中國芯能否登頂？從芯片產業發展史找答案（下）_風聞
跟陶叔一起学-IT专家-听陶叔聊各种知识与学习感受，解决一些问题2020-06-07 08:44
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四、三條經驗與兩條規律
在解釋為什麼我們能贏之前，我們先把六場芯片行業戰爭給我們的歷史經驗做一個總結：
1. 芯片行業戰爭是技術路線之爭。技術路線涵蓋廣泛，包括材料、工藝、結構、設備等，任何一個選擇錯誤，都會給企業帶來滅頂之災。而行業的特點又決定了，每隔18-24個月，芯片企業的決策者們都要像拆彈專家一樣，面臨剪紅線還是剪藍線的抉擇。做出正確抉擇的背後需要深厚的理論與技術儲備，也需要對市場規律的深刻體悟。因此芯片行業是高度知識密集型行業，對人才永遠處於飢渴狀態。
2. 芯片行業戰爭是經濟體制之爭。在美國芯片企業發展過程中，自由市場發揮了重要的作用。在市場繁榮的環境裏，在風險資本的支持下，人才、技術充分流動，優化組合，加快了新技術、新產品的形成，加速了企業的生長週期。但是這樣的經濟體制並不是完美的，更不是無懈可擊的。在遭遇東亞三國的競爭時，有政府參與的經濟行為表現出來的組織性與戰鬥力，讓美國芯片企業吃了大虧。中國、日本不用説了，政府作用是在明面上的。韓國雖然看似是三星這家企業在參與戰鬥，但別忘了韓國的別稱是“三星共和國”。三星能夠調動的資源不是僅僅一家企業能夠相比的。就連台灣地區的台積電背後也不缺少台灣當局的影子。你可知道台灣當局曾經抄日本的作業，推出一模一樣的VLSI計劃？你可又知道台積電新增晶圓廠會消耗台灣新增電力的1/3？你可還知道台灣平均每1000平方公里，就有一座大型晶圓廠，是全世界晶圓廠最密集的地區？東亞三國雖然是芯片產業的後發者，但是經濟體制的優勢使得其芯片企業成長極快，競爭力驚人。這説明東亞三國採取的經濟體制是行之有效的。這個結論縱覽芯片產業發展史是不難得出的。再反過來看美國政府在芯片產業發展過程中所起的作用，它採取的是放任自流的態度，説是自由市場的忠實信徒也好，説是小政府缺乏經濟引導能力也罷，它並沒有對美國芯企提供足夠的發展保障與有效約束。而當美國芯企在競爭中落敗時，它又“自由去踏馬，盟友算幾把”以國家安全為藉口橫加制裁。但就算當年那一戰，美國憑藉霸權把日本幹趴了，但是失去的市場份額並沒有回到美國。後續又有韓國、中國台灣、中國大陸的不斷崛起與挑戰。美國芯企無論再如何努力創新，卻始終是在不斷失血，這個現狀是非常明顯的。雖然當前美國國勢還處於強盛之中，雖然美國社會還有豐厚的家底與充沛的創新源泉，但如果美國政府不改變經濟體制，改變粗放的經濟管理方法，協調經濟社會力量，認真解決一些根本性問題，那麼下滑的趨勢是確定無疑的。美國政府在經濟競爭中所起的作用就像是一個混社會的家長，家裏很豪橫除了給錢平常也不管孩子，好在孩子自己努力上進。但突然有一天發現孩子被欺負了，他能做的是找上人家去把對方揍一頓出氣。如果哪天他碰上一個揍不動的呢？
3. 芯片行業戰爭是綜合國力之爭。芯片產業代表了當前人類科技的最高水平，也是人類社會重要的基礎設施。芯片技術的產生與發展源自國家的科技、經濟與社會積累，芯片企業的發展壯大離不開政府的保駕護航。日本芯企挑戰美國芯企失敗，根本原因不是技術不行，而是綜合國力差得太遠。技術上打不過，美國就用國力來壓死。日本的科技力量源自美國、經濟運行綁定美國、安全保障依靠美國、產品市場也在美國，拿什麼跟人家鬥？韓國與台灣地區則自願服低做小，換來美國的不殺之恩。不就是跪着掙錢嘛，不丟人。而當歷史的舞台上出現中美相爭時，過去的經驗與做法都不具備參考價值了，因為國力不一樣，雙方能打的牌不一樣了。至於該怎麼打，我們還是放在後面再説。
從芯片產業發展史中，我們還可以發現兩條規律始終在起作用：
第一條是市場規律。市場是芯片產業發展的決定力量。市場是技術演進的原動力。市場需求逼迫着企業以更高效、更低成本的方式提供更好的產品，適應這種要求的企業才能長久。無論是從電子管到晶體管的升級換代，還是集成電路與微處理器創造新的產業，都是適應市場需求的結果。市場是舊有格局的破壞力。在市場需要面前，專利、產業聯盟、高昂成本等壁壘都不是不可逾越的天塹。所有造成創新停滯的壁壘最後要麼摧枯拉朽般攻克，要麼棄之敝履般繞過。Wintel聯盟建再高的堡壘又有何用呢？移動互聯網的新戰場它倆連下場的份都沒有。市場是後發國家的支撐力。後發國家的芯片產業需要一個足夠大的市場支撐發展，中國的芯片產業因為依靠一個龐大且充滿活力的市場才能快速而又持續的發展，這是日、韓、台灣地區的芯企無法相比的優勢。
第二條是行業規律。芯片產業一直處於技術擴散、產業分化的趨勢中。芯片產業的技術與技術人才都是在不斷地從一家企業擴散到另一家企業，從一個國家擴散到另一個國家，這種趨勢一直沒有停止。有沒有一直牢牢攥在一家企業中的技術呢？可能有，但在摩爾定律的裹挾下，技術的保鮮期非常短。保守技術不如在有價值的時候賣個好價錢，這個賬企業是能算清的。行業的特點又決定了企業成本越來越高，只有通過集中化、專業化才能保證行業的正常發展，這是行內企業不得不做出的選擇。而在這個分化過程中，向哪裏集中，又是由市場規律所決定。
有了芯片產業發展史的三條經驗與兩條規律，我們就可以回答兩個問題：
五、為什麼我們能贏？我們怎樣能贏？
其實這兩個問題屬於兩個不同層面。第一個問題是戰略層面，綜合判斷給出定性的答案。第二個問題是戰術層面，具體分析給出對策性方案。
對第一個問題，我們從歷史可以知道，美國這次打中國華為和三十年前打日本芯企，所用的理由與思路是一脈相承的。但中國不同於站起來又跪下的日本，也不同於一直就跪着的韓國與台灣地區，中國可以動用的力量完全不一樣。
首先，中國可以依靠自身市場的力量。當年日本芯片企業能夠崛起，政府參與的經濟體制起了關鍵的作用。而其失敗除了政治上的原因，自身市場小依賴美國市場是一個重要的因素。美國一旦對日本關閉市場，日本的產品根本就無處消化，與其被迫削減產能還不如主動投降留一線生機。而中國經濟體制的優勢只會比日本強，這不用多説。更重要的是中國市場足夠大。當今世界電子產品三大市場：中國、美國、歐洲。中國是其中最大的單一市場。這個市場除了足夠廣闊能消費海量的產品，更重要的是它高度繁榮，而且需求最鮮活多變激勵着企業不斷的創新。中國消費類電子產品以及對應的芯片產品創新已經是世界上最活躍的，這點從中國擁有最多的手機國際大品牌，每年發佈最多的新款就可以看出。許多新穎的手機功能往往都是中國廠商搶先一步發佈。雖然中國廠商現階段的創新多是應用層面創新，但從歷史的角度來看，中國現在所處的階段與美國二戰之前非常類似。中國的市場持續提供能量，使中國企業始終保持旺盛活力，可能某個歷史機遇就可以完成最重要的蜕變。“好風憑藉力，送我上青雲”！而那時就是中國企業包括芯企登頂之時。
其次，中國可以團結世界的力量。這個世界分為美國的盟友與非盟友。非美國盟友的國家不用多説，中國企業與中國產品不會受到什麼阻礙，更多考慮如何進一步深化開拓。而美國所謂的盟友，有的是友有的是狗。如果是狗就要打狗，如果是友就要撬走。美國要求盟友對華為統一行動，但實際上響應的並不多，説明並不是鐵板一塊，中間存在着裂隙。這次美國對疫情的處理，對美國黑人抗議的鎮壓，許多盟友已經明確表達失望。美國與盟友之間的裂隙會越來越明顯，存在很大操作空間。
通過團結世界，我們就可以擊破美國的妄想：讓中國脱鈎。美國現在對華為的禁令其實是對中國完全脱鈎的預演。讓華為不能使用美國的技術，是對市場與行業規律的雙重違背。當今世界的芯片產業鏈是很多國家很多企業共同打造的技術生態，早已不再是美國一家的貢獻。例如在最先進的代工生產線上，美國技術佔比不到10%，這就行業規律作用的結果。芯片產業極其依賴規模效應，如果銷售額下降，資金收不回來，企業將有非常大的經營風險。美國用蠻橫的政治手段不讓芯片企業賺華為的錢，又沒有相應的補償措施，在市場規律的驅使下，資本家自然要下決心儘量規避美國技術。違背規律的蠻幹，等於美國自己把市場機會讓給了別人，最後結果不是中國脱鈎，一定是世界脱美！當中國與世界進一步整合，實現市場與技術的完全順暢交流，就是我們勝利之時。
最後，中國可以發動企業的力量。中國在發展的過程中，以美國為首的西方國家一直是制裁、封鎖聲不斷，因此中國患上了“產業鏈條缺失恐懼症”。幾十年下來，弄成了世界上最完整的產業鏈。而在發展芯片產業的過程中，對企業門類的選擇根本與日、韓、台灣地區不一樣，不是搞什麼單點突破、打造局部優勢，而是我全都要！
經過多年的發展，通過培育本土半導體企業和國外招商引進國際跨國公司，國內逐漸建成了覆蓋設計、製造、封測以及配套的設備和材料等各個環節的全產業鏈半導體生態。大陸湧現了一批優質的企業，包括華為海思、紫光展鋭、兆易創新、匯頂科技等芯片設計公司，以中芯國際、華虹半導體、華力微電子為代表的晶圓製造企業，以及長電科技、華天科技、通富微電、晶方科技等芯片封測企業。
國內半導體產業鏈相關公司
雖然每個領域目前都不拔尖，但是內部聯動共渡難關已經完全沒有問題。去年華為沒有被列入實體清單前，很多人還在鼓吹美國的自由市場理念。等到不斷有企業進實體清單，雜音馬上就沒有了，企業家集中注意力在如何少用美國技術與產品，避免陷入被動。今年美國禁令再加碼時，行業內其實並沒有引起太多議論，因為早就料到了。美國一次教育行動，效果比領導喊話十幾年都好。少用或不用美國技術，結果只有兩個，改用其它國家技術或自研。
中國芯片行業的企業，如果不想倒在美國的制裁下，還想在市場中存活下來，必將對技術加大重視與投入，產業也將在壓力下進行重塑，這將會蓄積起難以預料的力量。而當我們的企業擺脱外部的依賴，以創新能力形成自主的技術體系，並最終成為世界新的科技源頭時，那就是我們勝利之時。
這三個方面，是依據歷史規律做出的定性分析，只能判斷出什麼會是符合規律的發展方向。至於要花多長時間能夠實現中國芯片行業登頂？五年？十年？二十年？這是無法預測的。歷史的發展有必然性，也有偶然性。我們只能判斷歷史的大方向，偶發的大事件誰也做不到未卜先知。誰又能知道2020年會以一場疫情開始？誰又能知道強大如美國居然成了世界上疫情最嚴重的國家，何時結束都無法判斷？誰又能知道一個黑人的枉死能讓美國陷入全國性的混亂？我們不能預知偶然，我們只有信心我們自己能越來越好！
對第二個問題，我們需要把它細化為三個更具體的問題，分別是：
1. 華為怎麼辦？
2. 芯片產業差距太大怎麼辦？
3. 缺乏技術能力、沒有理論儲備怎麼辦？
華為怎麼辦？這個問題其實已經有很多文章討論過了，華為對各種情況也早已做過預判，不用過多擔心。華為與中芯國際是中國芯片企業的兩隻領頭羊，無論如何也要保住。如果華為真地撐不住了，中國政府早就會出手了，但現在還沒有，這就説明新的禁令並不能置華為於死地。突破封鎖的辦法有的是，小招與大招都有，這裏就不一一列舉。
芯片產業差距太大怎麼辦？實事求是地説，除了華為的芯片設計水平已經躋身世界領先水平，中國芯片產業在各環節都有較大的差距，要正視差距。要解決則有兩條策略：
一是緊追現有先進技術。對於我們來説，現在是重要的歷史機遇：摩爾定律的極限在逐漸逼近。硅原子的直徑為0.1納米，再縮小晶體管制程，溝道的構成將從幾十個原子變為十幾個原子，這中間每一步的技術難度都將以幾何方式增加。因此現在先進製程的發展速度在減慢。領先者在減速，而追趕者在加速。中芯國際在新的聯席CEO梁孟松到任以後，已經跳過22納米、16納米，直奔14納米。中芯國際第一代14納米FinFET技術在2019年進入量產，在第四季度達到了晶圓收入的1%。預計在2020年，14納米工藝將會穩健上量。而第二代FinFET技術平台也會持續迎來客户導入。相信中國隊伍與世界先頭部隊勝利會師的那天應該不遠了。
二是抓住下一次技術革命的機會。摩爾定律逐漸失效不一定是其本身的問題，市場對更高性能的芯片的需求依然如故。如果有人嫌芯片速度太快，就和説5G無用是一樣的無知。我們還有多少能想象出來的未來世界產品用現在的芯片無法實現。市場的需求並未滿足，技術進步腳步是不會停下來的。那麼就有一種可能，不是摩爾定律走到盡頭，而是現有技術路線山窮水盡，要由新的結構、新的材料甚至新的器件來代替。試着給大家列舉幾項未來可能採用的技術：
環繞式柵極晶體管（GAAFET，Gate-All-Around FET）。GAAFET是對FinFET技術路線的進一步延展。FinFET是將晶體管從平面改為立體，已經歷16納米/14納米、10納米/7納米、5納米三個工藝節點。在衡量技術成熟度、性能和成本等因素後，台積電的3納米制程首發也將沿用FinFET晶體管方案。而3納米以下，FinFET逼近物理極限，GAAFET將成為新的技術選擇。比FinFET的立體結構更進一步，GAAFET的溝道被柵極四面包圍，溝道電流比三面包裹的FinFET更加順暢，能進一步改善對電流的控制。三星、台積電、英特爾均引入GAA技術的研究，其中三星已經先一步將GAA用於3納米芯片。三星採用的GAA技術名為多橋通道FET（MBCFET，Multi-Bridge Channel FET），這是一種納米片FET（nanosheet FET）。不過納米片FET現在並不成熟，還有許多難題需要攻關。
從平面場效應管到FinFET再到GAAFET的演變
碳納米管。自從1954年硅晶體管取代鍺晶體管以後，半導體技術所用材料絕大多數是硅或硅的化合物。但硅材料的使用眼看就要到極限，有沒有新材料代替？在元素週期表上，鍺、硅、碳屬於同一主族，所以很自然的問題就是，碳能不能用？以前人們知道的碳材料有石墨、金剛石和無定形碳，但它們都不適合作為半導體材料。但後來人們發現了碳納米管，在原理上它可以使用，而且在不少方面還優於硅。真正的困難是加工工藝，要製造出粗細一致並且排列均勻的碳納米管現在還有挑戰。其它還在研究的新材料包括過渡金屬硫化物（Transition-Metal Sulfdes， TMDC）。
各種材料性能對比
光子芯片。電子芯片技術越來越難有突破，重要原因是熱量。這是由於電子穿過芯片上的銅導線時遇到電阻而產生的。與電子不同，光子沒有電阻概念。由於它們沒有質量或電荷，它們在經過的材料中的散射較少，因此不會產生熱量，從而減少能量消耗。此外，通過用光通信代替芯片內的電通信，可以將芯片內部和芯片間的通信速度提高1000倍。光子芯片或許將會是未來最適合用作AI計算的硬件架構，這是因為光的特性先天適合AI計算裏最重要的線性計算部分，也就是高維度的並行計算。自從晶體管1947年發明，已經有70多年沒有革命性的器件發明了，光子芯片會不會就是下一個？
量子芯片。量子計算並不是對現有電子計算的全面取代，而是一種全新的計算模式，服務於特定的問題。量子計算的處理器，即量子芯片集成有大量的量子邏輯單元，可以執行量子信息處理過程，在諸如量子化學模擬、量子人工智能等諸多領域具有巨大的潛力，有望突破傳統計算機的算力極限。目前，超導系統、半導體系統、離子阱系統等，都有相應的量子芯片研究，並正在往大規模集成的方向摸索。目前，基於超導約瑟夫森結（Josephson junction）體系的技術路線在當前階段走在了前面，但近年來基於半導體量子點的技術也發展迅速，未來的量子計算機究竟採取哪種技術路線尚未有定論。
以上這些研究方向中未來可能成為現實，從而顛覆現有的芯片產業格局，這樣的事件在芯片產業發展史上一再出現。對於新的技術革命，所有參賽者可能又回到同一起跑線，從而給後來者超越的機會。
缺乏技術能力、沒有理論儲備怎麼辦？我們還是要從歷史中找到答案。美國科技從世界邊緣走向中心，是從應用研究向理論研究逐步提升的，這是一個必然的過程。日本、韓國、台灣地區技術與人才初期都是從美國引進，後續才培養出自己的人才隊伍，創造出自己的技術。這條路我們需要同樣走一遍。技術轉移、吸收、消化再創新要毫不動搖地走下去。以中芯國際為例，台積電最早的六名技術骨幹中蔣尚義、梁孟松、楊光磊先後任職，為中芯技術提升做出了重要貢獻。相信我們自己的工程師不會比任何人差，能在學習追趕的過程中快速成長。而理論及科學家的儲備需要時間。一方面如華為全球重金招募科學家，這是在全球化時代非常聰明的做法，為企業發展節省時間，同時也能極大促進中外的科技交流。另一方面，在理論研究方面國內也已經開展多年有了許多重大的成果。如不久前報道的北京大學電子系教授、中科院彭練矛院士在碳米管研究上取得的突破，中國科學技術大學郭國平教授也在量子芯片研究上取得重要進展。這些成果都是厚積薄發才取得的，類似的理論研究還有許多，相信我們會不斷收穫驚喜。
説了這麼多，就是希望大家能從芯片產業發展歷史中得到啓示，歷史的車輪受規律的約束，歷史往哪裏走，不是由某個強權説了算。阻擋歷史的前進或強行改變歷史發展的方向，其結果不過是粉身碎骨。倒行逆施正説明對手日暮途窮。對那些還懷着帝國春夢的美帝老打手們，就需要用事實讓他們明白，時移世易，換了人間！身處歷史大變局的我們，可能正在感受着巨大的壓力。但是如果再過十年、二十年或者更長的時間，回顧這段歷史的進程，我們是否又該慶幸曾經參與歷史創造歷史，驕傲地反覆回味這一過程中的點點滴滴呢？堅定信心去迎接勝利吧！
最後再給大家提一個新聞。美國國會提出了《無盡前沿法案》（Endless Frontier Act）將向國家科學基金會（National Science Foundation）分5年注入1000億美元，用於高科技領域研究以對抗中國。這説明美國人有了進步，政府開始主動作為推動科技發展。但另一方面，這個法案又受到了科技界人士的批評，認為其內容私心太重急功近利。不管其對錯如何，中美在科技領域的競逐都將加速推動人類科技的進步，我們還是以積極的眼光去看待。同時法案中列出的十大科技領域也是給了我們方便，這就是個尋寶圖嘛：
人工智能和機器學習
高性能計算、半導體和先進計算機硬件
量子計算和信息系統。
機器人、自動化和先進製造
預防自然或人為災害
先進的通信技術
生物技術、基因組學和合成生物學。
先進的能源技術
網絡安全、數據存儲和數據管理技術
與其他重點領域相關的材料科學、工程和勘探
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