華為如何在中國推出先進芯片并令美國感到驚訝

在2020年末，華為作為手機制造商正在為自己的生存而戰。

幾個月前，特朗普政府對這家中國公司進行了毀滅性的制裁，使其與全球半導體供應鏈斷開聯系。

這些制裁阻止了沒有許可的人制造華為設計的芯片，公司正苦于采購新芯片以推出更先進的手機。

為此，華為決定通過與半導體制造國際公司（SMIC）的一項冒險協議來押注其670億美元的芯片和移動業務，SMIC是一家由國家支持的晶圓廠，以迎頭趕上全球領先的芯片制造商。

SMIC宣傳說它已經找到了使用過時設備生產更先進芯片的方法。盡管這需要比華為之前的供應商臺積電更長的時間，成本更高，而且可能行不通。但這是一個機會。華為聯系了SMIC，制造了一個新的智能手機“片上系統”，代號為Charlotte。

這兩家公司面臨著巨大的壓力。在2020年12月，SMIC被列入美國制裁名單，這意味著任何想要向SMIC出售技術的公司都需要華盛頓的許可。

然而，近三年后的2023年8月，一款新的華為設備悄然亮相：搭載Charlotte芯片（現在被稱為麒麟9000S芯片）的Mate 60系列手機。

盡管面臨重重困難，根據各種測試團隊的說法，麒麟9000S的性能相當于高通1到2年前的芯片。

Mate 60在中國銷售一空，數年的制裁后華為芯片的回歸受到了民族主義者和科技迷的熱烈歡迎。

在美國，關于華為如何克服制裁生產芯片的困惑蔓延。美國國家安全顧問杰克·沙利文表示，美國需要“更多信息”關于麒麟9000S。

關于華為如何克服制裁生產芯片的問題，“或許最令人驚訝的事實是，似乎有這么多美國政府領導人顯然感到驚訝，”瓦德瓦尼中心主任格雷戈里·艾倫在一份有關華為新手機的深度報告中寫道。

華為和SMIC均未透露他們是如何完成這一壯舉的線索。但與數十名行業內人士和專家的采訪提供了迄今為止最接近的一瞥，揭示了這兩家公司如何在中國國家支持的情況下，投入大量資源進行項目，并打開了先進人工智能芯片生產的大門。

他們能否保持這種勢頭將決定中國是否能夠在持續的地緣政治挑戰中維持其半導體產業并取得全球技術至高點。麒麟9000S證明了該國是否能夠在制裁的情況下仍然與其競爭對手競爭？還是這兩家公司只是在瓶子中捕捉了閃電？

由于半導體行業的敏感性，大多數與《金融時報》（FT）談話的消息來源要求保持匿名。

效率較低的機器芯片制造中最廣泛認可的基準之一是7納米。盡管表面上是對工藝節點大小的引用，但這是用于生產驅動智能手機和數據中心的高性能芯片的先進技術的行業簡稱。

驅動蘋果iPhone XS的A12芯片和驅動特斯拉半自動駕駛的Dojo D1都是使用臺積電的7納米工藝制造的。

SMIC提供了兩個版本的7納米工藝，N+1和升級的N+2。根據多位了解情況的人士的說法，麒麟9000S芯片是在N+2上生產的。

但是，盡管臺積電和三星使用極紫外（EUV）光刻設備制造這些芯片，SMIC使用效率較低的深紫外（DUV）機器，行業專家和分析人士說。

一位熟悉SMIC技術發展路徑的半導體專家說：“起初是因為預算有限?！薄癊UV非常昂貴，而SMIC的先進工藝落后于臺積電，導致它沒有很多客戶和收入?！?/p>

電路板上刻畫電路到硅晶片中是芯片制造的基礎。更先進的光刻機提供更高的分辨率，意味著更細的線條和更多的細節，使芯片更小。

兩種機器都可以實現7納米的工藝，但EUV更有效和精確，產生的廢品更少。

SMIC使用DUV機器重復了其他公司使用EUV機器的芯片制造步驟，以增加晶體管密度。但這對產量率產生了不良影響，產量率衡量了每個晶片晶片上的工作與有缺陷的晶片的比例。

據荷蘭光刻機制造商ASML表示，要在DUV機器上實現7納米，需要34個光刻步驟，而EUV只需要9個步驟。額外的生產步驟導致生產成本更高，產量更低。

隨著每一個額外的步驟，將會有更多的芯片被丟棄，設備成本上升，布局增加。但在2019年，SMIC從ASML訂購的EUV設備被阻止，據情況了解的三人說。

這種先進的光刻機受到華沙協議的限制，該協議是由40多個國家組成的多邊出口管制協議，旨在限制可能具有雙重軍事目的的產品的銷售。

有兩位接近SMIC供應商的消息人士說，SMIC設法從現有工廠和在華盛頓實施出口管制之前收到的工廠中收集設備，以保持7納米生產線運行。

但這仍然使其沒有了ASML通常為高度復雜的機器的客戶提供的額外支持。一位接近SMIC的芯片公司高管說：“條件很苛刻?！薄盎旧蠜]有軟件更新，也沒有設備工廠的工程師進行維護服務?！?/p>

艾倫表示，即使在出口管制之后，SMIC仍能夠獲取維持其7納米生產線運作所需的備件和技術服務，讓美國官員感到驚訝。

西方的制裁阻止了中國進口ASML的EUV光刻設備進行先進芯片制造。

行業知情人士接近SMIC承認，違反出口管制可能獲得了一些設備。據路透社報道，美國半導體設備制造商應用材料正在接受違反出口限制的調查。

應用材料在一份給新聞媒體的聲明中表示，“正在與政府合作，并堅持合規，遵守全球法律，包括出口管制和貿易法規?！盇MAT未回復置評請求。

不惜一切代價芯片制造商通常與芯片設計公司合作，在新設施中測試設備和制造過程。因此，例如，臺積電將與蘋果合作，生產其3納米處理線上的芯片。

對于SMIC升級的7納米生產線，華為是試驗的對象。但這家手機制造商為SMIC帶來了收入和認可，并在重新定義生產線的多個方面發揮了關鍵作用，根據三名了解SMIC設施的內部人士。

SMIC還向國外尋求幫助。由于出口管制的原因，美國人被禁止為中國先進芯片制造商工作，但據兩位了解SMIC的芯片工程師說，它還雇傭了來自臺灣、日本、韓國和德國的專家，以提高生產力。

“這些海外專家帶來了他們從其他晶圓廠獲得的先進工藝的技術知識，”其中一位工程師說。

“7納米工藝有數千個步驟需要改進，”第二位工程師說?！吧踔猎谇宄康牧璩?，我不得不在工廠接電話，因為這可能涉及一兩項關鍵的改進?！?/p>

根據了解華為芯片設計團隊的消息人士的說法，當SMIC收到麒麟9000S的訂單時，它沒有一個團隊能夠幫助芯片設計工程師使其設計適應不同晶圓廠的工藝規范。華為不得不獨自適應。

麒麟9000S的生產產量仍然籠罩在神秘之中，華為和SMIC對此沒有發表任何公開聲明。在麒麟9000S危險的量產階段之前，該產品在生產早期階段的一個人說，麒麟9000S的產量達到了30%以上。

這個人將其描述為在艱難的量產階段取得的“在艱難條件下的積極數字”，但指出這是“與產量為90%的產線相比的成本至少翻了一番，移動芯片制造的理想基準”。

行業專家認為，中國政府的資金支持彌補了過高的芯片生產成本。根據公司年度報告，華為在2022年從中國政府獲得了655億元人民幣（948億美元），是前一年的兩倍多。SMIC在過去三年中獲得了688億元的國家補貼，中國集成電路產業投資基金作為主要股東還提供了額外的支持。

“中國政府顯然已經決定為這項努力買單是值得的，” 中國半導體行業專家道格拉斯·富勒（Douglas Fuller）表示。

下一步，人工智能Kirin 9000S在中國掀起轟動，使華為收回失去的市場份額。行業專家預測，它將增加基于Kirin芯片的智能手機的生產量；海通國際證券分析師杰夫·普（Jeff Pu）估計，到2024年底，可能生產高達7000萬部基于Kirin芯片的智能手機。

然而，中芯國際（SMIC）和華為已經擴大了他們的雄心，制定了一個計劃，以增加芯片生產，以滿足華盛頓對向中國銷售高性能芯片實施的嚴格限制。

騰訊和阿里巴巴等中國互聯網巨頭的高管們已經承認，他們在尋找高性能芯片方面面臨困難，因此他們正在考慮本地替代方案。

華為的Ascend系列人工智能芯片被行業分析師宣傳為Nvidia圖形處理單元的潛在替代品，盡管其整體性能落后于美國公司。

在2020年5月制裁開始之前，華為銷售的Ascend人工智能芯片是由臺積電（TSMC）制造的?，F在，多個與該公司關系密切的消息源表示，該公司已經恢復了產品線，推出由中芯國際制造的新設計的數據中心芯片。

三位與華為關系密切的消息人士表示，騰訊、百度和美團等互聯網巨頭已經購買了華為Ascend 910b芯片進行小規模試驗。兩位與中芯國際關系密切的人表示，該芯片工廠已經開始擴大7納米生產能力，以生產預訂的華為芯片，并研發更先進的5納米工藝。

明年Ascend 910b的生產目標較2023年翻了一番，預計將生產超過20萬顆芯片，這兩位人士表示。

然而，華為和中芯國際在開始從Nvidia奪取市場份額之前，必須克服一些數據中心芯片制造過程中的重大挑戰。

人工智能芯片比智能手機處理器更大，因此更容易由于生產錯誤而出現缺陷。據了解生產端的消息人士稱，華為Ascend 910b芯片的當前良率僅略高于20％，意味著每生產五顆芯片中有四顆是有缺陷的。

由于美國、日本和荷蘭實施的限制，預計中芯國際的生產擴張將比三年前更加困難。荷蘭和美國對中芯國際使用的深紫外（DUV）機器實施了出口限制，這是該公司為開發和生產先進芯片所使用的。

荷蘭光刻機制造商ASML表示，“我們遵守所有適用的出口管制規則和法規”，并且其客戶知道，從2024年起，“我們可能不太可能獲得這些系統運往中國國內客戶的出口許可證”。

但中芯國際的供應商表示，該公司在美國加強出口限制之前收到了ASML的新一批先進的DUV，這意味著在未來兩到三年內仍有可能加大生產和技術發展。

“這里的許多設備仍然是2020年中芯國際備貨的美國和日本產品，” 其中一人表示。

然而，行業專家和分析師認為，中芯國際可能會在能夠制造先進芯片之前耗盡設備維護和材料供應。

“一些零部件的庫存可能在兩到三年內耗盡，沒有本土公司提供替代品，而通過黑市采購的份額很少，” 中國半導體行業獨立顧問萊斯利·吳表示。

他說：“組件限制沒有適當的答案。如果庫存的零件在國內替代品出現之前用完，這將是一個巨大的麻煩?！?華為和中芯國際沒有回應置評請求。

國家的冠軍華為和中芯國際至少可以確保在努力跟上行業領導者的過程中得到國家的支持。半導體產業政策制定方面的一位政府官員表示，當前的目標是“不惜一切代價”建立尖端芯片的生產線。

“穩定的芯片供應鏈是高性能計算系統的支柱...對于中國高性能計算產業保持發展勢頭至關重要，尤其是在持續的貿易緊張局勢和美國政府實施的限制之下，” 這位官員表示。

從2014年建立中國集成電路產業投資基金開始，北京通過國家資金培育了其微芯片產業。在過去的十年里，這個投資基金已經積累了470億美元，并預計將再籌集410億美元，為中國追求技術自給自足提供更多支持。

研究公司JW Insights的一份報告分析了25個省和地區的政府投資，發現政府在2021年和2022年向半導體相關領域投入了2908億美元，其中三分之一用于半導體設備和材料。

這個龐大的投資背后的理念很簡單：擺脫對進口的沉重依賴，加強在全球供應鏈中的立足點，并剝奪美國關閉中國工業和國防經濟相當一部分的能力。

“如果你大多數芯片都是進口的，你就不是制造業超級大國，” 《芯片戰爭》作者克里斯·米勒（Chris Miller）說?！澳阒皇窃诮M裝其他地方生產的高價值組件?！?/p>

中國國家安全部似乎同意這一點，在其微信賬號上寫道：“只有通過把核心技術掌握在我們自己手中，我們才能真正在競爭和發展中采取主動，并從根本上確保國家的經濟、國防等安全?！?/p>

這種擺脫對外國技術依賴的雄心寄托在華為和中芯國際的肩上。Kirin 9000S的成功推出為半導體行業注入了新的活力，高管們報告說，芯片初創公司的融資出現了激增。

但是華為的長期目標不僅限于中國市場。Kirin 9000S的原始昵稱—Charlotte—象征著這些希望。它的命名并不是為了某個個體，而是為了北卡羅來納州的城市。消息人士表示，正在研發的其他移動半導體也在內部以美國城市命名。

華為的一名員工表示，使用美國的名字反映了“我們希望有一天重新奪回全球供應鏈中的地位”。