热门话题: 中美关系·贸易ACG垃圾分类军事电影

中国的芯片之“痛”还要痛多久(增补终稿)

       从陈进的“汉芯”造假之“痛”给中国的芯片产业蒙上了阴影之后,国产芯片产业一直处在踉跄前行之中。历史的原因就不说了,大家基本都清楚。现在关心的就是芯片的两个最基本环节:设计和流片,流片简单地讲就是像流水线一样通过一系列工艺步骤制造芯片,这就是流片。尽管华为的麒麟已经出世,但流片还是需要境外企业“代工”,也就是说即使国内能设计7纳米工艺的芯片,自主生产和批量出货也还是一个瓶颈。从中美贸易战起始,美国遏制中国高技术发展的企图就已经很明显了。此前媒体报道的中芯国际,也是中国内地最大的芯片制造企业,花了1.2亿欧元(9.24亿人民币)跟荷兰的光刻机巨头ASML订购的一台极紫外光刻机(EUV),现在跳票了,对方说因为“出口许可”问题没法如期交付。为了买这台光刻机,中芯国际下了血本,就是为了抢滩登陆目前世界上最先进的7nm(纳米)芯片量产。ASML一跳票,中芯国际就算有米,也没锅可以做饭。

      长期以来,国内芯片产业为什么偏重设计?就是因为做流片投资太大,国内没有企业具有相关的规划和管理经验以及投资流片系统的能力。而且流片所需的关键设备由于美国和历史上延续下来的”巴统(Coordinating Committee for Export to Communist Countries,是对社会主义国家实行禁运和贸易限制的国际组织。正式名称输出管制统筹委员会。)“的限制,进口受到制约。这次中芯国际被卡脖子,还不知道要多久,而它势必会给国产高端芯片的制造拖后腿。中国的技术实力在那里摆着,差距也都清楚。所以,华为的任正非对这一点估计的很充分:主张尽可能“国际合作,联合竞争”。他反对一味地讲“自力更生,自主研发”。

       这台极紫外光刻机(EUV)是目前世界上最先进的7nm(纳米)芯片量产关键工艺设备,只有荷兰的光刻机巨头ASML一家生产,其背后的大股东就是英特尔等美国公司,ASML跳票的背后,是不是有美国对中国芯片发展的阻挠,想必中国人不糊涂。与此同时的是,三星近日决定向荷兰ASML一口气订购15台EUV设备,可见世界半导体芯片产业对光刻机的争抢正陷入白热化的竞赛状态。美国专栏作家托马斯·弗里德曼说:“在全球化时期,不是你想不想全球化,而是你在全球化中怎样生存。(《世界是平的——凌志汽车和橄榄树的视角》)”在世界单边主义盛行的今天,中国如果跟不上这个步伐,前景肯定不容乐观。

       这台7nm(纳米)极紫外光刻机(EUV)硬件中最难做的就是一套高精度的光学镜片,目前的精密机加工技术还不能完全替代人工研磨,而据了解,荷兰的光刻机巨头ASML的人工研磨团队有100多人都算是研磨大师级人物。日本的“小林研业”尽管在世界排名水平也不算低,但技术水平也不能与之相比。中国光学镜片的水平就更差一些,高档相机的光学镜片都勉为其难。中国的装备制造业尽管在大、重两方面都有所进展,但在精度方面还是短板。所以国产光刻机水平与之相比差2-3代。就整个产业链来讲,关键材料和核心部件做整个制造业的短板或瓶颈(比如传感器的的敏感材料、高精度光学器件、特种钢材和碳纤维以及超大分子材料等等)。

       传统经济学都在讲“高度专业化”和“国际分工合作”,但实际上这都是理想化的研究范式。在如今的单边主义霸权世界的格局中,中国完全走这种道路是行不通的。美国对华加征3000亿进口关税税目已经告诉我们:中国出口总量在那里摆着,任何一种产品的出口都有可能被制裁。就像袁隆平一再告诫我们:“中国的粮食安全一定要掌握在自己的手中”一样,中国制造的产业链的任何一个节点都不能忽略(比如飞行器的起落架、船用钢板和轴承钢、模具钢以及高分子材料等等)。虽然在2018年7月,美国宣布解除对中兴的禁令(那天,中兴总部的LED灯牌上打出了“解禁了!痛定思痛!再踏征程!”的标语。 ),只是有些痛,光是“思一思”,恐怕也解决不了什么问题。一个月后,中兴创始人侯为贵坐在深圳的办公室里,接受了《福布斯》采访,称自己无法理解这份报告。一路做到副总工的侯为贵,最喜欢的就是不紧不慢、稳扎稳打,像勤勤恳恳的老黄牛,耐心寻找各种机会,但从来不会冒进,讲究均衡,不轻易冒险,很少有过激行为。这种性格的领导者,淡定从容、勤勤恳恳、务实有效,能避免重大的投资损失,但也容易失去长远机会。2000年左右,中兴在全亚洲最先开始了3G手机基带芯片研发,但由于中兴的文化不鼓励试错,侯为贵还是选择了放弃,团队解散,于是很多人跳槽去了别家芯片公司(其中很多人后来就到了华为的海思)。中兴不是没有尝试过摆脱对美国的依赖、自主研发芯片,但企业文化如此——小心驶得万年船。越求稳,在一种环境里适应得越好,当变故袭来的时候,就越不适应,甚至“死”得越快。所以当2018年的禁令突如其来的时候,董事长会用“休克”来形容这艘市值千亿的巨轮。而另外一家公司,另外两个人,拒绝过这种适应好一切的日子。他们选择在黑夜里睁眼,他们等来了自己的黎明。

       到2003年,华为摊上事儿了。美国思科公司罗织了21项罪名,起诉华为侵犯知识产权。官司打到2004年,双方达成和解:华为不需要道歉,更没有赔偿。平安度过危机的任正非没有松一口气,他想的是:“如果再有别人断我们粮,我们能不能有备份系统用得上?”他萌生了自己研发芯片的想法,于是他找到何庭波,给了她一个几乎不可能完成的任务:“每年给你4亿美元的研发费用,再给你2万人,一定要站起来,减少对美国芯片的依赖”。“我们用两万人来强攻,至于怎么强攻,你说了算,我只能给你人、给你钱。”何庭波一听吓坏了:当时整个华为只有3万人,研发总费用不到10亿美元,任总竟然下决心做如此高强度的投入。于是,海思就在这样的背景下诞生了。准确地说,今天的海思除了手机芯片,其他传输网络设备芯片、家庭数字设备芯片等,统统都做。在安防监控领域,海思低调地占领了全球70%左右的市场份额,美国60%的摄像头芯片来自海思。但当年的海思可没有这么风光,从一开始就栽了很多个跟头。头3年,海思只能卖数据卡、机顶盒,挣点小钱。到2009年,海思才发布了第一款应用处理器K3V1,不仅落后,而且操作系统还选了Windows Mobile,这给华为丢尽了人,最后惨败收场。华为和海思从此明白一件事:芯片要突破,离不开母厂的支持。面对外界排山倒海的质疑,海思内部却出奇的安静,只有实验室里的灯火彻夜通明——这灯火只为反戈一击。何庭波总是鼓励大家:“做得慢没关系,做得不好也没关系,只要有时间,海思总有出头的一天。”功夫不负有心人,2014年,海思发布麒麟910芯片,工艺上升级至28nm,追平了高通。从麒麟910到如今的麒麟990,海思开始了手机芯片史上一段华丽的逆袭,时至今日,不但在工艺上领先至7nm,性能和功耗上,更比肩业内最优。冒险换来的是巨大的回报——更低的芯片和整机成本、更可靠的供货保障、更有底气的议价能力,这是华为手机的“护城河”。海思的成功与当年中兴3G芯片团队解散,很多工程师跳槽到海思自然也功不可没。而所有这一切,都是中兴当年所不敢为的。

      海思做到了什么,又没做到什么,答案也正藏在“芯片设计”这四个字里。芯片设计,顾名思义,就是给芯片“画图纸”的。海思在完成芯片设计之后,要交给台积电代工制造。而英特尔这样的顶级巨头,能独立完成芯片的全流程设计制造——这是海思跟行业巨头的差距之一;其二,即使只从芯片设计的角度看,海思也并非完全独立自主、从零开始。海思购买了ARM的设计授权——全世界95%的智能手机和平板电脑都采用ARM的设计架构。其三,由于海思不能流片,所以麒麟990仍然需要台积电出货。也就是说华为自主研发的芯片仍然没有掌握在自己的手中。值得关注的是:美国最近不断放出话来,希望全球第一大芯片代工企业台积电到美国设厂,说是美国有很多7nm以下的国防用的芯片需要台积电过去做。美国对台积电暗送款曲、屡屡施压,因为台积电的芯片代工,“正巧”也是华为麒麟芯片制造的关键命脉。一方面,让中国芯片做不好、做不早,另一方面,在中国芯片的代工厂里挖墙脚,故中美两国的芯片战争,还远远没有结束。尽管台积电认为赴美设厂成本上不合算,但业内人士观察,未来台积电赴美设厂的几率仍是有的,台积电做流片需要从美国进口流片消耗品,算起来这大概是“强龙压不住地头蛇”的事情。所以任正非曾经说:没有创新,要在高科技行业中生存下去几乎是不可能的。在这个领域,没有喘息的机会,哪怕只落后一点点,就意味着逐渐死亡。

       2018年,像海思一样的中国芯片设计企业数量,比去年增长了23%,中国芯片设计产值达到2515亿人民币,也增长了23%,其中海思全年营收突破500亿。2018年,华为研发投入153亿美元,折合上千亿人民币。但是这并不代表我们能对整个中国芯片行业感到乐观,2018年中国芯片进口额突破2万亿人民币,超过天津市2018年全年GDP,也远超全年原油进口额。也就是说,中国芯片85%靠进口。特别是在通用CPU和DDR存储器两大关键芯片上中国还没有自己的话语权。

       从软件上讲,为了摆脱英特尔CPU+微软Windows系统的垄断联盟,倪光南用国产的方舟+Linux的NC机(含自主芯片的国产PC)开始试水市场,倪老的眼里只要给时间,方舟+Linux的NC机未来可期,可以一步步搭建生态,去优化,有问题一个一个去解决。但现实是这套组合的“用户体验”只有四个字:非常难用。别人发给你的office文档,你在NC机上根本打不开,这还怎么办公?还有浏览器、播放器等13大类50多项bug亟待解决。2003年起,NC机开始从政府采购中退潮,导致方舟3号芯片搁浅,黄了。为了抗衡Windows,国内开发了基于Linux的操作系统——红旗。但是“红旗”的研发队伍不到微软Windows95的5%,更别说资金的投入了。微软Windows系统的的研发是从主程序到各个子程序大规模协同开发,仅仅是程序验证团队就有几千人,这还不包括Microsoft Office系统的开发。如果说微软Windows是一个钢铁托拉斯,那么“红旗”犹如一个铁匠铺——无法比较。更值得注意的是,我国大型仿真软件和各种CAD软件基本都来源于国外。如果美国进一步压制中国的发展,也不排除在这些方面有所动作。近年来美国对华的留学生采取种种有限制以及对华裔科学家的栽赃举动就是某种警示。实际上目前我们大量使用的国外工控软件里面确实有“后门”,笔者在某知名外国企业的PLC软件的源程序中发现过这样的子程序:只要用户使用这个软件,那么你的企业名称、电话、计算机IP、工艺参数及过程控制流程都会被记录下来,连过程控制的各个阶段的时间都可以精确到秒,开发商通过定位哈可以知道用户的具体位置。即使你发现,外商也不过是解释一下:“因应对用户服务的需要。”所以中国必须做到“心中有数,未雨绸缪”:

      有人说中国的超算机已经世界领先,这是事实。但中国超算的实现从硬件上讲主要是采用多CPU矩阵,矩阵越大,运算速度越高。但是相伴而来的问题也有:功耗大、电磁兼容性的问题也多,以及信息传输的同步问题等等,所以矩阵规模也是有限度的。解决的办法一是软件,二就是提高CPU的性能。也就是说,超算机性能的提高还有赖于CPU本身的性能提高。尽管如此,也不能否定近十几年来,中国在芯片产业发展上的显著成绩。 但这仅仅是与发达国家的差距有所缩小而已,整体实力还是有较大的差距。所以相关的技术领域或者课题不能等闲视之:

       1、不能急于全面突破,集中力量重点解决关键问题,尤其是流片的关键设备。在芯片制造方面,从2002年开始至今,国内半导体制造工艺与国际先进水平一直都相差两代,且80%的装备需要从国外进口(例如EUV光刻机)。由于国内10nm以下的高端芯片还不能自主流片,只具备一定的设计能力,所以在世界单边主义强势的局面下,对我国芯片产业的风险或者变数要有清醒的认识。

       2、7nm(纳米)极紫外光刻机(EUV)硬件中最难做的就是一套高精度的光学镜片,而荷兰的光刻机巨头ASML拥有的主要优势就在于其光学镜片的生产工艺上能满足7nm(纳米)的分辨率。据了解,我国的长春是光机电产业的资源丰厚区。能不能用集中力量办大事的模式组织全国力量解决7nm(纳米)极紫外光刻机(EUV)的高精度的光学镜片(这大概主要是光学材料和眼膜工艺的问题)?芯片制造的关键设备芯片制造的EUV光刻机的基本原理和核心部件国内已经基本清楚,关键是这些部件的精度和整机的系统误差能控制到什么程度以及自主研发首先需要解决哪些问题(设计和制造工艺以及控制软件等等)。我想,采用“集中力量办大事的模式+各个击破”可能是目前最适合EUV光刻机研发攻关的一种模式。

       3、中国制造业历史上总存在“重设计,轻制造;重整机,轻部件;重生产,轻工艺;重加工,轻材料”的弊端。这一点,思路应该尽快调整过来。比如,东北地区的农业大户为什么愿意高价购买德国的农机具?就是因为德国产品“皮实”——质量好效率高。仪表仪器行业中,传感器的信号采集就是最重要的前端单元设备,中国的压力传感器膜片虽然也有与日本欧姆龙合作的过程,但最终只是拿来用而已,高性能膜片至今还是靠进口。可笑的是,国内有一个985/211院校不是从材料性能上想办法,而是外加一个橡胶套来解决(业界戏称“传感器外加避孕套”),这就有个计量学误差理论的问题了——原本压力传感器的精度是0.5%,那个“橡胶套”自身产生的误差不可能为0,甚至连0.5%的精度批量生产也很难保证(况且橡胶套耐磨性远低于传感器的不锈钢膜片),那么两者套在一起的综合误差就可想而知了(远大于0.5%),这项目在计量学界成了笑话——不但不解决问题反而浪费科研经费。所以说,研究方向错了方法也就错了,这本应是科学常识。

       1964年,中科院半导体所成功研制出中国最早的集成电路。而仅用了一年时间,王守武就把256位MOS随机存储器成品率提高到了前所未有的水平,最高一批达40%。当时在亚洲仅次于日本。然而那个时候,国内很多人对半导体产业这个“大坑”的估计严重不足,一位领导就曾关切地问:“你们一定要把大规模集成电路搞上去,一年行吗?70年代末,用王守武的话说:“全国600多家半导体生产工厂,一年生产的集成电路总量,只相当于日本一家大型工厂月产量的1/10。一句话就把改开之前中国半导体行业成就和家底,概括得八九不离十。到了80年代,国内半导体产业仍然处于“低水平、小规模、同质化、质量差”的状况。山东西南部的一家半导体厂当时据说也参与的”东方红卫星“的配套研制工作。其实他们生产的NPN和PNP晶体管稳定性是很差的,基本上是靠”几千里挑一“的方式交货的(好在卫星项目用量不算大)。总体上,80到90年代,中国半导体行业大幅落后于美日逐渐被韩国、台湾地区超过,究其原因,中国半导体产业起步晚、重视程度不够是一方面,而另一方面,盲目的“拨改贷”政策也让电子工业遭到重创。也就是说那时对世界半导体的发展基本上没有清晰的认识。笔者因为企业项目的需要曾到上海元件五厂采购CMOS数字集成电路(国内质量最好的厂家之一),但由于其封装技术不过关,芯片失效的故障率很高。所以最终只能通过原理性验收,不能批量投产。这就是当时的国情——芯片不行,你就没有更好的办法自主完成成果的转化。

        4、日本的一个经验就是企业要避免“大而不强,小而不精”(如小林研业的案例)。大而不强是说规模再大,水平不行终归不会有效益。小而不精是说你不怕规模小,但专业化程度能不能做到极致,有没有自己的专业特长或者“杀手锏”(尤其是工匠大师的技能)。德国非常注重工匠人才的培养,日本企业也非常注重企业整个生产流程中工匠大师群体的建立。这个经验对中国制造业也是非常值得借鉴的企业“禀赋和内生动力”要素。

        5、日本的经验就是重材料,重管理(尤其是重质量的全过程控制)。全面质量管理(QC)最早起源于美国的曼哈顿工程,日本上世纪50年代末引进了这项管理技术,并以全国之力大力推广。值得我们注意的是,日本在推行全面质量管理(QC)的过程中还借鉴了中国的“三结合”经验和大庆油田总结的“三老四严,四个一样”的管理模式,尤其是强调了“人的因素第一”(日本管理大师石川馨)。其结果是日本的质量管理成为世界上最成功的范式。而中国在上世纪80年代中后期虽然也刮起了一阵“管理风”,此后便销声匿迹了。管理我们讲了几十年,但真正落到实处的并不多。根本原因就在于人的素质因素,尤其是“遇到问题绕着走”的传统文化和“差不多就行”的习惯思维。        

        6、就国内半导体产业而言,从经济学角度上看,《新结构经济学》认为:“对于新技术的引进,发展中国家可以通过借鉴或采用在发达国家已经成熟的技术,从而将它们的劣势转变为优势。与之相反,发达经济体必须在全球技术前沿上进行生产,并必须持续在研发方面进行新的投资以实现技术创新。 因此,发展中国家有潜力实现高于发达国家数倍的技术创新。”(林毅夫 新结构经济学 p10)这一点,包括中国在内的发展中国家的实践经验和西方发达国家的发展历程都得到了印证。但这并不表明发展中国家的创新水平就接近或高于发达国家。这是两种不同发展阶段的问题,也就是说发展中国家和发达国家之间的创新禀赋和内生动力在层次上是不同的。前者是在“填补”过程,可以借鉴发达国家的优势成果,后者则是在新的技术高峰上的探索和创新。或者说两者在发展的创新层次上是完全不同的阶段。因此,这一点对中国来讲,必须保持清醒的头脑:“新结构经济学认为,一国禀赋结构升级的最佳方法是在任一特定时刻根据它当时给定的禀赋结构所决定的比较优势发展它的产业。(林毅夫)”笔者这里把它概括为“量米下锅”。

        中国的芯片产业毕竟已不是零起步,但如果别人对我们进行封锁,能不能做到极致就看自身的努力如何——外援可以争取,但不能完全依靠。大家都知道“伯乐相马”的故事,而任正非的一个悟性在于将“伯乐相马”的条件反其道而用之——劣势的估算(成语没有相应的词汇,笔者姑且用这几个字表述,用兵书上的话可以说是知己)。 华为为什么做出了“麒麟”系列后任正非并不打算全用?这里面有一个战略平衡的道理:    

     a、华为在芯片技术上与世界一流相比不是强者,今后华为的道路还是要和世界芯片巨头合作共赢(华为有些芯片就是开发成功后让美国企业去做,从而保持“你中有我,我中有你”的国际分工合作格局)。

      b、任正非的思路是:没有备份就没有退路,有了备份就有了话语权,有了谈判的筹码。

      c、华为清醒地认识到:长远来看,中国的芯片技术优势和投资开发能力还不能与世界一流芯片巨头抗衡。芯片的流片国内短板太多,产业的规模化和水平所对应的禀赋和内生动力不是短时间都能具备的。在相当长一段时间内,中国的芯片技术优势还不能与世界一流水平争夺市场。

      d、包括“7nm(纳米)极紫外光刻机(EUV)”在内的流片关键设备,中国必须搞出来(至少是达到性能指标的“样机”),但如果马上就规模化自主量产发展,在经济上未必划得来(要考虑综合费效比,产品的合格率和成本是否能维系企业的可持续发展)。从华为的经验来看,也就是说中国只有掌握了流片的关键技术(即自主流片的能力),才有可能撬开西方的“贸易壁垒”的封锁——从而获得国际采购的话语权和定价权。中国芯片企业目前需要的就是国际采购的话语权和定价权。世界芯片巨头都很清楚:未来,几乎所有品类的芯片的最大市场在中国。2018年中国集成电路芯片的进口量为20584亿美元,如果不是技术封锁和贸易壁垒,在4-5年内可达到24000——28000亿美元。因此,世界芯片巨头们在未来占有多大的市场份额就关乎其生存还是死亡的大事。三星近来从荷兰的光刻机巨头ASML一口气进口了15台7nm(纳米)极紫外光刻机(EUV)就充分说明世界芯片巨头已经开始为今年后的市场份额争夺战做技术铺垫。

      e、历史的经验已经证明:你搞不出来或没有掌握关键技术别人就遏制你或漫天要价,一旦你掌握了技术,他们马上降价来找你洽谈合同。这就是任正非所言:我不主张盲目地讲“自力更生,自主创新”背后所隐含的政治哲学思维。这正如钱学森所说的:没有当时的“两弹一星”,中国就没有今天的话语权。

       f、7nm级芯片从技术上讲是一个技术层的分水岭,流片工艺进一步向7nm一下发展的难度将会很大,流片的稳定性和成品率也将会降低。所以7nm级芯片的生命周期也会较一些。这一点国内和国外业界都很清楚。所以西方肯定会不遗余力地阻止中国7nm级芯片的自主生产。中国只有掌握了7nm级芯片流片技术才有可能使中国参与到7nm级芯片的生产国队伍中来,进而实现“国际分工合作”。这就是华为“没有备份就会断粮”的的战略思维。从芯片产业链来讲,流片的辅料以及封装技术都要统统考虑进来有没有接撞而来的“国际新制裁”。对中国而言,这就是一个一揽子系统工程。中国只要能下定决心迈过这个坎,芯片之路就会眼前出现一片光明。对于战略机遇谁能抓住,谁就是胜者。

      毛主席说:“世上无难事,只要肯登攀”。华为海思的路尽管没有走完但还在继续。中兴的“谨慎使得万年船”最终也没逃过一劫。这就是经验和教训。 中国没有退路,但只要横下心总会走完这条路。最后用华为海思总裁何庭波这句话做结尾:“做得慢没关系,做得不好也没关系,只要有时间,海思总有出头的一天。”

      

免责声明

全部专栏