中国芯片“内循环”的前世今生(图)


芯片 半导体 习近平
回顾一下世界半导体发展过程和中国芯片之路。(图片来源:Adobe Stock)

【看中国2020年9月27日讯】中国国家主席习近平9月11日在科学家座谈会上列举了工业、农业、能源等等几个受制于人的方面。工业当中最为典型的就是芯片,这是最依赖别人,也是最容易受制于人的。下面回顾一下世界半导体发展过程和中国芯片之路。

1947年,美国发明了晶体管,九年之后,一位美国工程师杰克·基尔比(Jack Kilby,1923年11月8日-2005年6月20日)和另一位美国物理学家共同发明了集成电路,把众多缩小的晶体管集中布置到一个半导体硅片上,叫大型集成电路,也叫芯片。

硅,又译矽,是一种化学元素,带着灰蓝色金属光泽且坚硬易碎的晶体。硅介于导体和绝缘体之间,所以叫半导体,硅经过提纯成为高性能半导体材料,是芯片的母体。以研究生产硅为半导体母体芯片的地方,也叫硅谷。所以芯片也叫半导体产业,也叫大型集成电路产业。

发明芯片的基尔比于2000年获诺贝尔物理学奖。作为运算处理中枢,芯片奠定了现代工业文明的基础,也揭开了二十世纪信息革命的序幕。可能当时人们并没意识到这些,因为芯片还比较初级,直到现在,芯片越做越小,性能越来越强大。

芯片之后,美国又有进一步的相关发明,如电脑、因特网、移动电话、智能手机等等,这些共同构成了信息技术革命。所以,这一轮信息技术革命,美国是先驱者,是领导者,如今美国处处主动,处处在上游,因为是技术源发地。在这条纵向产业链上,哪一个国家处在下游,必然受制于人。

1958年芯片出现之后的第五年,也就是1963年,日本从美国引进了集成电路。那时日本是二战后恢复时期,美国对日本采取扶持政策,技术援助。日本的工匠精神,青出于蓝。由此,日本半导体产业后来居上,而且大规模推向了民用消费领域。所以在上世纪的六七十年代,日本是半导体产业的领头羊。

1965年,日韩实现了邦交正常化,日本开始在韩国设厂,韩国把日本从美国引进的技术全盘掌握,某些方面还优于日本。美日韩三国在六七十年代你追我赶,形成了国际性的芯片产业链。

1965年,中国意识到发展大型集成电路是非常重要的一件事,但在冷战时期,中国尽管以研究两弹一星的体制搞芯片,但直到上世纪80年代初,闭关锁国,高新技术与发达国家处在断绝状态,芯片产业没有大的进展。

1982年,中国国务院成立了电子计算机及大型集成电路领导工作小组办公室。这个办公室从1982年到现在已经将近40年,现在还在,简称“大办”。应该说,近40年来,对芯片不可谓不重视。但国产芯片仍然在全球处在相对落后的状态,尤其是高性能芯片,缺口巨大,全世界四分之三的芯片市场在中国,但80%左右还得依赖进口。芯片进口额花费外汇超过了石油一倍多。石油进口一千四百亿美金,芯片进口花费三千多亿美金。

在全球芯片产业链上,中国处在中下游。上游的高端技术、核心技术,关键零部件,关键专利都不在中国手里。全球芯片产业链条上的龙头企业,目前中国还没有一个。芯片里面最典型的内存芯片,目前美国占全球市场一半,韩国占24%左右,日本占10%,欧洲占8%,中国占3%。市场地位非常边缘化。

回头看,60年来中国芯片的发展,在芯片发明和发展的黄金阶段,美日韩欧基本同步,形成全球产业链,而中国那时候闭关锁国。最近十年中国芯片产业已有超过两千家芯片厂商,可以量产14纳米的芯片。

目前,中国和第一阵营美日韩芯片技术迭代,相差至少两到三代。什么意思呢?从现在的14纳米量产,到可以量产7纳米、5纳米。最近有报道,台积电未来一年将开始3纳米量产。当然,芯片不会无限小下去,按科学家推算,芯片的极限是2纳米,这是由硅的分子直径决定的。

芯片产业有其独特的内部结构和产业特性。芯片产业链分为五个子链,或者说芯片产业分为五大行业。

第一,设计。数亿的线路如何集成在一起,首先需要设计。芯片设计全球最大的公司是英国ARM,而设计软件,美国EDA居于垄断地位。最近芯片产业最大的新闻是美国英伟达要从英国手里收购ARM,届时美国在芯片产业上将更加强势垄断。

第二,制造,包括成品制作和半成品制作。半成品是晶圆,高纯度晶圆基本由日本垄断,硅的冶炼,日本人可以冶炼到百分之九十点九后面十一个九,然后做成的晶圆是最好的。在晶圆的基础上再做芯片,大家知道这个行业台积电最大。

第三,封装测试。将芯片压缩到一个板子上,进行合格测试。因为芯片的线路和触点太多,一个地方有万分之零点几的差错,最终结果也是相当大的差错,所以必须逐个测试。

第四,设备。最精密的EUV光刻机是荷兰ASML,生产晶圆的设备,在日本,主要是三菱、索尼等企业占优势。7纳米工艺光刻机目前只有荷兰ASML能够提供,售价1亿美元以上,有钱还不一定能买到。中国上海微电子能够生产制作28纳米芯片的设备。

第五,辅助材料。包括光刻胶、掩膜版、靶材、封装基板等等,这些材料目前中国仍是瓶颈。



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