淺析國產芯片的突圍之路_風聞

一、引言。

前些日，華為Mate60突然未發先售，多項技術如平地驚雷，劍指昔日“卡脖子”的外國友商：衞星通話，讓蘋果三星黯然失色；7nm芯片，引光刻巨頭拆機鑑賞。而其中的芯片，不僅是華為曾經的痛，更如一片陰霾籠罩於我國每個涉足高端製造的企業之上。長久以來，國外芯片大廠憑藉起步較早的優勢，牢牢壟斷着高端制芯上游專利。國內對芯片需求大的企業一旦發展過快，對方便會藉此扼住關鍵命脈，阻止中方企業對其實現超越。

我國從上世紀便對芯片產業進行了佈局，成立於21世紀之初的中芯國際更是在芯片製造上取得了一定成績，可實現14nm芯片量產，及7nm芯片製造。但若想實現進一步突破，光刻機成了最大難題，特別是高精度的EUV光刻機（極紫外光刻），遭到了美國嚴格的進口禁令。

而華為Mate60所搭載的7nm芯片，正代表了我國突破封鎖、實現高端芯片量產的里程碑式突破，網絡上更是出現了國家用“光刻廠”代替EUV光刻機的傳聞。實際上，這個“光刻廠”是由清華相關團隊提出的SSMB-EUV光源技術（高能加速器產生極紫外光源），目前尚在建設，還未至量產芯片階段。華為的7nm芯片大概率是由DUV光刻機（深紫外光刻，比EUV次一級）結合多重曝光等技術刻出的，這種方法雖然能造出7nm芯片，但會使良品率下降，且極難再向更小製程的5nm、3nm突破。掌握EUV光刻技術或替代方案SSMB-EUV光源技術，仍是我國芯片邁向高端化的最關鍵難題之一。

那麼，當前國內外芯片市場格局如何？EUV光刻機為何是高端芯片製造的關鍵？SSMB-EUV能否帶領國芯突破重重封鎖？本文將主要圍繞這三點來進行解讀。

二、國內外芯片市場格局。

 （數據來源：美國半導體協會）

從2022世界各國/地區芯片生產價值佔比來看，美國獨佔48%，接近全球總量一半，擁有英特爾、高通、博通等諸多頂尖芯片製造廠商，覆蓋微處理器、計算機、移動通信等領域；韓國位居第二，擁有19%份額，其三星、海力士在手機、存儲芯片領域位於世界前列；日本和歐盟同為9%，分別擁有瑞薩、索尼，意法半導體、荷蘭ASML等老牌芯片領域廠商；此後為中國台灣，佔比8%，擁有台積電、聯發科兩大知名芯片製造商；中國大陸生產芯片價值佔比最少，僅7%。一方面是由於生產量不高，受眾多外國品牌壓制，2022年佔全球總量約16%；另一方面是國內芯片產業整體起步晚，偏向於生產低端芯片，單品價值低。但值得肯定的是，近年來本土芯片品牌如中芯國際、紫光展鋭、華為海思等正呈加速發展之勢，為我國實現彎道超車積累技術基礎。

（數據來源：TechInsights）

2022年總計5286億美元的國際芯片市場中，我國擁有1644億美元市場規模，佔比超31%，在全球地位舉足輕重，更是各大芯片廠商的重要收入來源。然而，國內市場份額，卻多數流向了外來品牌，本土企業所生產的芯片在國內市場佔比偏低。

（數據來源：TechInsights）

2022年，我國所生產的芯片價值約300億美元。其中，接近一半（148億美元）是由在中國大陸設廠的外資企業生產的，本土企業生產芯片的價值為152億美元，僅佔國內市場總價值的9.2%。

國內外市場的不利現狀，表明國產芯片的高端化量產迫在眉睫，這對於奪回市場主導權、解決卡脖子難題、乃至國家戰略性發展都具有重大意義。

華為Mate60所使用的國產7nm芯片，便是提振行業信心、反制國外壟斷的“第一槍”。全球權威半導體行業觀察機構TechInsights的副主席評價稱：“令人歎服的質量水平，是我們始料未及的，它肯定是世界一流的。”“距離最先進的技術僅在2-2.5節點範圍內。”而要實現進一步的突破，在芯片領域做到遙遙領先，便繞不過EUV光刻機這一關鍵技術。

三、EUV為何是高端芯片製造的關鍵？

 芯片製造主要有八個基本步驟：晶圓加工、氧化、光刻、刻蝕、薄膜沉積、互連、測試和封裝。一套完整工序下來，原材料（石英沙）便脱胎換骨，成為人類智慧的結晶--芯片。

以上各個工序，我國其實皆有涉足，且部分工序已在國際上具有一定競爭力。如刻蝕領域，中微公司製造出成熟的5nm刻蝕機；測試、封裝領域，本土企業更是在2022年全球前十強中佔據9席，技術實力躋身前列。其他領域，雖或多或少與歐美發達國家有一定差距，但也都有可投入使用的國產品牌。

這麼一看，我國芯片產業也並不是毫無戰力，那又為什麼會被“卡脖子”呢？這主要就是因為芯片製造工序中的“光刻”技術壁壘高、研發週期長，尤其是EUV光刻機。這裏簡單解釋下相關名詞：EUV（極深紫外光）波長為13.5nm，次一級的DUV（深紫外光）波長為193nm。波長越短的光，可以刻出越小的晶體管。晶體管即是芯片上的電子元件，它的體積越小，在同面積下芯片所能刻出的數量就越多，芯片的性能也就越強。想要生產更先進製程的芯片，就需要EUV光刻機，或同波長水平的替代技術。

目前，我國只能製造DUV光刻機，能製造EUV光刻機的在國際上僅有荷蘭ASML一家。而ASML更像是一個外包商，EUV光刻機的零件僅有15%是其自主生產，核心專利也大多來自美國能源部。同時，還有韓國三星、中國台灣台積電、德國蔡司等企業也提供着不可或缺的技術支持，任何一家退出就造不出EUV光刻機。所以，我們説的“卡脖子”其實是眾多國家卡ASML，再由ASML卡我們。

那麼，正題來了，為什麼EUV光刻機這麼難造？因為其技術之精密繁雜，達到了難以想象的程度。這裏僅描述最為核心的兩點，一是光源，二是光學系統。

光源，也就是上文頻繁提到的極深紫外光。ASML的做法是用高功率的激光轟擊錫元素來產生極深紫外光源。聽起來平平無奇，展開講講就很誇張了：首先要讓一束激光準確擊中處於高速運動狀態、且直徑只有7.5-13um（約三千萬分之一米）的錫滴，使其形狀變為近似餅狀；在餅狀形態維持的一瞬間，立即用第二束激光轟擊它，便可將錫滴瞬間加熱至50 萬度+，使其釋放波長 13.5 納米的極深紫外光。而要持續穩定產生這種紫外光，需要以每秒鐘大約 5 萬次的頻率準確轟擊錫滴。

有了穩定的光源後，還需要用一套難度不遑多讓的光學系統來收集、控制光源，才能使光源“指哪打哪”。目前可為EUV提供配套光學系統的只有德國的蔡司，其中所用的鏡片可稱得上是目前人類所生產出的最光滑的物品，鏡面起伏僅約1個原子的直徑，接近物理意義上的絕對平整。通過11枚鏡片組成的光學系統，對極深紫外光進行收集、反射，最終將光源變成一把可控的“刻刀”。

當然，以上只是EUV光刻機中的一部分，從上個世紀到2019年，歷經20餘年，歐美等國才聯合生產出了第一台可進行商業生產的機器。面對這樣的技術壁壘，我國要實現從0到1可謂難於上青天。

然而，SSMB-EUV的出現讓事情出現了轉機。既然美國用製造難度高的EUV卡我們，那我們何不用製造難度低、且能達到同級別波長的新技術，來個輕舟越過萬重山？

四、SSMB-EUV能否突破封鎖？

答案是肯定的！

首先，從客觀上看，SSMB-EUV自身擁有無可比擬的優勢。它不僅能產生與EUV同波長的極深紫外光，且能夠從兩方面對EUV進行巨大優化。

其一，光源功率遙遙領先。目前EUV光刻機的功率偏低（250W），雖然可進行3nm芯片加工，但成本偏高，難以將成果廣泛應用於各行各業。而SSMB-EUV的穩態微聚束方式理論上可達（10KW），是EUV的40倍，可以合理成本進行3nm、2nm、乃至更小製程的芯片製造。

其二，光學系統難度大幅降低。由於SSMB-EUV光源的純淨度高，理論上只要3塊反射鏡，且鏡片面積僅需EUV的十分之一，就可完成對光源的收集、控制。值得一提的是，面積僅需十分之一併不代表難度只減少了10倍，這類尖端科技每進一小步都會有幾何式的難度上升，十分之一帶來的很可能是近百倍的優化。

而從主觀上來看，SSMB-EUV的研發環境極具緊迫性。美國的技術封鎖一方面暫時限制了我國邁入更高端芯片製造領域，另一方面也倒逼國內企業全力攻向技術研發。從2020年美國禁止代工廠芯片供給華為至今，3年時間，我們成功實現了7nm芯片的國產化量產。在億萬國民、及眾多業界先驅的熱切關注下，研發SSMB-EUV已不單單是某個機構、某個企業的任務，而被賦予了民族振興的希望。下一個3年，國產芯片又會有怎樣的新突破？7nm量產成熟化？更高端芯片領域？這些我們尚未可知，但可以相信的是，集中華之力，必能創國芯輝煌。當那一天到來時，曾被“卡脖子”的我們也能在芯片領域自豪地喊出“遙遙領先”！