吳濛濤 武文一 鄭佳依 劉暢

近期，海思麒麟980芯片正式發(fā)布。它采用臺積電的7 nm制程工藝，集成了69億的晶體管，其性能和能效一舉超越了高通旗艦驍龍845。海思麒麟 980上搭載了國內(nèi)AI芯片廠商寒武紀的雙核NPU，引領(lǐng)國產(chǎn)芯片突破了高端芯片的難題，性能表現(xiàn)與創(chuàng)新之處得到了業(yè)界的高度評價，開創(chuàng)了國產(chǎn)芯片的新紀元。

然而，中興通信遭芯片禁售事件的教訓與啟示對國人影響深刻。2018年中國與美國發(fā)生了貿(mào)易摩擦，中興通訊被美國商務部開出了14億美元的巨額罰單，并發(fā)出了長達7年的“禁售令”。作為通信行業(yè)的巨頭，遭受如此巨大的打擊，確實讓國人深深感到了切膚之痛。從中興通訊制造的基站來看，電路板上除了一些數(shù)字基帶芯片能夠自產(chǎn)外，通信鏈路上RF（射頻）芯片、PLL（鎖相環(huán)）芯片、ADC（多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器）芯片和 DAC（數(shù)模轉(zhuǎn)換器）芯片都來自ACIA、Oclaro與高通等美國的頂級芯片供應商。初步統(tǒng)計，一臺完整的中興通訊基站至少有 20%～30%關(guān)鍵元器件都要從美國進口。而一臺基站中只要有1顆芯片被禁運，整臺基站就無法成功運行，也就會導致這臺基站無法供應顧客，從而只能支付高額的毀約費。美國當局卡住了芯片的供應，也就意味著牢牢地卡住了中興通訊的命門，使企業(yè)生產(chǎn)難以為繼，從而導致行業(yè)巨頭的坍塌。

“禁售令”的出現(xiàn)，使大家深刻了解到我國芯片行業(yè)的弱點所在。沒有掌握核心技術(shù)，關(guān)鍵零部件依賴國外，就可能被別人卡住命門。從中國海關(guān)總署提供的數(shù)據(jù)來看，到 2017年我國在芯片方面的進口額，已經(jīng)連續(xù)五5年超過2000億美元。其實早在 2005年，我國自主研發(fā)的“龍芯2號”CPU已經(jīng)問世。但龍芯的問世，只是讓中國告別了無“中國芯”的時代，并不意味著所有芯片都能夠自主生產(chǎn)。至今為止，我國的部分芯片，依舊需要進口，仍告別不了“缺芯”的時代。

1 “中國芯”面臨的主要問題

在電腦端中央處理器上我國有龍芯的成功，但在手機高端中央處理器領(lǐng)域仍存在差距。既沒有自主研發(fā)的指令集，也沒有能夠適配主流手機操作系統(tǒng)的自研處理器架構(gòu)。即便像“華為”這類在國產(chǎn)芯片領(lǐng)域已有不錯作為的科技巨頭對此也無能為力。以海思麒麟980為例，一枚指甲蓋大小的手機端中央處理器，除了基帶、NPU等是我國科技公司自主研發(fā)的以外，其他例如指令集、CPU等重要部分都需要通過國外廠商的授權(quán)。而國外如高通、蘋果和三星等科技巨頭，在設計手機CPU的過程中，都需要經(jīng)過ARM公司的授權(quán)，才能進行下一步的生產(chǎn)制造。

對于自主架構(gòu)而言，在設計出來后，需要考慮的問題很多。首先是自主架構(gòu)的功耗和性能是否能達到預期；其次，能否能適配主流的手機操作系統(tǒng)，或者能夠適用于我國擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的操作系統(tǒng)，是否搭建起了完整的應用生態(tài)；最后，在推向市場時，是否因為市場迭代太快，剛完成所有的設計還未流片時，就已經(jīng)落后了國際廠商一大截。而這些問題，給工程師們增加了許多無形的壓力。

在芯片制程工藝上，也是一座難以逾越的“大山”。目前國內(nèi)芯片制程工藝發(fā)展進度最快的芯片代工企業(yè)——中芯國際，也僅僅在第一代14 nm的FinFET技術(shù)開發(fā)上獲得重大進展，像有一些制程工藝及其小的芯片，目前仍然還未有突破性的進展，部分加工設備仍然需要進口；而同時間像三星、臺積電等公司都已經(jīng)推出了10 nm的FinFET制程工藝，都進入量產(chǎn)階段，臺積電已經(jīng)量產(chǎn)了7 nm的制程工藝，三星也已經(jīng)推出了8 nm的LPP FinFET的制程工藝，目前臺積電的5 nm制程工藝已經(jīng)開始研發(fā)。由于芯片制程工藝的研發(fā)必須保持階梯式發(fā)展，有一個循序漸進的過程，中國芯片企業(yè)要從28 nm的制程工藝一下跳到目前量產(chǎn)的10 nm的制程工藝是具有很大難度的。因此，中國芯片代工企業(yè)現(xiàn)在只能在國內(nèi)芯片市場上提供低端產(chǎn)品，而像處理器、存儲器以及高端的模擬芯片、功率芯片等核心元器件都由外資企業(yè)把控。在集成電路的毛利率方面，中國集成電路設計公司普遍都在30%以下，而歐美競爭對手都在 45%以上，500多家集成電路設計公司收入僅是美國高通公司的60%～70%。

在芯片設計、制程工藝方面我國與世界頂尖技術(shù)有差距，尤其是芯片制造差距更大。高水平的芯片制造依賴的是先進的制造設備，而中國目前在先進制造工藝方面與國際先進水平有著25年的技術(shù)差距，而且半導體核心設備供應商都集中在美國、日本與荷蘭等國手中，尤其是芯片制造最重要的設備光刻機超80%是由荷蘭 ASML所供應，其他例如高頻射頻元器件、高端光刻膠、化合物半導體等在芯片制造上起關(guān)鍵作用的設備也都完全依賴進口。在參與芯片制造的生產(chǎn)線構(gòu)成中，目前我國能國產(chǎn)化的設備只占其中的12%，而且?guī)缀跞侵械投嗽O備。

目前，中國是全球最大的芯片消費市場，僅去年的銷售額就達到了5411.3億元，但是，在整個芯片市場占比中，僅有10%左右的芯片為中國企業(yè)生產(chǎn)，換句話說，外國的芯片產(chǎn)品占據(jù)了國內(nèi)芯片市場90%左右的份額，國外科技巨頭在中國市場上贏取了巨大的利潤。據(jù)賽迪研究院數(shù)據(jù)統(tǒng)計，在2017年世界前20半導體企業(yè)中，美國企業(yè)占了13家，在中國市場銷售額合計是667億美元，其中，高通、博通、美光有一半以上的市場銷售額是在中國實現(xiàn)的，而作為中國本土最大的芯片制造商，華為海思的營收還不到英特爾和三星的10%。

2 追趕過程與未來展望

事實上，我國的本土公司一直在不斷地追趕國外芯片領(lǐng)域?qū)儆谛袠I(yè)巨頭公司的腳步?！爸袊叨诵酒?lián)盟”的成立，包括了像華為、中興通訊、紫光集團、中芯國際在內(nèi)的27家國內(nèi)芯片龍頭企業(yè)，他們是國產(chǎn)芯片追趕世界先進水平的主要力量。過去19年全球芯片專利數(shù)量增長了6倍，而中國芯片專利量則增長了23倍，以芯片專利申請數(shù)量而論，我國已躍居世界第一大國，并且連續(xù)6年蟬聯(lián)全球第1。

2018年 8月，中芯國際成功從ASML訂購一臺EUV光刻機，預計2019年春出貨。作為7 nm制程工藝的主力，EUV光刻機的成功訂購也意味著我國在制程工藝的追趕上，又邁出了重要的一步。然而，無法改變的事實是仍然需要進口光刻機來進行生產(chǎn)。

一臺ASML EUV光刻機，其售價約為1.2億美元，而每臺光刻機的零件就達到了5萬多個，且1年的產(chǎn)量僅為12臺。對于我國而言，發(fā)展自主光刻機也是重中之重。基于自身核心技術(shù)的短缺，在芯片設計領(lǐng)域國內(nèi)企業(yè)可以與海外的芯片公司進行合資或者通過專利授權(quán)的技術(shù)路線來維系自己的產(chǎn)品生產(chǎn)與加工。而對于光刻機而言，作為受《瓦森納協(xié)定》的限制的對象，我國在技術(shù)壟斷的情況下，科學家們?nèi)匀辉谔剿髦胁粩嗲斑M。目前，我國華中科技大學的甘棕松教授已經(jīng)在世界范圍內(nèi)實現(xiàn)了單線9 nm線寬的超分辨光刻，追趕上荷蘭 ASML公司也只是時間長短的問題。

對于國產(chǎn)芯片來說，未來仍是一條艱苦卓絕的發(fā)展之路，增大頂尖芯片領(lǐng)域人才的儲備也愈發(fā)重要。我國的高校應大力培養(yǎng)芯片領(lǐng)域所需的交叉學科的人才，從海外引進優(yōu)秀的人才，與企業(yè)合作，將企業(yè)的電子工程師經(jīng)過培訓轉(zhuǎn)軌為集成電路設計工程師，建立全國統(tǒng)一的以集成電路設計、制造為核心的學習實踐平臺，對全國高校開放，允許相關(guān)專業(yè)的學生申請使用這個平臺上的資源，多方面加快人才培養(yǎng)的速度，提高人才培養(yǎng)的質(zhì)量，來加快光刻機等關(guān)鍵制造設備的技術(shù)開發(fā)，提高超精密制造設備所用元器件的精度，逐步提升我國在芯片設計制造領(lǐng)域的實力，盡快擺脫對國外公司頂尖技術(shù)與尖端制造設備的依賴。如此，才能夠?qū)崿F(xiàn)芯片真正的國產(chǎn)化，而不會在芯片從設計到變?yōu)閷嵨锏恼麄€過程中受制于人。