突破芯片制造瓶颈需极大耐心

短缺、断供,中美各自投资兴建芯片厂,最近一段时间,围绕芯片业的新闻频出。有外媒近日报道称,中国正斥巨资用于研发第三代半导体,应对美国制裁导致的半导体断供危机。

从产业意义上来说,芯片是中国科技最大的短板,是美国针对中国“卡脖子”最多的领域,也是中国发展自主产业链的必然方向。第三代半导体芯片研发目前刚刚起步,中国与世界先进水平差距不大,的确存在追赶或者超越的可能。

第三代半导体芯片并非指当前更为高级的芯片,而是以氮化镓和碳化硅等新材料为基础发展半导体功放芯片,特性是耐高温、高压、大电流,用于新能源汽车等特定领域。人们更熟悉的逻辑运算与存储芯片,还是以硅片晶圆为材料,硅纯度越高越好。

基于硅基的芯片发展历史很长,围绕它的一系列指标以摩尔定律指数增长。指甲盖大小的芯片里有上百亿个晶体管,功能强大到能让手机流畅运转,让小小的U盘里可以有几百G的存储空间。硅基芯片制造已深入到10纳米的原子级别,难度极大,设计、设备、生产技术、投资要求极高。硅基芯片是国产自主芯片发展的主战场,涉及利益最大,面临的挑战也最为艰巨。

实际上,以砷化镓和锑化铟等材料为基础的第二代半导体,在光纤和移动通信领域作用很大,中国发展得也不错,但依然无法解决芯片主战场上的问题。各代际之间是并列关系,不能形成替代。在可以预见的将来,硅基都将是芯片发展的主要领域。对于急需补上芯片短板的中国更是如此,必须强攻主流芯片制造技术,很难如汽车领域般靠电动车对传统汽油车实现弯道超越。

芯片的“制程”由晶体管两个栅极的距离(纳米)定义,可以划分为“成熟”和“先进”两个阶段,随着时间推移,先进的会转为成熟,更先进的又会出现。现阶段的中国正好处于划分相对清晰的节点:28纳米及以上是成熟制程,14纳米及以下的是先进制程,需要用到FinFET(晶体管的两极象鱼鳍竖起,向立体发展)等先进制造工艺。如果从是否需要最先进的EUV光刻机来看,14纳米也可归入成熟制程。

因为华为7纳米、5纳米芯片受美国制裁导致手机无法出货,一般社会舆论容易认为中国目前最需要追赶的是先进制程,高度关注我们需要多长时间才能自主制造出先进芯片,解决断供问题。有乐观的声音认为两三年即可实现,有悲观的声音认为需要十年时间,而光刻机就成为芯片自主的任务核心与技术图腾。相当多的人以为,中芯国际2019年就实现了14纳米先进制程量产,成熟芯片制造更不应该成为问题。

虽然人们普遍认识到中国在芯片制造领域与国际先进水平的差距,但中国在其他领域技术追赶的高速度容易给人们的认识上带来一种乐观,从而难以真正理解我们在芯片领域面对的技术困境。实际从产业安全和技术基础来看,当前我们最需要大力投入的其实是成熟制程产业链技术。

芯片制造是当今制造业中罕见的技术水平还在持续指数增长领域。除刻蚀机等极少数设备外,中国在芯片制造设备上没有参与产业大发展,从开始的落后,到差距越来越大,追赶的难度不断增加。即使在“成熟”的芯片制造领域,中国设备的份额也不高。表现在统计数字上,就是芯片制造产能占比太低。即使把英特尔、台积电、海力士等外企在华产能都算上,中国大陆也只占世界芯片产能的13.9%,需要进口世界一半的芯片。

中国政府对芯片的重要性并不缺乏认知,在上世纪90年代实施了“908”“909”工程,进入21世纪后有“01”“02”专项,以最优先顺序大力攻关芯片制造技术。但因未加入全球领先企业互商配合快速进步的发展“路线图”,难以跟上产业前沿。一旦在生产环节中引入国产设备会降低良品率,严重影响企业收益。因此主要问题不是能不能跟上先进制程,而是能不能弥补成熟制程差距。

实践说明,依靠个别专项突击不足以解决芯片制造技术问题。数百亿元人民币的投资看似巨大,实际也只相当于芯片业界巨头一年的投资。2010年以后,中国又推出了集成电路产业大基金,投资力度加到上千亿元人民币,更多地从市场角度培育国产芯片企业。这些专项与基金投资很重要,给后续追赶打下了基础,但不足以完全解决问题,需要在新形势下重新做战略选择。

美国的制裁令给中国芯片行业带来很大困难,却又提供了难得的市场机会。国产芯片产业迫切需要抓住机会发展自主产业链,形成研发、人才培养、生产、市场应用的商业闭环,摆脱与市场脱节的不利情况,走上发展快车道。目前,在得到应用机会后,芯片制造国产替代成果不断涌现,人才待遇大幅提升,良性循环的态势已经出现。也许目前还不具备突破先进制程的条件,但如果能在成熟芯片制程打牢基础,战略意义更大。约70%的芯片是成熟制程,能基本覆盖国计民生重大领域的需求。

需要指出的是,国产芯片制造业近年来所取得的进步,是相对过去的困境而言,与国际巨头相比差距仍然很大。不能盲目乐观地以为国产芯片制造技术已经强到发发力就能解决问题,需要耐心、理性。芯片人才培养、技术积累、产线调试、产能形成的周期比一般产业要长。中国需要与全球芯片企业加深合作,哪怕先进制程受限,也要尽力增加成熟芯片的市场份额。光刻机最重要的制造商ASML以及在芯片制造领域经验最丰富的台积电,都是重要合作伙伴,不能因为美国使坏,我们就放弃与之合作。

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