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解构芯片:中国在产业链各环节与国际距离究竟有多大?

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  “华为今天遇到的困难,不是依托全球化平台,在战略方向上压上重兵产生突破有什么错误,而是我们设计的先进芯片,国内的基础工业还造不出来,我们不可能又做产品,又去制造芯片。”10 月 27 日,华为内部网站 “心声社区” 刊发出华为创始人任正非于 9 月中旬的一段讲话。

  两天后的 10 月 29 日,英国《金融时报》透露,美国商务部表示,他们将允许更多的芯片公司向华为供货,前提是不用于华为的 5G 业务。

  芯片已经成为中国高技术产业的心头之痛。尽管数十年来中国在这个领域倾注了几辈人的努力,但最终依然面临被卡脖子的威胁。

  国人普遍关心的一个问题是:中国在芯片研究上究竟走到了怎样一个水平?本文从微观角度,为你解读芯片制造各环节与国际的差距。


  芯片设计之母:EDA 软件

  中国在这一方面与国际前沿差距最大。

  芯片设计环节中,EDA(Electronic Design Automation)软件是集成电路设计必需、也是最重要的软件工具。利用 EDA 工具,芯片的电路设计、性能分析、设计 IC 版图的整个过程都可以由计算机自动处理完成,当前在超大规模集成电路的设计过程中,EDA 工具不可或缺。如果没有 EDA 软件,面对今天数十亿上百亿的晶体管集成电路,光靠手工电路设计、绘图简直无法想象;没有 EDA 工具,再先进的芯片设计公司都将无法顺利设计出高端芯片。高通、英特尔、AMD、三星等芯片巨头都需要采购 EDA 软件和服务,华为当然也不例外。此次华为海思被断供就包括 EDA 工具,虽然华为购买了 EDA 的授权,但是最新的版本已经无法提供服务。

  做出先进 EDA 工具的难度极大,主要有以下两方面的原因。首先是技术方面,EDA 工具可以将复杂物理问题用数学模型高度精确化表述,在虚拟软件中重现芯片制造过程中的各种物理效应和问题;其次,利用数学工具解决多目标多约束的最优化问题,可以求得特定半导体工艺条件下,性能、功耗、面积、电气特性、成本等的最优解,最后验证模型一致性问题,确保芯片在多个设计环节的迭代中逻辑功能一致。

  EDA 工具不可以独立于半导体工业单独开发。芯片厂家想开发出性能优越的 EDA 工具,一方面自身要有好的算法,另一方面还需要和半导体制造工艺相结合,上下游经过不断磨合才能改良迭代到最佳状态。仅有很好的软件工程师,在算法方面有可能取得一定的技术突破;但 EDA 设计的后端工具要和先进工艺相结合,工程师不仅要懂软件,还要懂数学物理等基础科学,以及微电子工艺,没有自主研发的先进工艺,要做出先进优越的 EDA 就不可能。


  从商业角度来看,EDA 行业存在高度垄断,美国的 Synopsys、Cadence 以及 2016 年被德国西门子收购的明导国际(Mentor),垄断了全球 90% 的市场份额。这三家公司各自经过长期的产业链上下游磨合,已经形成了完整的生态体系。可以说全球几乎所有的芯片设计公司都是他们的客户。站在商业的角度,芯片公司如果是自己开发 EDA 自己用,建立一个封闭生态,需要花费大量的人力物力财力,在没有用户的情况下,商业意义会大打折扣。

  在 EDA 环节,2018 年中国现存 10 余家 EDA 公司的销售额累计仅有 3.5 亿元,占全球份额不足 1%,与世界先进水平的差距巨大。这一方面是因为国内 EDA 公司起步晚,本身不具备先进的算法;另一方面则是缺乏上下游协同整合的生态体系。国内华大九天是一家从事 EDA 工具开发的公司,被产业界寄予厚望;但与 Synopsys、Cadence、Mentor 相比,实力过于悬殊,国内芯片设计公司因此几乎 100% 采用国外的 EDA 工具。这样就造成恶性循环,短时间内看不到缩小和 Synopsys、Cadence、Mentor 技术差距的可能性。

  这一块要想赶上前沿水平,还需要国内产业上下游众多参与者的长期努力。当然,EDA 毕竟是软件产品,在被限制使用后,面临断头风险的公司也可以用盗版产品勉强生存,涉及到的法律问题不在本文探讨范围。

  IP 核技术:手机 IP 核处于空白状态

  IP 核(Intellectual Property Core)是指在芯片设计中可以重复使用的、具有自主知识产权功能的设计模块。设计公司无需对芯片每个细节进行设计,通过购买成熟可靠的 IP 方案,实现某个特定功能,这种类似搭积木的开发模式,可以大大减轻工程师的负担;调用 IP 核能避免重复劳动,缩短芯片的开发时间。

  提到 IP 核就不得不说下 ARM,该公司成立于 1990 年,总部位于英国剑桥。2016 年 7 月 18 日,ARM 公司被日本软银以 234 亿英镑的价格收购,目前,英伟达又向该公司抛出橄榄枝。ARM 公司通过出售芯片技术授权,建立起新型的微处理器设计、生产和销售商业模式。作为这种模式的发明者,ARM 公司将各种设计库虚拟化,然后授权给其它企业使用,产品交付的形式可以不再是具体的实物,而是一种数字化 IP 模块,其他企业也可以在这种架构上根据自身的需求继续自由开发。

  ARM 这种半定制化的模式对整个半导体行业产生了重大的影响,芯片从物理实体变成了软件定义,还能满足各个厂商的不同需求,因此很多芯片设计公司纷纷与 ARM 合作。

  目前全球主要 IP 核供应商主要包括 ARM、synopsys(美国,没错,就是上文的 EDA 公司)、Cadence(美国,同时提供 EDA)、Imagination Technologies(英国)、Lattice Semiconductor(美国)、CEVA(美国)、Rambus(美国)、Mentor Graphics(美国)、eMemory(中国台湾)和 Sonics(美国)。

  可以看到在 IP 核领域也是国外公司占主导地位,其中 ARM 公司更是垄断着全球手机处理器和平板电脑处理器市场,无论是苹果 A 系列芯片,还是高通骁龙芯片,华为麒麟芯片等,都需要用到 ARM 芯片 IP 核。中国集成电路设计公司进步较快也离不开 ARM 这种模式的支持,可以说,没有 ARM,中国整个数字 IC 产业不会有如此快的进步。

  IP 核方面,中国的芯原微电子在 2019 年占到了市场销售份额的 1.8%,全球排名第七,不过芯原微并不提供手机处理器的 IP 核,该公司主要是专业领域的半导体 IP 核供应商,应用范围包括智能穿戴设备、智能家居、汽车电子、数据中心,目前涵盖的产品包括 GPU、NPU、ISP、射频 IP 等。该公司目前在 A 股科创板上市,收入为 16 亿元,净利润还处于亏损状态,却有接近 500 亿元的市值,反映了国内市场对上游 IP 核环节的渴求和期望。

  中国芯片设计公司在手机处理器的 IP 核上处于空白状态,厂商自己从头开始投入研发,短期内不现实;现在可以做的是在已经授权的 IP 核上优化开发,例如华为海思采购的 IP 核就是在 ARM 公司授权的 v8 架构的基础上再进行芯片设计。如果华为海思自行设计 IP 核,首先面临专利问题;其次需要投入大量人力物力,试错率还不能太高;做出来的芯片是否有竞争力、能否和高通等同行竞争,都是要面对的问题。不过,在不考虑商业因素的极端情况下,此环节对芯片设计业有影响,但并不致命。

  芯片设计环节:中国占据了中低端

  这一块,中国的现状是中低端领先,高端差距大,但有望逐步赶上。

  在讨论设计之前,让我们先粗略了解一下半导体行业的模式。半导体公司按业务可以分为三类模式,一类是 IDM 模式,即芯片上游设计、中游制造、下游封装测试都由自己完成,代表公司有英特尔、德州仪器、三星等;另一类是轻资产的 fabless 模式,即只设计芯片,制造交给晶圆厂,代表公司有高通、博通、华为海思、联发科等;还有一类是 foundry,不设计只代工的重资产模式,代表公司有台积电、联电、中芯国际、格罗方德等。

  芯片按照晶体管栅级线宽的工艺类别又有亚微米及以上、128nm、64nm、32nm、28nm、14nm、7nm、5nm 等,这种按照摩尔定律演进的规律反映出纳米数越小,技术和工艺难度越大。

  先看看关注度最高的芯片设计环节。芯片设计是将系统、逻辑与性能的设计要求转化为具体的物理版图的过程,类似于建筑设计,是一个把产品从抽象过程一步步具体化、直至最终物理实现的过程。

  芯片设计产业的现状是欧美占据高端,中国占据了中低端。当前主要的芯片设计公司有美国的高通(通信芯片)、博通(通信芯片)、英伟达(GPU、AI 芯片)、AMD(CPU、GPU)、赛灵思(无线芯片、FPGA),中国台湾的联发科(通信芯片、消费电子芯片)、联咏科技和瑞昱,中国内地的海思(通信芯片、手机处理器、安防芯片、桌面 CPU 等)。

  从地区分布来看,2018 年美国在全球芯片设计领域拥有 68% 的市场占有率,居世界第一;中国台湾地区市场占有率约 16%,居全球第二;中国大陆则拥有 13% 的市场占有率,位居世界第三(不同统计模式数据略有出入)。

  传统上认为设计业是上游,技术含量最高,进入门槛也高,但从实际发展情况看,因为是轻资产的 Fabless 模式,主要以人才为主,和芯片制造业相比无需上百亿的巨额资金投入,凭借庞大的下游应用市场,近几年中国的芯片设计公司进步最快。

  高端方面,华为海思已经成为全球前十大的芯片设计公司。海思不仅在工艺上处于全球第一梯队,其最新款的麒麟 9000 手机 CPU 是世界上首个基于 5nm 工艺的 5G SoC,相对于近期刚发布的 iPhone 12 手机处理器 A14 加外挂高通基带实现 5G 已经处于领先地位,而且海思在手机应用的其它芯片也基本实现了自给自足。


  华为之所以在手机领域能成功,除了投入大量的人力物力以外,华为本身广泛的手机产品矩阵给芯片提供了用武之地,通过在自己的手机上进行应用和反复优化,逐渐迭代出如今的高性能手机芯片。

  中低端方面,中国芯片设计企业主要产品涵盖了射频芯片、触控芯片、闪存芯片、存储芯片、蓝牙芯片、显示芯片等多个种类,在部分领域已经处于全球领先状态,但还没有彻底解决中国 “无芯之痛” 的问题 —— 需要明确的是,国人常说的 “缺芯少魂” 的 “芯” 指的是高端的计算机通用芯片,主要是电脑主流 CPU。没错,就是英特尔几十年如一日耕耘的领域。

  谈到通用 CPU 芯片,这里再做个简单普及。CPU 有指令架构,分别是 CICS(复杂指令集)和 RISC(精简指令集)两类。CISC 就是以英特尔和 AMD 为代表的 X86 架构,而 RISC 则包括 ARM、MIPS 等架构。CISC 在并行处理方面具有明显优势,稳定性较好,RISC 在硬件层面制造工艺相对简单,产品功耗低。但从性能上看,CISC 和 RISC 却没有绝对的优劣之分。现实应用场景中,X86 架构主要用于台式机和服务器(可以插电,优先考虑并行运算能力,功耗次之),ARM 架构主要用于手机和其它便携式电子产品(不插电,优先考虑低功耗)。

  英特尔不外卖 X86 架构,凭借多年的积累,在台式机领域,英特尔联合微软形成了牢固的 Wintel 体系,全球数据中心绝大多数都是采用英特尔的 X86 架构服务器芯片,有了完整的生态体系。这种体系除有较高的技术门槛外,其多年形成的生态壁垒更是将新进入者挡在门外,其他 ARM 架构服务器芯片厂商要打破英特尔的垄断困难重重。也就是说,通过技术做出一款 CPU 并不难,难的是如何通过与成千上万款软件适配,以迭代出性能最好的芯片生态体系。

  华为海思基于 ARM 架构在桌面通用 CPU 也做了布局,并且研发出拥有 7nm 工艺的桌面和服务器 CPU 鲲鹏。由于起步晚,加上 Wintel 联盟坚不可摧,没有广泛的下游应用,芯片无法迭代优化,在性能上与英特尔、AMD 的最新 CPU 相比有很大差距,业内人士初步估算是 5 年。

  有人也许会问,鲲鹏的 CPU 不是可以做到 7nm 了吗,为何还落后于英特尔这么多?回答这个问题比较复杂,简单理解就是芯片是一项系统工程,除工艺以外,还有芯片架构、微结构,指令集等众多因素影响,其中很多都是多年积累的原创成果,所以先进的工艺并不代表先进的性能,例如英特尔用 0.13 微米工艺能做出 2GHz,而我们要用 45nm 才能实现,这就是差距。在桌面 CPU 领域,中国还有龙芯(MIPS 架构)和飞腾(ARM 架构在桌面端生态欠缺),但在生态的构建上还有很大差距,也就是说做出来芯片后,用的人不多,进而芯片性能无法优化提升,性能不提升导致用的人更少,生态体系更残缺,这样就会陷入恶性循环,久而久之失去竞争力而消逝于市场。

  尽管高端芯片方面有差距,但相比 EDA 和 IP 核,芯片设计方面的现状要好很多,因为中国有巨大的应用场景,只要给这些企业应用机会,解决从能用再到好用,在 EDA 和 IP 核有保障的情况下,高端芯片设计赶上国际先进水平只是时间问题。

  芯片制造环节:高端缺失

  芯片制造是集技术、工艺、资金为一体的产业,在整个过程中扮演最重要的角色,是目前中国被美国禁令卡得最难受的环节,也是中国目前和世界领先技术水平差距最大的环节。美国胁迫台积电断供华为海思,起到了 “绝杀” 的作用,致使华为未来面临无芯可用的危机。

  芯片制造是上下游最协同的产业。上游是芯片的原材料硅片制造厂商,中游是芯片设计公司,下游就是基于上游生产的硅片,将中游的芯片设计实现出来的晶圆加工厂商。整个过程需要在硅片上反复循环数百至数千道前道工艺,包括氧化、掩膜、光刻、清洗、刻蚀、离子注入、薄膜沉积等,在硅片的表面构建数亿乃至几十亿的晶体管结构。

  芯片制造过程中包括众多原材料和设备,其中最重要的材料当属高纯度大硅片,最重要的设备则是高精度光刻机。

  生产高纯度大硅片技术难度很大,需要从沙子中冶炼出纯度高达 99.99999999999% 的硅片,冶炼过程对洁净度要求极高,任何一个原子级杂质污染都会导致电学性能的变化,通俗描述,就是在北京城这么大的空间中不能有芝麻大的颗粒杂质。

  大硅片也是高度垄断竞争的行业,全球前五大厂商市场占有率达到 93%,包括日本信越半导体(份额 28%)、日本胜高科技(24%)、中国台湾环球晶圆(16%)、德国 Silitronic(14%)、韩国 LG(10%)。目前中国 12 英寸大硅片的国产化率低,半导体大硅片的供应缺口较大。为了满足持续增长的半导体大硅片需求,国内各厂商积极布局大硅片生产。

  在这方面,中国与世界先进水平差距较大,但有成品替代性。其它辅助材料主要包括光刻胶、掩膜版、靶材、封装基板等,这些材料国内仍是瓶颈,不过很多材料也在陆续突破中。

  半导体制造设备方面,主要有清洗、外延、氧化、镀膜、光刻、溅射、离子注入、刻蚀等设备。其中光刻机是芯片制造中最核心的机器,整个光刻过程也是芯片生产过程中耗时最长、成本最高、最关键的一步。

  光刻机被誉为半导体产业 “皇冠上的明珠”,制造难度极大,它不仅是复杂的系统工程,也是工程师智慧和经验的结晶。目前最顶尖的 ASML 的 7nm 精度 EUV 光刻机整体有 13 个子系统,数十万个零部件组成,核心部件如德国蔡司的镜头,美国的光源系统,瑞典和日本的轴承,几乎都是全球最顶尖的技术产品,组装后重量将近 200 吨。生产这种光刻机的难度在于如何将如此多的零部件按照需求校准到 2nm 以下的精度,EUV 光学透镜、反射镜系统的精度以皮米计(万亿分之一米)。ASML 的总裁曾介绍,如果把反射镜面积同比扩大到德国国土那么大,最高的凸起也不能超过 1 公分。

  光刻机供应商主要有三家公司,分别是荷兰的 ASML、日本的尼康和佳能,但能生产 7 纳米精度的光刻机只有 ASML。日本的尼康和佳能过度拘泥所有零件的内制化,唯一外购的光源在与自己的镜头匹配时,也优先考虑突出镜头的性能,与外界协作没有积累新的设计思路。这就导致了他们无法建立起设计通用性光刻机的平台,2002 年后被 ASML 反超,此后佳能和尼康的光刻机大都卖给了精度要求不高的国内半导体公司,ASML 也拿下了光刻机 75% 以上的市场份额,高端光刻机则一家独占。

  半导体是一个最讲究国际产业上下游协作的行业,没有国际协作,就算美国也很难生产出最先进的芯片。但是因为 2011 年的瓦森纳协定将中国列为禁运国,当时的全球半导体前 15 大设备供应商均不能对中国出售先进设备,导致半导体工业的全面落后,进而衍生出后面无奈的自力更生境况。

  如今,中国的半导体设备产业也取得快速发展,上海微电子、北方华创、中微半导体、盛美、中国电科、中科院等在相应的领域都有相应的产品推出,部分设备已经进入全球先进水平。

  半导体制造业是人力技术资金密集型行业,随着晶圆尺寸的增加,投资一条生产线已经增加到上百亿美金,一般的公司已经很难再进入并对龙头企业造成威胁。从产量看,台积电处于绝对领先优势,市占率超过 50%;中芯国际市占率不足 5%。

  从工艺水平看,台积电在 2014 年就量产了 16nm,2017 年量产了 7nm,目前 5nm 接近量产;英特尔、三星在 2014 年就量产了 14nm;由于技术限制和专利因素,中芯国际 2019 年量产 14nm 工艺,落后台积电、三星、格罗方德五年。

  真正意义上的现代中国半导体制造业始于上世纪 90 年代的 908 工程,彼时中国第一次对微电子产业制定国家规划,并成立无锡华晶,直到 7 年后,华晶 6 英寸线才投产,但已远远落后于世界先进水平。1995 年,江泽民参观了韩国三星集成电路生产线后,他用了 “触目惊心” 四个字来形容差距,要求不惜代价也要将半导体产业搞上去。

  经过 20 年的努力和追赶,中国半导体产能(包括外资在中国投入的产能)已经位居全球第一,本土企业也发展迅速,这也是国外担心的地方,因为中国企业的模仿和追赶能力太强了,再加上政府支持,大有赶超之势。中国芯片制造业虽然仍落后于台积电和三星,但随着中芯国际 14nm 工艺的量产,加上其它本土晶圆厂,目前已经可以生产满足大部分行业中低端应用的产品。事实上,只有手机和电脑 CPU、存储器芯片才需要最先进的线宽工艺,其它应用领域的芯片则无需过度强调线宽的先进性。例如,模拟电路很多还停留在亚微米级别,就是因为应用过程中的需求与数字电路不同。


  2019 年中芯国际已经突破 14nm 工艺量产,成为中国最先进的晶圆厂,这引起了美国的担忧,也导致继华为后成为被制裁的对象。

  2019 年的数据显示,中国大陆地区的芯片制造业已经成为全球第一,对应着中国是全球半导体设备和材料采购量最大的地区。对中国的 “卡脖子” 举动会导致欧美设备供应商付出 “饿肚子” 的代价,当然站在西方国家科技战略的角度来看,饿肚子的代价显然小于卡脖子。

  芯片生产的最后一环是封装测试。半导体封测领域技术含量相对较低,因为中国贴近下游整机市场,承接了大量产能转移,不仅在规模上,在技术上也不输于先进水平。这方面国内形势是高中低端全面发展,处于全球先进行列。

  芯片产业是全球化最彻底的产业,也是全球最高级别的创新协作体系。目前,世界上没有一个国家可以独立完成最先进的芯片。即便是美国,生产 7 纳米及以下工艺的芯片,也需要购买荷兰 ASML 最先进的光刻机,也需要去台积电做代工。正因如此,对于整上还处在落后位置的中国来说,更要警惕闭门造车的狭隘想法,而必须要融入国际体系。

  -End-

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