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中国芯片之痛:世界只有前三

|原发: 企业观察报

放大 缩小

本报记者/高金霞


全球抗疫风波未平,美国对华为的打压风波又起。


2020年5月15日,华为被美国列入“实体清单”一周年前夕,美国对华为的限制措施再次升级,要求采用美国技术和设备生产芯片的企业,必先经过美国批准才能出售给华为。


华为表示,一旦美国新规落地,将冲击华为全球170多个国家客户、数千亿美元的网络扩容、维护,并影响30多亿人口的信息通讯。


华为“禁售”的升级,也再次将中国“芯片”受制于人的尴尬局面推至舆论的风口浪尖。“中国芯痛”“中国为何造不出强大芯片”的质疑此起彼伏。


当年草棚泥墙、吃糠咽菜,还能造出原子弹,为什么当今富饶的中国,造不出好芯片?卡脖子工程究竟在什么环节?对此,《企业观察报》记者进行了深入了解。


二十年的差距

“芯片”属于半导体产业,也被称为微芯片,是集成电路的载体,是将设计好的集成电路,镶嵌在半导体材料的硅片上,亦被称为电子信息产业的基石。除手机外,“芯片”还广泛应用于人工智能、军工、航天等领域,已成为保障国家安全和国防建设的战略性核心技术。


中国电子科技集团总经理、党委副书记吴曼青,曾在公开场合表示:“没有高端的集成电路制造装备,就没有中国集成电路的未来。”


这句话可谓一语道破“中国芯”受制于人的症结所在,就是中国没有高端的芯片制造装备。


芯片的诞生复杂而漫长。简单来分,芯片的制造过程需要三大阶段,从材料准备阶段,即提炼制作高纯硅的单晶片,到制造前端芯片构建,再到后端的封装测试。整个芯片制造涉及50个行业,经历上千道工序,需要近千台设备完成。


芯片制造的核心工艺涉及七大类生产设备,从光刻机、刻蚀机、离子注入机,到薄膜沉积设备、化学机械抛光机、清洗机,及用于后封装的引线键合机。每道工序设备背后,都有一系列族谱与工艺需要突破。而这些装备的核心技术,几乎掌握在美国为主的发达国家手中。


以在发丝上“绣花”的光刻机为例。作为芯片制造过程中“定义图形”最重要的设备,就像一台精密复杂的特殊照相机,一闪之间,母版上复杂的电路设计图形转化为硅片上细微繁密的沟壑纹理。其运动精准程度的误差,不得超过一根头发丝的千分之一。


光刻机的主要难点聚焦在准分子光源、光学系统和超精密运动高速工作台。上万个零部件,在电脑程序的控制下,进行复杂协调的联动,直接决定芯片的制程水平和性能水平。


最先进的光刻机,非荷兰的ASML莫属。


目前,全球45nm(纳米)以下制程的高端光刻机70%以上的市场被该公司垄断。ASML更先进的EUV光刻机,使芯片的7nm线宽制程得以实现,每台售价1.2亿美元,相当于一架波音737。


半导体芯片尖端强大与否,是以纳米(nm)分级的。从90nm、45nm、28nm到14nm、7nm、5nm,数字越小代表的科技含量越是前沿与尖端。


相比之下,被称为中国光刻机领航者的上海微电子装备有限公司,在国内中低端市场拥有很高占有率。已经实现90nm制程。最先进的28nm光刻机还在研发制造中,与ASML技术有着近20年的差距。


目前,全球光刻机出货量99%集中在ASML、尼康和佳能,最先进的7nmEUV光刻机,则被ASML垄断。


“即便如此,对于国内光刻机制造领域而言,已经跨出很大一步。”中国科学院微电子研究所研究员接受《企业观察报》记者采访时如是表示。


“围剿”之痛


中国为什么造不出前沿的、尖端的光刻机?


事实上,中国曾在光刻机上仅随美国之后,并有与西方发达国家齐头并进的可能。


1999年1月,中国电科装备研发的BG-102型分步投影光刻机项目,属“八五”国家重点科技攻关项目,是用于分辨率0.8-1微米的超大规模集成电路研究、生产的关键工艺设备,经国家信息产业部鉴定,性能达到国外20世纪90年代初期水平。


但由于当时的产业环境和政策影响,中国10年的研发投入总额,赶不上美国1年的投入(200多亿美元),这在很大程度上直接导致中国在光刻机等集成电路制造装备领域的研发停滞和搁浅。


此外,恶劣的国际环境,则直接扼杀了中国集成电路制造高端装备发展的可能。


1996年,包括美国、澳大利亚、法国、荷兰在内的西方33个国家,签订实施的《瓦森纳协定》(《关于常规武器和两用物品及技术出口控制的瓦森纳协定》),成为目前对中国高科技出口管制的主要“指导性文件”。


历经多次修改,《瓦森纳协定》现有42个成员国,包括军品、核材料、电子器件、电信与信息安全、传感与激光、导航与航空电子仪器、船舶与海事设备等9大类设备、商品,对中国实施出口管制。例如荷兰的ASML,若想出口给中国芯片企业7nmEUV光刻机,需要经过美国同意才可。


受此影响,中国企业想在国际上采购高端集成电路制造装备,已成为奢妄。


目前,包括中芯国际、华为海思、上海华虹宏力,及进入中国的外资等半导体制造企业,大多只能排队采购他国更新换代后的低端或二手装备。


“进口到我国的集成电路终端装备中,直径8寸、12寸硅片的大厂生产线凤毛麟角。”中国某集成电路装备制造企业董事长接受《企业观察报》记者采访时表示,西方国家一旦“收紧”,进口装备的日常维护、零部件都保证不了。


《瓦森纳协定》对中国高科技影响不仅仅是技术封锁,还有自主研发的“围剿”。


2011年年末,中国电科下属某研究所打破西方垄断,突破集成电路后封装环节的关键技术瓶颈,研发出“国内首台全自动引线键合机”,在进入市场产业化时,西方国家大幅降价,以价格战与知识产权战,进行围追堵截。


“对方就是千方百计让你无法生存。”上述企业董事长再次举例表示,当年中国在研发出集成电路划片机后,赢利多年的日本厂商,从每台几十万美金降至几十万人民币,使国产划片机无利可图,甚至于亏损。


这是一场生死竞速,各方早已刀枪相向。


没有好设备就造不出好芯片。一系列事件连锁反应,造成中国在成为世界第一大芯片市场的同时,必须长期依赖进口的尴尬现实。


《二十国集团国家创新竞争力黄皮书》显示,中国关键核心技术对外依赖度很高,80%的高端芯片靠进口,自给率不足10%。而军用、航天级基本自给自足,中低档芯片除了能自产外,用于大量出口。


来自海关的历史数据显示,2018年中国进口芯片数量为4175.7亿件,进口金额突破2万亿人民币(3120.58亿美元),占全球集成电路5000亿美元市场的近60%,是中国石油进口1.588万亿人民币的1.3倍,位列中国进口商品第一位。


打破“围剿” 跨越发展


为打破国外围剿,中国高层开始把集成电路高端制造装备发展,纳入国家重大战略进行思考与支持。


2008年,国务院启动《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006–2020年)》,《极大规模集成电路制造技术及成套工艺》位列大型飞机、载人航天与探月工程之前,在十六个重大专项的第二位,被称为国家“02专项”,完成时限为十五年。


“02专项”目标,实现集成电路90nm制造装备产品化,若干关键技术和元部件国产化;研究开发出65nm制造装备样机;突破45nm以下若干关键技术,初步建立我国集成电路制造产业创新体系等。同时开展22-14nm前瞻性研究等。


在实施“02专项”的12年间,中国集成电路制造装备领域实现多项突破,并快速发展。


2011年2月,国内第一台具有完全自主知识产权的全自动引线键合机研发成功。中国电科打破发达国家垄断,突破中国微电子技术后封装环节的关键技术瓶颈。


2015年,国产首台中束流离子注入机,率先实现量产晶圆过百万片。中国电科研发的12英寸中束流离子注入机,在中芯国际先后完成55nm、45nm和40nm小批量产品工艺验证。


2016年,中国电科推出高端工艺的新机型45-22nm低能大束流离子注入机,中束流、低能大束流系列产品达到国际水平,批量应用于国内集成电路大生产线。


在芯片封测领域,上海微电子已成为封测龙头企业的重要供应商,在国内市场占有率高达  80%,全球市场占有率达  40%。


2020年5月4日,属于中国自己的尖端世界级技术5nm蚀刻机,由中微半导体设备(上海)有限公司酝酿问世。在国际上,28nm以下刻蚀机,除美国与日本外,没有其他国家能做到。


蚀刻机在制造芯片过程中,相当于农业时代的人手,工业时代的机床。虽然不如光刻机重要,但却不可或缺。


还有北方华创的刻蚀机与湿法清洗等,已具备28nm的供货能力,14nm工艺正在验证。


“在02专项实施前,我国集成电路高端制造装备为零。”2017年,中国科学院微电子研究所所长叶甜春,曾接受媒体采访表示,经过10年的奔跑与发展,中国集成电路制造高端装备总体技术水平,已达到28nm精度,部分14nm精度的关键设备开始进入客户生产线验证。


不仅如此,从刻蚀机、磁控溅射到离子注入机等,中国在30多种关键设备都已研制成功,并通过大生产线的考核,实现批量供货。


世界只有前三


关键技术突破不等于整体超越。


“芯片问题事关百年发展的长期战略问题,不能短视。”在2020年4月28日召开的5G和网络发展战略研讨会上,叶甜春表示,中国集成电路产业链创新不是三年五年的问题,而是十年二十年,甚至上百年的发展问题。我们要对其艰巨性、长期性,以及相应的持续难度攻关有充分的认识。


“我们正在改变它,大概需要几年时间。”中电科电子装备集团(以下简称“电科装备”)有限公司党委书记、董事长左雷曾接受《企业观察报》记者采访时表示,核心技术买不来、要不来,也讨不来,核心器件受制于人、重大装备受制于人,中国未来的崛起与电子发展也会受制于人。


“这个行业只有前三名,第五名是无法生存的。”左雷曾表示,这是一个世界级的产业,芯片制造商全球视野的采购装备,决定了集成电路制造装备企业想要生存,就要迈入世界一流企业梯队。


以华为、中兴为例的世界级高科技通信企业,其手机等产品需要的芯片,大多在14nm、7nm,甚至追赶5nm的进程。中国目前的90nm、45nm、28nm芯片制造装备是无法满足需求的。


而对于刚刚实现从“0”到1,突破2的中国而言,现实很骨感。


集成电路制造装备产业素有“碎钞机”之称,是当前信息产品制造业中投资最大的产业,从投入到产出至少需要5年,就像无底洞一样,一台设备的研发投入往往需要几十上百台的销售收入来平衡,还要面临研发失败、进不了生产线的风险。


即使国产装备性能达到国际水平,也是让人望而却步的。


对于集成电路芯片生产企业而言,一条完整的芯片生产线需要几十亿,甚至上百亿人民币。国产装备进入生产线,停一台机器,全线都要停,损失有时是难以想象的。


一位国内芯片制造厂商负责人坦言,相对于装备性能,装备的产能、良品率、安全使用寿命和维修更为重要,直接决定了每个芯片的生产成本。


产品验证环节,才是决定集成电路制造装备市场竞争力的有效实践。对于刚研发的国产装备,1年至2年验证周期是个漫长、煎熬的历程。


国际上的巨头装备企业,大多有自己的设备验证生产线,而一条集成电路制造装备的验证装备线大概需要7亿至8亿美元。


与国外龙头厂商的庞大营收作支撑不同,对于短期内难以获得一定成果的中国装备企业而言,其焦虑难以想象。


以美国应用材料公司为例,其生产线验证工厂是整个街区,还兼并了16个其他领域的设备企业,产品线覆盖光刻机之外,几乎所有的半导体装备,为其产品验证提供极大的便利条件。


“联合起来办大事是中华民族的优良传统。”左雷说,电科装备正在建设一条自主的、中国国产8寸装备验证的生产工艺线,以解决国产装备没有验证环境的问题。并以开放合作的方式,在前期给合作方营造一个宽松的验证使用环境。


以铸就“国芯基石”为己任,作为国内唯一集研发、制造为一体的集成电路制造装备央企,中电科电子装备将发挥主力军作用,重点攻破光刻机、离子注入机、CMP、湿化学等,集成电路制造装备的五大核心装备。


“国产集成电路搞上去,中电科电子装备有这个信念。”左雷曾如是说。


“半导体行业是一个高度国际化的行业,任何一个国家或地区,都不可能实现100%的纯本土化制造。”中芯国际集成电路制造有限公司董事长周子学,在2019年全球IC企业家大会开幕式上表示,大家必须携起手来,互相取长补短,谋求共同发展。


(编辑:王星


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