中國高端晶元長期依賴進口，晶元製造究竟有多難？

來自專欄 了不起的中國製造

出品| 網易新聞

作者| 陳俊宇，清華大學機械工程系博士研究生

　　近期，美國商務部宣布對中興通訊採取出口管制措施，引發了公眾對中國晶元製造業發展和國產替代的關注。

　　中國集成電路產品連續多年每年進口額超過2000億美元，早在2013年就超過石油成為最大宗進口產品。對快速膨脹的中國晶元市場來說，「你可長點芯吧」並不是一句玩笑話。

　　那麼「晶元」為什麼這麼重要？中國晶元製造業的短板在哪裡？我們什麼時候才能實現真正的「中國芯，中國造」？今天我們來簡單談談中國的晶元製造業。

（一）晶元跟集成電路、半導體是一回事嗎？

　　我們經常碰到「晶元」、「集成電路」、「半導體」這幾個術語，這些詞在我們日常的討論中經常是混用的，硬要區分的話，可以說集成電路是更廣泛的概念。

　　1958年9月12日，在美國德州儀器公司擔任工程師的Jack.Kilby發明了集成電路的理論模型。1959年，曾師從晶體管發明人之一肖克萊的Bob.Noyce率先創造了掩模版曝光刻蝕方法，發明了今天的集成電路技術。

　　我們所說的集成電路指的是採用特定的製造工藝，把一個電路中所需的晶體管、電阻、電容和電感等元件及元件間的連線，集成製作在一小塊硅基半導體晶片上並封裝在一個腔殼內，成為具有所需功能的微型器件。在國家的產業統計上，集成電路也常常作為一個寬泛的概念而使用。

　　晶元則是指內含集成電路的半導體基片（最常用的是矽片），是集成電路的物理載體。而半導體是一種導電性能介於導體和絕緣體之間的材料，常見的有硅、鍺、砷化鎵等，用於製造晶元。

　　集成電路產業離普通人很近又很遠。大多數人只知道手機電腦、各行各業裡面都要用到電子器件，CPU、GPU、單片機、數控裝備、汽車都離不開晶元，但是說起晶元的設計製造，卻只有少數人知道。

　　晶元行業的技術含量可以說十分密集，像畫板子、晶圓、流片、製程、封裝、光刻這樣的晶元製造「黑話」很多人可能聞所未聞。另外，晶元行業資金極度密集，生產線動輒數十億上百億美金。此外，人才也是這個行業的稀缺資源。一方面是技術又貴又難、人才難以培養，另一方面是行業的集中度很高，少數的幾家大企業壟斷了行業的尖端技術和市場，剩下的企業里人才的待遇也就很難趕上幾家巨頭了。

（二）在指甲蓋大小的晶圓上雕來雕去，一塊晶元就誕生了

　　晶元生產是一個點砂成金的過程，從砂子到晶圓再到晶元，價值密度直線飆升。真正的晶元製造過程十分複雜，下面我們為大家簡單介紹一下。

　　晶圓是指硅半導體集成電路製作所用的硅晶片，由於其形狀為圓形，故稱為晶圓。單單從晶圓到晶元，其價值就能翻12倍，2000塊錢一片的晶圓原料經過加工後，出來的成品價值約2.5萬元，可以買一台高性能的計算機了。

　　獲得晶圓後，將感光材料均勻塗抹在晶圓上，利用光刻機將複雜的電路結構轉印到感光材料上，被曝光的部分會溶解並被水衝掉，從而在晶圓表面暴露出複雜的電路結構，再使用刻蝕機將暴露出來的矽片的部分刻蝕掉。

　　接著，經過離子注入等數百道複雜的工藝，這些複雜的結構便擁有了特定的半導體特性，並能在幾平方厘米的範圍內製造出數億個有特定功能的晶體管。

　　再覆蓋上銅作為導線，就能將數以億計的晶體管連接起來。

　　一塊晶圓經過數個月的加工，在指甲蓋大小的空間中集成了數公里長的導線和數以億計的晶體管器件，經過測試，品質合格的晶片會被切割下來，剩下的部分會報廢掉。千挑萬選後，一塊真正的晶元就這麼誕生了。

（三）光刻機精度，晶元製造的卡脖子環節

　　制約集成電路技術發展的有四大要素：功耗、工藝、成本和設計複雜度，其中光刻機就是一個重中之重，核心技術中的核心。

　　一些裝備由於其巨大的製造難度被冠以「工業皇冠上的明珠」的稱號，最主流的說法是兩大裝備：航空發動機和光刻機，最先進的航空發動機目前的報價在千萬美元量級，但是最先進的光刻機目前的報價已經過億美金。

　　晶元的集成程度取決於光刻機的精度，光刻機需要達到幾十納米甚至更高的圖像解析度，光刻機的兩套核心系統——光學系統和對準系統的精度越高，可以在矽片上刻的溝槽越細小，晶元的集成度越高、計算能力越強。

　　目前，世界上80%的光刻機市場被荷蘭公司佔據，高端光刻機也被其壟斷。中國在努力追趕，但是目前仍與國外存在技術代差，比美國差兩代、比美國的盟國差一代——但是這不是說我們的追趕不重要，如果我們不做出來，國外就可以想怎麼賣就怎麼賣，賣不賣、賣啥型號、賣多少錢都不由我們，而我們做出來了，國外更高精度的設備就會賣給我們，價格也相對實惠很多。

（四）中國的晶元製造究竟處在什麼水平？

1、發展很快，落後兩代，技術受限，產品低端

　　總的來說，中國的晶元製造技術在快速發展，同時存在工藝落後、產能不足、人才緊缺等問題。

　　中國集成電路行業共分晶元封裝、設計、製造三部分，總體呈現高速增長狀態。2004年至2017年，年均增長率接近20%。2010至2017年間，年均複合增長率達20.82%，同期全球僅為3%-5%。

　　但是另一方面，中國集成電路製造工藝落後國際同行兩代，預計於2019年1月，中國可完成14納米級產品製造，同期國外可完成7納米級產品製造；產能嚴重不足，50%的晶元依賴進口；同時中國的產能和需求之間結構失配，實際能夠生產的產品，與市場需求不匹配；長期的代工模式導致設計能力和製造能力失配、核心技術缺失；投資混亂、研發投入和人才不足等問題，導致中國集成電路產業目前總體還處於「核心技術受制於人、產品處於中低端」的狀態，並且在很長的一段時間內無法根本改變。

　　再具體一點的，數字電路部分的晶元設計我們還可以抄一抄、趕上來，但是在模擬電路部分，我們的晶振、AD採集卡等產品的精度還不夠高，積累得還不夠，核心技術還沒有把握到手裡。

2、在手機、礦機領域，「中國芯」已佔有一席之地

　　雖然中國的晶元產業整體上還比較落後，但是這並不妨礙我們在一些具體的應用場景中造出自己的晶元。

　　舉兩個例子，一個是手機晶元、一個是新興的區塊鏈技術中的底層——「挖礦」用的計算晶元。

　　在移動互聯網的大潮中，中國企業早早介入了手機晶元的研發之中，在手機這個應用場景中佔有了自己的地位。

　　在區塊鏈技術火爆的今天，礦機專用的晶元基本上已經被中國的產品所壟斷。挖礦用的晶元起初只是普通電腦的CPU，後來是GPU、FPGA晶元，再後來中國的創業者通過把其中不必要的部件都減掉，造出來專門用來挖礦的晶元，把算力和能耗發揮到極致，再加上中國強大的基礎製造體系，一舉壟斷了這個新興的市場。

　　在傳統晶元領域已經被巨頭壟斷的當今，一些面向專門的應用領域的晶元是中國未來實現彎道超車的重點，除了上面提到的手機晶元、礦機晶元，還有專門用於人工智慧計算的AI晶元等等。

3、物聯網下的三維「晶元」具有維度碾壓上的優勢

　　傳統的晶元更多的是在矽片上畫二維的電路，而隨著物聯網技術的興起，萬物互聯對感測器技術提出了巨大的需求，一種在矽片上雕出來三維機械結構的新技術「MEMS」（微機電系統）逐漸走入了人們的視野。

　　相比於傳統的感測器，MEMS感測器具有維度碾壓上的優勢，利用MEMS技術造的陀螺儀、麥克風、壓力計等感測器用在導彈、手機和穿戴設備中，發揮著巨大的作用。

　　目前MEMS領域正在經歷年均200%-300%的快速增長。中國在該領域的研究處於世界的前列。

結語

　　晶元製造是一個對技術、資金、人才都高度依賴的行業，特別是在工藝上，光刻機的精度是制約晶元製造關鍵中的關鍵。傳統晶元領域被國際巨頭壟斷的今天，一些新興晶元領域是中國彎道超車的重要突破口，目前中國已經佔據有一席之地。

　　而近期的中興事件，也向公眾傳達了這樣的一個現狀：晶元的國產替代，絕不是可有可無的，雖然急不得，但是也必須要加緊推進了。

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編輯| 孫健航、史文慧

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