中國(guó)芯片制造的各環(huán)節(jié)與國(guó)際的差距

“華為今天遇到的困難，不是依托全球化平臺(tái)，在戰(zhàn)略方向上壓上重兵產(chǎn)生突破有什么錯(cuò)誤，而是我們?cè)O(shè)計(jì)的先進(jìn)芯片，國(guó)內(nèi)的基礎(chǔ)工業(yè)還造不出來(lái)，我們不可能又做產(chǎn)品，又去制造芯片。”10 月 27 日，華為內(nèi)部網(wǎng)站 “心聲社區(qū)” 刊發(fā)出華為創(chuàng)始人任正非于 9 月中旬的一段講話(huà)。

兩天后的 10 月 29 日，英國(guó)《金融時(shí)報(bào)》透露，美國(guó)商務(wù)部表示，他們將允許更多的芯片公司向華為供貨，前提是不用于華為的 5G 業(yè)務(wù)。

芯片已經(jīng)成為中國(guó)高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的心頭之痛。盡管數(shù)十年來(lái)中國(guó)在這個(gè)領(lǐng)域傾注了幾輩人的努力，但最終依然面臨被卡脖子的威脅。

國(guó)人普遍關(guān)心的一個(gè)問(wèn)題是：中國(guó)在芯片研究上究竟走到了怎樣一個(gè)水平？本文從微觀角度，為你解讀芯片制造各環(huán)節(jié)與國(guó)際的差距。

芯片設(shè)計(jì)之母：EDA 軟件

中國(guó)在這一方面與國(guó)際前沿差距最大。

芯片設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中，EDA（Electronic Design Automation）軟件是集成電路設(shè)計(jì)必需、也是最重要的軟件工具。利用 EDA 工具，芯片的電路設(shè)計(jì)、性能分析、設(shè)計(jì) IC 版圖的整個(gè)過(guò)程都可以由計(jì)算機(jī)自動(dòng)處理完成，當(dāng)前在超大規(guī)模集成電路的設(shè)計(jì)過(guò)程中，EDA 工具不可或缺。如果沒(méi)有 EDA 軟件，面對(duì)今天數(shù)十億上百億的晶體管集成電路，光靠手工電路設(shè)計(jì)、繪圖簡(jiǎn)直無(wú)法想象；沒(méi)有 EDA 工具，再先進(jìn)的芯片設(shè)計(jì)公司都將無(wú)法順利設(shè)計(jì)出高端芯片。高通、英特爾、AMD、三星等芯片巨頭都需要采購(gòu) EDA 軟件和服務(wù)，華為當(dāng)然也不例外。此次華為海思被斷供就包括 EDA 工具，雖然華為購(gòu)買(mǎi)了 EDA 的授權(quán)，但是最新的版本已經(jīng)無(wú)法提供服務(wù)。

做出先進(jìn) EDA 工具的難度極大，主要有以下兩方面的原因。首先是技術(shù)方面，EDA 工具可以將復(fù)雜物理問(wèn)題用數(shù)學(xué)模型高度精確化表述，在虛擬軟件中重現(xiàn)芯片制造過(guò)程中的各種物理效應(yīng)和問(wèn)題；其次，利用數(shù)學(xué)工具解決多目標(biāo)多約束的最優(yōu)化問(wèn)題，可以求得特定半導(dǎo)體工藝條件下，性能、功耗、面積、電氣特性、成本等的最優(yōu)解，最后驗(yàn)證模型一致性問(wèn)題，確保芯片在多個(gè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的迭代中邏輯功能一致。

EDA 工具不可以獨(dú)立于半導(dǎo)體工業(yè)單獨(dú)開(kāi)發(fā)。芯片廠家想開(kāi)發(fā)出性能優(yōu)越的 EDA 工具，一方面自身要有好的算法，另一方面還需要和半導(dǎo)體制造工藝相結(jié)合，上下游經(jīng)過(guò)不斷磨合才能改良迭代到最佳狀態(tài)。僅有很好的軟件工程師，在算法方面有可能取得一定的技術(shù)突破；但 EDA 設(shè)計(jì)的后端工具要和先進(jìn)工藝相結(jié)合，工程師不僅要懂軟件，還要懂?dāng)?shù)學(xué)物理等基礎(chǔ)科學(xué)，以及微電子工藝，沒(méi)有自主研發(fā)的先進(jìn)工藝，要做出先進(jìn)優(yōu)越的 EDA 就不可能。

從商業(yè)角度來(lái)看，EDA 行業(yè)存在高度壟斷，美國(guó)的 Synopsys、Cadence 以及 2016 年被德國(guó)西門(mén)子收購(gòu)的明導(dǎo)國(guó)際（Mentor），壟斷了全球 90% 的市場(chǎng)份額。這三家公司各自經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的產(chǎn)業(yè)鏈上下游磨合，已經(jīng)形成了完整的生態(tài)體系。可以說(shuō)全球幾乎所有的芯片設(shè)計(jì)公司都是他們的客戶(hù)。站在商業(yè)的角度，芯片公司如果是自己開(kāi)發(fā) EDA 自己用，建立一個(gè)封閉生態(tài)，需要花費(fèi)大量的人力物力財(cái)力，在沒(méi)有用戶(hù)的情況下，商業(yè)意義會(huì)大打折扣。

在 EDA 環(huán)節(jié)，2018 年中國(guó)現(xiàn)存 10 余家 EDA 公司的銷(xiāo)售額累計(jì)僅有 3.5 億元，占全球份額不足 1%，與世界先進(jìn)水平的差距巨大。這一方面是因?yàn)閲?guó)內(nèi) EDA 公司起步晚，本身不具備先進(jìn)的算法；另一方面則是缺乏上下游協(xié)同整合的生態(tài)體系。國(guó)內(nèi)華大九天是一家從事 EDA 工具開(kāi)發(fā)的公司，被產(chǎn)業(yè)界寄予厚望；但與 Synopsys、Cadence、Mentor 相比，實(shí)力過(guò)于懸殊，國(guó)內(nèi)芯片設(shè)計(jì)公司因此幾乎 100% 采用國(guó)外的 EDA 工具。這樣就造成惡性循環(huán)，短時(shí)間內(nèi)看不到縮小和 Synopsys、Cadence、Mentor 技術(shù)差距的可能性。

這一塊要想趕上前沿水平，還需要國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)上下游眾多參與者的長(zhǎng)期努力。當(dāng)然，EDA 畢竟是軟件產(chǎn)品，在被限制使用后，面臨斷頭風(fēng)險(xiǎn)的公司也可以用盜版產(chǎn)品勉強(qiáng)生存，涉及到的法律問(wèn)題不在本文探討范圍。

IP 核技術(shù)：手機(jī) IP 核處于空白狀態(tài)

IP 核（Intellectual Property Core）是指在芯片設(shè)計(jì)中可以重復(fù)使用的、具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)功能的設(shè)計(jì)模塊。設(shè)計(jì)公司無(wú)需對(duì)芯片每個(gè)細(xì)節(jié)進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)購(gòu)買(mǎi)成熟可靠的 IP 方案，實(shí)現(xiàn)某個(gè)特定功能，這種類(lèi)似搭積木的開(kāi)發(fā)模式，可以大大減輕工程師的負(fù)擔(dān)；調(diào)用 IP 核能避免重復(fù)勞動(dòng)，縮短芯片的開(kāi)發(fā)時(shí)間。

提到 IP 核就不得不說(shuō)下 ARM，該公司成立于 1990 年，總部位于英國(guó)劍橋。2016 年 7 月 18 日，ARM 公司被日本軟銀以 234 億英鎊的價(jià)格收購(gòu)，目前，英偉達(dá)又向該公司拋出橄欖枝。ARM 公司通過(guò)出售芯片技術(shù)授權(quán)，建立起新型的微處理器設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和銷(xiāo)售商業(yè)模式。作為這種模式的發(fā)明者，ARM 公司將各種設(shè)計(jì)庫(kù)虛擬化，然后授權(quán)給其它企業(yè)使用，產(chǎn)品交付的形式可以不再是具體的實(shí)物，而是一種數(shù)字化 IP 模塊，其他企業(yè)也可以在這種架構(gòu)上根據(jù)自身的需求繼續(xù)自由開(kāi)發(fā)。

ARM 這種半定制化的模式對(duì)整個(gè)半導(dǎo)體行業(yè)產(chǎn)生了重大的影響，芯片從物理實(shí)體變成了軟件定義，還能滿(mǎn)足各個(gè)廠商的不同需求，因此很多芯片設(shè)計(jì)公司紛紛與 ARM 合作。

目前全球主要 IP 核供應(yīng)商主要包括 ARM、synopsys（美國(guó)，沒(méi)錯(cuò)，就是上文的 EDA 公司）、Cadence（美國(guó)，同時(shí)提供 EDA）、Imagination Technologies（英國(guó)）、Lattice Semiconductor（美國(guó)）、CEVA（美國(guó)）、Rambus（美國(guó)）、Mentor Graphics（美國(guó)）、eMemory（中國(guó)臺(tái)灣）和 Sonics（美國(guó)）。

可以看到在 IP 核領(lǐng)域也是國(guó)外公司占主導(dǎo)地位，其中 ARM 公司更是壟斷著全球手機(jī)處理器和平板電腦處理器市場(chǎng)，無(wú)論是蘋(píng)果 A 系列芯片，還是高通驍龍芯片，華為麒麟芯片等，都需要用到 ARM 芯片 IP 核。中國(guó)集成電路設(shè)計(jì)公司進(jìn)步較快也離不開(kāi) ARM 這種模式的支持，可以說(shuō)，沒(méi)有 ARM，中國(guó)整個(gè)數(shù)字 IC 產(chǎn)業(yè)不會(huì)有如此快的進(jìn)步。

IP 核方面，中國(guó)的芯原微電子在 2019 年占到了市場(chǎng)銷(xiāo)售份額的 1.8%，全球排名第七，不過(guò)芯原微并不提供手機(jī)處理器的 IP 核，該公司主要是專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域的半導(dǎo)體 IP 核供應(yīng)商，應(yīng)用范圍包括智能穿戴設(shè)備、智能家居、汽車(chē)電子、數(shù)據(jù)中心，目前涵蓋的產(chǎn)品包括 GPU、NPU、ISP、射頻 IP 等。該公司目前在 A 股科創(chuàng)板上市，收入為 16 億元，凈利潤(rùn)還處于虧損狀態(tài)，卻有接近 500 億元的市值，反映了國(guó)內(nèi)市場(chǎng)對(duì)上游 IP 核環(huán)節(jié)的渴求和期望。

中國(guó)芯片設(shè)計(jì)公司在手機(jī)處理器的 IP 核上處于空白狀態(tài)，廠商自己從頭開(kāi)始投入研發(fā)，短期內(nèi)不現(xiàn)實(shí)；現(xiàn)在可以做的是在已經(jīng)授權(quán)的 IP 核上優(yōu)化開(kāi)發(fā)，例如華為海思采購(gòu)的 IP 核就是在 ARM 公司授權(quán)的 v8 架構(gòu)的基礎(chǔ)上再進(jìn)行芯片設(shè)計(jì)。如果華為海思自行設(shè)計(jì) IP 核，首先面臨專(zhuān)利問(wèn)題；其次需要投入大量人力物力，試錯(cuò)率還不能太高；做出來(lái)的芯片是否有競(jìng)爭(zhēng)力、能否和高通等同行競(jìng)爭(zhēng)，都是要面對(duì)的問(wèn)題。不過(guò)，在不考慮商業(yè)因素的極端情況下，此環(huán)節(jié)對(duì)芯片設(shè)計(jì)業(yè)有影響，但并不致命。

芯片設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)：中國(guó)占據(jù)了中低端

這一塊，中國(guó)的現(xiàn)狀是中低端領(lǐng)先，高端差距大，但有望逐步趕上。

在討論設(shè)計(jì)之前，讓我們先粗略了解一下半導(dǎo)體行業(yè)的模式。半導(dǎo)體公司按業(yè)務(wù)可以分為三類(lèi)模式，一類(lèi)是 IDM 模式，即芯片上游設(shè)計(jì)、中游制造、下游封裝測(cè)試都由自己完成，代表公司有英特爾、德州儀器、三星等；另一類(lèi)是輕資產(chǎn)的 fabless 模式，即只設(shè)計(jì)芯片，制造交給晶圓廠，代表公司有高通、博通、華為海思、聯(lián)發(fā)科等；還有一類(lèi)是 foundry，不設(shè)計(jì)只代工的重資產(chǎn)模式，代表公司有臺(tái)積電、聯(lián)電、中芯國(guó)際、格羅方德等。

芯片按照晶體管柵級(jí)線(xiàn)寬的工藝類(lèi)別又有亞微米及以上、128nm、64nm、32nm、28nm、14nm、7nm、5nm 等，這種按照摩爾定律演進(jìn)的規(guī)律反映出納米數(shù)越小，技術(shù)和工藝難度越大。

先看看關(guān)注度最高的芯片設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。芯片設(shè)計(jì)是將系統(tǒng)、邏輯與性能的設(shè)計(jì)要求轉(zhuǎn)化為具體的物理版圖的過(guò)程，類(lèi)似于建筑設(shè)計(jì)，是一個(gè)把產(chǎn)品從抽象過(guò)程一步步具體化、直至最終物理實(shí)現(xiàn)的過(guò)程。

芯片設(shè)計(jì)產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀是歐美占據(jù)高端，中國(guó)占據(jù)了中低端。當(dāng)前主要的芯片設(shè)計(jì)公司有美國(guó)的高通（通信芯片）、博通（通信芯片）、英偉達(dá)（GPU、AI 芯片）、AMD（CPU、GPU）、賽靈思（無(wú)線(xiàn)芯片、FPGA），中國(guó)臺(tái)灣的聯(lián)發(fā)科（通信芯片、消費(fèi)電子芯片）、聯(lián)詠科技和瑞昱，中國(guó)內(nèi)地的海思（通信芯片、手機(jī)處理器、安防芯片、桌面 CPU 等）。

從地區(qū)分布來(lái)看，2018 年美國(guó)在全球芯片設(shè)計(jì)領(lǐng)域擁有 68% 的市場(chǎng)占有率，居世界第一；中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)市場(chǎng)占有率約 16%，居全球第二；中國(guó)大陸則擁有 13% 的市場(chǎng)占有率，位居世界第三（不同統(tǒng)計(jì)模式數(shù)據(jù)略有出入）。

傳統(tǒng)上認(rèn)為設(shè)計(jì)業(yè)是上游，技術(shù)含量最高，進(jìn)入門(mén)檻也高，但從實(shí)際發(fā)展情況看，因?yàn)槭禽p資產(chǎn)的 Fabless 模式，主要以人才為主，和芯片制造業(yè)相比無(wú)需上百億的巨額資金投入，憑借龐大的下游應(yīng)用市場(chǎng)，近幾年中國(guó)的芯片設(shè)計(jì)公司進(jìn)步最快。

高端方面，華為海思已經(jīng)成為全球前十大的芯片設(shè)計(jì)公司。海思不僅在工藝上處于全球第一梯隊(duì)，其最新款的麒麟 9000 手機(jī) CPU 是世界上首個(gè)基于 5nm 工藝的 5G SoC，相對(duì)于近期剛發(fā)布的 iPhone 12 手機(jī)處理器 A14 加外掛高通基帶實(shí)現(xiàn) 5G 已經(jīng)處于領(lǐng)先地位，而且海思在手機(jī)應(yīng)用的其它芯片也基本實(shí)現(xiàn)了自給自足。

華為之所以在手機(jī)領(lǐng)域能成功，除了投入大量的人力物力以外，華為本身廣泛的手機(jī)產(chǎn)品矩陣給芯片提供了用武之地，通過(guò)在自己的手機(jī)上進(jìn)行應(yīng)用和反復(fù)優(yōu)化，逐漸迭代出如今的高性能手機(jī)芯片。

中低端方面，中國(guó)芯片設(shè)計(jì)企業(yè)主要產(chǎn)品涵蓋了射頻芯片、觸控芯片、閃存芯片、存儲(chǔ)芯片、藍(lán)牙芯片、顯示芯片等多個(gè)種類(lèi)，在部分領(lǐng)域已經(jīng)處于全球領(lǐng)先狀態(tài)，但還沒(méi)有徹底解決中國(guó) “無(wú)芯之痛” 的問(wèn)題 —— 需要明確的是，國(guó)人常說(shuō)的 “缺芯少魂” 的 “芯” 指的是高端的計(jì)算機(jī)通用芯片，主要是電腦主流 CPU。沒(méi)錯(cuò)，就是英特爾幾十年如一日耕耘的領(lǐng)域。

談到通用 CPU 芯片，這里再做個(gè)簡(jiǎn)單普及。CPU 有指令架構(gòu)，分別是 CICS（復(fù)雜指令集）和 RISC（精簡(jiǎn)指令集）兩類(lèi)。CISC 就是以英特爾和 AMD 為代表的 X86 架構(gòu)，而 RISC 則包括 ARM、MIPS 等架構(gòu)。CISC 在并行處理方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，穩(wěn)定性較好，RISC 在硬件層面制造工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，產(chǎn)品功耗低。但從性能上看，CISC 和 RISC 卻沒(méi)有絕對(duì)的優(yōu)劣之分?，F(xiàn)實(shí)應(yīng)用場(chǎng)景中，X86 架構(gòu)主要用于臺(tái)式機(jī)和服務(wù)器（可以插電，優(yōu)先考慮并行運(yùn)算能力，功耗次之），ARM 架構(gòu)主要用于手機(jī)和其它便攜式電子產(chǎn)品（不插電，優(yōu)先考慮低功耗）。

英特爾不外賣(mài) X86 架構(gòu)，憑借多年的積累，在臺(tái)式機(jī)領(lǐng)域，英特爾聯(lián)合微軟形成了牢固的 Wintel 體系，全球數(shù)據(jù)中心絕大多數(shù)都是采用英特爾的 X86 架構(gòu)服務(wù)器芯片，有了完整的生態(tài)體系。這種體系除有較高的技術(shù)門(mén)檻外，其多年形成的生態(tài)壁壘更是將新進(jìn)入者擋在門(mén)外，其他 ARM 架構(gòu)服務(wù)器芯片廠商要打破英特爾的壟斷困難重重。也就是說(shuō)，通過(guò)技術(shù)做出一款 CPU 并不難，難的是如何通過(guò)與成千上萬(wàn)款軟件適配，以迭代出性能最好的芯片生態(tài)體系。

華為海思基于 ARM 架構(gòu)在桌面通用 CPU 也做了布局，并且研發(fā)出擁有 7nm 工藝的桌面和服務(wù)器 CPU 鯤鵬。由于起步晚，加上 Wintel 聯(lián)盟堅(jiān)不可摧，沒(méi)有廣泛的下游應(yīng)用，芯片無(wú)法迭代優(yōu)化，在性能上與英特爾、AMD 的最新 CPU 相比有很大差距，業(yè)內(nèi)人士初步估算是 5 年。

有人也許會(huì)問(wèn)，鯤鵬的 CPU 不是可以做到 7nm 了嗎，為何還落后于英特爾這么多？回答這個(gè)問(wèn)題比較復(fù)雜，簡(jiǎn)單理解就是芯片是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，除工藝以外，還有芯片架構(gòu)、微結(jié)構(gòu)，指令集等眾多因素影響，其中很多都是多年積累的原創(chuàng)成果，所以先進(jìn)的工藝并不代表先進(jìn)的性能，例如英特爾用 0.13 微米工藝能做出 2GHz，而我們要用 45nm 才能實(shí)現(xiàn)，這就是差距。在桌面 CPU 領(lǐng)域，中國(guó)還有龍芯（MIPS 架構(gòu)）和飛騰（ARM 架構(gòu)在桌面端生態(tài)欠缺），但在生態(tài)的構(gòu)建上還有很大差距，也就是說(shuō)做出來(lái)芯片后，用的人不多，進(jìn)而芯片性能無(wú)法優(yōu)化提升，性能不提升導(dǎo)致用的人更少，生態(tài)體系更殘缺，這樣就會(huì)陷入惡性循環(huán)，久而久之失去競(jìng)爭(zhēng)力而消逝于市場(chǎng)。

盡管高端芯片方面有差距，但相比 EDA 和 IP 核，芯片設(shè)計(jì)方面的現(xiàn)狀要好很多，因?yàn)橹袊?guó)有巨大的應(yīng)用場(chǎng)景，只要給這些企業(yè)應(yīng)用機(jī)會(huì)，解決從能用再到好用，在 EDA 和 IP 核有保障的情況下，高端芯片設(shè)計(jì)趕上國(guó)際先進(jìn)水平只是時(shí)間問(wèn)題。

芯片制造環(huán)節(jié)：高端缺失

芯片制造是集技術(shù)、工藝、資金為一體的產(chǎn)業(yè)，在整個(gè)過(guò)程中扮演最重要的角色，是目前中國(guó)被美國(guó)禁令卡得最難受的環(huán)節(jié)，也是中國(guó)目前和世界領(lǐng)先技術(shù)水平差距最大的環(huán)節(jié)。美國(guó)脅迫臺(tái)積電斷供華為海思，起到了 “絕殺” 的作用，致使華為未來(lái)面臨無(wú)芯可用的危機(jī)。

芯片制造是上下游最協(xié)同的產(chǎn)業(yè)。上游是芯片的原材料硅片制造廠商，中游是芯片設(shè)計(jì)公司，下游就是基于上游生產(chǎn)的硅片，將中游的芯片設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)出來(lái)的晶圓加工廠商。整個(gè)過(guò)程需要在硅片上反復(fù)循環(huán)數(shù)百至數(shù)千道前道工藝，包括氧化、掩膜、光刻、清洗、刻蝕、離子注入、薄膜沉積等，在硅片的表面構(gòu)建數(shù)億乃至幾十億的晶體管結(jié)構(gòu)。

芯片制造過(guò)程中包括眾多原材料和設(shè)備，其中最重要的材料當(dāng)屬高純度大硅片，最重要的設(shè)備則是高精度光刻機(jī)。

生產(chǎn)高純度大硅片技術(shù)難度很大，需要從沙子中冶煉出純度高達(dá) 99.99999999999% 的硅片，冶煉過(guò)程對(duì)潔凈度要求極高，任何一個(gè)原子級(jí)雜質(zhì)污染都會(huì)導(dǎo)致電學(xué)性能的變化，通俗描述，就是在北京城這么大的空間中不能有芝麻大的顆粒雜質(zhì)。

大硅片也是高度壟斷競(jìng)爭(zhēng)的行業(yè)，全球前五大廠商市場(chǎng)占有率達(dá)到 93%，包括日本信越半導(dǎo)體（份額 28%）、日本勝高科技（24%）、中國(guó)臺(tái)灣環(huán)球晶圓（16%）、德國(guó) Silitronic（14%）、韓國(guó) LG（10%）。目前中國(guó) 12 英寸大硅片的國(guó)產(chǎn)化率低，半導(dǎo)體大硅片的供應(yīng)缺口較大。為了滿(mǎn)足持續(xù)增長(zhǎng)的半導(dǎo)體大硅片需求，國(guó)內(nèi)各廠商積極布局大硅片生產(chǎn)。

在這方面，中國(guó)與世界先進(jìn)水平差距較大，但有成品替代性。其它輔助材料主要包括光刻膠、掩膜版、靶材、封裝基板等，這些材料國(guó)內(nèi)仍是瓶頸，不過(guò)很多材料也在陸續(xù)突破中。

半導(dǎo)體制造設(shè)備方面，主要有清洗、外延、氧化、鍍膜、光刻、濺射、離子注入、刻蝕等設(shè)備。其中光刻機(jī)是芯片制造中最核心的機(jī)器，整個(gè)光刻過(guò)程也是芯片生產(chǎn)過(guò)程中耗時(shí)最長(zhǎng)、成本最高、最關(guān)鍵的一步。

光刻機(jī)被譽(yù)為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè) “皇冠上的明珠”，制造難度極大，它不僅是復(fù)雜的系統(tǒng)工程，也是工程師智慧和經(jīng)驗(yàn)的結(jié)晶。目前最頂尖的 ASML 的 7nm 精度 EUV 光刻機(jī)整體有 13 個(gè)子系統(tǒng)，數(shù)十萬(wàn)個(gè)零部件組成，核心部件如德國(guó)蔡司的鏡頭，美國(guó)的光源系統(tǒng)，瑞典和日本的軸承，幾乎都是全球最頂尖的技術(shù)產(chǎn)品，組裝后重量將近 200 噸。生產(chǎn)這種光刻機(jī)的難度在于如何將如此多的零部件按照需求校準(zhǔn)到 2nm 以下的精度，EUV 光學(xué)透鏡、反射鏡系統(tǒng)的精度以皮米計(jì)（萬(wàn)億分之一米）。ASML 的總裁曾介紹，如果把反射鏡面積同比擴(kuò)大到德國(guó)國(guó)土那么大，最高的凸起也不能超過(guò) 1 公分。

光刻機(jī)供應(yīng)商主要有三家公司，分別是荷蘭的 ASML、日本的尼康和佳能，但能生產(chǎn) 7 納米精度的光刻機(jī)只有 ASML。日本的尼康和佳能過(guò)度拘泥所有零件的內(nèi)制化，唯一外購(gòu)的光源在與自己的鏡頭匹配時(shí)，也優(yōu)先考慮突出鏡頭的性能，與外界協(xié)作沒(méi)有積累新的設(shè)計(jì)思路。這就導(dǎo)致了他們無(wú)法建立起設(shè)計(jì)通用性光刻機(jī)的平臺(tái)，2002 年后被 ASML 反超，此后佳能和尼康的光刻機(jī)大都賣(mài)給了精度要求不高的國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體公司，ASML 也拿下了光刻機(jī) 75% 以上的市場(chǎng)份額，高端光刻機(jī)則一家獨(dú)占。

半導(dǎo)體是一個(gè)最講究國(guó)際產(chǎn)業(yè)上下游協(xié)作的行業(yè)，沒(méi)有國(guó)際協(xié)作，就算美國(guó)也很難生產(chǎn)出最先進(jìn)的芯片。但是因?yàn)?2011 年的瓦森納協(xié)定將中國(guó)列為禁運(yùn)國(guó)，當(dāng)時(shí)的全球半導(dǎo)體前 15 大設(shè)備供應(yīng)商均不能對(duì)中國(guó)出售先進(jìn)設(shè)備，導(dǎo)致半導(dǎo)體工業(yè)的全面落后，進(jìn)而衍生出后面無(wú)奈的自力更生境況。

如今，中國(guó)的半導(dǎo)體設(shè)備產(chǎn)業(yè)也取得快速發(fā)展，上海微電子、北方華創(chuàng)、中微半導(dǎo)體、盛美、中國(guó)電科、中科院等在相應(yīng)的領(lǐng)域都有相應(yīng)的產(chǎn)品推出，部分設(shè)備已經(jīng)進(jìn)入全球先進(jìn)水平。

半導(dǎo)體制造業(yè)是人力技術(shù)資金密集型行業(yè)，隨著晶圓尺寸的增加，投資一條生產(chǎn)線(xiàn)已經(jīng)增加到上百億美金，一般的公司已經(jīng)很難再進(jìn)入并對(duì)龍頭企業(yè)造成威脅。從產(chǎn)量看，臺(tái)積電處于絕對(duì)領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，市占率超過(guò) 50%；中芯國(guó)際市占率不足 5%。

從工藝水平看，臺(tái)積電在 2014 年就量產(chǎn)了 16nm，2017 年量產(chǎn)了 7nm，目前 5nm 接近量產(chǎn)；英特爾、三星在 2014 年就量產(chǎn)了 14nm；由于技術(shù)限制和專(zhuān)利因素，中芯國(guó)際 2019 年量產(chǎn) 14nm 工藝，落后臺(tái)積電、三星、格羅方德五年。

真正意義上的現(xiàn)代中國(guó)半導(dǎo)體制造業(yè)始于上世紀(jì) 90 年代的 908 工程，彼時(shí)中國(guó)第一次對(duì)微電子產(chǎn)業(yè)制定國(guó)家規(guī)劃，并成立無(wú)錫華晶，直到 7 年后，華晶 6 英寸線(xiàn)才投產(chǎn)，但已遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于世界先進(jìn)水平。1995 年，江澤民參觀了韓國(guó)三星集成電路生產(chǎn)線(xiàn)后，他用了 “觸目驚心” 四個(gè)字來(lái)形容差距，要求不惜代價(jià)也要將半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)搞上去。

經(jīng)過(guò) 20 年的努力和追趕，中國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)能（包括外資在中國(guó)投入的產(chǎn)能）已經(jīng)位居全球第一，本土企業(yè)也發(fā)展迅速，這也是國(guó)外擔(dān)心的地方，因?yàn)橹袊?guó)企業(yè)的模仿和追趕能力太強(qiáng)了，再加上政府支持，大有趕超之勢(shì)。中國(guó)芯片制造業(yè)雖然仍落后于臺(tái)積電和三星，但隨著中芯國(guó)際 14nm 工藝的量產(chǎn)，加上其它本土晶圓廠，目前已經(jīng)可以生產(chǎn)滿(mǎn)足大部分行業(yè)中低端應(yīng)用的產(chǎn)品。事實(shí)上，只有手機(jī)和電腦 CPU、存儲(chǔ)器芯片才需要最先進(jìn)的線(xiàn)寬工藝，其它應(yīng)用領(lǐng)域的芯片則無(wú)需過(guò)度強(qiáng)調(diào)線(xiàn)寬的先進(jìn)性。例如，模擬電路很多還停留在亞微米級(jí)別，就是因?yàn)閼?yīng)用過(guò)程中的需求與數(shù)字電路不同。

2019 年中芯國(guó)際已經(jīng)突破 14nm 工藝量產(chǎn)，成為中國(guó)最先進(jìn)的晶圓廠，這引起了美國(guó)的擔(dān)憂(yōu)，也導(dǎo)致繼華為后成為被制裁的對(duì)象。

2019 年的數(shù)據(jù)顯示，中國(guó)大陸地區(qū)的芯片制造也已經(jīng)成為全球第一，對(duì)應(yīng)著中國(guó)是全球半導(dǎo)體設(shè)備和材料采購(gòu)量最大的地區(qū)。對(duì)中國(guó)的 “卡脖子” 舉動(dòng)會(huì)導(dǎo)致歐美設(shè)備供應(yīng)商付出 “餓肚子” 的代價(jià)，當(dāng)然站在西方國(guó)家科技戰(zhàn)略的角度來(lái)看，餓肚子的代價(jià)顯然小于卡脖子。

芯片生產(chǎn)的最后一環(huán)是封裝測(cè)試。半導(dǎo)體封測(cè)領(lǐng)域技術(shù)含量相對(duì)較低，因?yàn)橹袊?guó)貼近下游整機(jī)市場(chǎng)，承接了大量產(chǎn)能轉(zhuǎn)移，不僅在規(guī)模上，在技術(shù)上也不輸于先進(jìn)水平。這方面國(guó)內(nèi)形勢(shì)是高中低端全面發(fā)展，處于全球先進(jìn)行列。

芯片產(chǎn)業(yè)是全球化最徹底的產(chǎn)業(yè)，也是全球最高級(jí)別的創(chuàng)新協(xié)作體系。目前，世界上沒(méi)有一個(gè)國(guó)家可以獨(dú)立完成最先進(jìn)的芯片。即便是美國(guó)，生產(chǎn) 7 納米及以下工藝的芯片，也需要購(gòu)買(mǎi)荷蘭 ASML 最先進(jìn)的光刻機(jī)，也需要去臺(tái)積電做代工。正因如此，對(duì)于整上還處在落后位置的中國(guó)來(lái)說(shuō)，更要警惕閉門(mén)造車(chē)的狹隘想法，而必須要融入國(guó)際體系。

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原文標(biāo)題：解構(gòu)芯片：中國(guó)在產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)與國(guó)際距離究竟有多大？

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