- 读书 >
- 睡前消息文字版 >
- 2021年(216) >
- 十一月(348)
睡前消息353期：发展芯片不要想着弯道超车，认清设计、制造、封测等全局落后的事实
2021年11月14日睡前消息文字版第353期
【睡前消息353期文稿】28nm光刻机卡住“02专项”，冷静一下也好
大家好，2021年11月14日星期日，欢迎收看353期睡前消息。请静静介绍新闻。
阿里平头哥使用ARM架构也有可能被限制
10月19日，阿里巴巴的平头哥半导体公司发布了一款芯片，按照金庸小说的传统，叫倚天710，号称是最强的ARM芯片。中美贸易战以来，芯片问题一直是中国最显著的弱点，这次阿里自己开发了芯片，能不能改变中美之间的实力对比呢？
这对阿里，尤其是阿里云来说是一个商业小成就，但是对于基本的经济格局影响不大。
芯片生产流程可以粗略分成设计、制造和封测三个板块，我们是全方位落后。美国大半个世纪以来就对中国封锁半导体技术，制造的技术落差不是几年就能填平的。
阿里这次只是完成了五纳米芯片的设计，在设计方面练了练手，但是首先制造还是要找台积电来做。其次，倚天710是阿里为了自己的云服务器量身定做的内部专用芯片，对于国内目前最急需的手机和电脑芯片来说没有什么帮助。最重要的问题是，阿里采用了ARM架构去开发芯片，未来还有可能在技术上被限制。
阿里自己做的设计，为什么还说技术上会被限制？
可能的限制主要来自于两方面，第一是ARM指令集架构的技术在未来很有可能拿不到授权，另外一个是构建ARM的生态，必然会遇到大量绕不过去的技术体系，有可能受制于人。
目前世界上应用最广泛的指令集是英特尔的x86架构，占据了90%以上的服务器芯片市场。
芯片设计想要使用x86架构必须买技术授权，而掌握了x86永久技术授权的只有英特尔和amd，都是美国公司。然后是台湾省的威盛集团，掌握了有限期的授权。英特尔自己就是卖芯片的，一直不愿意给大陆授权。
前几年，上海兆芯开发过X86芯片，而兆芯是上海国资委与台湾威盛集团的合资公司，用微盛的限期授权绕过了专利封锁。2018年4月微盛的授权到期，兆芯没有办法再用新技术了。后来天津海光在2016年和amd成立过合资公司，花了差不多3亿美元去买授权做芯片，结果到了2019年，amd宣布和海光的合作仅限于特定产品，新技术不再授权了。
这两件事之后，国内做芯片设计基本不考虑X86。用不了X86国内的芯片设计只能去找授权更宽松的架构，甚至是开源架构。ARM架构已经提出了好多年，一直竞争不过X86，核心原因是缺乏产业配套，产品生态不好。但是ARM架构的授权很宽松，芯片厂商可以一次性买到一个版本的授权，不用担心后续的技术断供，所以最近几年华为、阿里、字节都在开发ARM架构的芯片。
ARM的芯片在技术上也有它的优点，体积小、功耗低，适合国内这些企业开发自己的服务器和手机芯片。目前从全球的绝对算力来看，ARM芯片已经占到了82%，未来的市场空间还很大。
但是计划赶不上变化。ARM是日本软银集团在英国开的公司，很容易受到美国的干预。
去年9月14日，美国芯片巨头英伟达宣布要400亿美元收购ARM，预计明年三月完成。收购计划一宣布，华为、高通、微软、谷歌这些用户纷纷反对，连英国政府都不愿意，但直到现在，收购计划还在推进，只是报价抬到了540亿美元。一旦完成收购，可以预见ARM架构授权也必然成为美国的谈判筹码。
芯片设计EDA软件美国人说了算
除了技术授权之外，芯片设计软件的问题，很多媒体都说过。芯片是人类最复杂的机械，设计必须依靠“电子设计自动化软件”简称EDA软件。
最早的EDA软件在60年代中期出现，当时芯片电路还不复杂，芯片设计和机械CAD画图差不多,第一批EDA软件就是搞机械设计的企业开发的。但是芯片的复杂度遵循指数化的摩尔定律，随着集成电路的规模和精度增加，人脑从总体上没有办法把握几十几百万晶体管的复杂结构，设计人员也没有办法从细节上把握生产线的技术障碍，这个时候就出现了标准单元库，每个单元库代表特定功能的电路，用模块化的设计来规划芯片结构。
发展到这一步，信息社会形成了自己的内循环发展模式，只有掌握先进的计算机软硬件才能设计更好的计算机，之后的设计人员不需要，也不再可能了解每一个芯片的细节，而是要基于数字模型搞产品迭代。
现在的芯片已经发展到集成上万亿个晶体管的水平，完全依赖于EDA软件进行开发，而EDA软件基本上被美国垄断。
目前全世界的EDA软件市场不大，规模只有100多亿美元，但是美国很容易在软件上封锁，华为在先进芯片方面的设计迭代就卡在这里。
国内在90年代没有重视EDA软件，在还有一线希望跟进先进水平的时候，完全依赖于美国供应，导致国内的开发团队差点散掉。最近几年资本开始重新组织团队开发，比如说华大九天，但肯定还需要很长的时间才能有起色。
封测技术难度相对较低
在芯片设计和制造方面，中国暂时处于落后地位。上个月有金融机构说封测环节是大陆半导体产业链与国际水平最接近的板块。督工，你怎么评价？
封测领域的确有赶超的机会，但这不是国内产业升级的重点，所谓封测就是封装、测试，把集成电路的裸片放在基板上包装成芯片的成品。
过去的封装基本上都是单个芯片的加工，随着摩尔定律逐渐碰到天花板，光刻技术很难继续压缩电路尺寸，芯片产业不得不挖掘上下游次要工序的潜力，用协同优化来提高性能，这个时候先进封装技术才开始得到重视。
比如说把多个小芯片封装集成，变成一块大芯片，可以直接降低上游的成本。再比如说把芯片叠起来封装，可以在不改变尺寸的情况下提高性能。这些方面风测的确有进步的空间，但是如果只看国产化率，封测环节的发展也不乐观。封测设备的国产化率整体上不超过5%，个别产线上的国产化率只有1%，在IC级固晶机、焊线机、磨片机这些核心设备方面，国产化几乎是零，还不如集成电路的制造环节。
之所以这方面的国产化率低，原因是国内目前的芯片补贴和激励政策主要向晶圆厂和制程设备倾斜，封测环节不受重视。很多设备的确能制造出来，但是找不到客户做生产验证，没有办法进行技术迭代。
当然，这方面的问题并不致命，国家政策之所以不倾斜，恰恰是因为美国对我们的威胁不大。封测设备的技术门槛低，在制造环节以纳米计算精度的时候，封测环节的精度还只需要微米，这样的配套企业门槛不高，利润率也比较低，只有5%左右，所以产业链比较分散。现在先进封装设备商有好几家在新加坡。美国觉得封测环节没有发动贸易战的价值，中国也认为将来有余力的时候可以集中力量做，暂时还看不到翻越不了的门槛。
国产前道光刻机只能做到90纳米
设计和封测都说完了，我们来说说制造环节。制造芯片最受关注的设备是光刻机，今年七月，有媒体引用青岛西海岸新区的消息，说鸿海转投资的新核芯高端半导体封测厂已经进入装机阶段，目前搬入机台设备46台，包含中国制造的28纳米光刻机，预计年底量产。国内负责研发光科机的单位是上海微电子，现在忽然提到国产28纳米设备投产，是不是他们取得了什么技术性的突破呢？
这条报道把制造环节搞错了。富士康在青岛建的是一个封测厂，28纳米是他封测的上游芯片的精度，不是他们自己制造的精度。至于说上海微电子制造的光刻机，要分成两类，首先是做封装的后道光刻机，精度要求是0.8微米到0.6微米，和芯片本身的纳米级精度差了上百倍。在这个市场上，上海微电子的后道封装光刻机已经占据了国内80%的市场，没有什么可担心的，也很难出大新闻。问题的核心是前道光刻机，用了生产集成电路的纳米级产品，我们常说的光科机就是这种前道光刻机。
到现在为止，国产的前道光刻机只做到了90纳米，依然属于低端产品。
前道光科机是国家核心竞争力的重要组成部分。中国在21世纪初曾经制定了16个国家科技重大专项方向，由国家直接投资或者引导社会资本集中突破。其中有三个项目属于保密军工领域，不公开，我们只能看到13个民用项目。比如说载人航天和探月工程合起来算是第13项，国产大飞机是第11项，被国内伪科学阻碍了进度的转基因生物育种是第8项。
这13个民用项目，第1项和第2项都是电子工业，其中01专项是核心电子器件、高端通用芯片以及基础软件产品，而02专项是极大规模集成电路制造装备和成套工艺。完全可以说02专项是01专项成功的前提。
02专项的任务分解的各个单位，上海微电子集团负责开发核心设备光刻机，之前他和国家商定的目标是2021年要搞定28纳米的光刻机。虽然这距离世界顶尖技术还有一定差距，但是也只有十年差距，如果能搞定，大多数中低端芯片都可以在国内造。
现在是2021年的11月，上海微电子的光刻机还没有好消息，倒是上半年评审会传出来的消息不太乐观。从各方面的消息来看，今年搞定28纳米光刻机的目标已经失败了，上海微电子没有通过02专项的国家验收。
芯片做出来需要被使用并反馈信息，这样才能持续下去
这些年，国家重点项目基本上都成功了，28纳米光刻机没有能按时完成，主要原因是什么呢？
宏观原因是我们设定02专项的时候，低估了光刻机的开发难度，投入不太够。从具体的开发流程来看，28纳米开发出问题，主要原因是研发企业和制造企业之间缺乏联动，在技术细节上缺乏反馈。
90纳米和28纳米的光刻机光源都是193纳米，但从运行模式来看，这是颠覆性的升级。28纳米光刻机技术和国际先进水平差十年，但是国内的精密机械和光学镜片和国际顶尖水平差距不止十年。这意味着上海微电子的任务不只是造光客机，还要把必不可少的一些基础工业短板补起来，投资远远要超出单个项目。
在贸易战之前，国产的光刻机项目不太受重视，十年累计投入6亿，到现在整个上海微电子团队也只有1000多号人。而荷兰的ASML现在每年研发投入22亿欧元，雇员超过3万。从投入对比来看，尽管28纳米是别人十年之前的技术水平，但是要求上海微电子2021年搞定，也属于买彩票式的投资，中奖了是幸运，验收不合格才是合理的结果。
最近几年中国电子行业被美国上了一课，光刻机团队应该不缺钱了，下一步还有什么需要注意的呢？
这两年国产光刻机项目是不缺钱，但研发也并不是充钱就能升级的网游，无论整个社会的心态还是实际的开发过程，我们都必须抛弃速成的浮躁心态，从别国的成熟甚至落后技术开始，一步步积累。
最近几年自媒体喜欢用贸易战话题来刷流量，隔几天就能看到在网上“中国赢了”，“美国输了”，但是这种所谓大新闻一般来说都是抓住一两个字编出来的。比如说前两年中科院成都光电所的“超分辨光刻装备研制”项目通过了验收，这的确是国内“首台紫外超分辨光刻装备”，但是很多媒体立刻解读成我们能做22纳米以下的芯片了。中科院这个设备用的紫外光源不是激光，而是高压汞灯，设备本身也和芯片没有啥关系，是用来做纳米传感器件的。
这类新闻多了，具体的研发过程反而就没人在意了。
目前世界上最先进的EUV光刻机，初始光源波长193纳米。为了产生雕刻芯片的13.5纳米激光，要用喷嘴喷出头发丝 1/3直径的金属锡液滴，然后用激光照射在液滴上，激发出极紫外光。而为了极大限度发光，激光必须连续轰击一个液滴两次，第一次把液滴拍扁，增大表面积，第二次再打成等离子态发光，每秒钟喷嘴要喷出2.5万个夜滴，而激光要和夜滴互动5万次，才算完成了稳定发光的第一步。
为了得到纯净的光源，接下来需要11个特殊的反射镜聚焦光线，只要有一个镜面出问题，误差就会在后面的反射过程中连续放大。按比例算一下，如果做一遍从上海延伸到南京的镜子，我们日常见到的普通镜面会有很多五米高的凸起，太空望远镜级别的镜面会有两厘米高的凸起，而EUV光刻机的镜子高度偏差还是不到一毫米。
使用这么精密的光学系统制造芯片，每台机器包含3000根线缆，10万个零件，其中3万多个属于精密机械部件。每台EUV光刻机总重量超过180吨，要用四架波音747分成40个货柜才能运到工厂。
考虑到每个部件的加工和装配难度，EUV光刻机是一个类似于大飞机或者核潜艇的复杂机械。
ASML公司在荷兰，但是整个西方世界的先进技术都能用上。德国蔡司生产光学部件，美国Keysight生产计量设备，荷兰自己的VDL生产传送带。此外，ASML还在2013年收购了美国的光源供应商，2016年收购了台湾省的电子束检测供应商，这才能造出完整的光刻机。
国内现在立足于国产技术造光客机，上海微电子联合了国内几个高校和研究所的资源一起开发，能搞出90纳米的技术通过验收已经很不容易了，我们不能期待他们一下拿出5纳米的设备，甚至28纳米的目标，现在事实证明也定的太高了。
如果我们能让90纳米的光刻机有市场，拿到订单，不断得到生产企业的技术反馈和经济回报，再过上十几年时间，上海微电子或者其他国内企业也许能够走一遍ASML的老路，把28纳米或者五纳米的光刻机拿出来。但是如果连90纳米的光刻机都没有应用，直接砸一笔钱就要最新型的光刻机，那一万亿也搞不定。更何况上海微电子集团真没有拿到多少钱。
中国企业能造90纳米的光刻机，但制造企业不喜欢用，这是因为低端芯片市场已经很成熟了，利润薄，生产线经不起折腾，不愿意频繁停产去调试上海造的新设备，所以上海微电子集团要搞28纳米的光刻机，几乎等于重起炉灶，就算做出来，多半也不是芯片企业期待的成熟设备，还是要经过生产线的检验和反馈。这条从生产到使用再总结新技术细节的路，ASML公司自己也必须走。
ASML公司早就接受了英特尔、三星、台积电的注资，它从这些生产企业拿到的不仅仅是订单和现金，还有最先进生产线的动态技术反馈，所以每年22亿欧元的研发经费他知道往哪里花，所以隔几年就能拿出升级产品。
我们的国家既然被美国贸易战逼到悬崖上了，愿意给光刻机砸钱，就不能只给研发企业批经费、定时间表，还要给使用光刻机的制造企业提供补贴，让他们乐意花钱买国产的低端光刻机，也愿意反馈技术细节。同时，光刻机的上游产业，比如说机械行业、光学行业也应该有配合光刻机的任务节点，达到了就能额外拿钱。这样才可能有28纳米乃至于更精密的实用光刻机。
芯片爬坡过坎过程中不要老想着换道超车，重点防低水平乱投资
除了光刻机，其他芯片制造设备的国产化进程怎么样呢？
只能说应该有耐心，在集微半导体峰会上，工信部的杨旭东副司长说过一句话，芯片爬坡过坎过程中不要老想着换道超车。这说明主管单位的头脑还是很清醒的。
去年中国电子学会发表过一篇文章，系统介绍了目前我国集成电路产业技术情况。大多数我们能在媒体上看到的喜报和突破都集中在实验室，生产应用领域全面落后。预计要到2031年到2033年，国产光科机才能带着整个产业链开始推广，在这之前我们必须承认美国有足够的技术筹码来逼我们让步。
美国裹挟的西方技术体系至少还能压制中国十年，而我们的产学研综合体还没有成熟，到了2033年，我们跟他们的技术差距会不会进一步扩大呢？
大多数产业都是我们进步，别人也进步，但是电子行业有一些独特的有利条件。一般认为，集成电路精度提升的摩尔定律时代已经快结束了，美国和西方虽然领先，但是进一步拉大产业差距的空间有限，技术上不用担心落后到无法追赶的地步。
现在美国对中国搞贸易战，搞技术封锁，和80年代美国限制日本的半导体产业有点像。日本的电子工业从60年代就开始发力追赶美国，70年代知道美国ibm准备推出超大规模集成电路，集合了全国资源和美国打价格战，到了1986年，日本的存储器已经占据了65%的世界市场。因为担心日本的倾销，以英特尔为首的多家公司联合推动美国政府在1986年制定了美日半导体贸易协定。同时，美国大力扶持韩国和台湾省的半导体产业，削弱日本竞争力，而日本在遭受了美国贸易战打击的同时还在产业方向上判断失误，最后错过了pc时代，被韩国赶超。
和日本相比，我们的电子行业韧性相对要强一些，当年日本的集成电路产业高度依赖于外部市场，而中国有庞大的内需市场空间，贸易战对中国电子工业的升级不会有当年对日本的效果。
但是我们也有自己的缺点，除了前面说的产学研不配套之外，最大的问题其实就是地方政府乱投资。西部地区的集成电路产业往往是每个省都要搞一套，东部地区资金充裕，甚至是每个市都有自己的规划，制造了大量的低水平重复建设。
现在各地都在投三代半导体项目，但是大多数项目都是三代半导体中最容易最廉价的环节。甚至有的地方政府连二代和三代半导体的概念都搞不清楚，把有毒的二代半导体的项目当作三代引进，将来很有可能破坏环境。和这些恶性竞争才拿到的劣质项目相比，诈骗项目都不一定是最恶劣的结果，反正最后大多数乱投资的工厂也是亏钱。骗子盖几个厂房就跑路，起码不污染环境。这也许是半导体行业骗子多的一个原因。
总而言之，半导体行业是21世纪的基础产业，集中了全世界最多的聪明人，聪明人过剩的地方就不会有奇迹。中国要想做出头，只有靠耐心加努力。现在28纳米技术没有通过验收，02专项被光刻机卡住了，长期看来也不一定是坏事，最起码可以打击一下从政府到民间的浮躁气氛，让整个社会都能耐心的追赶十几年，然后再考虑技术上平起平坐的谈判。
好，感谢大家收看，353期睡前消息到此结束，我们周二再见。
