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中国芯片突围战,是科技史上最悲壮的长征

2019-05-21 07:50
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“我们害怕华为站起来后,举起世界的旗帜反垄断。”多年前,时任微软总裁史蒂夫·鲍尔默、思科CEO约翰·钱伯斯在和华为创始人任正非聊天时都不无担忧。

华为显然不会这么做,“我才不反垄断,我左手打着微软的伞,右手打着CISCO的伞,你们卖高价,我只要卖低一点,也能赚大把的钱。我为什么一定要把伞拿掉,让太阳晒在我脑袋上,脑袋上流着汗,把地上的小草都滋润起来,小草用低价格和我竞争,打得我头破血流。”

这是任正非当时的回答,在他看来,狭隘的自豪感会害死华为,并提醒华为尽可能用美国公司的高端芯片和技术。

但这只是硬币的A面,硬币的B 面是,落后就要挨打,而中国企业在硬件(芯片)和软件层面(操作系统)都受制于美国。

“如果他们突然断了我们的粮食,Android 系统不给我用了,芯片也不给我用了,我们是不是就傻了?”2012年,在华为“2012诺亚方舟实验室”专家座谈会上,任正非在回答时任终端OS开发部部长李金喜提问时说到。

据传,任正非看了美国电影《2012》以后,认为信息爆炸将像数字洪水一样,华为想生存下来就需要造一艘方舟。于是在华为成立了专门负责创新基础研究的“诺亚方舟实验室”。

其实,早在诺亚方舟实验室成立八年前,任正非便已经布下一颗棋子。

我给你四亿美金每年的研发费用,给你两万人。一定要站立起来,适当减少对美国的依赖。

仓促受命的华为工程师何庭波当时一听就吓坏了,但公司已经做出了极限生存的假设,预计有一天,所有美国的先进芯片和技术将不可获得,那时华为要如何才能活下去?

为了这个以为永远不会发生的假设,“数千海思儿女,走上了科技史上最为悲壮的长征,为公司的生存打造“备胎”。数千个日夜中,我们星夜兼程,艰苦前行。当我们逐步走出迷茫,看到希望,又难免一丝丝失落和不甘,担心许多芯片永远不会被启用,成为一直压在保密柜里面的备胎。”何庭波回忆。

而任正非的坚持和何庭波团队的负重前行,很可能决定了华为未来的生死存亡。

两天前,美国商务部工业和安全局(BIS)宣布,把华为加入该部门实体名单(entity list)。这意味着什么?在该原则下,若无特殊理由,美国工业安全局基本不会授予名单外企业向名单内实体出口、再出口或(国内)转移受《出口管理条例》管控之货物的许可。

换言之,最严重的情况是,华为无法再向美国公司购买芯片等产品。

“所有我们曾经打造的备胎,一夜之间全部转“正”!多年心血和努力,挽狂澜于既倒,确保了公司大部分产品的战略安全、大部分产品的连续供应。”

在美国公布制裁华为消息后的5月17日凌晨,何庭波在发给海思员工的内部信里写到。这封内部信发出后,迅速引发了无数中国网友的热议。

华为手机掌门人余承东在朋友圈转发评论说:“消费芯片一直就不是备胎,一直在做主胎使用,哪怕早期K3V2竞争力严重不足,早年华为消费者业务品牌和经营都最困难的时期,我们也始终坚持打造自己芯片的核心能力,坚持使用与培养自己的芯片。”

余承东还进一步透露:除了自己的芯片,还有操作系统的核心能力打造。

在操作系统这个领域,不被逼到绝路,我们此前同样很难有所作为。但在硬件的核心-芯片这个领域,这个“绝路”可能先一步到来,并且追赶的机会也并不那么渺茫。

中兴事件和此次美国制裁华为给我们敲响的警钟,早已将芯片产业推至风口浪尖。命运的年轮带来了滔天巨浪,我们能做的,只有正视过去的长期落后和悲壮的前行之路,正视5G和AI时代下的新机遇,警钟长鸣、知耻而后勇。

失效的摩尔定律

带给我们新机遇的,不单单是5G和AI时代的到来,还有摩尔定律。

我们要讲的,当然不是“每18-24个月,集成电路上的元器件数目,就会增加一倍,性能和性价比也提升一倍”,而是摩尔定律的消亡。近年来,这个说法几次爆发,虽然很多人不屑一顾,但作为英特尔创始人之一的摩尔本人早已认可。

先解释一下,它为什么失效以及我们的机会在哪里。

1946年,人类社会第一台计算机诞生,重达30吨。形象点,它就是一堆电路。通过无数开关和电线的连接,18000个能通电的电子管和7000个不能通电的电阻,每个电子元器件,都是一个“0”或“1”,计算不再是大脑的专利。

虽然在这个电路中,电子元器件挺少,计算能力很弱,但它开机的那晚,整栋大楼的灯光都瞬间变暗,耗能恐怖。一年后,灯泡大小而易损的电子管迎来颠覆者,晶体管诞生,电子元器件开始微型化。

而这个庞大的电路,也随之被集成到了一块硅片上,它的名字叫芯片。

微不可见的晶体管和电阻器,替代了电路中的电子管和电阻;而线路之间的间距,就是摩尔定律这些年进步的领域。就像在一个广场上,人们排列的越规律越紧密,能挤下的人就越多,而电子元器件的数量又直接决定着计算力。

近年来,芯片线路间距已经突破到了22nm、10nm或7nm(纳米),所以未来能缩小的空间有限。试想下1nm是什么概念,原子可以用它做单位,物理学界的名言说它是“命运”,一张纸的厚度也有100000nm。

当然,把芯片往大里做提高计算能力理论上可行,但成本太高(后文解释),我国的军用和航天芯片就基本靠烧钱实现了自产。但商用芯片,即使天马行空一点,假装不用考虑“设计框架、制造成本、使用能耗”的等等困难,芯片太大的话终端设备也塞不下。

基础科学何时再次进步难以预测,但芯片性能并不仅仅取决于线路间距。以前有的选,产业界都在压缩间距,换个提升计算力的方向研究无疑是吃力不讨好。现在没得选了,间距压缩不了了,芯片性能想提升必须换方向。

不管是尝试新的线路架构,还是直接在晶体管上做文章,甚至换掉硅片的“底盘”角色,新的方向都代表着空白或浅薄,是没有技术壁垒的新机会。穷则变、变则通,况且我们一向擅长集中力量搞基建,很难想象芯片这种核心技术,我们还会再次走偏。

其实,中国芯并不是从一开始就远远落后的。1956年,周恩来总理亲自主持规划了四个急需发展的领域——半导体、计算机、自动化和电子学,在集体的力量下,科研成果遍地开花。1959年,世界上出现了第一块集成电路,此时中国已经弄出了晶体管,并于六年后也成功研制出了第一块集成电路。

但之后这个差距被迅速拉大,并固化成了难以攻克的壁垒,原因实则很复杂:既有几段特殊的历史时期,造成的人才流失和科研阻力;也有企业界选择市场,弃研发而重进口重销售;更有学术造假和腐败问题对产业的致命打击。

今天的落后,不是历史的意外,而是多方共同造就的遗憾。

芯片制造

在集成电路出现的头二十年,虽然我们起步落后于美日,但至少是领先韩国和中国台湾地区的。这时的半导体行业,难的是制造,即生产晶体和晶体管,制造加工设备。此时的芯片企业一般是设计、制造、封测都自己做,非常看重资本实力。

首先填坑,把芯片往大里做不现实,这其实跟芯片的材料有关。芯片的原料是这颗星球上最不值钱的二氧化硅,但需要提纯,纯度低的可以用来太阳能发电,不值钱但我们产量足以对外出口;电子级的高纯硅要求纯度极高,不便宜但我们几乎全仰仗进口。

硅提纯的时候,用的是中学生物课常用的提纯方法,旋转。成品自然是圆的,也叫“晶圆”。几何知识告诉我们,使用圆形的材料时,对材料利用率最高的做法,一定是正方形越小,边上浪费的材料就越少,这样就能降低成本。

其次值得说明的是,如今做芯片依然要经历设计、制造、封装、测试这一系列流程,其中的主要环节是设计和制造。但通常情况下,这些环节是分离的,由不同企业负责。

我们今天所说的芯片实力,关注的芯片企业,则更多是指芯片设计。

原因很简单,芯片制造业有了一个遥遥领先的龙头企业,一己之力占据世界芯片代工的半壁江山—中国台湾的台积电。即使是来势汹汹杀入芯片行业的巨头阿里,也只是设计针对自身业务的定制芯片,然后制造环节找台积电和中芯国际代工。

芯片制造需要重资金投入,还得度过非常长期的技术积累阶段。遍观目前全球五大芯片制造地-美国、欧洲、日本、韩国、中国台湾,无一不是在上世纪全球产业分工调整的时期,靠堆积政策和资金崛起的。

当时半导体行业最好的切入点,就是DRAM,也就是电脑里的内存条。因为其设计简单,更看重制造工艺,所以无论在哪都是首选的半导体产品。领先地位的美国和日本中,日本崛起打的美国企业无力招架;落后地位的韩国和中国台湾,三星受益于美日之争,买下了许多破产企业的生产线,台积电则认准芯片行业会产生分工,专心做芯片制造代工厂,也都翻了身。

不高不低的中国,则先是落后于美日,又被韩国和中国台湾赶超。好不容易国家主导了几次工程,但效果也都不明显,最终国家领导人出访韩国参观了三星,回国后总结出四个字:触目惊心。

908工程尚未竣工验收,909立刻上马,国务院动用财政赤字成立了华虹。但华虹刚出点成绩,稍微有了丁点盈利时,就迎来了暴击。2001年,美国互联网泡沫破裂,芯片价格受波动暴跌,华虹巨亏。

幸好这一年,张汝京被台积电排挤到大陆,在上海张江办的中芯国际开始试产,到2003年冲到了全球第四大代工厂。台积电的分工理念很正确,企业们早就受够了又要设计又要建厂还要不停更新生产线的高昂成本。台积电开创性的转型做芯片代工,降低了芯片设计的技术门槛和资金风险,试水芯片设计的企业越来越多,订单如江河入海般向台积电涌来。

台积电的创立者张忠谋选对了理念,台积电的科学家们则突破了技术。之前说过,过去的芯片进步基本仰仗摩尔定律,通过提升晶体管密度来提高计算能力,而提高密度的关键,就是提升芯片生产时的精度。

芯片制程曾在157nm处卡过壳,当时就有摩尔定律失效的说法。全球头部厂商砸进几十亿美金,技术提升却微乎其微。

这时一位华人出手拯救了产业界,林本坚几乎以一己之力,改变了台积电在芯片制造业的地位。

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