopsys、Cadence、Mentor三大公司壟斷,占全球90%的市場份額。
做出先進的EDA工具的難度非常大,EDA工具不可能獨立于半導體工業獨立開發,需要結合半導體工藝,上下游經過長期的不斷磨合才能改良迭代到最佳的狀態。做EDA軟件的工程師不僅需要懂軟件開發,還需要懂數學、物理等基礎科學,以及微電子工藝。換句話說,沒有自主研發先進工藝的過程,想要做出先進優越的EDA是幾乎不可能的。
在芯片領域我國中低端領先,但高端差距很大
憑借著龐大的市場,近幾年我國芯片設計公司進步非常快,比如海思以及成為全球前十大芯片設計公司,在工藝上以及處于全球第一梯隊。之所以海思能在手機領域取得成功,除了投入了大量的人力、物力外,尤為主要的是通過在自己手機產品矩陣給了芯片用武之地,經常往復的在手機上優化最終迭代出高性能的手機芯片。
實際上目前我們的手機IP核仍然處于空白狀態,IP是指芯片設計中可以重復使用、具有自主知識產權的設計模塊。這樣設計公司就不要對芯片的每個細節進行設計,只需要像搭積木一樣進行芯片設計。海思、蘋果、三星、高通、聯發科都是基于購買ARM的架構、IP核進行設計的。
芯片制造我們依然高端缺失
芯片制造集技術、工藝、資金于一體,芯片制造過程中包括眾多原材料和設備,其中最重要的材料是純度99.999999999999%的硅片,最重要的設備則是高精度的AMSL光刻機。
大硅片目前也是高度壟斷的行業,日本信越半導體、日本勝高科技、中國臺灣環球晶圓、德國Silitronic、韓國LG占據全球93%的市場份額,所以我們12英寸大硅片的需求量還是很大的。
其他諸如光刻膠、掩膜版、靶材、封裝基板等輔助性材料也是我們的瓶頸,但也在陸陸續續的突破中。但整個生產環節中,最為重要的核心機器是光刻機,它的制造難度極大。受限與瓦森納協定,高端光刻機屬于對我們出售的先進設備,導致我們半導體工業的全面落后。
半導體產業是一個講究國際產業上下游協作的行業,如果沒有國際協作,任何一個國家都很難生產出先進的芯片。在不得不自力更生的前提下,我們的半導體產業也取得了快速的發展,上海微電子、北方華創、中微半導體等在相應的領域都有產品推出,部分也進入全球先進水平。2019年中芯國際以及突破14nm工藝量產,躋身全球晶圓代工廠第二梯隊。
造一顆高端芯片出來雖然很難,但對于我們來說也并不是沒有機會。國內龐大的市場需求和逐漸完善的半導體產業鏈條,是芯片產業發展的溫床。星星之火可以燎原,現在的危機就是將來的轉機。
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