造「中國芯」有多難？製造一顆晶元就需要5000道工序

04-29

有說法認為，集成電路是比航天還要高的高科技供圖/視覺中國

2017年中國集成電路進口量高達3770億塊，同比增長10.1%；進口額為2601億美元（約合17561億元），同比增長14.6%。2017年中國貨物進口額為12.46萬億元，也就是說集成電路進口額佔中國總進口額的14.1%，而同期中國的原油進口總額僅約為1500億美元。中國在半導體晶元進口上的花費已經接近原油的兩倍。

近日，越來越多的人關注中國自主研發的晶元進展。若想煉成一顆中國「芯」，需要怎樣的步驟？

現狀

半導體晶元進口花費

已接近原油兩倍

也許不是人人都了解集成電路，但許多人聽說過摩爾定律。摩爾定律是指，當價格不變時，集成電路上可容納的元器件的數目，約每隔18個月便會增加一倍，性能也將提升一倍。在半個世紀前，由英特爾創始人之一的摩爾提出的這一推測，已經延續了50多年。

摩爾定律揭示了集成電路領域的發展速度。在這樣的高速創新發展中，集成電路的產品持續降低成本、提升性能、增加功能。也是在這樣的高速發展中，各國集成電路技術的差距越拉越大。有業內人士表示，中國若想在主要集成電路領域追趕上頂級公司，需要的不止時間，而是整個系統性提升。

海關總署公開信息顯示，集成電路進口額從2015年起已連續三年超過原油，且二者進口差額每年都在950億美元以上。其中，2017年中國集成電路進口量高達3770億塊，同比增長10.1%；進口額為2601億美元（約合17561億元），同比增長14.6%。2017年中國貨物進口額為12.46萬億元，也就是說集成電路進口額佔中國總進口額的14.1%，而同期中國的原油進口總額僅約為1500億美元。中國在半導體晶元進口上的花費已經接近原油的兩倍。

調查

晶元有幾十種大門類

上千種小門類

晶元，是指內含集成電路的矽片，體積很小，常常是計算機或其他電子設備的一部分。晶元組，是一系列相互關聯的晶元組合。它們相互依賴，組合在一起能發揮更多作用，比如，計算機里的中央處理器（CPU）及手機中的射頻、基帶和通信基站里的模數轉換器（ADC）等，就是由多個晶元組合在一起的更大的集成電路。而集成電路是非常精密的儀器，其單位為納米。一納米為十萬分之一毫米。這就對設計、製造工藝都有非常嚴格、高標準的要求。

晶元的種類很多，芯謀研究首席分析師顧文軍對北京青年報記者表示：「僅從產品種類來說，晶元的種類就有幾十種大門類，上千種小門類；如果涉及設備流程的話就更多了。美國是整體式、全方位處於領先地位，而我們只是在某些領域裡面有所突破，並且這些領域也並非核心、高端的領域，比如中國在存儲器、CPU、FPG及高端的模擬晶元、功率晶元等領域，幾乎是沒有的。如果中國發力研發，在某些小的門類中可能會有所突破。」

追訪

一台通信基站內

有上百顆晶元

以運營商業務為例，通信基站設備是其最主要的產品之一，而在一台通信基站中就有上百顆晶元負責實現不同功能。「簡單來說，基站發射並回收信號，收回信號後首先要有晶元濾波，穩定信號；然後還有晶元將這種特別小的信號放大；再有晶元進行解析、處理；然後是晶元負責傳輸、分發。基站核心跟電腦類似，可以實現各種功能，但它可以支持多個手機，因而速度更快，晶元更複雜。」上述人士表示。

其中，最典型的是ADC晶元，中國目前還無法生產出可替代產品。ADC晶元是模數轉換晶元，負責將天線接收的連續的模擬信號轉換為通話或上網的數字信號。目前ADC主要依賴亞德諾、德州儀器等公司供應。

從軟體方面來說，EDA模擬軟體是另一個典型。利用該軟體，電子設計師才可以在電腦上設計晶元系統，大量工作可以利用計算機完成，並可以實現多個產品的結合試驗等。如果沒有EDA模擬軟體，則需要人工進行設計、試驗，耗費的人力、時間等成本不計其數。目前進入我國並具有廣泛影響的EDA軟體有十幾種，基本都來自於美國。

關注

製造一顆晶元

需要5000道工序

一位晶元製造領域的專家向北青報記者介紹，一顆晶元的製造工藝非常複雜，一條生產線大約涉及50多個行業、2000-5000道工序。就拿代工廠來說，需要先將「砂子」提純成硅，再切成晶元，然後加工晶元。晶元加工廠包含前後兩道工藝，前道工藝分幾大模塊——光刻、薄膜、刻蝕、清洗、注入；後道工藝主要是封裝——互聯、打線、密封。其中，光刻是製造和設計的紐帶。

其中許多工藝都在獨立的工廠進行，而使用的設備也需要專門的設備廠製造；使用的材料包括幾百種特種氣體、液體、靶材，都需要專門的化工工業。另外，集成電路的生產都是在超凈間進行的，因此還需要排風和空氣凈化等系統。

有說法認為，集成電路是比航天還要高的高科技。該業內人士表示，這種說法也不無道理，「航天的可靠性估計也就4個9、5個9的樣子（X個9表示在軟體系統一年時間的使用過程中，系統可以正常使用時間與總時間之比）。現在硅晶圓材料的純度就要6個9以上。」

焦點

全球晶元

幾乎被美日歐壟斷

根據前瞻研究院的報告顯示，目前，全球晶元仍主要以美、日、歐企業產品為主，高端市場幾乎被這三大主力地區壟斷。在高端晶元領域，由於國內廠商尚未形成規模效應與集群效應，所以其生產仍以「代工」模式為主。

截至2015年年底的數據顯示，全球共有94家先進的晶元製造廠商，其中17家在美國，71家在亞洲（中國有9家），6家在歐洲。日本在上世紀80年代處於領先地位，但自90年代開始其全球半導體市場份額顯著下降，至2015年僅有3家日本晶元製造商位列全球排名前二十——東芝、瑞薩電子和索尼。而與此同時，東亞其他國家已成為動態隨機存取存儲器市場的主要公司。韓國三星電子和海士力目前是世界第二和第三大半導體公司。

根據美國半導體產業協會（SIA）的最新統計數據顯示，2017年1月至2月，中國和美國的晶元市場規模份額擴大，分別為33.10%和19.73%；日本和歐洲的晶元市場份額有所下降，分別為9.29%和9.12%。中國晶元市場是全球最大、增長最快的市場，但是對外依存度過高。

熱點

英特爾一直是

世界上最大晶元製造商

自1993年1月以來，英特爾一直是世界上最大的晶元製造商。個人計算機所用的CPU處理器中，英特爾就佔據了八成份額。人們耳熟能詳的奔騰、賽揚、酷睿等處理器都來自英特爾。目前，英特爾的年營收率仍然在繼續增長——無論是從PC、數據中心伺服器，還是物聯網晶元。

2016年英特爾仍是全球最大晶元供應商，全年晶元銷售額達540.9億美元，較2015年增長4.6%；市場份額達15.7%。

而在手機晶元中，高通是另一大巨頭。目前國內除了華為、三星等手機廠商外，其餘安卓手機廠商採用的全部都是高通處理器。除了購買晶元的費用外，高通還向每台手機收取專利費用。此前，魅族就與高通對簿公堂，魅族副總裁李楠稱，有100多家手機廠商都與高通簽訂了購買專利的協議。

亮點

中國半導體前三

分別是華為、紫光、中興

而在國內，我國的半導體產業近年來也在加速發展。

根據中國半導體行業協會統計，2017年中國集成電路產業銷售額達到5411.3億元，同比增長24.8%。其中，集成電路製造業增速最快，2017年同比增長28.5%，銷售額達到1448.1億元。設計業和封測業繼續保持快速增長，增速分別為26.1%和20.8%，銷售額分別為2073.5億元和1889.7億元。

來自海關總署的數據顯示，2017年中國出口集成電路2043.5億塊，同比增長13.1%；出口金額為668.8億美元，同比增長9.8%。

一份由半導體協會和工信部中國電子信息產業發展研究院公布的2017年國內十大集成電路設計/製造行業的最新排名報告顯示，在國內前十大集成電路設計企業當中，華為海思半導體以361億元銷售額排名第一；清華紫光展銳以110億元排名第二；中興微電子以76億元排名第三。隨後的還有華大半導體、智芯微電子、匯頂科技、士蘭微電子、敦泰科技（深圳）有限公司、格科微電子和中星微電子。

財經觀察

中國能否跳離

美國IP核另起爐灶？

有專家表示，我國集成電路的起步並不算晚，只比美國晚幾年。但由於其間歐美技術封鎖、國內歷史問題等多種因素，目前與歐美的差距比較大，想要在短時間內追趕有難度。

一位從業者對北青報記者表示，從整個行業來看，美國卡的是「IP（知識產權）」，「圍繞IP的戰爭更激烈，就算你用了人家的技術，人家也有產權，你無法繞開它去解決問題。」資料顯示，IP核將一些在數字電路中常用但比較複雜的功能塊，如FIR濾波器、SDRAM控制器、PCI介面等設計成可修改參數的模塊。上述人士表示，中國集成電路行業一直流行一個詞語「彎道超車」，很多人在想，能否跳離美國的IP核而另起爐灶，另外開發一整套的生態系統？但這實在太複雜了。

多位行業研究人士表示，目前中國的集成電路是系統性落後，整體提升需要從基礎性研究和人才培養來做，需要比較久的時間，「我們需要先培養數學、物理等學科的基礎人才。這些人提上來後，再由他們培養跟其他學科交叉的人才。他們需要掌握工業設計等技術。」

個案展示

華為海思半導體有限公司成立於2004年，前身是創建於1991年的華為集成電路設計中心。目前，海思總部位於深圳，在北京、上海及美國矽谷和瑞典設有設計分部。其產品覆蓋無線網路、固定網路、數字媒體等領域的晶元及解決方案，成功應用在全球100多個國家和地區；在數字媒體領域，已推出SoC網路監控晶元及解決方案、可視電話晶元及解決方案、DVB晶元及解決方案和IPTV晶元及解決方案。華為海思的產品在運營商業務、消費者業務等多個業務線都有應用，而普通消費者更多是因為華為手機搭載的麒麟處理器認識它，目前華為多款手機包括Mate系列、P系列及榮耀手機都有搭載。麒麟960還被外媒評為「2016最佳安卓機處理器」，表現超過高通處理器。海思總裁何庭波曾表示，「我們在開始做7納米，也在跟著業界一起看5納米這些更先進的工藝。」

華為海思

麒麟960被評為

「2016最佳安卓機處理器」

紫光展銳

正致力研發

國產自主可控架構的CPU

紫光展銳則是紫光集團響應國家的集成電路發展戰略，而通過資本運作、企業布局等方式大力發展起來的。2013年12月，紫光集團收購在美國納斯達克上市的國內排名第一、世界排名第三位的通信基帶晶元設計企業展訊通信公司，進而在2014年7月完成對同為納斯達克上市公司、國內排名第二的通信晶元設計企業銳迪科微電子公司的併購。2016年，紫光控股上海宏茂微電子公司，布局集成電路封裝測試領域。同時，2016年紫光控股武漢長江存儲有限公司，並在成都、南京陸續簽約落地總投資額近1000億美元的存儲晶元與存儲器製造工廠。

據其官網消息，2015年，紫光展銳與英特爾達成合作，開發出了基於英特爾x86架構的系統晶元並上市。目前，紫光展銳擁有5000多名員工，其中90%以上是研發人員；在全球設有16個技術研發中心。紫光展銳正致力研發國產自主可控架構的CPU。