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芯片自主,被卡住的“核高基”

2021-11-16 14:10
C次元
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作者

查攸吟

自主的道路并不总是一帆风顺,但我们仍必须坚持走下去,因为除此之外别无出路。

   责编丨查攸吟

   编辑丨别致

2021年已临近尾声,但上海微电子子装备(集团)股份有限公司上半年交付评审的SSA800/10 Atf光刻机项目,仍未传出期待已久的捷报。

有些事情,一直没消息就是最好的消息。至于另一些,迟迟没有下文就意味着有了麻烦。

现在有不小的可能,这项关系到极端情况下芯片能否完全国产化的重大项目,将会延期至2022年——甚至更晚一些的时候。

关系重大的02专项,可能遭遇到了挫折。

01

被卡住的“核高基”

“核高基”这个词,想来许多人都有所耳闻。虽然不太了解的朋友可能会将之误解为国家核计划相关,但实际上,这是“核心电子器件、高端通用芯片及基础软件产品”的简称。

在十五年前的2006年,全国人大通过了名为《国家科技重大专项(2006-2020)》的系列国家主导重大工程决议。计划由国家力量来主导,以2020年为节点,推进被归纳为十六个大项的重大战略产品、关键共性技术和重大工程系列。

例如近年来接连告捷的中国大火箭、载人航天以及地外天体探测项目,汇总起来便是其中的载人航天与探月工程专项;国产大客机的C919项目乃至于预研中的C929项目,合并便是国产大型飞机专项。

▲可能是航空、航天相关专项异常顺利的进展,给了大家一种“只要努力就能快速取得进展”的错觉

在全部十六个专项中,除去三个涉及国防的保密项外,力争关键“电子器件、芯片制造和相关软件产品”自主的系列专项位列榜首,是之为“01专项”,即所谓的建立完全自主的“核高基”体系。其重要性仅从排名就可见一斑。

而想要完成这个“01专项”,就必须基于“02专项”这个前提,即突破自主知识产权的极大规模集成电路制造装备以及相关成套工艺。而“02专项”给出的制程工艺目标,便是突破28nm技术。

而本次极有可能被“打回票”的上海微电子 SSA800/10 Arf光刻机,单次曝光分辨率达到了38~41nm,基本满足了“02专项”所要求的28nm工艺范围。可以说,这就是一台设计用来帮助中国自主芯片“突围”的设备。

也许有人会嫌弃这个指标。毕竟,28nm制程在十年前,大概还能算是先进工艺,但在这个7nm遍地走,5nm产品已不止一款,晶圆工厂甚至开始“画饼”3nm的今日,动用国家力量突破这一技术,却又意义何在?

那么,请注意01和02这两个专项,都提到的关键词——自主。实际上,在全部十六个专项大类中,无论公开的还是保密的,“独立”和“自主”都是重中之重。

而“02专项”的根本目的,就是立足于28nm这个不上不下的节点,实现28nm以及以下制程的完全自主化。

虽然我们日常受到各种电子产品广告的“轰炸”,早就视7nm甚至5nm作习以为常。但不可否认的是,28nm这种看似颇有点“不上不下”感觉的制程,却是目前各类除商用移动设备除CPUGPU等最尖端处理器外,其他类型半导体元器件的主流制程。

当前,随着半导体器件制程工艺逐步逼近其物理极限,“摩尔定律”实际上已经失效。所以在可以预计的未来,只要掌握了28nm制程技术,就意味着可以解决除少数核心处理器外,绝大多数常规中低端部件的生产和制造。

▲先进制程固然高大上,有利于最大限度提升消费电子产品的性能,但并不是所有芯片都有必要上5nm的

近年来,虽然中国在载人航天、大飞机领域均捷报频传,但更加基础的部分里想要取得突破,却非常的不易。

然而即便如此,有些事情我们还是得坚持做下去。

02

两条腿走路,做两手准备

由国家主导的重大专项系列,讲究的是独立自主有备而无患。然而在当今这个颇为特殊的时期,“拿来主义”仍有其意义。

芯片产业,所谓的“拿来主义”,就是暂时将“自主”的要求放宽,不再以百分百排除非美国技术设为先决条件,而讲究在可以利用外国技术的时期,尽量基于可获得技术去取得进展。

事实上,国内商用芯片在可预期的阶段,似乎都离不开海外特别是美国技术。例如中芯国际、华虹集团、华润微电子等,目前仍就必须大量使用荷兰ASML生产的光刻设备。

▲性能已经非常稳定的上海微电子SSA600/20 ArF光刻机,可加工90nm制程芯片。但在商用方面,这是远远不够的

现阶段,受《瓦森纳协定》限制,荷兰政府禁止ASML对华出口极紫外光刻机(使用13.4nm极紫外光源)。但受目前已经能自主生产的SSA600/20(90nm),以及本次未通过验收的SSA800/10之惠,各类使用193nm深紫外光源(DUV)光刻机,却并未被列入(或者说已经被剔除出了)禁运目录。

这一结果就是,中国企业近期一直在大量采购ASML生产的NXT系列浸没式光刻机。目前,仅大陆厂商掌握的NXT 1980Di型DUV光刻机总数就超过了20台,甚至还引进了多台最新式的NXT 2050i型。后者在每小时晶圆加工数量方面,有着较为显著的提高,且设备可靠性也更佳。

▲ASML NXT 1980Di

当然,有了适合的设备,却不等于企业已经掌握了对应的制程技术。由于大陆企业在该领域起步过晚,目前在许多方面仍磕磕绊绊。

如中芯国际等国内晶圆代工企业,在两年前已经基本掌握了28nm制程的生产工艺,目前良品率已基本和三星台积电等国际晶圆大厂接轨。但更进一步的14nm制程技术,却仍受困于良品率问题。

工艺外的另一个问题,是产能。

截至今年上半年,面对全球性芯片短缺这一难得的赚钱良机,中芯国际竭尽其所能,全部28nm产线的月产能也仅仅是勉强达到了1万片(12英寸晶圆,下同)。

而作为对比,台积电南京厂的28nm产线在扩产后,月产能是4万片。作为先进制程门槛的14nm,由于良品率的问题尚未得到根本性突破,所以截止2020年末,月产能一直徘徊在2000~3000片之间。

显然,对于中芯国际等企业来说,尽快扩张产能才是当务之急。在可以预见的未来,国内对于各种芯片的需求将会更加炽烈,特别是随着一大批无晶圆工厂随着自主策略崛起以后,会有一波越来越旺盛的自主芯片替代潮涌起。

03

容易被忽略的短板

谈到这里,就不得不说一下在芯片自主方面,除光刻机外的另一个重大短板:EDA(Electronic Design Automation)软件问题。

在硅晶片诞生之初,芯片设计本质上和机械作图没有什么区别。然而随着最近30年来集成电路技术的突飞猛进,集成电路的晶体管数量从数百上千,迅速增至几万、几十万、数百万级别。

为了完成各种大规模集成电路的设计,计算机辅助设计技术(CAD)被引入进来,并逐渐发展为独立的EDA。

▲要人力来设计这样一块芯片,显然是天方夜谭。图为拥有570亿晶体管的苹果M1 Max

上月中日,阿里巴巴旗下平头哥半导体公司,推出了自主设计的,基于最新ARMv9架构的倚天710服务器专用芯片。该芯片以128核于600亿晶体管规模,成为了迄今为止集成晶体管数量最多的量产芯片。

而如此规模的晶体管数量,其芯片的电路设计,已经早就不是纯人力可以完成的了。

近20年来,几乎每一款超大规模集成电路的背后,都有着EDA的身影。作为一类自动化设计软件,其通常搭载有大量标准单元库的概念——不同单元库代表特定功能的电路。

在实际工作中,设计人员只需要调用不同的模块,即可有序搭建芯片的基本架构。

在EDA辅助下,设计人员已经不再需要(实际也不可能)去了解每个芯片的所有细节部分。其大多数时候,实际近似于依托一个标准数字模型在那边搞设计。

而EDA,是一个几乎被美国企业完全垄断的市场。

EDA行业,有着所谓的“三巨头”说法。即成立于1981~1988年间的三家美国企业:新思科技(Synopsys)、铿腾电子(Cadence)和明导国际(Mentor Graphics),占据全球接近80%的市场。

而在中国国内,来自于这3家企业的软件服务,更是一口吞下了近90%的市场份额。

由于如此的市场占有率,所以对于中国企业而言,来自于EDA软件的威胁,可能远比之光刻机上的“卡脖子”要来得直接。因为无论华为旗下海思半导体,还是阿里旗下的平头哥,绝大部分号称自主知识产权的芯片,都离不开来自于国外公司的EDA工具。

所以,谈到这里,是不是感觉就陷入了一个死循环了?首先,你必须掌握了先进的计算机软硬件,然后,才能设计出更强大的硬件和软件……

并不是说国内就没有专注于开发EDA软件的企业。然而,一款EDA工具的研发,通常有着极为漫长的周期。以理想状态来说:软件本身的开发周期大约3年以上,然后还有2年多的磨合期。现实中,任何人想要交出一个可以使用的EDA工具软件,至少需要耗费6年时间。

而且,这还只是初步完成而已。没有大量实际项目的检验,产品覆盖也注定不会全。现实中,鲜有企业愿意冒着流片失败的风险,会去为新的EDA工具充当这个“小白鼠”的。

所以,三巨头在这方面的优势不但明显,而且几乎难以逾越。

以Synopsys为例,该公司提供的每套集成电路设计工具,都历经十余年的打磨和迭代,并且能够提供给IC公司的都是全套工具,因此具备绝对的竞争优势。

可以想象,在如此绝对的优势下,一旦美国对EDA软件实施禁运(甚至不需要用到臭名昭著的长臂管辖权),那么我们企业卡的脖子的问题又会多出设计这一环节。这一切,正如华为在去年5月份所领教的那样。上世纪90年代,由于特别的政治环境,国内相关产业转为完全依赖美国供应,导致自主研发团队濒临解散。近年来,随着外部环境的变化,引来了资本的瞩目,开始重新组织团队开发EDA软件,例如华大九天。

但可以预计的是,想要突破这一层封锁,我们的企业还需要长期的投入以及漫长的磨合时间。

中国vs外国,是中文互联网社区内一个烂大街的老哏,指的是不少人但凡涉及到中外对比,总要集全世界其他国家的一切精华,拿来和中国进行对标。

比军事力量要选美国,比人均富裕程度必须是北欧国家,比国土辽阔必选俄国。凡此种种,堪称中文社区一绝。

然而,随着中美大国竞争帷幕的拉开,我们所面临的,正是这样一种“中国vs外国”——中国必须与美国外加其一切发达国家盟友进行竞争。

而这场竞争的终点,必须是中国的力量足以胜过了当今世界的全部发达国家的集合体……

实际上,在这场没有硝烟的芯片争夺战中,中国所面对的,何尝不是一敌众强的局面?

EDA三巨头,是美国电子科技界集40年经验和积累于一身的业界翘楚;至于荷兰的ASML,更是整个欧美国家基础工业的集大成者。

一台ASM生产的极紫外光刻机,拥有10万个以上的零配件,其中大部分零配件都需要进口:镜头来自德国蔡司、光源设备由美国企业生产、微动机械来自日本和中国台湾……

毫不夸张地讲,光刻机本身便是当今世界各发达国家优势技术的集合体。

上海微电子的挫折,源于打造28nm自主光刻机最大的问题,并非是制造设备本身。该项目之宏大,涉及到镜头、光源、精密机械,甚至是浸没工艺必需的高纯水,几乎是考验整个基础工业。

▲我们的父辈祖辈曾经筚路蓝缕。今日,我们将接下他们的责任,继续为这个国家而奋斗

实际上,推进SSA800/10 Atf光刻机项目的过程,便是由上海微电子牵头,对国内相关工业体系所有“短板”,的一次集中清理工作。

并非是要为挫折和失败找理由,但如此庞大的项目最后会有所疏漏,似乎在所难免。

然而,国人却也不必就此灰心丧气。在这场以年为单位的追赶中,我们不必以一时得失论成败,更不必因暂时的成败论英雄。对于正处于国家上升期的我们来说,只要做好每个人分内的事情,时间就注定是我们最大盟友。

声明: 本文由入驻维科号的作者撰写,观点仅代表作者本人,不代表OFweek立场。如有侵权或其他问题,请联系举报。

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