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重启2020芯片篇1:凛冬将至,芯片带来的“至暗时刻”远比想象的严峻

2020也已到尾声,回顾这一年的变化,感慨颇多。如果将时间倒退回2017年谁会想到“新冠”肺炎,谁又会想到我们会被一枚小小的“芯片”确实卡了脖子呢?现在在网上无论媒体还是各个社交平台,面对“芯片”都能发出一段群情激昂的演说,号召大家众志成城,以举国之力攻克难关。这样的演讲在前几天出租车里笔者也作为听众,听司机师傅重新灌输过一遍。
发布时间:2020-10-26 10:31        来源:赛迪网        作者:秦耳

寒秋已至,国庆长假似乎就是一个门槛,让我们来不及与暖夏道别。北京的气温也掉的如此之快,从短袖到长袖外衣围脖,仿佛是瞬间完成替换,让人感觉不到秋天的过渡。就如同这市场格局的变化一般,从两年前的中关村咖啡馆里的创业热潮,再到今天电视里“抗美援朝”的战争片、电视剧的播出,不禁让人感叹,市场社会变化之快,丝毫没有给我们一个转换情绪的时间。

2020也已到尾声,回顾这一年的变化,感慨颇多。如果将时间倒退回2017年谁会想到“新冠”肺炎,谁又会想到我们会被一枚小小的“芯片”确实卡了脖子呢?现在在网上无论媒体还是各个社交平台,面对“芯片”都能发出一段群情激昂的演说,号召大家众志成城,以举国之力攻克难关。这样的演讲在前几天出租车里笔者也作为听众,听司机师傅重新灌输过一遍。

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对于芯片这个话题,现在全国上下都是群情激奋、热度高涨。因为芯片对我们太重要了,作为重要的电子元器件,在业界它被称作“打开数字经济的钥匙”。但是,经历过工作生活的我们都应该明白,推动一项事情的发展,短期内可以依靠情绪推动事件快速发展,但长期来看情绪带来的效果往往趋于平庸或者会对事件的发展带来负面影响。很不幸!发展芯片就是一项长期事业,非十年、二十年的不懈努力才能完成。所以,面对当下无论投资还是国民激昂的情绪,都让笔者感到隐隐的有些不对劲。为什么这么说呢?

关于芯片的发展媒体和网络中都有很多文章,在这里秦同学就不再赘述一些芯片的运行和发展原理了,感兴趣的同学可以找文章来看。在这里,我就首先从芯片在我国的发展情况来来谈起。

军用不如民用?并不是所有芯片都被“卡脖子”

首先,从芯片在我国的发展情况来看。在这里必须要了解的是,并不是“所有”芯片都被卡脖子了。像一些电热水壶、电饭煲、玩具里的芯片,还有国防芯片,这些芯片对运算速度要求没那么高,所以大部分都是我国自给自足的没人去卡脖子。我们国家最大的芯片代工厂中芯国际,已经可以量产14纳米的芯片了,这些芯片可以应用在5G通信、高性能计算这些领域,也卡不住脖子。

真正被卡脖子的是那些“高端、顶级”芯片,像苹果手机里的A系列芯片、高通骁龙系列以及华为麒麟处理器。这些芯片既要求运算速度快,又得功耗低、功能全。还得大规模量产,就要求良率高,性能参数稳定等等,全得是世界第一流的水平,想要做出这些芯片太难了,我们现在做不了了,这才有了卡脖子的问题。笔者在第一次接触到这些信息也有些诧异,往常都说军事领域的产品性能要全方位高于民用领域,但是在芯片领域却是相反的,在我国民用可以用的芯片产品性能反而高于军事领域。

EDA和光刻机仅仅反映的是“冰山一角”

接下来,就谈谈我国芯片具体在哪些领域被卡了脖子。硅晶圆、封装和加工就暂且不提了,这些方面都应该有替代方案就暂且不提了。最主要被卡了脖子的就是EDA和光刻机。

1、陷入两难的EDA。我国著名思想家杜亚泉先生在其《动的文明与静的文明》写到:西方是动的文明,而中国是静的文明,中国人更擅长于静态事务研究。很不幸!EDA是动态的。EDA软件是作用在芯片设计阶段的工具,今天要在一个手指甲盖那么大的芯片上,布局上百亿个晶体管,还有错综复杂的连接线路,每一个步骤都需要有专门的软件来处理,这个软件就是EDA软件(电子设计自动化软件),可以将其类比于当前芯片设计师所用的Photoshop。

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虽然我国公司的共同努力下,芯片中单个器件能够准确模拟了,但是一颗芯片拥有几十亿个器件规模,考虑到规模效应可以替代EDA的可能性就大大下降,而且尤其是现在要设计7纳米、5纳米的高端芯片,必须要考虑量子效应了,EDA软件的算法就决定了芯片设计的优劣。如果没有一套高质量的EDA软件就不可能设计出高质量的芯片。

更加值得重要思考的是,EDA是典型的工业软件,要紧密联系生产线的实际参数,下游的生产线会不断为EDA软件提供生产参数供EDA迭代升级,所以EDA现在的发展越来越像一个生态的核心节点,它有点类似于安卓系统和苹果的IOS系统,本身在就在不断快速迭代过程之中。或许我们可以拼尽全力做出一个类似的EDA,但是没有下游生产线提供的参数,我们自己的EDA怎么迭代呢?回想下当年山寨手机是如何被智能手机踢出市场的经历吧,山寨手机的元器件并不差,但是它不会提供系统迭代,最后导致没有APP可以正常运行,所以最后退出了市场。

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(做EDA前,让我们想想我们为什么至今没有像Windows、IOS、安卓,这样的操作系统)

目前,世界三大EDA公司中的两家Cadence和Synopsys都是美国公司,而第三家Mentor Graphics虽然刚被德国西门子公司收购,但也有很深的美国背景,总部仍然在美国,这三家几乎垄断了整个EDA软件市场。而且,在芯片加工和封测环节,美国没有形成完全的垄断,但在每一个关键的工艺技术中都有美国的核心专利和资本力量。

跟大家说个小八卦,EDA这些厂商跟秦同学也有些小关系。在第一次中美贸易冲突后,我国对一部分从美国进口的产品加收关税,其中就包括了“EDA软件所需的部分实体元器件”,去年大概5月份左右国务院提出对一部分加征关税产品进行排除工作,我国一些芯片厂商便找到我所在单位总部,请求我们单位总部帮助向部里(工信部)申请,将“EDA的元器件”排除出关税名单,当时在领导要求下,这封替厂商说明的申请信,就是我写的。

 2、令人发愁的“光刻机”。说完EDA我们就谈下一个老大难的问题“光刻机”。一颗完整的芯片需要设计、制造、封装和测试。当使用EDA完成设计环节后,想要把设计的电路从版图转移到硅片上去,就要靠光刻。现在最先进的加工工艺,一共要用到80多块光刻掩膜版,将近4000个步骤才能完成,每一步都要求非常高的准确度和稳定性,才能保证最终的芯片质量和产量。

要完成顶级芯片制造,就一定要用到光刻机,就是现在大家都在讨论的对中国严格禁运的EUV光刻机,是用极紫外光来进行光刻的设备。目前,全世界现在只有荷兰的ASML能生产这种高端设备。

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由于极紫外光刻机是需要波长非常短的光,而且要求极紫外光的功率要足够大,这是大规模生产的必然要求。目前,ASML光刻机达到了光源13.5纳米,而且ASML通过和德国蔡司合作,将功率提升到250W,产量提高到每小时125片硅晶圆片。要知道,早期EUV光源功率只有80W,这个光源每小时只能生产60片硅晶圆片。

一台顶级的光刻机,不仅仅需要产品设计,更是包含了材料制造、仪器加工等等产业。回想一下,几年前我们在微博上热论的国产飞机“发动机”,再到“新冠疫情”期间紧急从国外进口的那“开机工作一天就要7万”的EMCO(体外膜肺氧合器),再想想刚发生1年多的“红芯浏览器”事件,不禁感慨我们要走的路真的很远,开始的情绪昂扬真的能支撑我们走到最后么?

大家可能回想,ASML不是荷兰公司么,它的产品美国又管不着。可是深入了解ASML的发展历史,会发现ASML得以成功的原因,是被准许加入了EUV联盟,才能获得了技术支持。

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ASML光刻机中最关键的大功率极紫外光源技术就是美国Cymer公司研发的。这个联盟由Intel、Motorola、AMD,还有美国能源部等众多美国巨头主导。ASML能够加入这个联盟的原因,也是因为纳了投名状,承诺从美国一定比例的零部件采购还有接受定期审查。除了技术上的支持,ASML的第一和第二大股东分别是资本国际集团和贝莱德集团,都是美国资本。看到这儿,大家应该明白为什么光刻机如此“令人发愁”了吧。

另外,网上还有很多网友会说,台积电是中国公司虽然是在台湾注册成立,那也不能在危难时期忘本,不给华为生产芯片啊?在这里秦同学想说,台积电在芯片制造业中的地位,相当于芯片制造中的“富士康”。首先,它的生产线少不了上面说的几家半导体设备公司的产品,加工技术也绕不开无数项美国专利;其次,它最大的股东是美国花旗托管台积电存托凭证专户,占股超过20%;最后,公司创始人张忠谋,早年间就职于美国德州仪器,成立台积电就是将德州仪器的芯片制造部分独立出来,独立运作,台积电和德州仪器之间的关系非同一般。

写到这,本期内容基本算是完成了。主要为大家讲解了我国在芯片领域面临的最主要两大难题,另外穿插了一些芯片制造的其他环节分析。在稿件截稿前,秦同学看到10月11号,《珠海特区报》发布了一篇报道,报道说,中芯国际FinFET N+1工艺的芯片,成功通过了流片测试。中芯国际联合CEO梁孟松在今年年初时透露说,通过N+1工艺生产出来的芯片,功率和稳定性接近现在市场上最主流的7nm芯片。它的突破点主要在于,FinFET芯片是一种鱼鳍形状的立体工艺,不需要光刻机。而在过去,中芯国际大部分的芯片结构都是平面工艺。我们可以理解为,这是中芯国际为了应对中美贸易不确定性所采取的策略。

但是,秦同学对FinFET N+1工艺的芯片的性能是否真接近7nm芯片性能表示怀疑。因为,主流芯片之所以采用平面工艺,很大程度的作用是保持良好的“散热”性,而此次FinFET N+1工艺的芯片的立体工艺,是否能保持在常温条件下的良好“散热”呢?比个例子,夏天住在平房里和待在写字楼里(不开空调),感觉到的温度差异,就是芯片间的差异。而且,芯片发展的趋势是“微小化”和“低功耗”,鱼鳍形状是否对散热有影响,我不知道,但一定会占据更大的空间,想想悉尼歌剧院和国家大剧院的设计,大家就会明白。

最后,文章就到这,最后秦同学想说,凛冬将至,喊口号永远救不了我们。下一期,我们将会继续探讨芯片,下一期话题“为什么举国体制会在‘芯片’上失灵了?!”,拜拜,下期见。(文/秦同学)

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