芯片鐵幕下的迷夢

梁坤

美國已經擰熄了“燈塔”，我們進入“黑暗森林”。

2023年2月，《中國科學院院刊》刊載了兩位中國半導體領域頂級專家的文章，給出了如此非常罕見而措辭嚴厲的警示。專業(yè)的研判、真實的吶喊，直面當下芯片產業(yè)嚴峻的形勢，既是對一些激進的假想和盲目樂觀的正本清源，也是對產業(yè)泡沫的深刻反思。

中美產業(yè)鏈“脫鉤”以來，美國的“限芯”手段不斷升級，中國半導體行業(yè)面臨空前挑戰(zhàn)。尤其是近兩年，美國從設備、軟件和人員等維度，給中國半導體產業(yè)織下讓人透不過氣的網。

據美國媒體報道，今年1月27日，美國、荷蘭和日本達成非公開協(xié)議，約定嚴格限制向中國出口先進的芯片制造設備。荷蘭的阿斯麥、日本的尼康和佳能這全球光刻機三巨頭將陸續(xù)對中國斷供，這代表未來，大陸在未經許可的情況下無法得到7nm-45nm的光刻機。去年，美國也正式實施EDA（設計軟件）禁令，試圖讓中國無法自主設計芯片；另外，美國早就禁止美籍公民在中國從事芯片開發(fā)或制造工作。

如果說之前禁止對華出口先進芯片是給我們的一記悶棍，那當下的手段則是真正的“大招”，意圖處處圍堵，將我們鎖死在當前的制造水平，半導體鐵幕驟然降下。

這是一場謀劃已久的鉗制。

早在2021年3月1日，美國人工智能國家安全委員會在一份長達756頁的報告中稱，美國要想在半導體產業(yè)保持全球領先，就必須考慮與荷蘭和日本一起，限制中國的半導體產業(yè)，設法妨礙中國進口光刻機等尖端芯片生產設備。

近年來，套在中國半導體領域上的絞索一再收緊，試圖徹底打上“死結”，沒有騰挪的空間。中科院在文章中表示，國內的半導體企業(yè)落后國際先進水平兩代以上，主要在別人提供的PDK（工藝設計套件）基礎上做工藝優(yōu)化提高良品率，無暇圍繞下一代晶體管開展前沿基礎研究。

三朵烏云

半導體產業(yè)是個流程長、門類多、場景復雜的行業(yè)，上游包含半導體設備及零部件、半導體材料等支撐性產業(yè)，中游包括芯片設計、制造和封測三大環(huán)節(jié)，下游包含消費電子、通訊、人工智能等多種應用領域。王陽元院士曾言：“半導體產業(yè)鏈上游的任何一種材料、一種設備甚至一個配件都可能成為制約競爭者的手段。”

在美國的反復打壓下，我國的科研團隊和企業(yè)也在奮起直追，努力追趕黎明前的第一束光亮。“卡脖子”危機出現后，華為麒麟芯片面世，讓國產芯片在芯片設計上實現突圍，這時我們又發(fā)現，還得在代工領域實現工藝的突破；緊接著，中芯國際死磕代工廠的制程精度時，制造設備又一次受制于人，計劃中的產線隨時可能癱瘓。就這樣，我們又在EDA、關鍵零部件、原材料上發(fā)現一個又一個“卡脖子”的節(jié)點，它們像一條條裂谷，在前行之路上劃出深不可越的鴻溝。

這種產業(yè)拼圖式的創(chuàng)新，讓我們被一條條禁令帶入一個無休止的莫比烏斯循環(huán)中，逐步被困在原地。具體來看，我們受制于人的領域就像三朵烏云，盤旋在產業(yè)上方。

1.設計軟件

EDA是電子設計自動化（Electronic Design Automation）的縮寫，是芯片設計的核心軟件?？梢哉f，全球半導體物理和微電子領域的基礎研究成果都被整合在EDA工具的工藝設計套件（PDK）中。

這個過程可以用畫圖來比喻。以往芯片制程沒那么高時，我們可以用手一點點“畫”出晶體管和布線方式，可現在一個指甲蓋大小芯片容納了幾十億個晶體管，這種工程量用以往的方式根本無法實現。而EDA就是自動設計軟件，科研人員導入設計文件后，計算機可以自動完成邏輯編譯、化簡、分割、綜合、優(yōu)化、布局、布線和仿真，完成設計。

EDA是芯片產業(yè)絕對的生產力工具，軟件里面豐富的IP庫，讓極度復雜的布局工作變成“搭積木”，可以直接調用這些模塊化的功能，無需重復設計，讓芯片設計成為站在前人肩膀上的工作。此外，EDA的仿真能力，可以自主檢驗設計好的芯片，確保芯片在投產前沒有大漏洞，節(jié)省生產成本。

目前芯片設計端的EDA 軟件有三大巨頭，分別是Synopsys、Cadence和SiemensEDA，在全球EDA市場占85%以上份額。這意味著，美國一道禁令，我國大部分芯片設計工作就會停擺，無從發(fā)力。

2.生產設備

光刻機，顧名思義，就是以“光”為刀，在晶圓上雕刻復雜線路，精度已達到5nm。制作一枚芯片大概需要3 000道工序，芯片的良品率也必須在90%以上才能不虧損。于是，光的每一刀，命中率都要高于99.99%。

因此，光刻機是生產環(huán)節(jié)價值量和技術壁壘最高的部分。全球光刻機年銷量約為500臺，市場規(guī)模超1 000億元，主要被3家廠商瓜分，阿斯麥獨占高端市場，尼康致力追趕，佳能深耕低階市場。 其中，阿斯麥是目前世界上唯一能夠生產EUV的廠商，只有EUV光刻機才能用于生產制造7nm以下的高端芯片。

在目前的半導體設備領域，我國的短板仍是光刻機，國產化替代率僅為1.1%，且分辨率尚未達到制造高端芯片的要求。半導體行業(yè)符合木桶理論，真實水平取決于最短的那一塊的短板的能力。若沒有光刻機，中國目前的研發(fā)進展無疑將遭受一記重創(chuàng)，不僅目前規(guī)劃中的45nm及以下的芯片量產線無法繼續(xù)建設，配套的光刻膠等產品的研發(fā)也將嚴重滯后，無法協(xié)同完成突破。

3.尖端材料

半導體材料貫穿了半導體生產的整個流程，按照應用環(huán)節(jié)，半導體材料可以分為制造材料與封測材料。其中，晶圓制造材料主要包括硅片、特種氣體、掩膜版、光刻膠及配套材料、濕電子化學品、靶材、CMP 拋光液和拋光墊等；封裝材料主要包括封裝基板、引線框架、鍵合絲、包封材料、陶瓷基板、芯片粘接材料等。

由于技術壁壘高、生產難度大、驗證周期長等特點，大部分半導體材料都處于寡頭壟斷的局面。在半導體制造過程所需的19種核心材料中，日本就占到了14種，處于絕對領先地位。

我國半導體材料行業(yè)起步晚、發(fā)展慢，加之本土市場長期被國外巨頭牢牢占據，呈現“小而散”的格局。據國信證券的研報，2021年，我國半導體材料國產化率僅約10%，在品類豐富度和競爭力上處于劣勢。

趕超，需要長跑，背后是超長的耐心、極致的專注力，更是實驗室和車間里一次次實驗、觀察、記錄、改良。

泡沫、困局與出路

半導體領域的很多環(huán)節(jié)不是“有”與“沒有”的絕對值，它不像原子彈、氫彈，研發(fā)出來就大功告成。半導體是一個長長的產業(yè)鏈，產業(yè)創(chuàng)新是一項系統(tǒng)工程。這需要產業(yè)上下游匯聚各方智慧和力量共同推進。此外，半導體行業(yè)被“卡脖子”，影響的也不僅僅是芯片產業(yè)，它對新能源車、消費電子等行業(yè)都有巨大影響。

就在美、荷、日三方達成秘密協(xié)定后的不久，之前鬧得沸沸揚揚的武漢弘芯千億“芯騙”項目再度傳出新動態(tài)——遣散全體員工。潮水過后，曾紅極一時的造芯運動一地雞毛。

最新數據顯示，2022年，中國超過5 700家芯片公司消失，較2021年激增68%，平均每天吊銷、注銷的企業(yè)數量超過15家，成了中國芯片淘金熱退潮的真實寫照。

近幾年，中國數家代表性芯片企業(yè)快速崛起，但同時也引發(fā)了企業(yè)以造芯片為名義騙取政府補貼、獲取融資的現象，最終因資金鏈斷裂導致百億元級半導體項目爛尾的情況發(fā)生數起。2021年，就有成都格芯、南京德科碼、陜西坤同、貴州華芯通等數個計劃投資幾十億元到上百億元不等的半導體大項目先后停擺，造成了巨大損失。

由此可見，我國芯片產業(yè)的問題并不在于“缺錢”。有些企業(yè)核心隊伍尚未成型，就靠PPT路演、融資；也有些地方政府火急火燎地砸錢招商，浪費財政資源；更有企業(yè)愛追熱點，戰(zhàn)略不聚焦、基礎不牢靠，擔不起沖擊高端的職責。種種現象，讓行業(yè)浮起了一些“泡沫”。

芯片產業(yè)不能蒙眼狂奔?？簥^的芯片投資熱潮后，很多人都得以冷靜下來。我們不得不承認，盲目自嗨、自欺欺人無法改變現狀，只有認真溯源半導體產業(yè)鏈的關鍵環(huán)節(jié)，才能在看似無解的困局中探尋生路。

中科院指出，半導體物理是一切半導體技術的源頭?？墒牵斍熬w管已接近物理極限，“摩爾定律”即將失效，急需發(fā)展突破CMOS器件性能瓶頸的新材料、新結構、新理論、新器件和新電路，面臨眾多“沒有已知解決方案”的基本物理問題挑戰(zhàn)。

這種認知，一針見血，振聾發(fā)聵。

樂觀來看，當前的瓶頸，是“彎道超車”的另一個機遇。我們在半導體行業(yè)補短板固然重要，但只看短板，很難實現真正地、全方位地發(fā)展與趕超，必須加強基礎研究，才能另辟蹊徑，發(fā)展長板，真正實現創(chuàng)新。這是一場任重道遠的馬拉松，漫長、艱辛，閃著榮光。

當前的芯片困局，與當初“造不如買、買不如租”的思想有極大關聯(lián)。沒有基礎研究的支撐，對國際合作抱有過于樂觀的期待，讓我們錯失產業(yè)發(fā)展的最佳窗口。俗話說，“牽牛要牽牛鼻子”，現在，我們發(fā)現這個“牛鼻子”就是基礎研究，沒有基礎研究做堅實的支撐，芯片國產化的想法無異于空中樓閣。對此，任正非有著清醒而深刻的認知：“我們國家修橋、修路、修房子，已經習慣了‘砸錢就行的風格，但是芯片砸錢不行，得砸數學家、物理學家、化學家?！?/p>

美國在半導體領域的“霸權”，同樣建立在基礎科學領先世界的創(chuàng)新成果上。例如，世界物理學科前十名榜單中，美國獨占7席，世界數學和材料前十名榜單，美國也分別占有6席和5席。如今，美國依然在加強投資和引進人才，并引導國家實驗室轉向“后摩爾時代”的半導體創(chuàng)新。

如此來看，半導體的勝負手依然在基礎研究上。

這方面，日本為我們提供了一個不斷跟進、趕超直到領先的模板。1980年代，美國開始“絞殺”日本半導體產業(yè)，今天上演在華為身上的劇目，在那時就已經應用在日本身上。重壓之下，日本的半導體產業(yè)如自由落體般下墜，松下、東芝等日本引以為傲的企業(yè)中的半導體部門無奈被賣掉。

極端困境之下，日本深厚的基礎科學積淀成為困局之下的“壓艙石”。21世紀初，日本曾制定50年拿30個諾貝爾獎的計劃。20年過去了，日本已經摘得20枚諾獎獎牌，物理學和化學領域成果頗豐。

此外，日本一頭扎進半導體材料的“深海”，結硬寨，打呆仗，以10年為單位，在光刻膠、特殊氣體等領域不斷精進，成為高精尖材料領域的世界標桿。

做芯片最忌諱的就是浮躁。堅實的基礎研究，專注的發(fā)展態(tài)度，錯位的競爭策略，無疑是日本半導體產業(yè)給我們最有意義的啟發(fā)。要想縮短芯片國產化路徑，必須加強基礎研究，加大關鍵核心技術的研發(fā)投入，構建系統(tǒng)的科技創(chuàng)新體系，從底層構建技術產業(yè)生態(tài)。

直視現實、沉下心來、腳踏實地，放大現實的“分辨率”，才能更有力地激發(fā)想象力，在微小的“沙粒”中實現涅槃。