Hi，我是如舟。在上篇中我們聊了手機(jī)市場的現(xiàn)狀和為什么要造芯這個問題，沒看過的朋友可以點(diǎn)擊下方的鏈接，這次跟大家聊聊國產(chǎn)廠商造芯，到底難在哪里。
世界上第一款商用計算機(jī)微處理器 Intel_4004
要搞清楚這個問題，首先得了解差距。縱觀整個產(chǎn)業(yè)鏈，前端設(shè)計是第一部分。首先芯片架構(gòu)師確定芯片的種類、用途、規(guī)格、性能水平等原始需求，并選出最合適的方案，確定好就不再修改。然后芯片設(shè)計工程師利用硬件描述語言（HDL）編寫芯片功能和電路代碼，并通過 EDA 工具進(jìn)行功能和電路模擬、布線和驗證，測試分析關(guān)鍵電路是否完備，功能是否可以實(shí)現(xiàn)。這就好比蓋房子，先要畫設(shè)計圖紙確定結(jié)構(gòu)和空間一樣。再根據(jù)反饋結(jié)果不斷優(yōu)化調(diào)整，最后由 EDA 工具繪制出物理版圖。在此過程中，無晶圓廠半導(dǎo)體公司和 EDA 工具是主體。
2020-2021 中國智能手機(jī) SoC 市場份額占比變化
無晶圓廠半導(dǎo)體公司又稱 IC 設(shè)計商，主要負(fù)責(zé)芯片設(shè)計、研發(fā)、應(yīng)用和銷售，而晶圓制造部分則外包給晶圓代工廠。我們來看市場調(diào)研機(jī)構(gòu) CINNO Research 發(fā)布的兩張表格，分別是 2020 年 Q1 季度和 2021 年全年中國智能手機(jī)市場 SoC 出貨量和市場份額占比，彼時華為旗下的海思麒麟以 43.9% 的市場份額位列第一，超過了高通和蘋果的份額總和，紫光展銳還屬于其它，聯(lián)發(fā)科不到華為的三分之一，但到了 2021 年在美國的制裁和打壓之下，華為市場份額暴跌 68.6%，高通和蘋果加起來已占據(jù)半壁江山，聯(lián)發(fā)科躥到了第一的位置，展銳暴漲 100 倍，勉強(qiáng)躋身第五。
被稱為“華為絕唱”的麒麟 9000 芯片
不難看出，中國目前的芯片設(shè)計能力絕非弱者，有海思麒麟這樣能夠與高通蘋果扳手腕的公司，雖然在絕對的芯片性能上，我們不敢妄自尊大、無視差距，但至少消費(fèi)者是用真金白銀在投票。問題也很明顯，受美國制裁的海思麒麟，一夕之間江山拱手讓人，聯(lián)發(fā)科雖上榜，但目前主打中低端產(chǎn)品，與高通、蘋果尚有一定差距。給國產(chǎn)手機(jī)供貨還得看美國臉色，談不上芯片自由。紫光展銳雖然發(fā)展迅速，但面對龍頭難以望其項背，裝機(jī)量對市場無法構(gòu)成威脅。更何況還有三星這樣集芯片設(shè)計、制造和銷售于一體的強(qiáng)大對手。
開源 EDA 工具 KiCad EDA 界面圖
而 EDA 工具方面，半導(dǎo)體行業(yè)有個經(jīng)典的摩爾定律效應(yīng)，即每 18 個月左右，集成電路上可容納的晶體管數(shù)量就會翻一倍。在芯片設(shè)計的最早期，電路圖還比較簡單，工程師甚至可以手工完成繪制。但現(xiàn)在，手機(jī) SoC 芯片上的晶體管數(shù)量都是上億級別，如果說人類的極限是在頭發(fā)絲上微雕刻字的話，那現(xiàn)在要想手繪邏輯電路，無異于在頭發(fā)絲上畫世界地圖，繪制精度的要求被無限放大，任何一個紕漏就會導(dǎo)致前功盡棄，顯然目前無論能力還是效率，人工都不可能勝任。所以 EDA 工具變得非常必要。它能幫企業(yè)節(jié)省大量的時間成本，極大提高容錯率，并且提供全流程的解決方案。
國內(nèi)代表性 EDA 企業(yè)及覆蓋業(yè)務(wù)
尷尬的是，EDA 軟件 95% 的份額都被海外企業(yè)占領(lǐng)，等同壟斷。EDA 行業(yè)從上個世紀(jì)八九十年代的百家爭鳴發(fā)展至今，已形成新思科技、鏗騰電子和西門子 EDA 三足鼎立之勢，光是這三家的市場份額就達(dá)到了 70%。我國本土的 EDA 代表企業(yè)有華大九天、芯禾科技、廣立微、概倫電子、創(chuàng)聯(lián)智軟等，它們雖然在局部流程上各有優(yōu)勢，但發(fā)展不全面，無法覆蓋芯片設(shè)計全流程。EDA 是芯片設(shè)計中最上游、最高端的產(chǎn)業(yè)，被稱為“芯片之母”，覆蓋了集成電路設(shè)計與制造的全流程，功能十分全面，涉及領(lǐng)域極廣。另一方面，EDA 行業(yè)入門門檻高，成本彈性大，性能依賴強(qiáng)，對芯片研發(fā)極為關(guān)鍵，一旦受制于人整個芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展都會阻滯和停擺。
中微公司總經(jīng)理尹志堯接受采訪時的感嘆
還有個容易忽視的問題，我國的芯片人才缺口很大。根據(jù)《中國集成電路產(chǎn)業(yè)人才白皮書（2019~2020）》的數(shù)據(jù)顯示，2022 年我國芯片專業(yè)人才缺口約 25 萬，存在供給總量不足和結(jié)構(gòu)性失衡問題。供給總量不足這事兒得從美國說起。美國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展較早，成熟較快，人才培養(yǎng)體系完善，全球的優(yōu)秀人才多數(shù)都被吸引過去了。比如英特爾中，幾乎一半工程師都是技術(shù)移民身份的外國人。讓人無語的是，中微半導(dǎo)體公司創(chuàng)始人尹志堯在接受采訪時說道：“我在英特爾工作期間發(fā)現(xiàn)，公司內(nèi)的芯片專家其實(shí)大部分都是中國人。”人才流失嚴(yán)重和技術(shù)霸權(quán)，撕開一條大大的口子。
三大芯片相關(guān)科技公司巨頭均是美籍華人
一方面我們面臨如何留住芯片人才的問題。1977 年，當(dāng)時的中國剛剛恢復(fù)高考，國內(nèi)多所大學(xué)開始重建半導(dǎo)體或微電子專業(yè)，向企業(yè)輸送人才，然而國內(nèi)的經(jīng)濟(jì)環(huán)境對集成電路人才待遇不足，很多畢業(yè)生找工作時，甚至根本沒有對口崗位，于是他們紛紛跑去了外企或選擇出國，歐美國家不僅科研環(huán)境優(yōu)秀，薪資待遇豐厚，還會通過各種方式把人才截住，從硅谷科技公司大佬到名校終身教授，很多中國芯片專家沒有歸國報效國家，而是選擇了技術(shù)移民和終身供職，這其實(shí)是很可悲的。
中國集成電路產(chǎn)業(yè)人才缺口現(xiàn)狀
另一方面在芯片人才培養(yǎng)的問題上，國內(nèi)的高校、學(xué)生和企業(yè)都走了很大一段彎路。按照每年高校畢業(yè)生進(jìn)入芯片產(chǎn)業(yè)的人數(shù)來看，區(qū)區(qū) 3 萬人本就難以滿足需求，更別說教學(xué)質(zhì)量參差不齊。一些高校的專業(yè)結(jié)構(gòu)的不合理，跟風(fēng)現(xiàn)象嚴(yán)重，比如某些高校認(rèn)為“集成電路很熱”就匆匆設(shè)置集成電路專業(yè)，沒有充分考慮師資條件和辦學(xué)資源，不能針對市場和企業(yè)需求做強(qiáng)針對性的培養(yǎng)，教出的學(xué)生產(chǎn)業(yè)適用性差，不會變通且缺乏經(jīng)驗，很可能出現(xiàn)畢業(yè)即失業(yè)的窘境。
還有就是工程實(shí)用性差，人才培養(yǎng)與產(chǎn)業(yè)需求脫節(jié)，畢業(yè)生無法直接滿足企業(yè)的研發(fā)生產(chǎn)需求，入職后還要花費(fèi) 2-3 年時間培訓(xùn)才能勝任崗位要求。不少企業(yè)將工作經(jīng)驗的門檻提高到 3-5 年，他們認(rèn)為高校培養(yǎng)的學(xué)生“不好用”，接收實(shí)習(xí)生積極性也不高，生怕開設(shè)企業(yè)課程后，學(xué)生最終離開另擇良棲。如此惡性循環(huán)，導(dǎo)致人才培養(yǎng)“最后一公里”脫節(jié)，畢業(yè)生就業(yè)困難。
中微公司總經(jīng)理尹志堯接受采訪時對現(xiàn)有集成電路人才培養(yǎng)的建議
一位正在攻讀在職博士學(xué)位的資深業(yè)內(nèi)人士對此感觸頗深，他認(rèn)為學(xué)校的體系是把學(xué)生都往科研方向塞，這是不對的。很多導(dǎo)師不懂外面行業(yè)競爭的壓力，在學(xué)校別說做出一款可用的芯片，能帶學(xué)生把芯片全流程打通的都很少。還不如找企業(yè)的工程師講解實(shí)際應(yīng)用中的產(chǎn)業(yè)知識，讓學(xué)生快速了解、進(jìn)入行業(yè)，帶領(lǐng)學(xué)生參觀生產(chǎn)線，實(shí)機(jī)操作，親自感受研發(fā)環(huán)境和生產(chǎn)氛圍有意義。微電子專業(yè)不能只側(cè)重芯片物理結(jié)構(gòu)的設(shè)計、科研課題的研究，應(yīng)當(dāng)讓學(xué)生了解、參與流片，在芯片上運(yùn)行操作系統(tǒng)等流程，最好帶著自己設(shè)計的處理器芯片畢業(yè)。
中國集成電路產(chǎn)業(yè)人才現(xiàn)狀
還有前面提到的結(jié)構(gòu)性失衡問題，更為嚴(yán)重。集成電路領(lǐng)域是一個綜合性很強(qiáng)的學(xué)科，從工具、IP 選擇，再到不同模塊設(shè)計、生產(chǎn)制造、封裝測試，至少要經(jīng)過 40 多個環(huán)節(jié)，如果粗略的將其分為設(shè)計和制造兩個領(lǐng)域，那么設(shè)計領(lǐng)域除了集成電路產(chǎn)業(yè)知識，還設(shè)計大量計算機(jī)、無線電、軟件工程等學(xué)科，而制造領(lǐng)域則是集物理、化學(xué)、機(jī)械、光學(xué)多門學(xué)科為一體。但現(xiàn)狀是，復(fù)合型人才占比太少，無法推動行業(yè)快速發(fā)展，單一專業(yè)的人才按照企業(yè)要求培養(yǎng)，局限性太強(qiáng)。很多企業(yè)和學(xué)校合作開辦的聯(lián)合實(shí)驗室，一個課題只有七八個人做專項研究，這不是普惠性的人才培養(yǎng)，而是單純的定制人才。尖端人才的培養(yǎng)，我們做得還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。
國家重點(diǎn)實(shí)驗室 EDA 室主任，清華大學(xué)教授、博導(dǎo)周祖成教授
清華大學(xué)周祖成教授曾提到了一個科學(xué)體系的建設(shè)問題：“什么是科學(xué)？就是發(fā)現(xiàn)一個問題，解決一個問題，再提出一個問題。國內(nèi)的高等教育只注重學(xué)生分析問題和解決問題能力的訓(xùn)練，卻忽略學(xué)生提出問題和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。2020 年這場新冠疫情，暴露了我們在醫(yī)學(xué)、生物相關(guān)的基礎(chǔ)學(xué)科和研究上不少短板?！毙酒袠I(yè)也是同理，只有重新加強(qiáng)基礎(chǔ)研究，回歸科學(xué)的本質(zhì)，找到那些善于提出問題，用創(chuàng)新型思路看待問題的人才，培養(yǎng)他們在芯片領(lǐng)域上的多學(xué)科整合能力，才有可能帶出領(lǐng)軍人物。道理很簡單，這些學(xué)生畢業(yè)不是去寫論文、也不是去做菜，而是去創(chuàng)造歷史的。
全球晶圓代工廠市場份額現(xiàn)狀
除了芯片設(shè)計，還有芯片制造這個老大難問題。造芯需要晶圓代工廠和制造設(shè)備。晶圓代工廠經(jīng)過多年的市場競爭，版圖基本上定了型。像英特爾、三星這樣又設(shè)計、又制造、又封測的頂級學(xué)霸非常少，而且產(chǎn)能優(yōu)先給自家產(chǎn)品。幫別人代工芯片的廠子里，臺積電以 50% 以上的份額力壓群雄，問鼎第一。
中國企業(yè)在晶圓代工市場 10 強(qiáng)中占據(jù) 3 席
幸運(yùn)的是，中國大陸在前十中占據(jù) 3 席，分別是中芯國際、華虹半導(dǎo)體和上海微電子。其中，在先進(jìn)制程工藝比如 7nm、5nm 上，臺積電擁有領(lǐng)先優(yōu)勢。中國大陸代工廠最強(qiáng)的是中芯國際，可以生產(chǎn) FinFET 14nm 的芯片，良品率已達(dá)到臺積電 90% 以上，12nm 生產(chǎn)線也在籌備。華虹半導(dǎo)體可以生產(chǎn) 28nm 的芯片；上海微電子比較微妙，去年 6 月就傳出計劃年底推出首臺國產(chǎn) 28nm IC 前道光刻機(jī)，但至今還沒后續(xù)，目前可以實(shí)現(xiàn) 90nm 光刻機(jī)的生產(chǎn)。千萬別小看這 28nm，如果真能下線，上海微電子將一躍成為世界第二，僅次于 ASML 的廠商。
上海微電子 90nm IC 前道光刻機(jī)
所以中國廠商在代工方面還是有底子的，追趕臺積電也不是水中幻月。但是，在造芯最重要的設(shè)備之一光刻機(jī)上，中國依舊被牢牢卡著脖子。目前我國唯一的光刻機(jī)制造商只有上海微電子，其 90nm 的產(chǎn)品與全球光刻機(jī)巨頭 ASML 的 7nm 和 5nm 相距甚遠(yuǎn)。光刻機(jī)集中了西方百年工業(yè)制造的結(jié)晶，一臺 ASML 光刻機(jī)需要 10 萬個零配件，由 13 個系統(tǒng)共同組成。這些零配件中有來自美國的光源控制器、德國的蔡司光學(xué)鏡頭、日本的光罩等等，全是最頂級的。它們將誤差均攤到 13 個系統(tǒng)，以確保整體的制造精度和良品率。目前，基于 EUV 技術(shù)的先進(jìn)工藝光刻機(jī)被 ASML 壟斷，準(zhǔn)確點(diǎn)說是被美國壟斷。
光刻機(jī)巨頭阿斯麥 CEO 對中國的斷言
大家都知道，ASML 是一家荷蘭公司，但實(shí)際上，EUV 技術(shù)卻起源于英特爾與美國政府牽頭成立的 EUV LLC 聯(lián)盟。ASML 雖然成功入局，但做出了在美國建廠和研發(fā)基地等多項讓步，因為美國政府擔(dān)心尖端技術(shù)落入外國公司，直接不帶另外兩個光刻機(jī)大廠，日本的尼康和佳能玩。而且在 ASML 不斷收購和整合相關(guān)技術(shù)企業(yè)的同時，美國也在技術(shù)和資本層面逐步滲透 ASML，所以 EUV 技術(shù)實(shí)際受控于美國，而且 ASML 當(dāng)初加入 EUV 聯(lián)盟的承諾之一，就是美國零部件需要占比 55% 以上，所以美國才是 ASML 背后實(shí)際的控制方。ASML 的 CEO 甚至自信放話：中國不可能獨(dú)立造出頂尖光刻機(jī)。在技術(shù)、公司和設(shè)備零件都控制在美國的環(huán)境下，中國想要追上，幾乎就是在做一件從無到有的事情。
除了光刻機(jī)，芯片制造所需的設(shè)備還有很多，比如 ICP 等離子體刻蝕系統(tǒng)、反應(yīng)離子刻蝕系統(tǒng)、離子注入機(jī)、單晶爐、晶圓劃片機(jī)、晶片減薄機(jī)、氧化爐、清洗機(jī)等等，這些設(shè)備中不少咱們都有辦法替代，但是工藝方面與國外仍有差距，也有做到全球領(lǐng)先水平的，比如中微半導(dǎo)體公司的刻蝕機(jī)，在芯片介質(zhì)刻蝕設(shè)備、硅通孔刻蝕設(shè)備、MOCVD 設(shè)備三大細(xì)分領(lǐng)域均處于世界三強(qiáng)水平，所以這部分阻力相對于光刻機(jī)要小不少。最后的芯片封測環(huán)節(jié)，中國在過去已經(jīng)積累了一定的基礎(chǔ)，整體差距不算大，在勞動力上也有優(yōu)勢，眼下要做的是盡快加固、強(qiáng)化優(yōu)勢環(huán)節(jié)，補(bǔ)足短板努力追趕。
任正非在清華、北大演講時的擔(dān)憂和無奈
當(dāng)然，芯片制造和封測方面，我們同樣存在人才短缺的問題，而且越是頂尖的創(chuàng)新型人才、復(fù)合型人才的缺乏，對我們的影響越大。總體來說，造芯主要差在 EDA 工具、光刻機(jī)制造設(shè)備、完整的配套產(chǎn)業(yè)鏈集群缺失以及芯片人才的巨大缺口上。可以肯定的是，這些差距我們必須一一擊破，沒有任何捷徑可言。在美國的制裁大棒之下，華為的遭遇警醒了整個中國，特別是華為總裁任正非在清華、北大演講上的那句話：“我們設(shè)計的芯片，國內(nèi)的基礎(chǔ)工業(yè)還造不出來”，聽起來是那么的心酸和不甘。
江蘇南京紫金山實(shí)驗室成功突破 5G 毫米波芯片技術(shù)
然我泱泱大國巍巍華夏，尚有很多堅守在一線的科研人員艱苦奮斗，他們?nèi)〉玫某煽兺瑯恿钊蓑湴?。紫金山?shí)驗室 5G 毫米波芯片研發(fā)成功，中興通訊自研 7nm 主控芯片成功，中芯國際 FinFET N+1 先進(jìn)工藝芯片流片成功，南大光電 ArF 光刻膠 28 納米工藝節(jié)點(diǎn)突破，中國電科離子注入機(jī)全國產(chǎn)化，覆蓋 28nm 工藝，盛美半導(dǎo)體清洗機(jī)進(jìn)入產(chǎn)線 14 納米驗證，提前覆蓋國內(nèi)最新制程；從芯片生產(chǎn)環(huán)節(jié)和技術(shù)節(jié)點(diǎn)來看，中國大陸已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了 28nm 完整覆蓋，純國產(chǎn)化指日可待。所以我相信，憑借中國千千萬萬勞動人民的偉大智慧，一定能殺出重圍，因為凡是不能毀滅我的，必使我更強(qiáng)大。
參考
中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展歷史大事記【森國科】
對話周祖成教授：中國集成電路產(chǎn)業(yè)的兩個時代【SupplyframeChina】
看一看國內(nèi)芯片人才緊缺，芯片行業(yè)薪酬漲幅預(yù)計超 50%，應(yīng)屆生年薪高達(dá) 60 萬【淘新幣】
芯片人才培養(yǎng)難題亟待化解【中國青年報】
2020 年全球 EDA 軟件行業(yè)市場競爭格局分析【前瞻經(jīng)濟(jì)學(xué)人】
逐風(fēng)者，專訪“硅谷傳奇”尹志堯【楊瀾訪談錄】
DUV 和 EUV 光刻機(jī)的區(qū)別在哪？【科創(chuàng)板日報】
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