中國 “芯痛” 痛在哪裏，出路在何方？_風聞

來源：“知識分子”   2020-9-4

中國希望2025年70%的芯片依賴自主生產，目前大約90%的芯片依賴進口，圖源Pixabay.com

-導 讀-

8月22日，在西湖大學工學院主辦的 “思享匯” 上，西湖大學講席教授、副校長仇旻就芯片製造工藝、中國 “芯” 痛進行了深入淺出地剖析，西湖大學工學院院長楊陽，以及李子青、周南嘉等學者也做了精彩的分享。在仇旻看來，中國芯片的未來需要用兩條腿走路：一條腿是繼續追趕現有技術，另一條腿是把下一代芯片技術的突破口做好。因為 “如果只追現在的芯片技術，可能永遠落後別人，當我們把下一代芯片的話語權掌握在自己手上，未來才有希望”。本文由仇旻會上的發言整理而成，僅代表其個人觀點。

演講 | 仇   旻（西湖大學副校長）

在演講之前，我選了很久的題目，希望給各位介紹一點我們在做的研究，又要講一些大眾能聽得懂的故事。最近關注度很高的芯片話題正好跟我的科研有很大的關係，跟我們在西湖大學工學院的合作羣體也有很大的關係。剛剛李子青老師提到在微納光學設計上我們有很多合作。實際上，用AI技術輔助設計的光學器件，例如透鏡也可以嵌入芯片成為它的一部分。我們近期與一家上市公司合作開發的AI增強現實芯片就是在做這個事情。

在 “思享匯” 活動上，嘉賓的主題分享

回到今天的主題，中國 “芯痛” 到底痛在哪裏，出路在哪？我們有些自己的思考。

芯片我們每天都在用，口袋裏只要有電子設備就有芯片，如手機、相機等。手機裏面有多少個芯片？大概是20多個，包括電源管理、屏幕控制、存儲數據，也包括人臉識別芯片，核心是運算處理芯片。

1

芯片製造對材料要求非常高

芯片是用什麼材料做的？我們現在説的芯片大多是硅芯片，硅芯片從哪裏來？為什麼用硅，有個很根本的原因，因為硅便宜。硅是地殼和土壤中含量僅次於氧的大量元素。沙子的主要成分是二氧化硅，把硅提純出來就可以用來做芯片。但實際上製作芯片需要六千多道工序，裏面牽涉材料開發、圖案加工、測試表徵等過程。從材料做成結構，而且逐漸變成三維的結構。

在這個過程中，第一步要做材料，要做硅的晶圓片需要高純度的硅。其實冶煉硅的原理很簡單，一根預製棒放到熔化的硅裏面，然後慢慢提起來，結晶之後就會形成一個硅棒，越粗越好，因為能做更大的硅片。硅棒切片之後就是硅晶圓片。我們在看新聞時，通常會看到硅片有直徑6寸、8寸等等，這是什麼概念呢？1英寸是2.5釐米，12英寸就是30釐米，同A4紙的長邊差不多大小。

實際上，中國一直到近幾年才開始生產高端的硅片。現在上海新昇半導體公司已經可以批量生產12寸的硅晶圓片，浙江也有一家企業，金瑞泓，他們可以批量生產8寸硅片。晶圓對硅的純度要求非常高，通常是9N到11N（也就是百分之99小數點後面有7個9或9個9），幾乎不能有任何的雜質。前段時間，蘇州新美光發佈了國產單晶硅的規劃，這對國產替代進口是非常好的一件事情，對未來中國的芯片產業也非常重要。目前，他們已經實現了18寸（450毫米）11N的單晶硅棒。

2

芯片製造工藝為什麼這麼難？

芯片的地基有了之後，接下來怎麼做？我們可以想象一下在玻璃上雕花。我們先在玻璃上塗一層蠟，在蠟上畫出美麗的圖案，再澆上酸腐蝕，然後再把蠟和酸洗乾淨，玻璃上就 “刻” 出花紋了。

芯片製作工藝簡易圖，圖片來自kuaibao.qq.com

芯片製造的過程其實是類似的，也就是人們經常提起的 “光刻”。先在硅晶圓上勻一層膠，再用波長很短的紫外光曝光，就可以形成一個圖案化的模板。我們所説的光刻機，主要作用就是把微納米尺度的圖案印到晶片上。另外，模板做好後還要刻出來。在玻璃上雕花要用酸，這裏利用離子把表面的硅材料帶走，然後就會留下想要的結構。

晶片表面的結構做好後，下一步就是連接金屬線，做封裝測試。通常一個芯片也就幾個釐米見方，因此一片12寸、30釐米的硅片上就可以做出上百個芯片來。這就是為什麼晶圓越大越好。封裝就是把晶圓切片包起來，讓它不受外界材料或者環境的影響。這塊工作目前國內已經做的非常好了。

芯片製造為什麼難？主要難在我們要在一片硅晶圓片上做出幾百個芯片，而每個芯片又是由上百億個晶體管構成。芯片進化的過程就是晶體管不斷變小的過程，這就是摩爾定律：芯片可容納的晶體管數目大約每兩年便會增加一倍，性能也將提升一倍。

我們通常所説的5納米、7納米、14納米、28納米，這個數字就代表了晶體管的工藝水平。簡單來講，它指的是電子從晶體管兩級流過的距離。當然這個距離也不是隨意定的，在工業界有一系列的規定，並且每次工藝水平的提升都需要經歷一個過程。距離小到一定程度後，由於量子效應的存在，晶體管的性能也會發生巨大變化。前段時間，全球半導體的龍頭企業台積電宣佈，最新的5納米工藝今年已經進入量產。5納米是什麼概念？差不多是10個水分子的距離。

為什麼要越小越好？第一個原因，更節能。因為晶體管越小，電流穿過晶體管走的路相應減少，功耗也更低。此外，在芯片大小不變的情況下，裏面的晶體管數量越多，芯片性能也越高，實際上成本也在降低。我講一個有意思的例子：1994年，我剛進實驗室開始做科研，當時我們實驗室買了一台286電腦，那個時候需要2萬多塊錢，相當於現在至少50萬人民幣的購買力。當時我的導師從國家自然科學基金委拿到的科研經費一個項目也就幾萬元，為了買一台電腦，他需要動用好幾個項目的經費。

3

中國 “芯痛”，到底痛在哪裏？

為什麼我們現在天天在討論芯片，因為它對於中國太重要了。每年全世界芯片市場產值約4688億美元，這還是2018年的數據。中國的需求佔了全球市場的1/3，我們自己的產能差了很多，需要（大量）進口。

那麼，這麼大的市場為什麼沒人做，為什麼不投資這個領域？因為做這個事情太貴了，不是投資幾個億就可以了，是按照百億美元的級別來説的，而且投進去後短期很少有產出，投資回報率非常低。

那麼，為什麼別的國家或地區做得那麼好？實際上，它們也是從很小的領域開始做，慢慢積累起來的。截至目前，國內在芯片產業上的投入仍然不夠，這件事情要做好一定需要國家大力支持，光靠民營企業不可能承擔這樣大的投入。

回到我國的芯片產業，從產業鏈的角度來説，我們封裝和測試是全球做得最好的，現在我們的設計也越來越好。現在華為的芯片設計，在全世界也是做得非常好的，比如他們設計的麒麟芯片。

但存在的問題也很突出，我們用的芯片設計軟件是國外的，不是自己開發的。我們的芯片製造業還可以，在全世界能排前十，然而同樣的問題，這些製造公司用的製造設備大多數都是國外的。如果他們不賣設備給我們，我們就會出現問題。

上游半導體設備有光刻機、刻蝕機、生長材料的PVD和CVD等。我們最痛的是什麼？就是光刻機。國產刻蝕機比較先進，像北方華創有一系列的設備，14納米的技術沒問題，中芯國際等也在用他們的設備。而國產光刻機呢，國內最領先的上海微電子目前還是90納米。90納米是什麼概念，相當於國際上2004年的水平。上海微電子預計2021年可以做到28納米，但仍然落後市場十年。

通常我們説起芯片都會提到光刻機，其中一個原因就是它極其昂貴。進口一台光刻機需要上億美元，實際上它反映了中西方在精密製造方面的差距。我們都知道荷蘭ASML的光刻機最頂級，但它的關鍵零部件是來自於美國、德國、瑞典、法國等國家，是全世界頂尖技術的通力配合。

我舉一個例子，光刻機能夠發展到現在，有一種叫做“浸潤式光刻”的技術功不可沒。簡單來説，就是加工的過程是在水裏完成，通過水的折射將光波長縮短。這個 “瘋狂的想法” 剛提出來時是被業界所排斥的。拋開水可能帶來污染的問題，光是水中產生的氣泡就會對光刻結果產生嚴重影響。另外加工過程中水還不是一直靜止的，有時候要高速運動，這個時候還不產生氣泡就非常難了。如何讓水裏沒有納米級的氣泡？類似的技術問題如果讓我們的大學來解決會怎麼樣？我們的評價體系主要是考核發表多少篇論文以及多少篇高影響因子論文。這種聽來很平淡，可能需要做很多年都出不了 “好論文” 的方向，大學裏是少有人願意去研究的。當然現在好了很多，國家也意識到這種評價體系的弊端，相信未來大學裏會有更多的研究組會願意去重視和解決這些問題。

從生產芯片的角度來説，中國大陸現在做得最好的是中芯國際，市場佔有率在6%左右，而台積電佔59%，台灣同胞確實非常厲害。世界上前十名芯片代工廠中，台灣有4家，中國大陸現在有2家，中芯國際和上海華虹。雖然中芯國際排名第四，但還是有很多東西做不出來，包括一些核心器件。經過這麼多年的努力，2019年中芯國際終於實現了14納米產線。然而，台積電現在已經做到了5納米，14納米是他們2014年的事情。

在芯片製造上，中芯國際投了非常多的研發經費，佔營業收入比例的20%，比台積電以及其他同行都要高。但從投入總額來看，還是比較小的，主要因為它所佔的市場還不夠大。台積電每年約有200億人民幣的投入，中芯國際研發費用不到台積電的1/4。當然，我也非常敬佩中芯國際，他們願意投入這麼大的比例到研發裏面。

既然芯片這個行業這麼好、市場這麼大，為什麼少有人做？就是因為生產線越來越貴。從材料生產到光刻、刻蝕、封裝，按照月產5萬片晶圓估算，5納米的生產線大約需要155億美元的投入，如果做到3納米就要220億美元。這裏面，僅ASML的頂級光刻機就是1.2億美元一台。2018年，中芯國際想買它，接下來發生的事我們在新聞裏面也看到了，ASML的供應商突遇火災，原定交貨計劃也被迫延遲。雖然ASML公司表示，絕對不會對中國斷供，中國要買多少台都賣，但要取得荷蘭政府的同意。據説到目前為止，荷蘭政府還沒有許可，這是非常遺憾的一件事情。

4

中國 “芯” 要想趕超，更應該佈局未來

所以中國要做自己的東西。雖然我們具備了原材料、晶圓加工、芯片設計等方面的能力，但在核心的光刻機領域我們依然落後。高端的只有ASML一家，市場佔有率達到百分之百。

對於未來，我們還是要持續資源投入並且重視人才培養。從另外一個角度來説，足夠多的時間和資金投入後，台積電的5納米，我們再過10年也可能做到，那麼再往下到了1納米，量子效應怎麼應對？這個時候就更加突顯人才的重要性，

中國的5G做得非常好，5G專利全世界行業第一，這給我們帶來一個非常重要的經驗是：我們只追趕人家不夠，還要提前佈局。3G興起的時候，華為剛在瑞典設立研發中心，因為當時愛立信是世界老大，2G、3G的核心技術擁有很大的比例。華為那時就開始佈局4G，後面又率先佈局5G、6G，現在5G技術做到了世界最領先。芯片這個領域也一樣，我們要瞄準的是下一代技術。如果只是追趕現在的技術，很可能永遠落在別人後面。但是把下一代技術掌握在自己手上，無論是材料生產，還是加工、封裝乃至行業標準都由我們來制定，未來我們就是有希望的。

現有的技術都是基於0和1的數字化芯片，未來的芯片不一定要這樣，它很有可能是模擬芯片，或者是其他類型。從計算能力上來説，人腦是很笨的，只有計算機的萬分之一不到甚至更小。但人的處理能力是強大的，人體是模擬芯片，探測的不僅僅是電、光、聲，還有觸覺等等。把這些技術融合集成在一起，產生下一代的光電芯片，這是我們希望佈局的，至少是一條道路。如果比作兩條腿走路的話，一條腿是繼續追趕現有技術，另一條腿是把下一代芯片技術做好。

現在西湖大學工學院在聯合國內最先進的企業，籌建一個微納光電系統集成的工程研究中心，我們希望把不同材料的光電器件集成到一個芯片上，也就是異質異構集成，用這個芯片來做各種各樣的應用，如5G、人工智能、物聯網等。

我們的雄心很大，但能做到什麼程度還不知道。我們希望先從幾個點開始，瞄準一些卡脖子技術，包括高速電光聚合物材料、高端半導體芯片，三維微納打印技術，以及光電混合集成技術等。

我個人的感覺是，如果集中力量去做，通過幾個點的突破可以逐步走到世界前列。這個過程離不開兩樣東西，一是時間，二是資金。雖然時間就是金錢，但資金投入也很關鍵。如果 “天時” 和 “地利” 都有，加上國內一批優秀的年輕人，聯合有抱負的民族企業，我相信這個事情一定可以做成。