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中美半导体行业激烈对决下,技术路径能否成为新突破口

发布时间:2022/11/14 浏览次数:382

当下的国际政治经济环境,正处于激烈的调整期。其中既有地缘政治的因素,也蕴含着全球化大分工过程中价值链体系的重新定位。作为一个处于持续发展、要实现民族复兴的大国,让国民过上更好的生活,不断地向着产业链上游延伸是必然趋势。在这个过程中,难免会打破现有的市场格局,遭受一定的阻力也是难以避免的。试想,谁会把市场拱手让人呢?但基于市场竞争的原则,强于其他更激烈的对抗手段。

博众精工研究院认为:激烈对抗手段对中美都不利,中国一直采取和平崛起、平等竞争的方式,但如何通过创新自身的价值,实现半导体行业的良性竞争,共生共荣——而不是一家垄断性的独大,可能将是接下来相当长一段时间内中美在半导体行业的主题。而从商业竞争看,应该秉承“一起做大蛋糕“而非”只切现有蛋糕“的思路,有竞争更能促进双方的共同提升,从而培育更多元和高效的技术路线、实现更大的应用市场,这一点从通信、航空等领域都已得到验证。未来中美在半导体行业的并驾齐驱,可能更有利于新一轮工业革命的智能化和数字化水平提升。


 

这对于中国来说,就如新能源汽车一样,有无可能跳出现有困境,在技术路线上实现新的超越呢?

 

一、 美国的遏制战略短期内不会得到根本性改观,但也并非铁桶一般

 

(一)因美国已觉得涉及到了其国家利益,收紧趋势难以避免;

经济学家李斯特在《政治经济学的国民经济体系》里提到“踢开梯子”的说法,讲的就是“一个人攀上高峰后,就会把身后的梯子一脚踢开,以免别人跟上来,以此来保证自己的优势”。芯片&半导体行业起源于美国,美国想要保持自己的优势就要不断地踹梯子。

1980年代,通过“DRAM制法革新”项目,日本完全超过美国成为半导体行业的霸主。到了1985年,美国SIA认为,如果政府还不迅速采取严厉措施,整个行业将在与日本的竞争中消亡,美国正式发起了“第一次芯片战争”,通过这次战争,1992年,美国本土公司重新夺回了市场份额,在日本的份额也达到了20%,1993年,美国重新成为世界最大芯片出口国。韩国和台湾也在此期间,借着美国的扶持而崛起,世界进入一国独大,多强并存的局面。到了现在,日本虽然还是芯片产业中的重要玩家,但在全球的份额已经只剩下6%。

有了日本的前车之鉴,美国在中国做大之前,就主动掀起了新一轮的“芯片大战”。美国从 2018年开始,对中国科技企业和个人实施一系列的制裁,到2022年3月提出打造“四方芯片联盟”,再到8月通过“芯片法案”,该法案计划为美国半导体产业,提供高达527亿美元的政府补贴。其中,500亿美元被拨给“美国芯片基金”计划。剩余27亿美元,分别是20亿美元美国芯片国防基金,5亿美元芯片国际科技安全和创新基金,以及2亿美元芯片劳动力和教育基金。根据美国商务部发布的信息,“美国芯片基金”计划旨在振兴美国国内的半导体产业并激励创新,同时在美国各地创造高薪工作。


 

美国商务部6日发布的实施战略显示,上述500亿美元资金中,约280亿美元将用于资助建立先进制程芯片的制造和封装设施,约100亿美元将用于扩大在汽车等领域使用的成熟制程芯片制造,另外约110亿美元计划投入到半导体领域研发之中。通常认为,28纳米及以下的制程属于先进制程。美国《纽约时报》6日援引雷蒙多的话称,美国商务部的目标是在明年2月前开始向相关企业收集资金申请,并可能在明年春天开始拨款。据香港《南华早报》报道,雷蒙多表示,申请者必须“以资本投资财务披露的形式”提供证据,证明所寻求的资金对于进行投资是“绝对必要的”。

值得注意的是,“芯片法案”中包含了“护栏条款”,即接受资助的公司至少10年内不能在中国或其他“令人担忧的国家”进行新的高科技投资,除非它们生产的是技术含量较低的成熟制程芯片,只为当地市场服务。

美国商务部部长雷蒙多此前在白宫新闻发布会上强调,如果获得资助的企业和机构未能履行某些承诺,商务部将“毫不犹豫地收回资金”。

由于美国芯片法案的核心目的是提振美国芯片产业,尤其是芯片制造业,因此政策出台后受益最大的,当属美国本土的芯片制造工厂,比如英特尔、格芯。大和资本证券指出,在390亿美元的晶圆厂补贴中,预计英特尔将获得 32%,美光将获得 31%,德州仪器获得 14%,三星获得 13%,台积电约 10%。受到该法案的影响,美国芯片企业中的龙头也纷纷有所动作。

英特尔是其中动作最大的一家企业,其CEO基辛格更是美国芯片法案积极推动者,曾多次公开场合督促美国国会尽早通过芯片法案。法案落地后,英特尔位于俄亥俄州的晶圆厂再次启动,计划依然是200亿美元,从这个规模来看,它将是当前全球最大的晶圆厂了。目前intel还在7nm,落后台积电2代,而按照介绍,英特尔新建的这家晶圆厂,在2025年投入生产时,工艺水平上可以量产20A及18A两代工艺。20A工艺,就是对应的台积电、三星的2nm,而18A对应的是台积电、三星的1.8nm,也就是18埃米工艺。也就是说,intel计划在2025年,直接量产2nm,追上台积电、三星,因为台积电、三星的计划也是2025年量产2nm芯片的。

其次,像美光这类IDM的公司,也会成为芯片法案第二类受益对象。日前,美光宣布一项400亿美元的投资计划,以促进美国国内存储芯片的制造。

最后,与芯片制造相关的美国设备公司是法案的第三梯队受益群体。这些公司是美国芯片制造能力提升的中流砥柱,随着美国芯片制造能力的提升,美国半导体设备将迎来新的发展浪潮。

而对于美国政府来说,扶持龙头企业更容易实现规模效应,加速美国实现“美国芯”的梦想。同时,美国政府也充当了美国芯片制造厂商与设计厂商的黏合剂,在拜登正式签署芯片前,高通和格芯宣布,将斥资42亿美元扩建纽约州北部的一家芯片工厂。从高通给格芯下订单这事也可以看出,芯片法案可能会推动晶圆代工慢慢转向美国制造,且主要是美国晶圆代工厂。

到10 月 8 日,美国又公布了一系列出口管制新措施,其中包括禁止向中国提供使用美国设备在世界各地生产的某些芯片等内容。美对华发起的“芯片战争”愈演愈烈。

(二)美国本土的人才瓶颈给中国提供了战略缓冲期。

芯片企业的投资建厂,无疑会给美国芯片行业带来活力,但是工厂建好后,就要面临一个重大问题,那就是美国缺少足够的芯片专业人才。

先前美国半导体协会和牛津研究院一份报告指出,相比一般科技行业,半导体产业对经济拉动乘数大概是 6.7,而其他统计行业中位数大概是3.7。相当于,半导体行业每雇用一个工人,会间接支撑7个工作岗位。也就是说美国的芯片法案给美国创造了大量就业岗位。

但是,多年来,随着美国芯片制造产业不断衰落和外移,芯片行业不再是一个高薪、高美誉度的行业。因此,美国优秀人才在选择专业的时候,会选择金融、营销等专业,而不会选择电子信息工程、机械设计自动化、材料等与芯片相关的专业。芯片行业是一个产业链,美国不仅缺乏与芯片相关的专业人才,也缺乏芯片生产上下游的工厂建设、仪器耗材制造、物流储运相关领域的人才。


 

这个问题靠美国政府的补贴无法解决,美国政府的优惠、补贴力度再大,在美国依旧很难招到合适的员工。没有符合要求的劳动力,芯片公司自然不愿意在美国投资设厂。台积电、三星在美国的一再压力下,被迫到美国设厂,而其现在遇到的最大问题,就是工厂建好了,员工哪里来?台积电董事长刘德音6月份公开表示,在美国招聘工程师和技术人员很困难。拜登签署《芯片法案》之后,白宫发布新闻稿说该法案给美国创造了大量的就业机会。事实上,就业机会是创造出来了,但是美国到底有多少匹配这个机会的劳动力呢?

就算好不容易招来了专业对口的员工,很多人的敬业精神也无法达到芯片行业的要求。美国的员工评价网站上曾经出现过一篇文章,作者正是台积电在美国好不容易招来的新员工。他参加新员工培训之后发现,台积电的员工每天工作至少10个小时,要上夜班,周末还要轮班,其他时间还要随时待命。同事告诉他,这就是芯片行业的日常工作状态。这个美国人抱怨,他没想到要这么拼,工作强度这么大。

 

二、中国芯片行业的现状

 


 

在中国近年来的半导体振兴政策中,有三个关键词频繁出现:产业链联动发展、引进和培育企业、公共服务平台建设。这也映射出现今在政治影响下全球芯片行业割裂、对抗趋势越来越明显,地方政府不再仅仅着眼于某一环节的支持和赶超,更聚焦于上下游的联动发展与配套建设,以期提高芯片产业链国产化水平,保障自身的供应安全。

当下,国家政策和金融投资都已经大幅度地向芯片行业倾斜。所以,芯片产业链上每个环节基本上都有人在搞。市场需求方面,中国也是芯片需求量最大的国家。

从整体来看,我国有着众多的企业,完整地覆盖了整个芯片产业链。在芯片产业的最上游的EDA软件方面有华大九天、芯和半导体、鸿芯微纳、行芯科技、广立微等,其中广立微的EDA软件覆盖了集成电路成品率提升领域的全流程,产品已成功应用于目前最先进的3纳米工艺技术节点,广立微的客户涵盖了三星电子等头部晶圆厂。

半导体材料方面,有中环股份、有研新材、兴森科技等上市企业,其中排名第一的中环股份,陆续完成包括FZ超高阻、CZ超低阻、CZ超低氧等晶体技术开发,及8-12英寸EPI、RTP、Ar-Anneal等晶片加工技术的开发。主要产品包括光伏硅片、光伏组件、半导体材料、光伏电站、半导体器件等。

再次,在半导体设备上面,中国也是全球产业链布局最完整的,从光刻机到刻蚀机,到各种设备,基本上都有生产,比如北方华创、中微公司、拓荆科技、盛美上海等公司

最后就是芯片封测产业,该产业是我国半导体领域优势最为突出的子行业,在当前国产半导体产业链中,国产化程度最高、行业发展最为成熟。国内的几家封测厂商长电科技、华天科技、通富微电等巨头都已经挤进全球前十名。

虽然芯片产业链条已经齐全,部分环节也十分强势,但从整体来看还是十分薄弱,国产化替代之路依然漫长。比如,在EDA软件方面,整体国产化率在10%左右。

在核心的设备领域,涂胶显影设备国产化率1%,光刻机国产化率1.1%,离子注入设备国产化率3.1%,过程控制国产化率3.6%,薄膜沉积国产化率5.7%,刻蚀设备国产化率22%,化学机械平坦化国产化率23%,氧化扩散/热处理设备国产化率28%,清洗设备国产化率38%,去胶设备国产化率74%;

芯片设备国产化替代之所以占比如此低下,一方面是我们在芯片基础研究方面的积累还不够,主要是起步实在太晚,中间还走了不少弯路。


 

另一方面就是我国综合的工业积累跟不上。就比如我们无法造出顶尖的光刻机。其实在1980年,我国就造出了国内第一台投影光刻机。1985年,中科院45所在光刻机领域取得了重大进展,研制出分步投影式光刻机,被认定达到了1978年美国GCA公司推出的光刻机水准。当时,日后的光刻机巨头ASML公司才刚刚诞生。

但因改革开放,国外更先进的光刻机大量涌入,再加上国家经费的抽离,国产光刻机的研究陷入停滞状态。一直到2016年,上海微电子终于实现了90nm光刻机的量产。据上海微电子披露:有望在2022年交付第一台28nm工艺国产光刻机。但就算28nm国产光刻机实现量产,仍然与7nm、5nm仍隔着数代距离。

所以在芯片设备国产化,尤其是高端设备的国产化程度,还远远达不到需求,对国外设备的依赖程度依然很高。

材料领域,半导体材料制造的技术壁垒很高,由于企业长期研发投入和积累不足,我国半导体材料多处于中低端领域。半导体硅片、湿电子化学品、电子气体、靶材、光刻胶等材料供应仍高度依赖进口。

还有,我国目前大部分设备能够支持的工艺不是最先进的水平,最高可以量产14nm级别的芯片,再高端一些的芯片绝大部分还是要依赖国外,需要进口。

这些归根结底是国内装备制造业的发展跟不上,无法造成芯片产业所必需的顶尖设备。20世纪90年代中期,我国形成了门类齐全、具有相当规模和技术水平的产业体系。但时至今日,我国装备制造业与国际先进水平相比,我国装备制造技术依然落后 5~20 年。这种发展的滞后,已经成为掣肘国民经济运行效益提高、制约高技术及其产业发展、制约国防安全的瓶颈。

这主要在于:

第一,国家重视不够及其战略的失误和滞后。 1956 年到 1976 年 20 年间,我国错过了发展的黄金期,导致我国装备制造业长期落后先进国家;

第二、我国装备制造产业,一般低水平加工能力和普通机械产品生产能力严重过剩,具有国际先进水平的大型成套设备大部分却不能制造,许多重大技术装备仍然依赖进口;

第三、数控系统、发动机和关键部件是装备制造业的薄弱环节。数控系统是装备的神经系统,代表着装备的自动化水平。关键部件和基础元器件落后已经成为装备制造业发展的瓶颈。

第四、自主创新能力薄弱。设备制造企业与使用企业之间缺乏利益联结机制,除政府重点扶持企业外,其余处于萎缩状态,自主创新能力严重不足。

博众精工研究院认为:想要真正让中国半导体行业崛起,必须同步将政策、投资向装备制造业倾斜,特别是涉及半导体制造的装备制造业倾斜,才能从根本上解决问题。

 

三、中国半导体行业未来的技术路径突破可能性探析

 

首先要再次明确的一点,中国要成为制造强国,实现伟大复兴;而美国要打压竞争对手保持自己在国际上的地位和优势,二者之间的对抗是必然的。而芯片行业的发展,关乎未来国家科技发展的方方面面,是二者竞争的主要领域之一。那么,很明显未来半芯片逆全球化将持续,甚至会成为常态。芯片行业将由供需竞争状态,转向国家科技竞赛状态。

硅基芯片方面,有个行业共识,就是国内的芯片产业在未来很长一段时间都将处于追赶状态。那么,要实现真正的弯道超车,可能需要等待颠覆性技术的出现或产业发展赛道的切换。


 

(一)AI技术机会

在芯片设计方面加入AI技术的应用。有业界专家说,AI技术会给整个芯片行业带来颠覆性变化。如果将AI应用于芯片设计的单个环节,能够把经验丰富工程师的积累融入EDA工具中,大幅降低芯片设计的门槛。如果将AI应用于芯片设计的整个流程,同样可以利用已有的经验优化设计流程,显著缩短芯片设计周期的同时,提升芯片性能,降低设计成本。

在过去的二十多年,在摩尔定律下,芯片设计主要方向在晶体管的持续微缩,通过硬件固有架构增加算力。而随着摩尔定律的逐渐失效,AI技术的不断成熟,软硬件联合设计成为新的芯片设计趋势。

采用具有AI技术的EDA工具来设计芯片,时间肯定会缩短,AI能够缩短芯片设计周期的原因并不复杂,主要是让AI先通过学习,有了知识的累积,在后续使用的过程中遇到相同或者类似的问题能够以更快的速度解决问题,所以带有AI的EDA可以节省芯片设计周期几乎是一个定论。

AI应用于EDA有两种形式,由于芯片设计是一个很长的复杂流程,整个过程中可能需要十几个EDA工具,因此AI既可以应用于EDA点工具中来优化单个芯片设计环节,也可以用于整个芯片设计流程的优化。

当然,将AI与EDA工具融合不仅可以显著节省研发时间,还能带来芯片性能的提升和设计成本的降低。而且未来,从芯片的架构设计、制造以及封装的全流程都极有可能会融入AI技术。

但需要引起注意的是:AI应用的底层支撑也需要芯片行业做支撑,如何解决鸡与蛋互生的矛盾问题?


 

(二)碳纳米管和量子芯片技术路线

另外一种方式就是换赛道,比如提前布局碳基芯片产业。用碳纳米管制备的碳基芯片的综合性能可以比硅基集成电路提高成百上千倍,这已成学界的共识。

碳纳米管是1991年由日本科学家饭岛澄男(S.Iijima)发现的。碳原子按照六角排布,形成一个单原子层,这就是石墨烯。而一个矩形的石墨烯条带,长边对接卷成一个卷,就变成碳纳米管,直径一般是一纳米左右。碳纳米管具有一些奇特的量子效应,使其电子学性能变得非常好,速度快、功耗低,可以说是目前已知材料中,碳纳米管是做芯片最好的材料。

北京大学电子学院教授彭练矛团队,从2000年至今,一直从事国产碳基芯片研究。22年来,他带领团队研发出了整套碳基芯片技术,首次制备出性能接近理论极限,栅长仅5纳米的碳纳米管晶体管,实现了“从0到1”的突破,为中国芯片突破西方封锁、开启自主创新时代开辟了一条崭新的道路。

首先是突破材料瓶颈,掌握碳纳米管制备技术。经过十年的技术攻坚,彭练矛团队放弃了传统掺杂工艺,研发了一整套高性能碳纳米管晶体管的无掺杂制备方法。

碳纳米管材料非常微小,肉眼不可见。光学显微镜看不到,只能用电子显微镜来看,同时,还要操纵它,让它按照一定秩序排列。彭练矛之前做过大量电子显微镜相关研究,对于观察和操纵“小东西”有一定经验。2017年,团队首次制备出栅长5纳米的碳纳米管晶体管,这一世界上迄今最小的高性能晶体管,在本征性能和功耗综合指标上相较最先进的硅基器件具有约10倍的综合优势,性能接近由量子力学测不准原理决定的理论极限。

2018年,团队再次取得重要突破,发展出新原理的超低功耗狄拉克源晶体管,为超低功耗纳米电子学的发展奠定了基础。同年,团队用高性能的晶体管制备出小规模集成电路,最高速度达到5千兆赫兹。

2020年,该团队首次制备出达到大规模碳基集成电路所需的高纯、高密碳纳米管阵列材料,并采用这种材料首先实现了性能超越硅基集成电路的碳纳米管集成电路,电路频率超过8千兆赫兹,跻身国际领跑行列。

彭练矛团队基本掌握了碳纳米管集成电路制备技术,在实验室已可以采用碳纳米管材料制备出一些中等规模甚至大规模的集成电路,但要用它做超大规模集成电路还不行。

要实现超大规模高性能集成电路,首先就需要在大面积的基底上制备出超高半导体纯度、顺排、高密度和大面积均匀的单壁碳纳米管阵列。此外更困难的就是需要有专用的工业级研发线,而这样一条研发线是其团队所不具备的。在学校现有的实验条件下,能够制作出的最复杂的碳纳米管芯片的集成度只有几千、最多几十万个晶体管,尺寸还是微米级的;而当下全球最先进的硅基芯片中有五百亿个晶体管,每个晶体管的面积大小只有100纳米左右。

尖端碳基芯片的专用设计工具同样缺乏。目前,基于碳纳米管的无掺杂CMOS技术已经不存在原理上不可克服的障碍,但仅在实验室完成存在性验证和可能性研究和演示,并不意味着碳基芯片技术就可以自行完成技术落地,具备商业竞争力。把学校的技术变成一个可规模生产的工业化技术,中间还要做很多工作。目前,碳基芯片的工程化和产业化还有许多问题亟待解决,还需要很长的时间和大量的投入。

但不可否认的是,碳基芯片替代硅基芯片是大趋势,彭练矛表示,在国家重视且科研经费充足的情况下,预计3-5年后碳基技术能够在一些特殊领域得到小规模应用;预计10年之后碳基芯片有望随着产品更迭逐渐成为主流芯片技术。

而碳基芯片对全球来说都是一条新的道路,目前我国还处于相对领先的位置。所以通过发展碳基芯片,实现中国芯的“换道超车”,是很有可能的事情。


 

其次,量子芯片由于不需要光刻机,也被认为是实现弯道超车的机会。方面,中国也一直处于世界领先水平。

比如,中科院郭光灿院士团队,2018年2月,制备出世界上最大的三维集成光量子芯片,在国际上首次实现了半导体的三量子比特逻辑门操控;2021年6月,该团队与中山大学、浙江大学等研究组进行合作,首次成功设计制备出了“鱼叉”形的拓扑分束器结构。

另外,郭光灿院士团队领衔的合肥本源量子,先后推出的本源6比特超导量子芯片“夸父KFC6-130”和24比特超导量子芯片“夸父KFC24-100”,其保真度以及相干时间等技术标准,都属于国际一流水平。

2022年2月,国防科技大学计算机学院QUANTA团队与军事科学院、中山大学等国内外单位共同开发了新型可编程硅基光量子计算BD6236FM-E2芯片,实现了解决各种图像问题的量子算法。 虽然这种新型量子芯片也采用了微纳加工工艺,但由于生产原理的不同,它主要将大量的光学量子设备集成在一个芯片上。 一旦光量子芯片商业化成功,对7nm、5nm等工艺技术的研究将失去原有的意义,芯片制造领域将迈出新的里程,突破芯片制造被卡住的困境。

总而言之,不管是碳基芯片还是量子芯片,外界预估其量产时间都在3-10年之间。而想要实现这一目标,就要求与碳基芯片、量子芯片套产业链一定要跟上,这其中装备制造业占据着重要地位。

因为随着芯片材质变了,那与之相匹配的设计软件、制造工艺、生产设备等等方面,肯定会有别于硅基芯片。

目前这两种芯片都还处于实验室手工加工的阶段。真正实现量产的制造设备,还需要各大装备制造企业去花费大量资源和时间去探索,也需要大量国家政策方面的倾斜和社会资金方面的支持。

但目前在这两个领域,中国和国外都处于同一起跑线。所以,中国能不能解决卡脖子问题,实现弯道超车;国外能不能在继续限制中国在硅基芯片方面发展的同时,又在碳基芯片和量子芯片方面继续围堵,都要在未来的三到十年之间,逐见分晓。

博众精工研究院认为:装备制造是一切产品最终能成品应用的关键,这也是切换技术路线能否成功的重中之重。因此中国在半导体领域的布局应该坚持研发设计与装备制造并重的路线,才能实现真正独立的垂直产业体系和大规模国产化应用。

从中国在航天、通信、高铁等领域的成功经验看,有着巨大国内应用市场是无可替代的巨大优势,加上有着成千上万高度敬业、愿意日夜奋战的中国技术研发和生产制造工程师,只要在技术路线上选对方向,相信中国半导体行业在未来的5-10年或将能实现更独立完善的国内应用,并能在国际市场上拥有一席之地。

(本文作者卫龙腾、吉站来自博众精工研究院)

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