荷蘭日本上了美國賊船,沒有高端光刻機我們怎麼超車?_風聞
差评-差评官方账号-02-02 08:22
本文原創於微信公眾號:差評 作者:差評君
當大家還沉浸在過年的勁頭裏沒緩過來時,國際上針對中國的圍追堵截,並沒有因為新年而有絲毫放鬆。
就在前兩天,擋不住美國長期以來的威逼利誘,日本和荷蘭政府已經同意站隊美國一方,共同進一步限制中國半導體發展了。
雖然目前還沒有公佈具體的限制措施和實施時間,但像荷蘭的ASML、日本的尼康、東京電子,這幾個國際上為數不多擁有先進半導體制造工具生產能力的企業,都將擴大對中國的禁售範圍。

而且從目前透露出的消息來看,較大概率確定這次禁售範圍應該是被擴大到了高端 DUV 光刻機( 28-16nm 先進工藝 )。
這個製程的芯片主要是用在 Wi-Fi、藍牙、中低端手機處理器裏。
而且這類光刻機,之前國內公司已經猛買了一波,所以短期內對日常生活影響不會特別大。
其實與日常生活息息相關的各種醫療設備、收銀設備、辦公設備裏的主力軍是 45-28nm 工藝的。
只要這部分產品我們不受限或者自己能造,那就不用太擔心。

不過更多的具體影響,我們還是得等子彈再飛一會兒。
國內還沒吵起來,國外像 ASML 公司 CEO 温彼得就已經坐不住了,他公開表示了自己的不滿,還説步步緊逼的管制措施,反而會推動中國創造自己的技術。

把 “ 懂事 ” 打在評論裏!這不得借他吉言好好幹一波?
所以問題來了,國內有什麼辦法可以續上或者直接涅槃的?

眼下最能續上的,應該算是 Chiplet 技術,不過比起工藝,它可能更像一個思路。
在 Chiplet 思路里,最重要的就是先進封裝工藝,關於這部分咱們之前也聊過了,大家可以點擊下方圖片,看看咱們之前寫過的文章。
它最初的概念原型,出自摩爾在 1965 年的那篇著名論文《 Cramming more components onto integrated circuits 》,就是在這篇論文裏,摩爾提出了大名鼎鼎的摩爾定律。
也是在這篇論文裏,摩爾還提了嘴 “ 用較小的功能構建大型系統更為經濟,這些功能是單獨封裝和相互連接的 ” 。
這不巧了嗎, Chiplet 恰恰是這麼幹的。
我們都知道,隨着晶體管密度越來越大,芯片製造的難度也是越來越高。
所以, Chiplet 技術換了個思路。它把一個大的集成芯片,分成了不同的模塊,把它們分開造好後,再像堆積木一樣,把小芯片拼接起來,最終就能達到和大芯片一樣的效果。

再加上先進封裝工藝,一套組合拳下來,使用 10nm 工藝製造出來的芯片已經可以達到 7nm 芯片的集成度。
不用在製作工藝上鑽牛角尖,卻實現了接近先進製作工藝的水平,這不就是彎道超車?
除此之外, Chiplet 技術還有更多好處。
要知道,芯片裏的不同模塊,對於製程的需求是不一樣的。有些模塊可能巴不得你上到 1nm ,但有些模塊用 28 nm 也沒問題。
但如果把這倆模塊放一起造,只需要 28nm 的模塊也得被迫用上 1nm 的製程,這不就是純純的浪費?
這就好比是組隊吃火鍋,吃辣的人只能遷就不吃辣的,點個清湯鍋。
而 Chiplet 就像一口鴛鴦鍋,能把大家的需求全都安排上。

不僅如此, Chiplet 技術還能讓每個模塊都用上更合適的材質。
舉個例子,我們手機裏有個射頻芯片,主要管收發信號的,早期的時候因為數據傳輸又少又慢,用硅來當材料也就夠了。
可隨着 4G 、 5G 的大規模應用,飛漲的數據傳輸量和速度讓硅力不從心,所以現在手機裏這部分芯片都把硅換成了磷化銦、氮化鎵之類。
原材料都不一樣,那就沒法做成 1 個集合芯片了,但拆分成兩個獨立芯片,隨之而來的就是功耗、延遲、佔用空間變大等問題。
而用了 Chiplet 技術,在同一塊芯片用上不同的材質,完全不成問題。

每部分都可以單獨定製調整的優點,讓 Chiplet 技術從產品迭代方面看起來也更有性價比。升級換代某個模塊,總比全部推倒重來要便宜、方便很多吧。
但它也有自己的一些問題,比如你得先保證各方製作的芯粒之間,能夠互聯互通,不然你説你的我幹我的,放一起就是個麻煩。

所以在去年 3 月, Chiplet 技術的高速互聯標準—— UCIe ( Universal Chiplet Interconnect Express ,通用芯粒互聯技術 )正式推出,也算是初步在芯片封裝層面,統一了度量衡。
UCle 產業聯盟董事會▼

而國內顯然也嗅到了這一機會,就在去年 12 月中,由中國集成電路領域相關企業和專家,共同主導制定發佈了《 小芯片接口總線技術要求 》團體標準。
雖説如此,但實際上,目前 Chiplet 技術仍舊以國際幾大巨頭為主導,包括 AMD 、三星、蘋果、台積電在內,都創建了自己的 Chiplet 生態系統。
不過呢,相較於芯片製造,國內芯片的封裝市場情況明顯好上不少,像通富微電、長電科技都在積極佈局。

總的來説,在 Chiplet 方向上,我們是跟上了潮流,在未來,也能期待下這個技術發光發熱,只是真指望用 Chiplet 技術進行所有的先進工藝替代,實在有點勉強。
真要突破國外卡你芯片脖子,還得自己能造。所以我們還可以選擇換條賽道。

眼下,確實有種方案擺在面前,那就是光子芯片。

顧名思義,光子芯片傳輸信號的方式,就是用光。
説起來,用光做芯片和用電做芯片,兩個概念的提出時間其實很接近,但是為啥現在全是電子芯片呢?
因為人們找到了 “ 晶體管 ” ,這個和 “ 電 ” 絕佳的配合搭檔,晶體管能很方便地用一個或者多個電壓信號產生另一個信號,這樣成百上千就組成了千變萬化的模擬、數字電路。

然而在光學領域,人們撓破頭,也沒有找到屬於光的 “ 光晶體管 ” 。
就這樣,光子芯片被塵封了幾十年。
然而, AI 時代的到來,神經網絡的發展,讓光子芯片有了全新的生命。
2017 年,一篇叫《 Deep learning with coherent nanophotonic circuits 》的論文在頂級期刊《 Nature Photonics 》上發表,它論證並實現了光子器件可以直接計算矩陣乘法。
矩陣乘法,就是現在 AI 裏最常用的運算之一。而且越複雜的算法,矩陣乘法的規模越大。

在常規的電子芯片中,要進行矩陣乘法運算會非常複雜,這也是為什麼 AI 算法這麼吃算力, CPU 和 GPU 怎麼進化都不夠用。
但光子芯片經過一組光路模塊之後,天然就能夠實現矩陣乘法,甚至只要增加光路,就能夠實現更大的矩陣乘法。
所以,拋棄了 “ 光晶體管 ” 這個死衚衕之後,光子芯片竟然在計算領域有了彎道超車的機會。
例如我國的曦智科技,在 2021 年推出的高性能光子計算處理器 PACE ,在一些特定領域已經能夠秒殺市面上的同類電子芯片競品,成為了全球首個實物示範出光子芯片優勢的計算系統。


除此之外,還有個理論上的賽道,碳基芯片。
碳基芯片目前就是,把芯片裏的硅直接換成石墨烯,工藝啥的統統不用變。
能這麼硬換是因為石墨烯太優秀,石墨烯晶體管的運行速度比硅晶體管快上 5-10 倍,功耗卻只有 1/10 ,還不受摩爾定律的約束。
這樣一來,碳基芯片就能既要又要還要。

也正是因為這些優點,所以 90nm 工藝的碳基芯片性能可以趕上 28nm 的硅基芯片, 28nm 工藝可以等效 7nm ,到了這程度國產的設備已經完全夠用了呀。
這麼一來,脖子都沒了,還卡個屁呀。

雖然碳基芯片目前還在實驗室階段,中外競爭主要體現在論文成果上。

但是,國際上的研究還真不多,相比之下,國內無論是論文發表數量,還是一定條件下的碳基晶圓生產,都存在一定的領先。

但碳基芯片大面積推廣的問題也很多,最最主要問題是,碳納米管的提純太難,都不説石墨烯的製取難度,光是地球上碳的含量都遠遠不如硅。
而且,現在石墨烯晶圓量產的工藝條件還不成熟,沒辦法進行大規模量產,只能在實驗室裏玩玩。
不僅如此,從硅換成碳,雖然可以直接複用之前的半導體工藝設備,但實際上還是有 10% 的工藝設備需要重新調試改進。
看着是不多,但就半導體工藝環節的體量, 10% 的工藝設備改進足夠大家喝一壺的了。

不過據行業內部人士分析,未來 3-5 年內,難度相對較低的物聯網碳基芯片能實現商用,但手機、電腦裏的則還得等更久一些。
説了這麼多,理性的看,面對海外逐漸勒緊的芯片卡脖子,在先進工藝老賽道里,除了喊句 “ 加油 ” 、説句 “ 相信 ” ,也沒什麼更多辦法。
可跳出原來的思維定式,不執着於糾結在 7nm 、 5nm 製程這些數字上,反而多想想能不能用 28nm 、 14nm 技術實現 7nm 、 5nm 的性能,不也能贏?
所以像 Chiplet 彎道超車,像光子芯片和碳基芯片這樣換道超車,誰敢説就一定不行呢?
回到現實情況來看,目前可以用來突破卡脖子的新技術裏,還是以 Chiplet 最為現實,可它也是幾個新技術裏中外差距最大的,不過總比死磕光刻機啥的好弄吧,頂一頂,多爭取點時間也挺好的。
後兩種新技術光子芯片和碳基芯片,眼下都是屬於夢想很美好,現實很艱難,未來不確定的狀態。
萬一我們在外部封鎖日益嚴重的情況下,在這兩者裏有了關鍵突破,那就可以上 BGM 了: “ 那年我雙手插兜,不知道什麼叫對手。 ”
圖片、資料來源:
Bloomberg:ASML Says Chip Controls Will Push China to Create Own Technology
Bloomberg:Biden Nears Win as Japan, Dutch Back China Chip Controls
The Economist:Artificial intelligence and the rise of optical computing
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