作者| 刘炜

编辑| 王亚男

现代社会里几乎所有的电子设备或是由电子控制的装置都需要芯片（IC, Integrated Circuit），各种各样的芯片。小到交通灯，手机，大到汽车，飞机，大型医疗器械….方方面面都离不开芯片。没有汽油一个社会还可以存活几天，没有芯片，现代文明的所有一切都得瘫痪。

芯片产业其实包括几个方面：第一，集成电路设计；第二，集成电路制造设备与制程；第三，集成电路的制造与封装。
1a. CPU IC 设计从架构上看，可以有Intel x86 与ARM，前者主要用于PC，wintel 硬件，后者主要用于mobile device。前者是based on CISC（Complex Instruction Set Computing）,后者based on RISC（Reduced Instruction Set Computing），主要区别是后者省电。国内IC Design应该可以赶上，只要投入资金与人力。这就是华为海思以前干的，

1b. 世界上所谓的芯片公司，有一些是fully integrated, 所谓的integrated device manufacturer （IDM）, 就是这些公司他们除了设计IC，还自己制造生产IC，也就是芯片，这些包括Intel，美光，三星…，更多的芯片公司只是设计而已，自己并不生产，而是让代工企业生产，这些公司就叫fabless IC company，比如Qualcomm, Nvidia……

1c. 之所以有代工企业，主要是因为每一个IC 制造厂（简称fab）常常需要投资几十甚至上百亿美金。而一个fabless 公司，起始投资不到其十分之一就可以。而IC制造外包除了cost saving 之外，还可以尽可能保证产品制造的先进与产量的稳定。世界上最大的代工企业（foundry）是TSMC，台湾集成电路公司，国内现在最大的是SMIC，两者之间差的技术代差有3-4代。

2a. IC的制造最主要的瓶颈在于制造设备与工艺。这是因为，每一片芯片，制造需要几百步步骤，除了无尘室这类硬体环境外，关键在于这些步骤都需要专门的先进设备与制程，这些处理方式，牵涉到了科学技术的最前沿，需要用到各种不同的物理与化学过程。等离子体，表面化学反应，激光物理，材料科学，机械自动化，软件控制…. 很多都是纳米级别的技术，更进一步的是，每一道工序，要求的是12寸晶圆上几百上千的重复单元（die）都得制造得一模一样，uniformity 都要在0.5% 1s以下，再进一步，一片晶圆和下一片晶圆之间的差别也要在0.5%1s以下，这样的重复生产，要求的是几万片下来，差别在1%之内。这就对设备与制程设计要求奇高。可以这么说，IC 制造设备与制程是对基础科学最前沿研究在工业界应用的最高级别的考验。日本还是有一家大规模的设备公司。德国，没有。荷兰，有一家。其余大的设备公司，全在美国。因为只有美国才能聚集这么多人才与资金。而且，这应该也是美国的战略部署。

2b. 可以这么说，ICdesign 也许只需要EE 和软体工程师，但是制造设备与制程的设计，需要的则是科学与工程界方方面面的人才，物理的，化学的，机械自动化的，软件设计与控制的，材料科学的，电工的…..。起始设计人才，大部分都是博士学位，而且，需要的是成百上千的，不是一个两个，十个二十个，每个人只是懂得其中一个方面而已。更多情况下，需要的是那种跨学科的人，懂得不同方面知识的人。这几乎是不可能从学校里找到的，都是经过一大段时间里从工业界慢慢培养出来的。在这人海科研中，四十年来积累的几万个IP patent，如凭一个设想，一两千亿投资，短时间内就想赶上是不太可能。这个追赶需要长时间的沉下心来实实在在地努力，不能靠浮夸。

2c. 现在最新的3nm 制程，明年（2022年）下半年台积电就要进入生产，Intel整整落后了一代以上，据传闻Intel会开始让台积电代工它最advanced的芯片，想来如果不这么干的话，早已让台积电代工生产CPU的AMD必然会进一步侵蚀其CPU与server的市场份额。在这个制程里，每个晶体管里面的尺寸已经达到10-15个原子大小了。有些地方只有几层原子层在作用。这在学校科研中，成功一次不难，可是在工业界，你是需要几万几十万片晶圆（每片上还有上千个IC 重复单元），尺寸都要一致，而且十年以内不能有所变化。这就是难度。最后，还要要求每一颗芯片要便宜（有些不到几块钱），这就是要求工业化制造速度要快。这些，非一日可成的。国内SMIC现在在生产的制程是14nm,差了整整三到四代。

2d. 正如纺织工业一样，其真正的技术在于纺织机械设备的设计与制造，相比之下，一块布料的设计与组织生产这块布料，技术成分反倒少了许多。这就是为什么西方社会，可以outsource IC 制造业，可以让台湾等来生产制造IC，但是决不允许设备研发与工艺制程研发公司流出到别的国家。硅谷地价这么贵，芯片生产企业一家家搬出去，甚至卖给国外，但是主要设备制造设计公司如Applied Materials, Lam Research, KLA 都还在硅谷。有一家美国公司曾经想吞并一家日本大公司，然后到荷兰注册，借以逃税，结果，被美国政府毙了。原因也很简单，核心技术出了国界就不好控制了。

2e. 美国政府为了控制IC科技的流出，规定凡是输入中国的IC制造设备，一定要有两代代差以上（The Wassenaar Arrangement瓦圣纳协议， 1996）。而且，即使你有了设备，只要掐住技术支持，不支持制程技术，不持续提供备件，有设备也是白搭。

2f. 芯片制造业最令人感到可怕的是，每两年不到，就推进新的一代。每两年，同一片大小的芯片上容纳的transistor 数目就要增加一倍，基本上性能提高2倍以上。这就是所谓的Moore’s law，一条dominated了过去五十年芯片产业的铁律。

3a. 设备公司制造出设备研究出制程之后，就卖设备给IC制造公司像Intel、三星、台积电，然后教他们如何用，根据他们设计的device流程，tailor 各种加工菜单给他们，比如，他们其中一步需要在哪里挖个怎样怎样的沟，设备公司就会给出一个菜单，让机器照着菜单，一步一步来，什么时候该通什么气体，怎样产生等离子体，在什么时候该让里面的离子带有多大的动能，然后冲击进而与晶圆上每个单元里的那层需要挖走的物质反应，再形成反应产物搬走…..

3b. 那么在IC制造公司里，他们注重什么呢？第一，设计合理不合理？不光是电路设计，还在于生产流程的分步骤是否合理。因为每一步都牵涉到各种高精尖的技术，合在一起之后，几百步之后，这个device 是不是还能有效达到他所设计的要求？不光是能不能做到他应有的功能，还在于他能不能省电（特别是在mobile device上），能不能存储信息十年以上（memory device的基本要求），等等。再下一步，他要赚钱，所以，需要看产品良率高不高，如果不够高，那他赚钱的能力就大大下降了。所以他需要一整套的管理方式来掌控，都是在高压下组织生产，也因而把很大一部分压力转嫁给各个设备厂商。资本主义制度要求要有竞争啊，所以，每一个步骤，几乎都有两家以上的设备公司在竞标。

必须先澄清一下，所谓的中国已成为最大的半导体市场，那是因为像苹果手机这样需要大量IC组件的应用端产品大量在中国来料组装的结果，而并不是因为中国人使用IC产品在世界范围内最多的缘故。一旦市场有个风吹草动，情况不再稳定，这种来料加工组装的代工厂完全有可能在几年之内迁移到其他具有大量廉价劳动力的国家，因为这一加工组装环节技术含量相对来说较低，所以富士康等公司获得的利润率并不高（苹果公司的毛利率接近40%，而富士康的利润率却只有个位数的百分点）。是，为了利益，西方公司也会卖设备制程给你，因为要赚钱，可是，他绝对不会教你里面的所以然，你只会知其然。而设备与制程的更新，都是两年左右一代，你是无法自我消化原有的产品而在这么短的时间内自己研发出下一代的，也就是说，你每一代产品，都得继续买他们的新设备与制程，而且还得看人家卖不卖。网上查了一下，华为最新的麒麟990 5G（华为首款旗舰5G SoC芯片）用的就是台积电7nm+ EUV工艺制程工艺。所以华为的IC 设计是很好的，也是自家的，不这样，他跟不上苹果手机的进步。但是即使这样，他还是受制于IC制造，得国外代工公司制造芯片。另外一点也非常重要，就是IC设计需要用到的EDA（计算机辅助设计软件）完全由国外大厂控制，哪天被人家一掐住，设计IC也就成问题了。前面这段写于两年前，现在竟成了现实。

我之所以对中国芯片产业发展持比较悲观的原因有这么几个：第一，芯片制造，特别是设备与制程的研发这一块，是实打实的把基础科学发展运用到工业界上，这需要的不仅仅是政府的指导与全力扶持就能短时间内做好的。这需要的是成千上万的各科人才，沉下心踏踏实实研究，一步一步来做，而且必须是各方向同步进行的。这就需要克服浮躁，虚华的社会氛围，不可一会儿狂妄自大，一会儿坑蒙欺骗，因为结果必须是实打实的，一句话，不能是为名为利而走捷径。这一追赶过程，不是几年内就可以做到的。

第二，如何绕开西方国家的专利壁垒，这样的技术发展，不可避免地会碰到几万个已经存在的专利。现阶段，不要一味地想着弯道超车，先得吃透现有的技术，不然绝没有赶超的可能。

最后我觉得也是最重要的一点是，IC产业是一个不断发明不断创新的产业，是一个对知识与科学的充分尊重的产业。要发展这个产业，需要一个自由的氛围，一个诚信的社会，一个尊重人才与知识的机制。自由的灵魂产生自由的思想，自由的思想才能推动社会的发展。

拓展阅读，本期另外两篇短文：
II.芯片制造的简单科普— 技术篇
III.浅谈芯片的古往今昔 — 历史与市场篇

注：基于2018，2020年初版，于2021年中补充、审订、更新 （图片均来自网络）。