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国产芯片还有戏吗?这里有一张进击路线图

  即使面对美国的极限打压,国产芯片也必将崛起。随着业界实践如火如荼地展开,“中国芯”的成功逻辑已日益清晰。

  这种逻辑并不简单,因为芯片行业极为特殊,相比于其他行业,国产芯片面临的挑战极为艰巨。

  最终的胜利虽然已能看到路线图,但需要不短的时间,也要经历不同的阶段,需要极强的耐心与方向感。

  这一过程不会是痛快地全面出击,而是需要继续耐心周旋,与外界深入合作。

  深刻了解芯片行业的特殊性、国产芯片的产业现状以及未来的发展阶段,对“中国芯”的信心才会有坚实的基础。

  打好芯片行业的发展基础,需要一步一个脚印扎实进步,不追求一鸣惊人的戏剧性突破。

  文 | 陈经

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  一个极为特殊的行业

  芯片是电脑、手机、家用电器等电子产品的核心元器件,是人类社会不可思议的“超级福利”,对全球经济贡献极大。

  芯片的性能一代一代地显著提升,摩尔定律一直在延续,是因为多年来在还算正常的商业流程中,全球很多公司紧密配合,才共同创造了令人惊叹的技术奇迹。以芯片为基础的整个IT业,深度分工合作效率极高,是人类社会近年来进步最快、对经济社会贡献最大的行业之一。

  中国是芯片业飞速发展的受益者,也是重要贡献者。2020年全球芯片约四分之一由中国生产,还有超过一半进口到中国,用于各种电子产品中,后者又行销全球。全球消费者并不直接使用芯片,但通过中国这个中心节点,芯片的“超级福利”才扩散到全世界。

  芯片业本来是技术飞速发展、推动人类社会共同进步的产业典范,近年来其商业流程却遭到一些美国政客的大肆破坏。在这种背景下,公众对芯片有了一定的认知,同时也对光刻机和国产芯片抱有很高期望。然而,公众和舆论对国产芯片的发展路径快速给出结论,或套用其他行业的经验进行分析,常常与业内人士存在认知差异。

  这种认知差和预期差,很大程度上来源于公众并不了解,芯片业作为当今世界技术复杂程度最高的科技产业之一,具有极端特殊性。

  芯片制造的特殊性在于,虽然人们清楚其复杂程度,但外界终究难以对这个行业的困难形成直观认识。

  用常规的高科技产业评估流程来对待芯片制造业投资,就算理论知识再丰富、态度再谨慎,现实中也还是有可能陷入麻烦。高科技项目通常不会一帆风顺,总会伴随着各种问题。一般的高科技项目,就算失败,也起码能生产出一些成品。但芯片制造不同,如果仓促上马项目不能成功,不要说拿不出成品,甚至可能连生产线都凑不出来,连调试解决问题的机会都没有,这就是芯片制造的高风险性。

  对于高科技项目来说,成功的关键在于齐全的产业链。然而在芯片制造领域,中国缺的恰恰是齐全的产业链,芯片已成为中国科技产业最大的短板之一。这个行业在连续11年位居世界第一制造业大国、拥有世界各国中最齐全产业链优势的中国,是一个特殊的存在。

  芯片制造业的特殊性还在于,即使相关技术取得突破,相关生产环节也多达上千个,需要的技术人才是海量的。芯片业人才培养的规律,也与其他高科技项目有所不同。

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  芯片制造的特殊性

  2020年,中国进口芯片超过全球产量的一半。海量进口芯片,反映的是中国芯片设计、制造技术能力与产能的严重缺失。其根源是芯片制造技术与产业链的特殊性。

  公众所熟知的摩尔定律,是指芯片性能每18个月翻一倍。每18个月单位面积内晶体管数量翻倍,意味着生产技术难度与需要的投资指数级上升,并产生了一系列“逆向效应”。

  随着芯片制程(晶体管栅极距离)从微米级深入到纳米级,一个芯片内晶体管数量增至上百亿个,“量变到质变”发生,绝大多数芯片制造公司已经跟不上了。高端芯片制造门槛极高,目前只剩台积电、三星、INTEL三家还在芯片制造的最前沿。2018年芯片代工巨头格罗方德已宣布放弃7nm技术研发。

  在芯片制造设备上,最尖端的EUV光刻机只有荷兰的ASML有,曾经的光刻机巨头日本的尼康和佳能则研发失败。

  有的人误认为中国芯片被“卡脖子”的是高端芯片制造,只要把高端光刻机搞出来,能让华为制造手机芯片,就可以突破了。

  事实上,中国的整个芯片制造体系,从低端到高端,制造设备的差距都很大,多个环节需要依赖进口设备与服务。这并非EUV光刻机等个别设备的问题,而是整个自主生产线都缺乏实际生产经验。

  发展国产芯片制造设备有双重难度:一是挑战物理极限的技术难度,二是难以进入业界主流得不到发展机会,后一个难度更为致命。

  1个原子的直径是0.1纳米,10纳米只够排100个原子,高端芯片却要在其中安排一个晶体管。这需要原子级别的操控,微观量子效应都会出来捣乱,难度极高。而且还需要快速精准的工业生产,上亿块芯片要在合理时间内以90%以上的合格率生产出来,处理程序达上千道,配套工业体系精度要求极高。

  全球业界紧密配合,形成了研发、生产、销售的正向循环,才在实际产业运行中以摩尔定律快速提升了芯片制造技术水平。然而,中国企业因历史因素一开始就未参与到循环之中,对芯片制造产业链基本没有影响力。这也是中国芯片制造技术落后的特殊背景。

  近来国内业界已经形成共识,首先要打牢基础,把28nm及以下的市场占比更高的成熟制程芯片工艺吃透,构建一条28nm的自主生产线并逐步提高国产设备的比例,才是更为现实的目标。

  28nm虽然被称为成熟制程,但对于国产芯片来说,也是巨大的挑战。目前国产芯片的代表还只是中芯国际、华虹集团等极为依赖进口设备的公司,且产出以中低端芯片为主。

  国产设备研制成功后,切入已有生产线并调试成功的难度也不小,甚至可能得不到调试的机会,因为会担心降低良率影响经济效益。这个特性令中国的芯片制造设备发展举步维艰。几乎与业界脱节,是中国芯片自主最为困难的环节。

  现阶段,国产设备需要与进口设备“混搭”切入生产线,国产设备有机会进入产业链就是进步。这是最急需补齐的短板。

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  “补短板”与“两条腿走路”

  芯片制造设备现状如此严峻,国产芯片还有希望吗?

  事实上,政府高层一直很清楚芯片及相关制造设备的重要性,并以越来越大的力度对芯片制造技术进行投资,这在世界上是独一无二的。

  中国并非没有发展芯片制造的能力,相关技术一直有国家专项资金重点支持,只是作为技术储备未大规模进入生产环节。过去中国企业使用美系芯片与技术体系,以保证在重要市场的技术竞争力,这也是全球企业通行的做法。

  然而,美国的打压导致芯片产业逻辑变了。新的逻辑是,市场不再是成本决策,而是开始考虑生存问题,自主技术将获得空前的动力,相关企业为了生存会主动对芯片技术体系进行调整。

  当前,政府正以前所未有的力度组织芯片业“补短板”。按以往经验,以国有企业为核心的技术团队实现基础技术突破,将高科技元素“白菜化”之后,地方上的投资热潮会逐渐兴起。芯片业也会遵循这一规律。

  发展芯片制造业需要遵循的另一条规律是,在其他制造业领域,中国引进自研两条腿走路的路线大获成功,国产替代取得很大进展。

  其他领域取得大面积突破的主要原因是,业界生产技术基本稳定,中国各种配套技术纷纷进步,时机成熟后就能一举替代成功。芯片制造的特殊性在于,技术不仅没有停滞,还在加速发展。

  目前,国产设备已经初步具备了自主发展的基础。如华虹集团与中芯国际未来设备国产化率必然逐渐提升。需要指出的是,芯片制造设备的国产替代虽然正在加紧进行,但由于起点低,现在还处于早期阶段,暂时还不能成为国产芯片提高产能的主要支撑。目前国内正在规划快速提高芯片产能,预计数年内可以翻倍,但肯定是以进口制造设备为主。

  一些人将国产芯片落后的原因归结为以前忽视自主制造,其实这并非真相,其他行业的经验也不支持这种结论。

  发展芯片制造业短期内还是应该坚持“两条腿走路”。在自主发展的同时,如果上产能需要引进外国设备,那就大力引进。由于中国芯片市场极其重要,全球芯片业界内心非常渴望中国市场,合作的机会并不会因美国遏制而消失。例如,大批买入ASML的DUV光刻机我们很需要也可以做到,即使美国不让买。

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  进击路线图

  根据芯片行业的特殊性、国产芯片的产业现状来分析,可能的自主芯片的发展路线图如下:

  第一阶段是奠定基础。2025年前,以进口设备为主大幅提升成熟制程芯片产能,自主芯片制造技术快速发展补短板,进口替代不断推进。这一阶段的自给率目标并不会太高。

  由于晶圆厂建设周期长,短期内新增产能还是会主要依靠成熟技术也就是进口设备。中国企业掌握国际主流设备的生产工艺,意义也非常重大。扩大晶圆产能具有战略意义,不能等国产设备成熟后再推进,这与使用进口设备并不矛盾。

  这一阶段,国产设备将争取切入生产线,获取实质性的设备市场份额。国产设备的技术能力得到证明后,进口设备也能更为顺利。

  第二阶段是国产芯片制造设备成熟,主要环节打通,具备主动操作的能力,上产能加速。

  经过第一阶段的技术积累后,在成熟制程芯片领域,中国争取形成研发、制造、销售的自主产业链闭环。2025年以后,即使芯片制造设备无法进口,中国的产能扩张也能得到保证。届时中国芯片业将迎来历史性转折。

  中国打通产业链以后,通常能实现效率的急剧提升,如建厂周期、建厂成本、设备成本大幅下降,生产效率大幅提升。芯片生产将和其他诸多行业一样,被中国重新定义。中国将不仅是芯片应用市场主体,也将成为芯片生产制造主体,更好地为全球提供芯片福利。

  这个阶段,国产芯片自给率会大幅提升。全球芯片产能分布、制造设备份额分布将发生巨大变化。一批中国芯片企业会崛起。

  第三阶段与前两个阶段有关联,中国先进制程芯片将取得重大突破,彻底解决“卡脖子”问题。

  先进制程的进展分为两类:一类基于进口设备与工艺,一类基于国产设备与生产线,二者并不矛盾。

  “中国芯”将分阶段看到各类目标的曙光,目前正在转折前夜。此过程中,以芯片制造设备为核心的自主芯片研发进展将是最关键因素,但并不需要完全依靠自主,进口设备也是重要技术来源。

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  “芯片应用中心”的特殊意义

  芯片生产出来后到消费者能用上,还需要进一步整合到整机系统里,因此芯片有极为广泛的下游应用行业。中国目前芯片生产环节相对弱势,需要大量进口,但下游芯片应用方面却发展得不错,这非常特殊——芯片应用行业并没有分散于全球,却集中到发生了工业奇迹的中国。

  有些人担心,中国芯片制造技术落后导致进口太多,供应出了问题怎么办。实际上,在美国遏制中国产业升级的背景下,“芯片进口极多”和“芯片应用中心”的地位也发挥了特殊作用——市场份额的意义凸显出来了。中国进口芯片规模庞大,大到成为了市场主体,这就具有了保护作用,还可以对美国的行动形成制约。如果中国芯片应用规模不大,美国把这些生意搅黄或转移到其他国家,对它的影响可能不会太大。可中国的芯片应用产业占到全世界的七成,就是完全不同的逻辑了。

  理论上,手机、平板电脑组装这样的芯片应用产业,可以转移到东南亚或印度等地,但想上规模难度非常大。产业规模本身就是不可逾越的难度,且相关的产能不是芯片一个行业的事。对于整个产业链来说,没有芯片不行,但只有芯片也不行;对于中国来说,国产芯片水平还不太行,但其他方面实在太行了。

  中国芯片下游产业链齐全、产能充足的战略意义极大,相关行业的产能基本都是全球第二名的十倍以上。外国有芯片技术,但是要想把“外围产能”建起来,却需要很长时间。这种规模的投资是十万亿美元级别,且需要从基建开始搞起。

  全球芯片业的必然选择是,生产的芯片大部分继续出口到中国集成应用,中国主导的应用环节是芯片业“变现”的最后一环,不可或缺。

  虽然一些国家也在想办法把集成应用从中国分离出去,但进展不快,障碍很多,形成不了规模效应。国外不少高科技公司经营精力有限,嫌转移产业链太麻烦,也不想为政客不切实际的目标下大力气。回顾以往,2018年美国发动贸易战时,中国进口芯片增速还加快了。

  “芯片应用中心”的特殊地位能为中国提供巨大的回旋空间。如果美国全面破坏芯片业正常的商业流程,那就等于与全球无数公司为敌。

  市场地位,也是中国在芯片斗争中的底气。

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