解讀中國芯片真實水平，與世界頂尖差多少？

　　集成電路是怎么回事

　　這是重點。先來一段百度百科上的介紹：

　　集成電路(integrated circuit)(縮寫IC)是一種微型電子器件或部件。采用一定的工藝，把一個電路中所需的晶體管、電阻、電容和電感等元件及布線互連一起，制作在一小塊或幾小塊半導體晶片或介質基片上，然后封裝在一個管殼內(nèi)，成為具有所需電路功能的微型結構;其中所有元件在結構上已組成一個整體，使電子元件向著微小型化、低功耗、智能化和高可靠性方面邁進了一大步。它在電路中用字母“IC”表示。集成電路發(fā)明者為杰克·基爾比(基于鍺(Ge)的集成電路)和羅伯特·諾伊思(基于硅(Si)的集成電路)。當今半導體工業(yè)大多數(shù)應用的是基于硅的集成電路。

　　集成電路技術包括芯片制造技術與設計技術，主要體現(xiàn)在加工設備，加工工藝，封裝測試，批量生產(chǎn)及設計創(chuàng)新的能力上。

　　下面是我自己寫的：

　　人人都聽說過摩爾定律，當價格不變時，集成電路上可容納的元器件的數(shù)目，約每隔18-24個月便會增加一倍，性能也將提升一倍。有一段時間，人們說摩爾定律失效了，英特爾自己都做不到了，也有人說實際上IC行業(yè)發(fā)展比摩爾定律更快了。不論如何，全球半導體企業(yè)一直投入巨資研究新的制程工藝，其標志就是集成的半導體元件的線寬。每一次制程工藝的進步，都帶來更小的線寬，更小的功耗，更高的工作頻率，能夠集成更多的元件，有更強的性能。

　　線寬：注意，1毫米=1000微米=1000000納米，一千倍的關系。從我對半導體行業(yè)有印象的時候開始，半導體行業(yè)最先進的制程工藝從幾十微米到幾微米，再到幾百納米， 130納米，65納米，45納米，28納米，20納米，16納米，14納米，10納米，直到今年三星就要量產(chǎn)的7納米， (中間可能還有個別其它的線寬)。每隔兩三年就更新一代， 但是基于這些線寬，各個廠家仍然有不同的工藝技術。 有時候線寬也只是一個商業(yè)宣傳噱頭，因為IC電路上的每一個晶體管都是由多種半導體材料搭建而成，每種材料的形狀和線寬都可能不同，廠家選擇最窄那個宣傳，仿佛水平最高，實際上也許不那么高。比如網(wǎng)上有很多討論，英特爾的20納米制程工藝在實際效果上要強于臺積電的16納米制程工藝。所以我們在評價一個IC廠的制程工藝是否先進的時候，線寬是一個重要的參考，但不是唯一的。

　　晶圓(Wafer)：晶圓是圓柱形的單晶硅切割成的圓形硅薄片，所有的IC都是在晶圓上加工而成的，然后經(jīng)過切割和封裝、測試，就是芯片成品。顯然，晶圓越大，能在晶圓上制造的IC就越多，成本就越低。所以在半導體行業(yè)發(fā)展的近幾十年里，晶圓的尺寸不斷加大，從4英寸、6英寸、8英寸發(fā)展到現(xiàn)在的主流12英寸，未來會有更大的晶圓。原理上講，用多少納米線寬的制程工藝和晶圓的尺寸沒有必然的聯(lián)系，7納米也可以用4英寸晶圓，但實際上IC工廠通常會采用那個時代最大的晶圓來降低成本。

　　投資和行業(yè)：摩爾定律只告訴你了IC工藝如何進步，但沒告訴你建造IC工廠的投資如何增長。實際上每一代制程工藝的進步，新建工廠所需投資都大幅度增長。從70年代的幾千萬美元，到幾億美元，十幾億美元，幾十億美元，上百億美元，而最近三星，英特爾和臺積電投資的7納米生產(chǎn)廠，投資額都已經(jīng)超過二百億美元。這種天價的建設成本帶來兩種后果：第一，是小國或者新進入IC行業(yè)的國家，已經(jīng)沒有經(jīng)濟實力追求最先進的制程工藝了。臺灣和韓國都是舉政府之力全力支持，并且從幾十年前IC工廠所需投資還沒那么大的時候就進入行業(yè)，經(jīng)過以廠養(yǎng)廠的良性循環(huán)，利用舊工廠的高利潤才能撐得起對新廠房的投入。而投入稍微不足，便一步落后步步落后，如今歐洲和日本的IC企業(yè)都已經(jīng)無力再追尋最先進的制程工藝了。全世界最先進的IC制程工藝只掌握在三家公司手中：三星，臺積電，英特爾。而目前唯一有可能趕上來的，就是中國。第二個后果，就是如此高價的廠房，靠自家的產(chǎn)品一般都無法填滿產(chǎn)能，帶來的后果就是自家產(chǎn)品的成本飆升。為了填滿產(chǎn)能，攤平成本，所有掌握最先進工藝的廠家都必須為其它公司代工。這就導致了IC行業(yè)分化為沒有工廠只有設計和市場部門的FABLESS企業(yè)，和為其它企業(yè)代工生產(chǎn)的FAB公司。臺積電是只有代工，沒有自己品牌IC產(chǎn)品的。三星和英特爾都有自己品牌的IC產(chǎn)品，但也為其它企業(yè)代工。世界上也有一些IC企業(yè)，在特定的行業(yè)里市場占有率高，而IC工廠的制程工藝并不高，成本也不高，這些企業(yè)是不用給別家代工的，自己生產(chǎn)自己設計的IC就夠。

　　沒有IC工廠的設計企業(yè)有很多，比如華為海思，AMD，NVIDIA，高通，MTK，博通，等等等等。網(wǎng)上有人說華為海思的芯片是臺積電代工的，所以華為海思不牛，這個觀點是錯的。通訊行業(yè)霸主高通就沒自己的IC廠，所有產(chǎn)品都是臺積電或者三星代工生產(chǎn)的，你敢說高通不牛?華為不止是手機CPU是自己設計，它的網(wǎng)絡產(chǎn)品中用的交換機芯片，路由器芯片，和電源管理等等很多芯片都是自己設計找FAB廠代工的。華為是核心電子元器件自主率最高的中國企業(yè)，當然，它也有大量的電子元器件需要進口。

　　中國的IC行業(yè)水平：

　　這里就是重點中的重點了。中國的經(jīng)濟實力是在最近十年左右才爆發(fā)性增長的。由于IC FAB工廠所需投資額巨大，十幾年前中國實際上沒有多少錢投入，水平落后是必然的。再加上科研體制的問題，早期有一幫公司靠打磨進口芯片冒充自己的產(chǎn)品，造成了極其惡劣的影響，首當其沖的就是“漢芯”，以至于網(wǎng)上一有新聞說中國什么芯片獲得突破，立即有人蹦出來說：是打磨掉人家的標打上自己的標的吧? 這種情況直到近些年才有所改觀。

　　首先看IC制造FAB企業(yè)的水平：中國目前(2018年初)最先進的IC制程工藝是中芯國際和廈門聯(lián)芯的28納米制程。廈門聯(lián)芯的28納米良品率已經(jīng)超過95%，而中芯國際的28納米良品率還不高，實際上對這一工藝還沒完全搞利索。而中芯國際已經(jīng)把14納米制程作為研發(fā)重點，爭取在2019年底之前量產(chǎn)。另外臺積電在南京投資的16納米工廠，目標是2018年底量產(chǎn)。

　　那么世界最先進水平呢?上周剛剛爆出的消息，三星的7納米制程剛剛量產(chǎn)成功，而且是應用了ASML最先進的EUV光刻機完成的。而臺積電沒有使用EUV光刻機的7納米工藝要到今年底才能量產(chǎn)，英特爾會更晚些。使用EUV光刻機未來可升級到更先進的5納米制程。

　　這樣看來，中國的IC制程技術比世界最先進水平落后兩代以上，時間上落后三年多(臺積電和三星的14/16納米制程工藝都是在2015年開始量產(chǎn)的)。這實際上就是美國對中國大陸IC制造設備的禁運目標。IC制造設備種類非常多，價格都非常昂貴，其中最重要的是光刻機。光刻機的生產(chǎn)廠家并不多，在28納米以上線寬的時代，日本的佳能和尼康都能制造(對，就是造單反相機的那個佳能和尼康)，但是IC制程工藝進步到十幾納米以下時，佳能和尼康就落后了，基本退出了光刻機市場。目前，世界上唯一的光刻機廠家就剩下ASML。ASML是荷蘭飛利浦公司的半導體部門拆分出來的獨立公司(飛利浦半導體部門拆分出的另一家公司是NXP恩智浦，最近美國高通公司要收購NXP，需要得到中國政府的批準，趕上美帝對中興禁運，那么，就拭目以待吧)。ASML的主要股東是飛利浦，但三星，臺積電和英特爾都占有股份。去年底， ASML的中國區(qū)銷售總監(jiān)對媒體說，ASML最先進的EUV光刻機對中國沒有禁運。但是美國政府又的確有禁運的指示。那么，到底禁運不禁運?這個問題得這么看： ASML每年光刻機的產(chǎn)量只有不多的幾十臺，每臺賣一億多美元，只能優(yōu)先供應它的主要股東。對，就那三個最先進的IC廠家：三星、臺積電、英特爾，中國企業(yè)如果訂貨得排在后面等，交貨期將近兩年，交貨后生產(chǎn)線調(diào)試，工藝調(diào)整還要一年左右，加到一起，從下訂單到量產(chǎn)要至少三年。這樣通過正常的商業(yè)邏輯和流程，就能達到美國政府制定的，讓中國落后于最先進IC工藝至少三年的目標。那美國政府何必要蹦出來說禁運呢?

　　但是在這里必須說明，中國IC制程落后的最主要原因，并不是買不到光刻機，或者是光刻機到貨太晚。最主要的原因在于沒有足夠的人才和技術!現(xiàn)狀就是，即使把所有最先進的生產(chǎn)設備都馬上交給中國IC制造企業(yè)，中國IC企業(yè)在三年內(nèi)也沒有能力量產(chǎn)最先進的IC制程。事實上中芯國際目前就有14納米制程的全套設備，而他們的28納米制程都沒整利索。再說一遍：最大的瓶頸在于缺乏技術和人才。

　　IC生產(chǎn)工藝異常復雜，是人類目前生產(chǎn)的最復雜的產(chǎn)品，沒有之一，有了最先進的生產(chǎn)設備，就比如給了我最高級的畫筆和顏料，我仍然畫不出一幅能看的畫來，因為我根本不會畫畫，不知道怎么落筆，怎么鉤線，怎么涂色。用IC生產(chǎn)設備生產(chǎn)IC，需要經(jīng)過大量的工藝研發(fā)，需要知道用什么材料，制作成什么形狀，怎么布局，等等，才能保證良品率。而中國懂這些技術的人才太少太少。中國自己的大學微電子專業(yè)離業(yè)界先進水平太遠，培養(yǎng)出的合格工程師太少。這也解釋了，為什么中國的IC制造企業(yè)大量高薪挖臺灣日本韓國的IC制造人才。指望買到最先進的生產(chǎn)設備，短時間就趕上世界最先進水平是不現(xiàn)實的。技術的積累和人才的培養(yǎng)都需要很長時間。

　　那么到底有沒有機會趕上呢?也許未來5年左右是個彎道超車的機會，但要看運氣。原因在于，新一代制程工藝對于半導體線寬的縮小不是無限制的。業(yè)界普遍認為，以目前的工藝技術，到了3納米以下的時候，電子在半導體內(nèi)的流動就不是按照我們所理解的理論來走了，而是會遇到神秘的量子效應，當前的工藝技術就失效了。各大領先企業(yè)都投入巨資研發(fā)全新的工藝和技術，試圖突破這一限制，媒體上經(jīng)常能見到某某公司又有什么突破。但到目前為止，還見不到實用的技術突破。所以，也許，在5年之內(nèi)，各領先企業(yè)都會停滯在3納米制程附近，正是中國趕上來的好機會。但是也有可能，未來5年真會有技術突破，那么領先企業(yè)還會繼續(xù)領跑，中國還得在后面苦苦追趕。

　　不過IC制程工藝未來有一個發(fā)展方向是實用的并且已經(jīng)在閃存行業(yè)應用了：那就是向多層發(fā)展，3D堆疊。目前三星已經(jīng)量產(chǎn)64層堆疊的NAND Flash芯片，正在開發(fā)96層堆疊的技術，中國紫光剛剛量產(chǎn)32層堆疊的NAND Flash芯片，64層的計劃到2019年才能量產(chǎn)。而除了閃存芯片之外的CPU類IC，目前都是平面的一層，未來肯定會向多層發(fā)展，能夠成多倍地提高IC的集成度。這種技術也是中國企業(yè)需要突破的。

　　但是，除了對速度和功耗有極致要求的一些IC需要追求最先進的制程工藝外，比如各種CPU和GPU等，其它大部分的IC產(chǎn)品實際上并不需要使用最先進的制程工藝。實際上，目前業(yè)內(nèi)公認性價比最高的制程工藝是28納米，而這一工藝正在被中國大陸企業(yè)掌握。還有一個事實就是，28納米工藝的營業(yè)額目前是臺積電所有工藝里最高的。只要把這塊市場拿下，做大，中國的IC企業(yè)就能占據(jù)大半江山了。

　　再說說FABLESS IC設計企業(yè)。這個行業(yè)中國進步是比較快的，當然這也和能買到現(xiàn)成的IC設計方案有關(業(yè)內(nèi)叫IP core)，其中最有名的就是ARM架構的CPU了。2017年底，中國大陸的FABLESS企業(yè)的營業(yè)額已經(jīng)超過了臺灣，而且還在高速發(fā)展中。

　　這里可以舉一個每個人都用的產(chǎn)品的例子：手機CPU。目前世界上擁有自主CPU的智能手機廠家只有四個：三星，蘋果，華為(麒麟處理器)，小米(小米的松果CPU是基于大唐的技術)。而世界上的手機生產(chǎn)企業(yè)能外購到的智能手機CPU也只有四家的產(chǎn)品：高通，聯(lián)發(fā)科(MTK)，三星(魅族最愛用)，紫光展銳。蘋果，華為和小米的CPU不外賣。不過，最近華為的麒麟970 CPU開始向聯(lián)想K9 Plus手機供貨了，不知是不是在中國政府的壓力下華為才放開的。另外，去年聽說，小米的松果CPU也和生產(chǎn)諾基亞品牌手機的HMD公司簽訂了一個意向書。紫光展銳的智能手機CPU主要用在低端手機上，但是別看低端，2017年紫光展銳的營業(yè)額及市場占有率都和臺灣聯(lián)發(fā)科MTK相差無幾了，在大陸市場的推動下，超過聯(lián)發(fā)科是必然的事。