世纪浪人:EUV光刻机、EDA软件,中国芯片制造的短板在哪?

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华为海思芯片广告宣传图(来源:百度百科)

  【前言】一只木桶能盛多少水,并不取决于最长的那块木板,而是取决于最短的那块木板。也可称为短板效应。任何一个组织,可能面临的一个共同问题,即构成组织的各个部分往往是优劣不齐的,而劣势部分往往决定整个组织的水平 。 因此,整个社会与我们每个人都应思考一下自己的“短板”,并尽早补足它。这就是管理学中著名的木桶效应。

  从去年中美贸易大战开始,就有很多国家、媒体、机构和群体唱衰中国,尤其是当美国将华为、中芯国际、海康威视等一些中国高科技公司列入实体清单后,各种负面言论更是甚嚣尘上。然而,在经历新冠疫情后,中国经济反而成为全球经济恢复和发展的“火车头”,高效、迅猛、快速,无论用什么褒义词汇描述中国经济的发展都不为过。

  本文着重说说关于中国芯片制造的那些事儿。

  一、芯片究竟是什么

  1.芯片概念

  芯片,又称微电路(microcircuit)、微芯片(microchip)、集成电路(英语:integrated circuit, IC)。是指内含集成电路的硅片,体积很小,常常是计算机或其他电子设备的一部分。

华为海思麒麟芯片(来源:百度百科)

  集成电路在电子学中是一种把电路(主要包括半导体设备,也包括被动组件等)小型化的方式,并通常制造在半导体晶圆表面上。前述将电路制造在半导体芯片表面上的集成电路又称薄膜(thin-film)集成电路。另有一种厚膜(thick-film)混成集成电路(hybrid integrated circuit)是由独立半导体设备和被动组件,集成到衬底或线路板所构成的小型化电路。本文是关于单片(monolithic)集成电路,即薄膜集成电路。

  晶体管发明并大量生产之后,各式固态半导体组件如二极管、晶体管等大量使用,取代了真空管在电路中的功能与角色。到了20世纪中后期半导体制造技术进步,使得集成电路成为可能。相对于手工组装电路使用个别的分立电子组件,集成电路可以把很大数量的微晶体管集成到一个小芯片,是一个巨大的进步。集成电路的规模生产能力,可靠性,电路设计的模块化方法确保了快速采用标准化IC 代替了设计使用离散晶体管。

  IC 对于离散晶体管有两个主要优势:成本和性能。成本低是由于芯片把所有的组件通过照相平版技术,作为一个单位印刷,而不是在一个时间只制作一个晶体管。性能高是由于组件快速开关,消耗更低能量,因为组件很小且彼此靠近。2006年,芯片面积从几平方毫米到350 mm?,每mm?可以达到一百万个晶体管。

  第一个集成电路雏形是由杰克·基尔比于1958年完成的,其中包括一个双极性晶体管,三个电阻和一个电容器。

   2.应用领域

  最先进的集成电路是微处理器或多核处理器的“核心(cores)”,可以控制电脑到手机到数字微波炉的一切。存储器和ASIC是其他集成电路家族的例子,对于现代信息社会非常重要。虽然设计开发一个复杂集成电路的成本非常高,但是当分散到通常以百万计的产品上,每个IC的成本最小化。IC的性能很高,因为小尺寸带来短路径,使得低功率逻辑电路可以在快速开关速度应用。军用芯片更是在国防装备上得到普遍应用,如全数字化轮式步兵战车、激光制导导弹控制芯片、超视距雷达系统集成芯片等。

  这些年来,IC 持续向更小的外型尺寸发展,使得每个芯片可以封装更多的电路。这样增加了每单位面积容量,可以降低成本和增加功能-见摩尔定律,集成电路中的晶体管数量,每两年增加一倍。总之,随着外形尺寸缩小,几乎所有的指标改善了-单位成本和开关功率消耗下降,速度提高。但是,集成纳米级别设备的IC不是没有问题,主要是泄漏电流(leakage current)。因此,对于最终用户的速度和功率消耗增加非常明显,制造商面临使用更好几何学的尖锐挑战。这个过程和在未来几年所期望的进步,在半导体国际技术路线图(ITRS)中有很好的描述。

  越来越多的电路以集成芯片的方式出现在设计师手里,使电子电路的开发趋向于小型化、高速化。越来越多的应用已经由复杂的模拟电路转化为简单的数字逻辑集成电路。

   ⑴计算机芯片

  如果把中央处理器CPU比喻为整个电脑系统的心脏,那么主板上的芯片组就是整个身体的躯干。对于主板而言,芯片组几乎决定了这块主板的功能,进而影响到整个电脑系统性能的发挥,芯片组是主板的灵魂。

intel和AMD公司CPU(来源:百度百科)

  芯片组(Chipset)是主板的核心组成部分,按照在主板上的排列位置的不同,通常分为北桥芯片和南桥芯片。北桥芯片提供对CPU的类型和主频、内存的类型和最大容量、ISA/PCI/AGP插槽、ECC纠错等支持。南桥芯片则提供对KBC(键盘控制器)、RTC(实时时钟控制器)、USB(通用串行总线)、Ultra DMA/33(66)EIDE数据传输方式和ACPI(高级能源管理)等的支持。其中北桥芯片起着主导性的作用,也称为主桥(Host Bridge)。

  ⑵生物芯片

  与PCR技术一样,芯片技术已经开展和将要开展的应用领域非常的广泛。生物芯片的第一个应用领域是检测基因表达。但是将生物分子有序地放在芯片上检测生化标本的策略是具有广泛的应用领域,除了基因表达分析外,杂交为基础的分析已用于基因突变的检测、多态性分析、基因作图、进化研究和其它方面的应用,微阵列分析还可用于检测蛋白质与核酸、小分子物质及与其它蛋白质的结合,但这些领域的应用仍待发展。对基因组DNA进行杂交分析可以检测DNA编码区和非编码区单个碱基改变、缺失和插入,DNA杂交分析还可用于对DNA进行定量,这对检测基因拷贝数和染色体的倍性是很重要的。

  ⑶人脑芯片

  几十年来,科学家一直“训练”电脑,使其能够像人脑一样思考。这种挑战考验着科学的极限。IBM公司的研究人员18日表示,在将电脑与人脑结合在一起的研究道路上,他们取得了一项重大进展。

  这家美国科技公司研制出两个芯片原型,与此前的PC和超级计算机采用的芯片相比,这些芯片处理数据的方式与人脑处理信息的方式更为接近。这两个芯片是一项为期6年的项目取得的一项具有里程碑意义的重大成就。共有100名研究人员参与这一项目,美国政府的国防高级研究计划局(DARPA)提供了4100万美元资金。IBM的投资数额并未对外公布。

  日前,由瑞士、德国和美国的科学家组成的研究小组首次成功研发出一种新奇的微芯片,能够实时模拟人类大脑处理信息的过程。这项新成果将有助于科学家们制造出能同周围环境实时交互的认知系统,为神经网络计算机和高智能机器人的研制提供强有力的技术支撑。

  以前的类似研究都局限于在传统计算机上研制神经网络模型或在超级计算机上模拟复杂的神经网络,而新研究的思路是:研发在大小、处理速度和能耗方面都可与真实大脑相媲美的电路。研究小组成员基尔克莫·因迪韦里表示:“我们的目标是直接在微芯片上模拟生物神经元和突触的属性。”

  做到这一点面临的主要挑战,是配置由人造神经元组成的网络,让其能执行特定的任务。研究小组现在已经成功地攻克了这一“碉堡”,他们研发出一种被称为“神经形态芯片”(neuromorphic chips)的装置,能够实时执行复杂的感觉运动任务,并借助这一装置,演示了一个需要短期记忆力和依赖语境的决策能力的任务,这是认知测试所必须的典型特征。

  由于神经形态芯片可以实时处理输入的信息并作出回应,有关专家认为这项技术将有望走向实用化,从而允许机器人在复杂环境中,在不受人类远程遥控的情况下实现自动作业。

  欧盟、美国和瑞士目前正在紧锣密鼓地研制模拟大脑处理信息的神经网络计算机,希望通过模拟生物神经元复制人工智能系统。这种新型计算机的“大脑芯片”迥异于传统计算机的“大脑芯片”。它能运用类似人脑的神经计算法,低能耗和容错性强是其最大优点,较之传统数字计算机,它的智能性会更强,在认知学习、自动组织、对模糊信息的综合处理等方面也将前进一大步。

  不过也有人表示了担忧:装上这种芯片的机器人将来是否会在智能上超越人类,甚至会对人类造成威胁?

  3.制造流程

  芯片(半导体)产业从上游到下游到底在做些什么。先来看一下关联图:

来源:半导体行业观察

  半导体产业最上游是IC设计公司与硅晶圆制造公司,IC设公司计依客户的需求设计出电路图,硅晶圆制造公司则以多晶硅为原料制造出硅晶圆。中游的IC制造公司主要的任务就是把IC设计公司设计好的电路图移植到硅晶圆制造公司制造好的晶圆上。完成后的晶圆再送往下游的IC封测厂实施封装与测试,即大功告成!

  (1)硅晶圆制造

  半导体产业的最上游是硅晶圆制造。事实上,上游的硅晶圆产业又是由三个子产业形成的,依序为硅的初步纯化 → 多晶硅的制造 → 硅晶圆制造。

  a硅的初步纯化

  将石英砂(SiO2)转化成冶金级硅(硅纯度98%以上)。

  b多晶硅的制造

  将冶金级硅制成多晶硅。这里的多晶硅可分成两种:高纯度(99.999999999%,11N)与低纯度(99.99999%,7N)两种。高纯度是用来制做IC等精密电路IC,俗称半导体等级多晶硅;低纯度则是用来制做太阳能电池的,俗称太阳能等级多晶硅。

  c硅晶圆制造

  将多晶硅制成硅晶圆。硅晶圆又可分成单晶硅晶圆与多晶硅晶圆两种。一般来说,IC制造用的硅晶圆都是单晶硅晶圆,而太阳能电池制造用的硅晶圆则是单晶硅晶圆与多晶硅晶圆皆有。一般来说,单晶硅的效率会较多晶硅高,当然成本也较高。

   (2)IC设计

  前面提到硅晶圆制造,投入的是石英砂,产出的是硅晶圆。IC设计完成后,产出则是电路图,最后制成光罩送往IC制造公司,设计就告一段落了!

  不过,要让理工科以外的人了解IC设计并不是件容易的事(就像要让念理工的人了解复杂的衍生性金融商品一样),作者必需要经过多次外出取材才有办法办到。这里先大概是一下观念,请大家发挥一下你们强大的想象力!

  简单来讲,IC设计可分成几个步骤,依序为:规格制定 → 逻辑设计 → 电路布局 → 布局后模拟 → 光罩制作。

  a规格制定

  品牌厂或白牌厂(没有品牌的品牌厂)的工程师和IC设计工程师接触,并开出他们需要的IC的规格给IC设计工程师。讨论好规格后,工程师们就开始工作了!

  b逻辑设计

  所谓的“逻辑”设计图,就是指它是由简单的逻辑元件构成,而不是由半导体种类电路元件 (如二极体、电晶体等)所构成。什么是逻辑元件呢?像是AND Gate(顾名思义,两个输入都是1的话,输出才是1,否则输出就是0),OR Gate(两个输入只要有一个输入是1,输出就是1)等。逻辑元件会在IC设计单元再和大家做进一步的介绍。

  c电路布局

  d布局后模拟

  e光罩制作

  (3) IC制造

  IC制造的流程较复杂,但其实IC制造就只做一件事而已:把光罩上的电路图转移到晶圆上。它的过程其实和传统相片的制造过程非常类似。你如果上网google一下“IC制造”,会看到很多火星文的资料,保证你看不懂那些流程到底代表什么意思。

  IC制造的步骤是这样子的:薄膜→光阻→显影→蚀刻→光阻去除,然后不断的循环数十次。我们来看一下示意图:

来源:半导体行业观察

  a薄膜

  镀上金属(实际上不一定是金属)。

  b光阻

  在晶圆上涂上一层光阻(感光层)。

  c显影

  用强光透过“光罩”后照在晶圆上。这样的话,除了“电路”该出现的部分,其余光阻的部分是不是都照到光了?

  d蚀刻

  把没有光阻覆盖的薄膜冲蚀。

  e光阻去除

  把上面的光阻去除,留下的薄膜部分就是电路图了,简单吗?当然,实际的过程没那么简单。实际的情形是光罩是由好几十层构成的,而每层需要的材质也不一样。也就是说,薄膜那一层需用不同的材质。譬如说,SiO2。(部分素材来源于大学教材和半导体行业研究文献)

  (4)IC封测

  IC制造厂商完成的IC大致如下图:

晶圆完成品(来源:百度百科)

  这一片片的晶圆完成品就被送往IC封测厂,实行IC的封装与测试。

  a封装

  封装的流程大致如下:切割→黏贴→焊接→模封。

  b切割

  第一步就是把IC制造公司送来的一片片晶圆切割成一颗颗长方形。

  c黏贴

  把IC黏贴到PCB上。

  d焊接

  顾名思义,把IC的小接脚焊接到PCB上,这样才和大PCB(如主机板)相容。

  e模封

  就是把接脚模封起来。最近很火的题材-BT树脂,就是用在这里。

  二、我国芯片产业现状

  1.面临的问题

  中国是全球最大的芯片进口国,年均进口中高端芯片总值超过2000亿美元,芯片消费市场超过万亿美元,是全球芯片企业最重要的销售市场。长期以来,我国装备制造业和消费电子业采用的中高端芯片主要依赖进口,利润集中在上游,产成品附加值低,即便在某些领域已经开发出中低端的芯片产品,但受供给能力的制约, 仍然无法创造更高的价值回报。

  如今,越来越多新兴产业与技术的层出不穷,使得芯片需求与要求不断走高,伴随着芯片发展再度成为风口,各国对于芯片产业也是愈发重视与关注。今年以来,在激烈的行业竞争之下,全球芯片产业发展便迎来了巨变。一方面行业并购潮的升温,使得行业洗牌持续加速;另一方面美国对我国的进一步打压,也使得全球产业链遭受重创。

  相比两方面的变化,无疑后者对于我国芯片产业发展来说影响更大。毕竟目前,我国对于芯片进口需求巨大,每年差不多有近3000亿美元芯片需要从国外获取。与此同时,国内各大芯片厂商的发展也离不开国外企业的助力合作。在此背景下,美国通过多次打压切断我国芯片供应链,制约国内企业芯片生存与发展,显然带来的破坏巨大。

  当前,包括中兴、华为、中芯国际等在内,芯片领域主要的本土企业基本都已经遭受到美国方面严厉制裁,形势可以说不容乐观。短期来看,华为、中芯国际等借助前期大量囤积的储备芯片,还能暂时坚持一段时间。但长期来看,芯片供应链的切断、芯片原材料的断绝、芯片合作伙伴的失去,都将给企业们的业务发展和生存带来严峻考验。

  而从现有国际形势来看,美国等对于我国芯片的打压不是三分钟热度,很可能持续非常长的一段时间,基于此,要想摆脱或破解现有不利局面,只能求助于自身。只有发挥出南泥湾精神,实现芯片的自主研发、国产替代,才能满足我国整个相关产业发展的自力更生,才能实现本国工业制造发展的不受制于人。当然,这些具体实现并不容易。

  困难的主要原因,是我国芯片一直以来的基础比较薄弱,不管是人才、原材料、关键技术还是资金方面,都与国外存在明显差距。不过,我们自己也不必过分妄自菲薄,相比国外来说,我国也存在一定的优势,那就是强大的政府、广阔的市场以及巨大的人口基数……这些共同为我国解决芯片长期以来的发展问题提供了关键助力。

  2.关键短板

  去年5月,华为被纳入制裁清单后,中国芯片制造的短板让所有人警醒,大家都呼吁国产光刻机,可有谁意识到,在这份清单中,华为还被终止与美国的EDA软件厂商的合作。

  EDA软件是什么?这是一种工业软件,安装在电脑上,用来设计芯片的。几十年前,制造工艺没有今天发达,芯片里面集成的晶体管数量不多,可以在纸质的图纸上画出来。后来,随着工艺的进步,指甲盖大小的芯片里集成了几十亿个晶体管,不可能用图纸详细绘制,技术人员开始把图纸挪到电脑上,在软件上设计芯片,可以缩小放大,看清楚芯片内部结构,还可以模拟现实场景,检查设计是否有错误。华为与美国厂商终止合作后,无法再获取软件更新服务,只能使用老版的EDA软件设计芯片。

  除了EDA,工业软件还包括CAD、CAE等。CAD是用来画图的,把你想要的零部件,在电脑上画出来。CAE则是用来仿真的,在软件里,输入参数,直接对设计好的零部件进行受力分析,看看它承受多大的力,什么样的情况下才会破裂。如果虚拟环境中通过测试,就可以在工厂里生产了。没有这些工业软件,按照传统的方式,需要在实验室里反复做试验,才能得到结果,既耗钱又耗时间。

  中国虽然有很多互联网公司,能够设计出微信、抖音这样世界级App,但在工业软件领域,非常落后。比如说,设计芯片的EDA软件,Synopsys、Cadence、Mentor三家美国背景的巨头占据了中国95%的市场,剩下的5%,国内厂商还要与国外其他公司竞争。

  为什么工业软件这么难?它和一般的IT软件不一样,像我们平时使用的淘宝、QQ等,只需实现数据交换、通讯等功能,不需要程序员了解其他学科的知识。开发者不仅懂代码,还要了解工业制造。行业内工程师将自己多年的实践经验,总结成算法,融合到软件里,日积月累,更新换代。而这样的平台,往往只有大的制造企业才能掌握,哪怕苹果、亚马逊产品酷炫、市值过万亿,也难在工业软件上有所作为。单从代码行数来看,世界上最大的软件公司,不是微软,也不是谷歌,而是全球最大的军火商,洛克希德·马丁公司。

  在工业软件领域,美国拥有绝对的霸主地位,这样实力也是美国国防部扶持起来的。上世纪50年代,美国为了防备苏联人的远程轰炸机,决定建造SAGE防空系统,通过各地的雷达站,检测敌人飞机动向,再将数据回传到空军总部。麻省理工学院林肯实验室负责方案设计,IBM公司负责软件开发。那时候,既没有C语言,也没有C++,SAGE系统只能用最基础的汇编语言编写,虽然代码只有50多万行,但它是那个年代最大的应用软件。整个项目经费达到120亿美元,放在今天至少1000亿,只有政府牵头,才能推进,普通企业没有这样的财政基础。

  SAGE系统有一个重要的功能,在电脑上绘图。这是麻省理工学院开发的技术,IBM在项目合作中学习到了该技术,并在1964年推出了第一代绘图产品IBM2250,这是CAD软件的原型。80年代的时候,CAD的价格非常高,一般的企业根本用不起,只有洛克希德·马丁、通用电气、波音几家军火商才有钱购买,因为他们有国防部的资金支持,军工企业为CAD软件最初的发展,输了一波血。之后,随着制造业向高端迈进,以往在图纸上的工作,被软件替代,不管是汽车制造商,还是家电公司,都需要工业软件的支持。这些被国防军工孵化、养大的软件厂商们,开始走上市场化道路,向各类硬件制造商提供服务,摆脱了对政府的依赖。

  近几年,国产工业软件也在不断发力,但是核心模块仍然受制于人,基本上是在别人的地基上,搭建自己的产品。常见的工业软件产品中,很少有一家公司编写所有的代码。这就像生产汽车一样,没有哪家公司所有的零件都自己生产,肯定要向外采购。但是要注意的是,核心的部件,肯定要自己造。比如说,波音公司研制787型飞机时,使用了8000多种软件,只有不到1000种是市场上的商业软件,其他的都是波音自己研发的,并且不对外销售。

  国内很多企业和研究机构,使用国外的工业软件,存在安全隐患。今年6月,哈工大,哈工程被禁止使用Matlab,这是一款常用的商业数学软件,由美国公司开发,在学术研究领域处于垄断地位,全球有6000多所大学,1万家企业在使用。哈工大、哈工程因为参与军方项目,被禁止使用该软件。这多少会影响到老师和学生,因为论文中的很多数据图片,都需要用Matlab绘制。

  更加需要警惕的是,国内很多重大工程项目,都有采用国外的软件,像西气东输工程、南水北调工程,采购的都是国外的产品系统。国产的“华龙一号”三代核电技术,已经是世界一流,但业内人士透露:“如果德国西门子现在对中国民用核工业领域禁用NX软件,将是一场灾难,整个产业将受到巨大影响,甚至无法正常运转”。同样在航空航天领域,中国的歼10、歼16、歼20 、运20、飞豹战斗轰炸机、长征五号火箭,都需要依赖法国达索公司开发的软件。可是在2011 年,达索公司的软件被曝存在计算机后门,这可能意味着客户设计的产品参数信息会被泄露。

  实际上,国产工业软件起步并不晚,1976年,国内企业从IBM引进了当时最先进的MRPII软件,并带回说明书,里面详细的记载了该软件的基本原理和算法,这是中国工业软件的起步。一批国内的研究机构和企业,在国家政策的支持下,研发国产工业软件。90年代的时候,中国公司的产品一度占据国内市场25%的份额。当时,国产工业软件与国外产品相比并不差,国外产品引进有汉化和适应中国国情的问题,有些方面国产工业软件的优势还比较明显。

  可是好景不长,国内企业各自为战,恶性竞争,相互压价,这和今天互联网公司为了争取客户,不要命的烧钱是一样的。国产CAD软件价格从一万多元,掉到了不足五千,有人干脆以500元一套的白菜价抛售。偏偏这时候,国外企业也强势入侵,这些外国公司营销手段丰富,国内企业根本不是对手。他们最厉害的有两点:一是,向大学和科研机构免费捐赠软件,培养学生和教授的使用习惯,就像今天习惯使用苹果手机的人,不会去买安卓手机一样。美国公司精通此道,去年5月,在哈工大的校园里,Matlab公司还搞了一场大学推广活动,把大学生召集起来,现场免费讲解软件怎么使用,还发放小礼品,诚意十足。二是,除了花心思推销,外国公司还放任盗版软件占领中国市场,防止国产软件做大,这和当年微软的套路是一样的,盗版的Windows操作系统,在国内泛滥,可微软睁一眼闭一眼,这样做是为了挤压国产操作系统的生存空间,大家都用盗版的Windows系统,没人用国产的。

  3.对策

  在强有力的政府主导下,近期我国已经出台了多项芯片支持政策,同时也释放出众多企业红利。例如在今年9月,国务院便印发了《新时期促进集成电路产业和软件产业高质量发展的若干政策》,其中在强调集成电路产业和软件产业重要性的同时,也对产业链上的企业推出税收红利,据了解,满足要求的企业最高可免税十年。

  而除了政策支持以外,我国政府也在加大对芯片发展关键性因素的突破:

  其中在资金方面,国家已经先后成立集成电路产业投资大基金,并在一期已经大量投资半导体材料公司的基础上,今年二期更是加大投资规模,仅上半年金额就超过了2000亿元。与此同时,国家还积极引导社会资本对企业们的支持,鼓励企业们通过融资合作等形式吸取资金,并在税收层面给予企业们重大利好。

  在人才方面,作为整个芯片产业发展的基石,今年以来我国也是加大了对芯片人才的重视和培养,在支持引进国外先进人才的同时,更注重源头上解决人才匮乏与质量不高问题。据报道,近日我国更是在南京成立了国内第一所专门培养芯片人才的高校——南京集成电路大学,这为芯片行业人才问题的解决带来福音。

  在尖端技术方面,国家在强调加强芯片技术研发、企业技术交流合作的同时,也是派出了“科研国家队”。据中国青年报报道,日前中科院已经正式入场,为国内芯片尖端技术突破加油助力。中科院院长白春礼表示,未来将把光刻机等芯片尖端技术的突破列入科研任务,以推动中国芯片行业的国产化。

  除此以外,在芯片材料方面,我国发改委、科技部、工信部、财政部四部门也在积极发力。9月份,四部门联合印发了加速新材料技术突破的意见书,以加速在芯片领域的光刻胶、大尺寸硅片、电子封装材料等新材料领域的技术突破。这些实际行动为我国芯片材料的国产化突破打下坚实基础。

  总而言之,虽然我国芯片产业发展当前面临挑战,但我国也正在积极给出应对,相信用不了多久,肯定能看到效果。

  三、如何突破短板

  1.疯狂的EUV光刻机

  在芯片领域,有一样叫光刻机的设备,不是印钞机,但却比印钞机还金贵。

  历数全球,也只有荷兰一家叫做阿斯麦(ASML.US)的公司集全球高端制造业之大成,一年时间造的出二十台高端设备,台积电(TSM.US)与三星(SSNGY.US)每年为此抢破了头,中芯国际(20.05,?0.25,?1.26%)(00981)足足等了三年,也没能将中国的首台EUV光刻机迎娶进门。

  关于售价,ASML总裁兼首席执行官Peter Wennink10月14日介绍公司三季度业绩情况时间接给出了答案。他表示,“我们第三季度的新增订单达到29亿欧元,其中5.95亿欧元来自4台EUV设备。”简单换算一下,一台EUV光刻机的售价为1.48亿欧元,折合人民币高达11.74亿元。

荷兰产阿斯麦EUV光刻机(来源:百度百科)

  这是什么概念?2019年,A股还有1462家上市公司的营业收入低于11.74亿元。换句话说,ASML每年卖一台EUV光刻机,收入就可完胜A股的1/3公司。

  售价这么高,ASML根本不愁买家,公司愁的是产能跟不上需求。

  ASML的EUV光刻机是目前全球唯一可以满足22nm以下制程芯片生产的设备,其中10nm及以下的芯片制造,EUV光刻机必不可缺。

  ASML的EUV光刻机在2016年正式上市,主要供应给英特尔、台积电和三星这三家大客户。其EUV光刻机出货量一直在增加,从2016年的5台上升到2019年的26台。

  日前,业内领先的半导体设备供应商ASML(ASML.US)发布了公司2020年第三季度的财报。财报显示,净销售额(net sales)金额为40 亿欧元,净利润金额(net income)为11 亿欧元,毛利率(gross margin)达到47.5%。从订单上看,公司在第三季度新增订单(net booking)金额为29 亿欧元。

  2.国产光刻机

  研究半导体行业的人士都知道,国产光刻机的发展史比全球最先进的光刻机厂商ASML还要早20余年,然而国产光刻机和全球顶尖光刻机还有很大的差距。在半导体漫长的发展史中,光刻机始终是最耀眼的明珠,从某种程度上来说,它代表了人类科技发展的顶级水平之一,没有光刻机就生产不了芯片,光刻机是芯片制造中必不可少的非常精密的设备。

  近两年美国对华为的限制一步步升级,美国发布公告全面限制华为购买采用美国软件和技术生产的半导体,包括那些处于美国以外,被列为美国商务管制清单中的生产设备,要为华为和海思生产代工前,都需要获得美国的许可证。

  众所周知,华为的芯片设计能力处于世界前列,但是却没有生产芯片的能力,国产光刻机由于发展缓慢,还有荷兰光刻机被美国限制出售给中芯国际,从而国产芯片制造业被美国掐住了脖子。

  国产光刻机发展史可以说是很漫长了,在70年代国产光刻机的研究上取得了很大的进步,据相关资料记载,当时中国半导体产业虽然没有超越当时世界最先水平,但是也没有太大的差距,但是到了80年代,一大批企业纷纷开始采取“造不如买”的政策,盲目对外开放,没有了顶层设计,中国光刻机发展可以说是最缓慢的年代,渐渐的和世界先进光刻机拉开了较大的距离。

  目前国产生产光刻机的厂家有上海微电子装备、合肥芯硕半导体、京先腾光电科技、无锡影速半导体科技等。然而其中规模最大、技术最先进的就是上海微电子装备有限公司了,可以生产90nm工艺技术的光刻机。

  面对美国对国产光刻机技术的长期封锁,国内依然生产出了90nm高端光刻机,这意味着国内半导体产业又向前跨出了关键的一大步,国内现在正在攻克14nm光刻机技术,相信在不久的将来国产光刻机能够达到世界顶级水平。

  值得注意的是,此前中国的光刻技术一直被限制在90nm的瓶颈里,与世界主流的芯片制造商所能生产的芯片完全不是一个量级的,不过此次22nm级芯片技术和光刻技术所获得的突破,正在使得我们的“中国芯”强势崛起。这与目前阿斯麦光刻机4nm工艺生产技术比还相差较大距离。台积电正在向3nm制程工艺挺进。

  3.国产工业设计软件

  ⑴国内背景

  90年代末,面对国外产品强势入侵,国内CAD企业,曾经搞过联盟,一致对外,可最终因为各家产品相似,利益交叉,联盟根本没有约束力,无法拧成一股绳。外国公司的中国代理商还批评这样的做法是“闭关守旧”。中国公司为了生存,纷纷放弃自主研发,选择给外国公司做代理,或者在国外的软件平台上,做二次开发,用别人的模块,搭建产品。而且,国内的采购人员,对国产CAD软件存在天然的鄙视,先入为主的认为国外的东西好。如果公司买了国产软件,设计人员碰到困难,就会把责任推到采购人员身上,指责软件质量差,如果买的是国外的产品,就没人敢抱怨软件不行。奇怪的是,海外用户鄙视程度最低,会尝试使用中国的CAD软件。

  国内一直存在重视硬件、轻视软件的风气,中国加入WTO后,引进了很多高端设备,但这样的采购,往往伴随着捆绑服务,硬件、软件必须一起买,这也导致国产工业软件的路越走越窄。2013年,有关部门直接就终止了对自主研发的支持。

  从美国成功的经验,中国失败的教训看,要想摆脱对外国工业软件的依赖,国家政策的支持肯定少不了。但是,还有重要的一点,就是知识产权的转换机制。新中国成立70年来,从一穷二白成长为全球第一制造大国,这期间,积累了大量工艺流程经验、关键技术参数,这些东西散落在各个企业,停留在技术人员的大脑中,随着企业的变迁、人员的流动而不断耗散和流失,没能总结成算法代码保留下来。国内很多好的产品,因为产权问题,只能在家里趴窝,没有真正地在市场上用起来,工程师几十年的心血就这样浪费了。航空623所主导的HAJIF有限元分析软件,早在1985年,就获得了国家科技进步一等奖,但该软件缺乏商业化环境,用户少得可伶,勉强维持生存。

  ⑵国际局势

  反观美国,知识产权无缝切换。这是一个简单而又严谨的流程,军方最早完成工业软件模块的开发,交给像波音这样的军火公司完善,将几十年的工程经验,总结成代码,添加到软件里。之后,垂直领域的仿真软件公司,从波音手中收购,将软件平台升级为Windows版本,在市场上推销。从军方到制造业巨头,再到独立软件公司,产权转换轻松自如。

  德国西门子,在工业软件研发方面,与美国相比,算是后来者,尤其是在EDA软件领域。但如今,却可以和美国公司平起平坐,为什么?西门子的办法是买买买,直接出价45亿美元,收购了半导体软件设计公司Mentor ,该公司前面已经提到过,是全球三大EDA软件厂商之一,也是一家美国企业。

德国西门子工业设计素材(来源:百度百科)

  ⑶人才缺乏

  中国电子信息产业发展研究院编制的《中国集成电路产业人才白皮书(2019—2020年版)》显示,中国半导体产业2019年就业人数在51.2万人左右,同比增长11%,半导体全行业平均薪酬同比提升4.75%。到2022年,中国集成电路专业人才缺口将近25万,而且存在结构性失衡问题。

  ⑷如何应对弱势

  中国企业是否可以学习西门子的套路,通过并购提升工业软件研发能力?答案是不能,西门子之所以能够全资收购美国公司,是因为美德同处于一个阵营,技术水平不相上下。而且,西门子的股东非常分散,55%股本来自海外,早就和美国、欧洲其他国家形成了“你中有我,我中有你”的利益格局。

  中国企业虽然有足够的资金并购外国企业,但是,已经有无数的事实告诉我们,国外的高技术企业,对我们是大门紧闭。2015年,紫光集团本来打算出资37亿美元,收购美国公司西部数据,该公司在机械硬盘、固态硬盘市场拥有较大的份额。可是,收购计划宣布没过多久,美国政府就介入调查,收购计划被迫中止。所以,要想突破高端产业,中国公司走收购的路线,很难。

  技术的竞争,本质上是钱的竞争,人才的竞争。2000年到2015年间,国家对三维CAD、CAE等核心工业软件研发的投入不足2亿人民币。而全球最大的CAE仿真软件公司Ansys,2016年在研发的投入3.5亿美元,大约20亿人民币。也就是说,在工业软件投资上,国外一家公司一年的研发投入,相当于国内三个五年计划投资总数的10倍。我国约有1500人的EDA软件开发工程师,但在本土EDA公司和研究单位工作的工程师只有300人左右,其他大部分都是在三大巨头工作,而且放大到全球,仅Synopsys一家公司就有5000多个EDA研发人员,差距明显。

  开发国产工业软件,还得两条腿走路,在坚持自主创新的基础上,也不否定与国外合作,但前提是我们需要掌握 技术。美国的技术打压,从某些方面来说,可能还是利好消息。华为过去在采购国产软、硬件产品时,往往会安排一个专家组,只要专家组当中有一人意见保留,生意就很大可能谈不成。美国商务部将华为纳入“实体清单”以后,华为就开始主动培育本土供应链,并且与本土工业软件企业深度融合。

  四、如何破局

  随着中美贸易摩擦的升级,无论是从市场接受程度还是从未来的发展来说,都将对我国集成电路产业的发展带来或多或少的负面影响。要知道,核心技术受制于人是我国集成电路产业大而不强的症结所在。对此,中国半导体行业协会副理事长于燮康指出,从产业现状来看,我国集成电路产业仍处于中低端水平,可靠性和品质与国外相比还有很大差距,需要从设备材料、芯片设计、制造及封测等环节全面突围。但是对于正在寻求进口替代的中国集成电路产业来说,或许将成为最大的推动力。

  众所周知,集成电路产业是全球化分工,国际化发展的。因不确定因素增加和各方面限制,对于政府及民间投资和利用外资“双轮驱动”的中国集成电路产业,今后的前进之路也会多一些崎岖。也影响到中外技术的充分交流与合作,技术创新一定程度上会受到影响。我国的一些外向型半导体企业将受到境外订单减少的不确定性影响,导致出口下降;进而代工企业的产线有放空的影响。在产业链无法完全补齐的情况下,生产工艺用的关键装备、材料仍需国外供给,国产替代的逻辑在短期内很难完全实现。

  尽管未来发展的道路依然曲折,但长期来看,对于中国半导体业发展可能是一次极好的机遇,许多产业发展中的深层次矛盾会趁此次机会解决部分,甚至更多。由此我们对国产集成电路产业链的崛起依然充满信心。

  我国集成电路产业突围已在路上。在加速国产化基础上构建国内供应链,形成较完善的自我配套能力,将会成为重要议题并加大力度进行实施。可以大大地推进集成电路生产供应链的国产化进程,尤其是推进国内终端应用半导体集成电路的国产化水平,大大提升集成电路生产企业的自我创新能力与积极性,并逐步形成良性循环。

  支持国产EDA等关键工具软件的研制,加快集成电路基础平台的建设,促进集成电路人才的培养。逼迫国产EDA等关键工具软件加速进入大规模应用阶段。同样,集成电路产业的发展离不开基础平台和集成电路人才的需求,因此,政府应在集成电路基础平台的建设和人才培养上给予足够政策,进一步保障集成电路的设计开发。

  加大对集成电路重点领域和重点平台的投入和政策扶持。尤其应大力度加大对人才的政策扶持,近几年,我国集成电路产业在需求驱动下迎来了难得的发展机遇。在加大投资力度的同时,各地政府更应该聚焦关键技术及高端环节,集中力量实现我国集成电路产业实质性突破,避免跟风抢进与重复投资。

  在国家政策支持下,芯片投资力度加大,芯片创业公司如雨后春笋般涌现。但是,需要注意的是,芯片投资不宜过热,否则,将乱象丛生,如武汉弘芯半导体项目暴雷并引发行业震动,就是一个很好的例子。

  五、曙光乍现

  凄风淅沥飞严霜,苍鹰上击翻曙光。

  中国拥有全球数量最多的芯片设计公司,芯片设计水平也位列全球第二,仅次于美国。我们设计出了一批优秀产品,连续几年登上世界第一宝座的“神威·太湖之光”超级计算机用的CPU(中央处理器)芯片,就是典型代表。国产手机、电脑和服务器用的CPU芯片性能也基本上达到了国际先进水平。但还存在设计工具方面的“短板”。

  芯片设计需要依赖电子设计自动化工具(EDA),这一工具使设计者能用计算机进行一系列工作,最终完成芯片设计。目前,提供该软件服务的主要是3家美国公司。在芯片制造领域,包括制造工艺和制造装备,中国能力尚弱。芯片制造听上去像是传统制造,实际上其制造工艺和装备的精密、繁杂程度远超后者。其工艺包括光刻、刻蚀、离子注入、薄膜生长、抛光、金属化、扩散、氧化……与制造工艺相对应的,是200多种关键制造装备,包括光刻机、刻蚀机、清洗机、切割减薄设备、分选机等。每种装备的制造技术要求都很高,制造难度极大且造价十分高昂。

  中科院院士倪光南说:目前,在芯片制造领域,占有领军地位的企业大多来自美国、日本等国家,中国芯片制造厂80%的装备需要从国外进口。有了装备,还要开设生产线、制定经营计划。建厂需要2-3年,芯片制造技术不断迭代更新,如果新建成的生产线不能充分实现量产,之前的投入将面临重大风险。此外,芯片制造所需的材料,如光刻胶需全部进口。国内半导体材料产业与发达国家相比仍存在较大差距。

  到目前为止,虽然我们有华为海思、中芯国际等国际知名的芯片设计和芯片制造企业,但就整体而言,相较国际先进水平,我们可能需要一二十年才能追上。主导理念的偏差导致创新推进不够是现实原因。核心技术是买不来的。中国芯片行业的“短板”最终还是需要中国人自己奋斗追赶。

  中国很早就意识到了半导体产业的巨大潜力,投入资源建立了初级的半导体产业。以光刻机为例,中国1978年开发5微米制程半自动光刻机,此后,电子工业部45所、上海光机所、中科院光电所、上海微电子等单位持续推出多个版本的光刻机。与自身相比,中国芯片产业并未停滞,2019年生产集成电路2018.2亿个,40年来增长上万倍。

  据央视财经8月19日援引国务院发布的相关数据显示,中国芯片自给率要在2025年达到70%,而2019年我国芯片自给率仅为30%左右。

  除了国家政策和资本的支持之外,我国企业也开始加大对半导体的研发投入。中芯国际5月15日发布公告称,旗下14纳米及以下产能平台中芯南方将获得注资,注册资本由35亿美元增加至65亿美元;阿里通过收购两家芯片企业和投资五家芯片企业进军芯片领域……在各界的共同努力下,中国集成电路产业正迅速发展。

  复旦大学中国研究院院长张维为教授认为,中国与美国的芯片生产的确有一定差距,但并非所有领域。他指出,在国防安全领域里,中国使用的几乎都是国产芯片,例如北斗三号卫星导航系统、太湖之光超算计算机、歼-20高性能飞机、嫦娥四号的芯片和系统等。“相对而言,中国芯片弱在商业应用的芯片,例如手机芯片等。”张维为说。

  而现在,得益于中国广阔的市场和应用领域,中国商业芯片行业正展现出很强的发展动能和潜力。最为关键的是,在外部环境倒逼和内部技术提升的共同作用下,国产芯片加速试错、改造、提升,已经从“不可用”向“基本可用”、再到“好用”转变。

  过去,只有航空航天、超级计算机、高铁、卫星导航系统等使用“中国芯”;现在,手机、笔记本电脑、智能穿戴设备等,也已经部分使用国产芯片。

  实践证明,关键核心技术是买不来、讨不来的。只有把关键核心技术掌握在自己手中,才能从根本上保障国家经济安全、国防安全和其他安全。

  眼下,中国芯片产业正在进行一场没有硝烟的战争。这一仗的胜负,要放在十年乃至更长时间来评估。

  任何人不要低估中国科学家的能力和韧劲,任何人不要低估中国企业锐意进取的决心和能力。对于中国高科技企业来说,这毫无疑问是痛苦而艰难的时刻,但这或许也将成为华为,乃至整个中国芯片产业涅槃的开端。

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