長(zhǎng)期以來(lái)，中國(guó)芯片產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)“積弱”現(xiàn)狀，而芯片自研的缺失已經(jīng)嚴(yán)重限制了中國(guó)科技發(fā)展，也毀掉很多具備優(yōu)秀基因的科技企業(yè)，我們正面臨著空前的壓力。

越來(lái)越多的民族企業(yè)逐漸意識(shí)芯片核心技術(shù)缺失的后果，并試圖改變這一現(xiàn)狀，張汝京就成立中芯國(guó)際，開(kāi)創(chuàng)了芯片國(guó)產(chǎn)化的先河;華為成立海思，自主研發(fā)芯片……盡管中國(guó)在芯片產(chǎn)業(yè)上奮起直追，但一個(gè)殘酷的現(xiàn)實(shí)是，中國(guó)最先進(jìn)的芯片技術(shù)依舊遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后，其原因既涉及技術(shù)瓶頸，又與核心產(chǎn)業(yè)環(huán)節(jié)的缺失有關(guān)。

積弱的“芯片”產(chǎn)業(yè)

國(guó)家海關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，2018年，中國(guó)芯片進(jìn)口總量為3120億美元，占全球集成電路5000億美元市場(chǎng)規(guī)模的近60%，進(jìn)口額度超過(guò)石油，位列國(guó)內(nèi)進(jìn)口商品第一位。

實(shí)際上，中國(guó)芯片關(guān)鍵核心技術(shù)對(duì)外依賴(lài)度高，80%的高端芯片都靠進(jìn)口。一旦臺(tái)積電斷供，中國(guó)芯片將落后西方5-10年，甚至更多。

芯片生產(chǎn)主要由設(shè)計(jì)、制造、封測(cè)三個(gè)環(huán)節(jié)構(gòu)成。

從設(shè)計(jì)上看，中國(guó)最領(lǐng)先的芯片設(shè)計(jì)公司是華為海思，當(dāng)了十幾年“備胎”的海思也是近幾年剛走上發(fā)展的快車(chē)道，逐漸擺脫美國(guó)影響。

從制造上看，全球最大的芯片制造巨頭是臺(tái)積電，已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)5納米制備工藝的量產(chǎn)，與此相對(duì)的是中國(guó)最好的芯片制造公司中芯國(guó)際，剛剛能夠完成14納米制備工藝量產(chǎn)，與世界頂尖的制備工藝相差甚遠(yuǎn)。

從芯片生產(chǎn)的核心設(shè)備光刻機(jī)上看，荷蘭ASML公司是全球唯一能夠達(dá)到7納米精度的光刻機(jī)供應(yīng)商，其在45納米高端光刻機(jī)市場(chǎng)的市占率達(dá)到80%，而中國(guó)最好的光刻機(jī)生產(chǎn)商上海微電子才剛剛能生產(chǎn)90納米的低精度光刻機(jī)。

中國(guó)芯片產(chǎn)業(yè)為何落后至此?

首先，芯片行業(yè)是個(gè)極耗時(shí)間與金錢(qián)的行業(yè)，可能幾十年都不一定有成績(jī)出現(xiàn)，數(shù)百億的投入打水漂更是常見(jiàn)，無(wú)形中提升了芯片行業(yè)的準(zhǔn)入門(mén)檻。

其次，由于《瓦森納協(xié)定》，中國(guó)難以接觸最新的芯片技術(shù)，也買(mǎi)不到近兩代的芯片設(shè)備。

《瓦森納協(xié)定》又稱(chēng)瓦森納安排機(jī)制，目前共有包括美國(guó)、日本、英國(guó)、俄羅斯等40個(gè)成員國(guó)，“瓦森納安排”規(guī)定成員國(guó)自行決定是否發(fā)放敏感產(chǎn)品和技術(shù)的出口許可證，但實(shí)際上出口安排完全受美國(guó)控制，“瓦森納安排”已經(jīng)成為對(duì)華高科技出口管制的主要“指導(dǎo)性文件”。

當(dāng)然，除了美國(guó)的限制，摩爾定律本身面臨停滯的挑戰(zhàn)，使得中國(guó)芯片產(chǎn)業(yè)的發(fā)展難上加難。

摩爾定律之難

所謂摩爾定律指的是集成電路特征尺寸隨時(shí)間按照指數(shù)規(guī)律縮小的法則，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是集成電路芯片上所集成的電路的數(shù)目，每隔18個(gè)月就翻一番。

摩爾定律是由英特爾創(chuàng)始人之一Gordon Moore提出的，在此前的50年間，半導(dǎo)體制備進(jìn)程一直遵循著這一定律。但摩爾定律并非數(shù)學(xué)、物理定律，而是對(duì)發(fā)展趨勢(shì)的一種分析預(yù)測(cè)。摩爾定律的本質(zhì)是經(jīng)濟(jì)規(guī)律，隨著制程的升級(jí)，同樣的芯片制造成本會(huì)越低，因?yàn)閱挝幻娣e晶體管數(shù)量的增加使得相同芯片所需的面積減小，因此一旦制程升級(jí)過(guò)慢，芯片成本將會(huì)居高不下。

然而，經(jīng)過(guò)這么多年的發(fā)展，隨著半導(dǎo)體制程特征尺寸縮小越來(lái)越困難，即將達(dá)到一個(gè)瓶頸，且研發(fā)成本越來(lái)越高，投資風(fēng)險(xiǎn)加大，越來(lái)越多的人士認(rèn)為摩爾定律達(dá)到了極限瀕臨失效。

據(jù)了解，當(dāng)特征尺寸縮小到10nm的時(shí)候，會(huì)產(chǎn)生諸多量子效應(yīng)，使晶體管的特性難以控制，如量子隧穿效應(yīng)會(huì)非常嚴(yán)重，導(dǎo)致晶體管漏電嚴(yán)重;另外，隨著光刻精度的提升，特別是5nm后，勢(shì)必需要波長(zhǎng)更小的紫外光以及對(duì)紫外光敏感的光刻膠，使成本更高。

針對(duì)“摩爾定律達(dá)到極限”這一課題，業(yè)界給出了三大演進(jìn)發(fā)展方向，分別是“More Moore”、“More than Moore”、“Beyond CMOS”。

More Moore指的是沿著摩爾定律繼續(xù)發(fā)展，每?jī)傻饺曜笥揖w管數(shù)量翻倍，當(dāng)然對(duì)于特征尺寸縮小至10nm之后的出現(xiàn)的漏電問(wèn)題，屆時(shí)對(duì)于晶體管的優(yōu)化將從性能提升轉(zhuǎn)變?yōu)槁╇妰?yōu)化。

More than Moore指的超越摩爾定律，轉(zhuǎn)為應(yīng)用需求驅(qū)動(dòng)，即優(yōu)化其他功能組件，開(kāi)發(fā)新的應(yīng)用功能。

Beyond CMOS指的是發(fā)明在硅基CMOS遇到物理極限時(shí)所能倚重的新型器件。

在筆者看來(lái)，摩爾定律三大演進(jìn)發(fā)展方向的本質(zhì)是摩爾定律在5nm后很難再延續(xù)。

事半功倍的升維打擊

以史為鏡，可知興替。

互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，無(wú)數(shù)次的紅海競(jìng)爭(zhēng)最終被更高維度的新技術(shù)產(chǎn)業(yè)所覆蓋，正如曾經(jīng)PC端市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)陷入紅海，無(wú)數(shù)PC廠家誰(shuí)也無(wú)法征服誰(shuí)，但智能手機(jī)的出現(xiàn)取代了部分PC應(yīng)用場(chǎng)景，智能手機(jī)以一騎絕城態(tài)勢(shì)沖擊著PC產(chǎn)業(yè)，同時(shí)開(kāi)啟了移動(dòng)互聯(lián)時(shí)代。

半導(dǎo)體芯片產(chǎn)業(yè)同樣如此，追趕解決不了半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的停滯問(wèn)題，未來(lái)科技的制高點(diǎn)不是追趕就能到達(dá)的，另辟賽道或許才是破局的關(guān)鍵。在More Moore, More than Moore和beyond Moore之中將會(huì)孕育新的世界級(jí)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，我們不應(yīng)止于追趕，更應(yīng)該下定決心大膽變道超車(chē)。

值得擔(dān)憂(yōu)的是，當(dāng)下對(duì)新賽道的重視度依舊有限。大基金二期總規(guī)模超2000億，如果按照1:5的撬動(dòng)比，大基金二期的資金總額將超過(guò)萬(wàn)億元，然而大基金的主要目標(biāo)依舊是繼續(xù)支持集成電路龍頭企業(yè)做大做強(qiáng)，對(duì)于新半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)賽道的支持，特別是新工藝的支持有多大還是一個(gè)問(wèn)號(hào)。

據(jù)悉，“大基金”是在2014年9月由工信部、財(cái)政部的指導(dǎo)下設(shè)立，其成立目的是為了扶持中國(guó)本土芯片產(chǎn)業(yè)，減少對(duì)海外的依賴(lài)。從某種程度上講，大基金的扶持方向代表著半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)未來(lái)的發(fā)展方向。

三大演進(jìn)方向，芯片產(chǎn)業(yè)破局可期

在筆者看來(lái)中國(guó)芯片產(chǎn)業(yè)在5年內(nèi)以需求為導(dǎo)向的能夠商業(yè)化的三大新產(chǎn)業(yè)有機(jī)會(huì)改變當(dāng)下中國(guó)芯片產(chǎn)業(yè)窘境。

首先，伴隨AI崛起，以憶阻器為代表的模擬計(jì)算芯片。

當(dāng)下全球AI芯片市場(chǎng)，國(guó)內(nèi)AI芯片廠商與國(guó)外巨頭基本處于同一起跑線(xiàn)，AI領(lǐng)域的應(yīng)用目前處于技術(shù)和需求融合的高速發(fā)展階段，還沒(méi)有形成穩(wěn)定模式。而隨著人工智能相關(guān)技術(shù)的革新，應(yīng)用場(chǎng)景會(huì)向多元化進(jìn)階，國(guó)內(nèi)AI芯片市場(chǎng)將會(huì)愈發(fā)寬廣。

6月2日，寒武紀(jì)在科創(chuàng)板首發(fā)過(guò)會(huì),成為A股AI芯片第一股。而國(guó)內(nèi)資本也非常關(guān)注人工智能芯片的發(fā)展，大批企業(yè)獲投，如壁仞科技獲得11億元的A輪融資，AI芯片市場(chǎng)被激活，有望超越世界。

其次，以碳納米管，石墨烯等新材料為代表的10倍提升現(xiàn)有芯片能力的新材料體系有望成為新的產(chǎn)業(yè)，改變芯片行業(yè)格局。

很多國(guó)外廠商目前已經(jīng)減少甚至停止投入研究新材料，面對(duì)高額的研發(fā)費(fèi)用和遙遙無(wú)期的成果，很多國(guó)外企業(yè)不堪重負(fù)。

與此同時(shí)，國(guó)內(nèi)新材料研發(fā)捷報(bào)頻傳，已經(jīng)走在了世界第一梯隊(duì)。北京大學(xué)張志勇-彭練矛教授的科研團(tuán)隊(duì)，通過(guò)獨(dú)創(chuàng)的制備工藝，在4英寸的基底上，制備出密度為120/μm、純度高達(dá)六個(gè)九，也就是99.9999%的碳納米管陣列。在密度和純度這兩個(gè)重要的指標(biāo)上，比過(guò)去的類(lèi)似的研究高出了1-2個(gè)量級(jí)。同時(shí)，研究人員還批量制作出了相應(yīng)的晶體管和環(huán)形振蕩器來(lái)驗(yàn)證這種新工藝的批量生產(chǎn)潛力。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，這些晶體管和環(huán)形震蕩器的性能，首次超過(guò)了同等尺寸下的傳統(tǒng)硅芯片里面的器件，證明了碳芯片確實(shí)有可能比硅芯片更強(qiáng)。

最后，以與人體結(jié)合的柔性半導(dǎo)體芯片為代表的柔性電子與印刷電子方向。

傳統(tǒng)的芯片加工采用減材制造技術(shù)，即通過(guò)等離子刻蝕或酸液腐蝕將不需要的材料去除，從而形成功能材料的圖形結(jié)構(gòu)。而微電子打印的本質(zhì)是增材制造技術(shù)，不依賴(lài)于基地材料性質(zhì)，相比傳統(tǒng)芯片只能在硅基半導(dǎo)體晶圓上制備，微電子打印機(jī)可以在塑料、紙張、布料等低成本柔性材料表面制造電子器件與電路。

實(shí)際上，中國(guó)在印刷電子領(lǐng)域有了長(zhǎng)足的發(fā)展，從印刷設(shè)備、到電子墨水再到基地材料都在逐步擴(kuò)展，冪方科技等國(guó)內(nèi)公司已研發(fā)出微電子打印機(jī)，可以打印出太陽(yáng)能電池、電子元器件、顯示器件、傳感器等。

因此，柔性電子打破了傳統(tǒng)的制備工藝，隨著柔性電子的產(chǎn)業(yè)化，人與計(jì)算機(jī)將進(jìn)一步融合，甚至這不是猜測(cè)，已經(jīng)成為了現(xiàn)實(shí)，國(guó)內(nèi)已經(jīng)有公司研發(fā)出智能皮膚，通過(guò)柔性電子技術(shù)以及可全天佩戴的可穿戴系統(tǒng)，與身體同步收集信息。

這三大演進(jìn)方向在不久的未來(lái)或許可以打破國(guó)產(chǎn)芯片的窘境，換道超車(chē)勢(shì)在必行。