解讀中國(guó)芯片真實(shí)水平，與世界頂尖差多少？

　　集成電路是怎么回事

　　這是重點(diǎn)。先來(lái)一段百度百科上的介紹：

　　集成電路(integrated circuit)(縮寫(xiě)IC)是一種微型電子器件或部件。采用一定的工藝，把一個(gè)電路中所需的晶體管、電阻、電容和電感等元件及布線互連一起，制作在一小塊或幾小塊半導(dǎo)體晶片或介質(zhì)基片上，然后封裝在一個(gè)管殼內(nèi)，成為具有所需電路功能的微型結(jié)構(gòu);其中所有元件在結(jié)構(gòu)上已組成一個(gè)整體，使電子元件向著微小型化、低功耗、智能化和高可靠性方面邁進(jìn)了一大步。它在電路中用字母“IC”表示。集成電路發(fā)明者為杰克·基爾比(基于鍺(Ge)的集成電路)和羅伯特·諾伊思(基于硅(Si)的集成電路)。當(dāng)今半導(dǎo)體工業(yè)大多數(shù)應(yīng)用的是基于硅的集成電路。

　　集成電路技術(shù)包括芯片制造技術(shù)與設(shè)計(jì)技術(shù)，主要體現(xiàn)在加工設(shè)備，加工工藝，封裝測(cè)試，批量生產(chǎn)及設(shè)計(jì)創(chuàng)新的能力上。

　　下面是我自己寫(xiě)的：

　　人人都聽(tīng)說(shuō)過(guò)摩爾定律，當(dāng)價(jià)格不變時(shí)，集成電路上可容納的元器件的數(shù)目，約每隔18-24個(gè)月便會(huì)增加一倍，性能也將提升一倍。有一段時(shí)間，人們說(shuō)摩爾定律失效了，英特爾自己都做不到了，也有人說(shuō)實(shí)際上IC行業(yè)發(fā)展比摩爾定律更快了。不論如何，全球半導(dǎo)體企業(yè)一直投入巨資研究新的制程工藝，其標(biāo)志就是集成的半導(dǎo)體元件的線寬。每一次制程工藝的進(jìn)步，都帶來(lái)更小的線寬，更小的功耗，更高的工作頻率，能夠集成更多的元件，有更強(qiáng)的性能。

　　線寬：注意，1毫米=1000微米=1000000納米，一千倍的關(guān)系。從我對(duì)半導(dǎo)體行業(yè)有印象的時(shí)候開(kāi)始，半導(dǎo)體行業(yè)最先進(jìn)的制程工藝從幾十微米到幾微米，再到幾百納米， 130納米，65納米，45納米，28納米，20納米，16納米，14納米，10納米，直到今年三星就要量產(chǎn)的7納米， (中間可能還有個(gè)別其它的線寬)。每隔兩三年就更新一代， 但是基于這些線寬，各個(gè)廠家仍然有不同的工藝技術(shù)。 有時(shí)候線寬也只是一個(gè)商業(yè)宣傳噱頭，因?yàn)镮C電路上的每一個(gè)晶體管都是由多種半導(dǎo)體材料搭建而成，每種材料的形狀和線寬都可能不同，廠家選擇最窄那個(gè)宣傳，仿佛水平最高，實(shí)際上也許不那么高。比如網(wǎng)上有很多討論，英特爾的20納米制程工藝在實(shí)際效果上要強(qiáng)于臺(tái)積電的16納米制程工藝。所以我們?cè)谠u(píng)價(jià)一個(gè)IC廠的制程工藝是否先進(jìn)的時(shí)候，線寬是一個(gè)重要的參考，但不是唯一的。

　　晶圓(Wafer)：晶圓是圓柱形的單晶硅切割成的圓形硅薄片，所有的IC都是在晶圓上加工而成的，然后經(jīng)過(guò)切割和封裝、測(cè)試，就是芯片成品。顯然，晶圓越大，能在晶圓上制造的IC就越多，成本就越低。所以在半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展的近幾十年里，晶圓的尺寸不斷加大，從4英寸、6英寸、8英寸發(fā)展到現(xiàn)在的主流12英寸，未來(lái)會(huì)有更大的晶圓。原理上講，用多少納米線寬的制程工藝和晶圓的尺寸沒(méi)有必然的聯(lián)系，7納米也可以用4英寸晶圓，但實(shí)際上IC工廠通常會(huì)采用那個(gè)時(shí)代最大的晶圓來(lái)降低成本。

　　投資和行業(yè)：摩爾定律只告訴你了IC工藝如何進(jìn)步，但沒(méi)告訴你建造IC工廠的投資如何增長(zhǎng)。實(shí)際上每一代制程工藝的進(jìn)步，新建工廠所需投資都大幅度增長(zhǎng)。從70年代的幾千萬(wàn)美元，到幾億美元，十幾億美元，幾十億美元，上百億美元，而最近三星，英特爾和臺(tái)積電投資的7納米生產(chǎn)廠，投資額都已經(jīng)超過(guò)二百億美元。這種天價(jià)的建設(shè)成本帶來(lái)兩種后果：第一，是小國(guó)或者新進(jìn)入IC行業(yè)的國(guó)家，已經(jīng)沒(méi)有經(jīng)濟(jì)實(shí)力追求最先進(jìn)的制程工藝了。臺(tái)灣和韓國(guó)都是舉政府之力全力支持，并且從幾十年前IC工廠所需投資還沒(méi)那么大的時(shí)候就進(jìn)入行業(yè)，經(jīng)過(guò)以廠養(yǎng)廠的良性循環(huán)，利用舊工廠的高利潤(rùn)才能撐得起對(duì)新廠房的投入。而投入稍微不足，便一步落后步步落后，如今歐洲和日本的IC企業(yè)都已經(jīng)無(wú)力再追尋最先進(jìn)的制程工藝了。全世界最先進(jìn)的IC制程工藝只掌握在三家公司手中：三星，臺(tái)積電，英特爾。而目前唯一有可能趕上來(lái)的，就是中國(guó)。第二個(gè)后果，就是如此高價(jià)的廠房，靠自家的產(chǎn)品一般都無(wú)法填滿產(chǎn)能，帶來(lái)的后果就是自家產(chǎn)品的成本飆升。為了填滿產(chǎn)能，攤平成本，所有掌握最先進(jìn)工藝的廠家都必須為其它公司代工。這就導(dǎo)致了IC行業(yè)分化為沒(méi)有工廠只有設(shè)計(jì)和市場(chǎng)部門(mén)的FABLESS企業(yè)，和為其它企業(yè)代工生產(chǎn)的FAB公司。臺(tái)積電是只有代工，沒(méi)有自己品牌IC產(chǎn)品的。三星和英特爾都有自己品牌的IC產(chǎn)品，但也為其它企業(yè)代工。世界上也有一些IC企業(yè)，在特定的行業(yè)里市場(chǎng)占有率高，而IC工廠的制程工藝并不高，成本也不高，這些企業(yè)是不用給別家代工的，自己生產(chǎn)自己設(shè)計(jì)的IC就夠。

　　沒(méi)有IC工廠的設(shè)計(jì)企業(yè)有很多，比如華為海思，AMD，NVIDIA，高通，MTK，博通，等等等等。網(wǎng)上有人說(shuō)華為海思的芯片是臺(tái)積電代工的，所以華為海思不牛，這個(gè)觀點(diǎn)是錯(cuò)的。通訊行業(yè)霸主高通就沒(méi)自己的IC廠，所有產(chǎn)品都是臺(tái)積電或者三星代工生產(chǎn)的，你敢說(shuō)高通不牛?華為不止是手機(jī)CPU是自己設(shè)計(jì)，它的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品中用的交換機(jī)芯片，路由器芯片，和電源管理等等很多芯片都是自己設(shè)計(jì)找FAB廠代工的。華為是核心電子元器件自主率最高的中國(guó)企業(yè)，當(dāng)然，它也有大量的電子元器件需要進(jìn)口。

　　中國(guó)的IC行業(yè)水平：

　　這里就是重點(diǎn)中的重點(diǎn)了。中國(guó)的經(jīng)濟(jì)實(shí)力是在最近十年左右才爆發(fā)性增長(zhǎng)的。由于IC FAB工廠所需投資額巨大，十幾年前中國(guó)實(shí)際上沒(méi)有多少錢(qián)投入，水平落后是必然的。再加上科研體制的問(wèn)題，早期有一幫公司靠打磨進(jìn)口芯片冒充自己的產(chǎn)品，造成了極其惡劣的影響，首當(dāng)其沖的就是“漢芯”，以至于網(wǎng)上一有新聞?wù)f中國(guó)什么芯片獲得突破，立即有人蹦出來(lái)說(shuō)：是打磨掉人家的標(biāo)打上自己的標(biāo)的吧? 這種情況直到近些年才有所改觀。

　　首先看IC制造FAB企業(yè)的水平：中國(guó)目前(2018年初)最先進(jìn)的IC制程工藝是中芯國(guó)際和廈門(mén)聯(lián)芯的28納米制程。廈門(mén)聯(lián)芯的28納米良品率已經(jīng)超過(guò)95%，而中芯國(guó)際的28納米良品率還不高，實(shí)際上對(duì)這一工藝還沒(méi)完全搞利索。而中芯國(guó)際已經(jīng)把14納米制程作為研發(fā)重點(diǎn)，爭(zhēng)取在2019年底之前量產(chǎn)。另外臺(tái)積電在南京投資的16納米工廠，目標(biāo)是2018年底量產(chǎn)。

　　那么世界最先進(jìn)水平呢?上周剛剛爆出的消息，三星的7納米制程剛剛量產(chǎn)成功，而且是應(yīng)用了ASML最先進(jìn)的EUV光刻機(jī)完成的。而臺(tái)積電沒(méi)有使用EUV光刻機(jī)的7納米工藝要到今年底才能量產(chǎn)，英特爾會(huì)更晚些。使用EUV光刻機(jī)未來(lái)可升級(jí)到更先進(jìn)的5納米制程。

　　這樣看來(lái)，中國(guó)的IC制程技術(shù)比世界最先進(jìn)水平落后兩代以上，時(shí)間上落后三年多(臺(tái)積電和三星的14/16納米制程工藝都是在2015年開(kāi)始量產(chǎn)的)。這實(shí)際上就是美國(guó)對(duì)中國(guó)大陸IC制造設(shè)備的禁運(yùn)目標(biāo)。IC制造設(shè)備種類非常多，價(jià)格都非常昂貴，其中最重要的是光刻機(jī)。光刻機(jī)的生產(chǎn)廠家并不多，在28納米以上線寬的時(shí)代，日本的佳能和尼康都能制造(對(duì)，就是造單反相機(jī)的那個(gè)佳能和尼康)，但是IC制程工藝進(jìn)步到十幾納米以下時(shí)，佳能和尼康就落后了，基本退出了光刻機(jī)市場(chǎng)。目前，世界上唯一的光刻機(jī)廠家就剩下ASML。ASML是荷蘭飛利浦公司的半導(dǎo)體部門(mén)拆分出來(lái)的獨(dú)立公司(飛利浦半導(dǎo)體部門(mén)拆分出的另一家公司是NXP恩智浦，最近美國(guó)高通公司要收購(gòu)NXP，需要得到中國(guó)政府的批準(zhǔn)，趕上美帝對(duì)中興禁運(yùn)，那么，就拭目以待吧)。ASML的主要股東是飛利浦，但三星，臺(tái)積電和英特爾都占有股份。去年底， ASML的中國(guó)區(qū)銷售總監(jiān)對(duì)媒體說(shuō)，ASML最先進(jìn)的EUV光刻機(jī)對(duì)中國(guó)沒(méi)有禁運(yùn)。但是美國(guó)政府又的確有禁運(yùn)的指示。那么，到底禁運(yùn)不禁運(yùn)?這個(gè)問(wèn)題得這么看： ASML每年光刻機(jī)的產(chǎn)量只有不多的幾十臺(tái)，每臺(tái)賣(mài)一億多美元，只能優(yōu)先供應(yīng)它的主要股東。對(duì)，就那三個(gè)最先進(jìn)的IC廠家：三星、臺(tái)積電、英特爾，中國(guó)企業(yè)如果訂貨得排在后面等，交貨期將近兩年，交貨后生產(chǎn)線調(diào)試，工藝調(diào)整還要一年左右，加到一起，從下訂單到量產(chǎn)要至少三年。這樣通過(guò)正常的商業(yè)邏輯和流程，就能達(dá)到美國(guó)政府制定的，讓中國(guó)落后于最先進(jìn)IC工藝至少三年的目標(biāo)。那美國(guó)政府何必要蹦出來(lái)說(shuō)禁運(yùn)呢?

　　但是在這里必須說(shuō)明，中國(guó)IC制程落后的最主要原因，并不是買(mǎi)不到光刻機(jī)，或者是光刻機(jī)到貨太晚。最主要的原因在于沒(méi)有足夠的人才和技術(shù)!現(xiàn)狀就是，即使把所有最先進(jìn)的生產(chǎn)設(shè)備都馬上交給中國(guó)IC制造企業(yè)，中國(guó)IC企業(yè)在三年內(nèi)也沒(méi)有能力量產(chǎn)最先進(jìn)的IC制程。事實(shí)上中芯國(guó)際目前就有14納米制程的全套設(shè)備，而他們的28納米制程都沒(méi)整利索。再說(shuō)一遍：最大的瓶頸在于缺乏技術(shù)和人才。

　　IC生產(chǎn)工藝異常復(fù)雜，是人類目前生產(chǎn)的最復(fù)雜的產(chǎn)品，沒(méi)有之一，有了最先進(jìn)的生產(chǎn)設(shè)備，就比如給了我最高級(jí)的畫(huà)筆和顏料，我仍然畫(huà)不出一幅能看的畫(huà)來(lái)，因?yàn)槲腋静粫?huì)畫(huà)畫(huà)，不知道怎么落筆，怎么鉤線，怎么涂色。用IC生產(chǎn)設(shè)備生產(chǎn)IC，需要經(jīng)過(guò)大量的工藝研發(fā)，需要知道用什么材料，制作成什么形狀，怎么布局，等等，才能保證良品率。而中國(guó)懂這些技術(shù)的人才太少太少。中國(guó)自己的大學(xué)微電子專業(yè)離業(yè)界先進(jìn)水平太遠(yuǎn)，培養(yǎng)出的合格工程師太少。這也解釋了，為什么中國(guó)的IC制造企業(yè)大量高薪挖臺(tái)灣日本韓國(guó)的IC制造人才。指望買(mǎi)到最先進(jìn)的生產(chǎn)設(shè)備，短時(shí)間就趕上世界最先進(jìn)水平是不現(xiàn)實(shí)的。技術(shù)的積累和人才的培養(yǎng)都需要很長(zhǎng)時(shí)間。

　　那么到底有沒(méi)有機(jī)會(huì)趕上呢?也許未來(lái)5年左右是個(gè)彎道超車的機(jī)會(huì)，但要看運(yùn)氣。原因在于，新一代制程工藝對(duì)于半導(dǎo)體線寬的縮小不是無(wú)限制的。業(yè)界普遍認(rèn)為，以目前的工藝技術(shù)，到了3納米以下的時(shí)候，電子在半導(dǎo)體內(nèi)的流動(dòng)就不是按照我們所理解的理論來(lái)走了，而是會(huì)遇到神秘的量子效應(yīng)，當(dāng)前的工藝技術(shù)就失效了。各大領(lǐng)先企業(yè)都投入巨資研發(fā)全新的工藝和技術(shù)，試圖突破這一限制，媒體上經(jīng)常能見(jiàn)到某某公司又有什么突破。但到目前為止，還見(jiàn)不到實(shí)用的技術(shù)突破。所以，也許，在5年之內(nèi)，各領(lǐng)先企業(yè)都會(huì)停滯在3納米制程附近，正是中國(guó)趕上來(lái)的好機(jī)會(huì)。但是也有可能，未來(lái)5年真會(huì)有技術(shù)突破，那么領(lǐng)先企業(yè)還會(huì)繼續(xù)領(lǐng)跑，中國(guó)還得在后面苦苦追趕。

　　不過(guò)IC制程工藝未來(lái)有一個(gè)發(fā)展方向是實(shí)用的并且已經(jīng)在閃存行業(yè)應(yīng)用了：那就是向多層發(fā)展，3D堆疊。目前三星已經(jīng)量產(chǎn)64層堆疊的NAND Flash芯片，正在開(kāi)發(fā)96層堆疊的技術(shù)，中國(guó)紫光剛剛量產(chǎn)32層堆疊的NAND Flash芯片，64層的計(jì)劃到2019年才能量產(chǎn)。而除了閃存芯片之外的CPU類IC，目前都是平面的一層，未來(lái)肯定會(huì)向多層發(fā)展，能夠成多倍地提高IC的集成度。這種技術(shù)也是中國(guó)企業(yè)需要突破的。

　　但是，除了對(duì)速度和功耗有極致要求的一些IC需要追求最先進(jìn)的制程工藝外，比如各種CPU和GPU等，其它大部分的IC產(chǎn)品實(shí)際上并不需要使用最先進(jìn)的制程工藝。實(shí)際上，目前業(yè)內(nèi)公認(rèn)性價(jià)比最高的制程工藝是28納米，而這一工藝正在被中國(guó)大陸企業(yè)掌握。還有一個(gè)事實(shí)就是，28納米工藝的營(yíng)業(yè)額目前是臺(tái)積電所有工藝?yán)镒罡叩?。只要把這塊市場(chǎng)拿下，做大，中國(guó)的IC企業(yè)就能占據(jù)大半江山了。

　　再說(shuō)說(shuō)FABLESS IC設(shè)計(jì)企業(yè)。這個(gè)行業(yè)中國(guó)進(jìn)步是比較快的，當(dāng)然這也和能買(mǎi)到現(xiàn)成的IC設(shè)計(jì)方案有關(guān)(業(yè)內(nèi)叫IP core)，其中最有名的就是ARM架構(gòu)的CPU了。2017年底，中國(guó)大陸的FABLESS企業(yè)的營(yíng)業(yè)額已經(jīng)超過(guò)了臺(tái)灣，而且還在高速發(fā)展中。

　　這里可以舉一個(gè)每個(gè)人都用的產(chǎn)品的例子：手機(jī)CPU。目前世界上擁有自主CPU的智能手機(jī)廠家只有四個(gè)：三星，蘋(píng)果，華為(麒麟處理器)，小米(小米的松果CPU是基于大唐的技術(shù))。而世界上的手機(jī)生產(chǎn)企業(yè)能外購(gòu)到的智能手機(jī)CPU也只有四家的產(chǎn)品：高通，聯(lián)發(fā)科(MTK)，三星(魅族最愛(ài)用)，紫光展銳。蘋(píng)果，華為和小米的CPU不外賣(mài)。不過(guò)，最近華為的麒麟970 CPU開(kāi)始向聯(lián)想K9 Plus手機(jī)供貨了，不知是不是在中國(guó)政府的壓力下華為才放開(kāi)的。另外，去年聽(tīng)說(shuō)，小米的松果CPU也和生產(chǎn)諾基亞品牌手機(jī)的HMD公司簽訂了一個(gè)意向書(shū)。紫光展銳的智能手機(jī)CPU主要用在低端手機(jī)上，但是別看低端，2017年紫光展銳的營(yíng)業(yè)額及市場(chǎng)占有率都和臺(tái)灣聯(lián)發(fā)科MTK相差無(wú)幾了，在大陸市場(chǎng)的推動(dòng)下，超過(guò)聯(lián)發(fā)科是必然的事。