芯片的奥秘（下）
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编者按：在《芯片的奥秘》系列的前两期中，我们介绍了半导体的发展历史和芯片制造工艺的基本原理，了解到芯片制造技术的高端精密。芯片技术发展到今天，其相关产业集群集中了一个国家乃至世界上大量的最优质的资源，体现了国家的科技和经济实力，那么我国的芯片产业发展水平如何？存在哪些制约因素和不足呢？本期，我们将针对这些问题进行讨论。
主持人：
杨 磊 天津市第五中学
嘉 宾：
邱元阳 河南省安阳县职业中专
刘宗凡 广东省肇庆市四会中学
倪俊杰 浙江省桐乡市凤鸣高级中学
金 琦 浙江师范大学附属中学
芯片的分类
杨磊：芯片的分类方法有很多种，其中按功能结构分类，芯片可分为模拟芯片和数字芯片两大类。
模拟芯片（也称模拟集成电路），它是用来产生、放大和处理各种模拟信号的集成电路。模拟信号通常被称为连续信号，它可以在一定的时间范围内有无限多个不同的取值，如温度、电流、电压、声音、光线等。常见的模拟集成电路有各种放大器、模拟开关、接口电路、数据转换芯片、各类电源管理及驱动芯片等。这类集成电路内部主要由放大器、滤波器、反馈电路、基准源电路、开关电容电路等子电路组成。另外模拟集成电路设计主要是通过有经验的设计师进行晶体管级的电路设计和版图设计与仿真而得到，保留了人工设计的处理方式。
数字芯片（也称数字集成电路）则是用来传输和处理各种数字信号的集成电路。同模拟信号的连续变化性相比，数字电路中的数字信号不仅在时间上离散，而且在数值上也离散，且数值的大小和增减都是量化单位的整数倍的一类信号。数字电路以布尔代数为理论基础，以逻辑门电路为基础原件，将输入的数字信号转换成二进制数，用“1”和“0”描述数字集成电路的工作状态，从而实现各种各样的数字逻辑功能。常见的数字集成电路有CPU、微处理器、微控制器、数字信号处理单元、存储器等，数字电路的设计大部分是通过使用硬件描述语言以基本逻辑门电路为单位在EDA软件的协助下自动综合产生，布图布线也是借助EDA软件自动生成。
根据芯片上集成的微电子器件的数量的不同，又可将集成电路分为6种：①小型集成电路（Small Scale Integration，SSI）;②中型集成电路（Medium Scale Integration，MSI）;③大规模集成电路（Large Scale Integration，LSI）;④超大规模集成电路（Very large scale integration，VLSI）;⑤极大规模集成电路（Ultra Large Scale Integration，ULSI）;⑥千兆规模集成电路（Giga Scale Integration，GLSI）。
伴随时代科技的进步，这6种类别依次出现。从20世纪60年代前期的小规模集成电路到今天的千兆规模集成电路，人们一直追求单个芯片上器件数量的持续增长。电路集成化所面临的一个重要挑战就是半导体制造工艺的能力，如何在可接受的成本制约条件下改善加工技术，以生产高集成度的千兆规模集成电路芯片。为此，半导体产业早已变成高度标准化生产，大多数制造商使用类似的制造工艺和设备技术，开发市场成功的关键是公司是否具备在合适的时间推出合适的产品的能力。
芯片的关键尺寸与技术节点
金琦：用户需求驱使硅片制造技术不断提升，用户要求更快、更可靠和成本更低的芯片，要达到这些要求，芯片制造商就会在一块芯片上减少器件的尺寸，这样会提高芯片运行速度并能减少功耗，并将芯片进行强度测试和分析以证明其长期可靠性，再增加一个硅片上的芯片数来降低成本。
自20世纪60年代以来，半导体芯片的性能得到了巨大的提升。判断芯片性能的一种通用方法是信号的传输速度。如何提升芯片的传输速度？主要有两种方法：第一种方法是使用新材料，通过芯片表面的电路和器件来提高电信号的传输速度，这依赖能否发现新材料以代替现有材料;另一种方法是将芯片上的晶体管的关键尺寸尽可能做小，关键尺寸做得越小，在芯片上放置得越紧密，信号的传输速度就会提高，这是因为通过电路中的电信号传输距离缩短了。相比于第一种方法，半导体制造商更侧重于第二种方法。提到關键尺寸，我们需要将技术节点和它做个简单区分。
1.关键尺寸（CD）
硅片上晶体管的物理尺寸被称为特征尺寸（如右图），其中晶体管中的沟道长度（即“栅”的宽度）就是关键尺寸（CD）。我们可以将晶体管的作用简单地描述为把电子从一端（S），通过一段沟道，送到另一端（D），这个过程完成之后，信息的传递就完成了。因为电子的速度是有限的，在现代晶体管中，一般都是以饱和速度运行的，所以需要的时间基本就由这个沟道长度来决定（越短，就越快）。关键尺寸（CD）被视为评价制造复杂性水平的标准，也就是说如果厂商拥有在硅片上制造某种CD的能力，那他就能加工其他所有特征尺寸，因为这些尺寸更大，更容易生产出来。
晶体管尺寸缩小的方式需要在垂直和横向两个方向同时进行，不可以仅减小其中某一特征尺寸，因为这样会影响电路的电学性能，所以晶体管尺寸缩小，沟道长度（即关键尺寸）也会相应缩小。怎样缩小晶体管？这是由恒定电场理论决定的，即电场=电压÷尺寸。只要电场不变，晶体管的模型就不需要改变，该理论也被实践证明效果最佳。在晶体管模型确定的前提下，降低电压，就需要等比例减少晶体管尺寸。缩小尺寸的方法也比较简单，将面积缩小到原来的一半，此时尺寸就缩小大约0.7（面积=尺寸的平方）。
2.技术节点
技术节点是制造工艺的概念，它和晶体管尺寸相关，却不能完全画等号。先看一组晶体管技术节点数据：
130nm、90nm、65nm、45nm、32nm、22nm、14nm、10nm、7nm、5nm 这是一个大约以0.7为系数的等比数列，是人为命名的数据。为什么以0.7作为系数？这主要源于在微米时代，甚至在22nm节点以前，人们主要是通过缩小晶体管的关键尺寸来提升芯片性能，此时关键尺寸和技术节点是一致的。但进入22nm节点之后，技术上无法做到按比例缩小晶体管尺寸，晶体管的实际尺寸，或者说沟道的实际长度，是大于这个技术节点的。例如，英特尔的14nm制程工艺的晶体管，沟道长度其实是20nm左右，跟技术节点已经有差距了，但人们早已习惯这种命名规则。
摩尔定律
刘宗凡：在芯片业界内有一条“黄金定律”——摩尔定律。摩尔定律是由英特尔（Intel）创始人之一戈登·摩尔（Gordon Moore）在1965年提出来的。戈登·摩尔在《电子学》杂志上发表了一篇评论文章，提出了一个预言：“在最小成本的前提下，集成电路所含有的元件数量大约每一年增加一倍。”这个预言不断被证实，后来就被称为摩尔定律，它的内容也在不断修正，现在比较通行的说法是，当价格不变时，集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。换言之，每一美元所能买到的电脑性能，每隔18个月将提升一倍。
摩尔定律是通过观察芯片业界的趋势总结出来的，是芯片制造业的一种规律。摩尔定律的表述也不是那么固定，特别是翻一番的时间，从最开始的一年，调整为两年，后来通过观察，又将其调整为一年半（18个月）。当然，在最近十年因为芯片制造的难度不断提高，这个时间可能变成了3年。但令人惊叹的是，50多年来摩尔定律虽然翻一番的时间在不断修正，但总体思路一直在起着作用。芯片业界很多看似不可能的瓶颈，也一次又一次被突破，制造工艺现在正在向1nm的极限推进，创造了科技界的奇迹。
当然，所谓的摩尔定律，除了是半导体行业的现象的总结，后来更多地成为一种商业策略。一方面，电脑新品推出时，让我们心中会得到一个暗示：新电脑相比旧电脑在性能上得到了极大的提升，让我们觉得钱花得物有所值;另一方面，对于厂商来说，商业价值最大化才是他们的追求。有时更先进的产品已经研发出来，但为了让上代产品赚到足够的利润，新品就会推迟发布。这种按部就班的产品发布，又进一步证实了摩尔定律。所以有些厂商被广大用户戏称为“牙膏厂”，每一代产品都是在前一代的基础上做小幅度的提升，就是一种利益驱动，并不能完全反映技术的前进步伐。技术的推进和商业利润的驱使，两者的结合使得摩尔定律顽强地活了下来。
几十年来无数科技界人士多次预言摩尔定律将会失效，所以大家都好奇，摩尔定律是不是必有失效的一天？这一天是什么时候？
从数学的角度来看，每18个月计算性能翻一番，这是一个指数增长的结果。近年Intel发布的酷睿i9 9900K内含晶体管数量为3.2*10^9个，如果遵循摩尔定律的发展，再过70年，CPU内部的晶体管数量将超过其所含的原子的数量，这是不可能做到的。
芯片与IT生态
邱元阳：在中芯国际成立20周年之际，其上海公司几乎人手一台特别款华为荣耀手机，其中搭载的就是中芯国际代工生产的14nm麒麟芯片，证实华为将芯片生产逐渐从台积电转向中芯国际。今年5月15日，美国商务部宣布更改出口管制条例，限制所有美国境内和境外的晶圆代工厂给华为供货，这将会中断台积电对华为的供货，华为不得不另寻出路。但是中芯国际的制程工艺距离台积电的7nm工艺还有很大距离，目前最多研发出了10nm的工艺，还满足不了高端芯片生产的需要。
相信很多人都知道，国内芯片产业与世界先进水平的差距还很大，我们甚至还无法独立生产高端芯片，也没有国产的操作系统。虽然华为的崛起燃起了大家的希望，然而整个IT生态的建立不是有了芯片和操作系统就可以写下乾坤。从芯片的产业链，到操作系统的开发者阵营，以及相应的应用软件的支持，这是一个浩大的系统工程，需要时间和市场的培育，不是一蹴而就的。
1.芯片产业链
集成电路是半导体产业的核心，其技术复杂，科技含量高，产业结构高度专业化且分工细化。目前，集成电路市场产业链可以分为IC设计（上游）、IC制造（中游）和IC封装测试（下游）三大领域。
以前，芯片产业链的运行方式主要是由一些芯片巨头（如英特尔、三星、海力士、东芝、美光、飞利浦等）從IC设计、制造、封装到测试、销售全都自行完成，不依赖其他厂家，也就是所谓的IDM（Integrated Device Manufacturer，整合元件制造商），后来逐渐发展到Fabless+Foundry+OSAT的模式，形成国际化的分工。Fabless即“Fabless Semiconductor Company”，指IC设计公司只设计和销售晶片，但将制造、封装、测试外包给第三方，如高通、博通、联发科等都是只做设计，将生产外包;Foundry即晶圆制造，主要晶圆代工企业有台积电、格罗方德、联电等，它们专门帮别人制造芯片;OSAT即芯片封装测试（OSAT），主要封测代工企业有日月光、安靠、长电科技等。
在IC设计领域，中国已经有了不少厂商可以设计部分芯片，但在IC制造和材料领域还是比较薄弱，整个水平也还比较低下。如果全部依赖国产，是生产不了高端芯片的，这也是人们经常提到的“卡脖子”问题。实际上，不仅是中国，目前在全球任何一个国家，都不具备完整的芯片产业链，整个行业的运行已经完全国际化。例如，高通、苹果、华为都可以设计芯片，但是不能生产，需要台积电、三星等厂家代工;英特尔、三星虽然能自己设计和制造，但需要的高端光刻机却需要荷兰的ASML提供，而ASML生产光刻机需要的光学器件又需要德国的卡尔·蔡司提供……与先进国家相比，比较高端的设备和技术，我们还没有掌握，甚至一些已经掌握的技术也受到专利和授权的限制，在芯片自主研发的道路上，我们只是迈出了万里长征的第一步，后面还有很多困难需要克服，任重而道远。 2.IT生态
以芯片行业内应用较多的手机领域为例，从CPU类型到操作系统，已经形成了成熟的闭环生态，一方面是谷歌主导的Android系统生态环境，另一方面是苹果主导的iOS生态环境。这两种IT生态都是经过了长期的市场竞争和技术革新后积累而形成的，后来者要想打破这种格局难度极大，并不是有了自己的CPU和操作系统就可以实现的。
此前，微软和三星都曾经研发过自己的手机操作系统，分别是Windows Phone和Tizen，但都没有成功。微软作为操作系统的巨头，其自家手机操作系统的流畅度、稳定性和安全性都具有极高的水平，但是由于软件的生态环境建设问题，最终还是没有能够赢得用户，不完善的生态使用户难以坚持使用这个系统。惠普收购Palm后，从Plam OS研发而来的WebOS也于2011年放弃，转给LG后用在了智能电视的系统上，反而取得成功。
在Android之前，诺基亚的Symbian系统在智能手机上应用广泛，但最终却被淘汰。这虽然是缺乏创新和不思进取带来的后果，但也说明了曾经一统天下的生态系统也是可能被后来者超越的。要超越Android和iOS，就必须比它们更优秀、更适用，并能够建立起一个良好的生态环境。目前来看，华为的HarmonyOS在短时间内几乎不可能做到。Symbian和MeeGo退出并不能说明所有的后来者都能成功。
即使有了完整的芯片产业链，并且有了自己的操作系统，IT生态的建立也不是短期内可完成的，有了大量用户的支持，以及足够的开发者队伍的拥护，才可能有丰富的软件应用。这种革新要打破的除了技术壁垒，还有习惯的力量，它们都构成了原有IT生态的外围保护。
国内主要厂商生产的芯片
倪俊杰：从整个统计来看，中国芯片代工制造商占了全球TOP8成员的5成，包括中国台湾的台积电（TSMC）、中国台湾的联华电子（UMC）、中国大陆的中芯国际（SMIC）、中国台湾的力晶（Powerchip）、中国大陆的华虹集团（Huahong Group），这五家中国芯片代工制造商营收达到了430.55亿美元，几乎占到了全球芯片市场的6成左右。
总体来看，在指令集、设计等产业环节中绝大多数技术壁垒比较高的环节，中国芯片產业地位非常薄弱，与欧美芯片产业企业存在较大差距，而在圆晶代工、封装测试等技术要求相对不高的环节，中国凭借其劳动力优势，则有望率先崛起，成为有希望赶超世界平均水平的领域。
电子制造产业包括：原材料砂子—硅片制造—晶圆制造—封装测试—基板互联—仪器设备组装。集成电路产业链主要为设计、制造、封测以及上游的材料和设备。集成电路产业主要有以下特征：制造工序多、产品种类多、技术换代快、投资大和风险高。核心产业链流程可以简单描述为：IC设计公司根据下游客户（系统厂商）的需求设计芯片，然后交给晶圆代工厂进行制造，这些IC制造公司主要的任务就是把IC设计公司设计好的电路图移植到硅晶圆制造公司制造好的晶圆上。完成后的晶圆再送往下游的IC封测厂，由封装测试厂进行封装测试，最后将性能良好的IC产品出售给系统厂商。
兆易创新是国内存储芯片设计龙头;景嘉微是国产GPU龙头;扬杰科技是我国半导体分立器件龙头;中芯国际是我国内地晶圆代工龙头;三安光电是全球LED芯片龙头;士兰微是国内IDM优质企业;北方华创是国产半导体设备龙头;至纯科技为A股唯一一家高纯工艺系统集成供应商;晶瑞股份是国内微电子化学品领先企业;中科曙光是国内高性能计算的龙头企业;紫光国芯是紫光集团旗下半导体行业上市公司，是目前国内领先的集成电路芯片设计和系统集成解决方案供应商;北京君正是嵌入式处理器芯片领先企业;中颖电子是国内优质的IC设计公司;汇顶科技是全球生物识别芯片领先企业;长电科技是国产半导体封测龙头。
值得一提的是，5G时代离不开5G芯片，但是在世界上可以生产出5G手机芯片的厂商寥寥无几，全球只有5家，中国有3家。
国内可以生产5G芯片的厂商是华为海思、紫光展锐和联发科。海思麒麟是华为旗下的芯片公司，在国内5G芯片领域是最为领先的，不仅是手机，其他产品的5G芯片也已经研制出来了。2019年初，华为正式面向全球发布了5G多模终端芯片——巴龙5000。该芯片采用7nm工艺，在5G网络Sub-6 GHz频段下载速率可达4.6Gbps，mmWave（毫米波）频段峰值下载速率达6.5Gbps，业内首次支持NR TDD和FDD全频谱，同步支持SA和NSA两种5G组网方式。根据华为的介绍，巴龙5000是目前业内集成度最高、性能最强的5G终端基带芯片。它不仅是世界上首款单芯片多模5G基带芯片，同时还支持2G、3G、4G、5G合一的单芯片解决方案，能耗更低，性能更强。联发科和紫光展锐也有各自的优势。联发科于今年5月发布了旗下5G移动平台，该款多模5G系统单芯片（SoC）采用7nm工艺制造，内置5G调制解调器Helio M70，该款多模5G移动平台适用于5G独立与非独立（SA/NSA）组网架构Sub-6GHz频段，支持兼容从2G到4G各代连接技术，拥有4.7Gbps的下载速度和2.5Gbps的上传速度。而紫光展锐在今年世界移动通信大会上发布了5G通信技术平台——马卡鲁，及其首款5G基带芯片春藤510，进入全球5G第一梯队。紫光展锐也在2019年2月举行的MWC2019上发布了5G基带芯片春藤510。它采用台积电12nm制程工艺，支持多项5G关键技术，可实现2G/3G/4G/5G多种通信模式，符合最新的3GPP R15标准规范，支持Sub-6GHz频段及100MHz带宽，是一款高集成、高性能、低功耗的5G基带芯片。2020年2月，海信发布海信F50，这款手机最大的亮点就在于推出首款搭载紫光展锐虎贲T710+春藤510方案的5G手机。
在全新的5G时代，我国在通信技术专利、芯片技术等方面都全面完成了逆袭，凭借诸多技术领先优势，我国也成为全球5G基站建设数量最多、5G网络覆盖范围最广的国家。之所以我国5G芯片能够实现快速崛起，很大程度上是因为我国掌握了大量的5G核心技术，对5G技术标准都更加明确。 关键设备制约及产业困境
刘宗凡：我们在看到国内芯片相关产业蓬勃发展的同时，不得不面对关键设备——光刻机还被控制在欧美等发达国家手中的现实。
一年半前，中微（中微半导体设备股份有限公司）5nm刻蚀机通过验证的消息刷爆朋友圈，认为中国芯片生产技术突破了欧美封锁，实现了弯道超车，可以自主制造最先进的芯片。中微公司的刻蚀机确实达到了国际一流水准，但刻蚀只是芯片制造过程中的一个环节，并不是关键的环节，先进的刻蚀技术，还不足以完成芯片的完整制造。这个让人热血澎湃的消息，其实是混淆了光刻机和刻蚀机的概念。通俗地说，光刻机的作用是在电路板上画出电路图，刻蚀机按光刻机画出的图进行雕刻。光刻机是芯片制造中最昂贵的机器，目前国内研制的光刻机还处于90nm的水平，更加先进的设备还处于实验阶段，要投入使用还需要很长一段时间;而荷兰ASML公司生产的7nm光刻机已经大量交付使用，这就是我国和最先进的技术之间的差距。光刻机的技术门槛极高，堪称人类智慧集大成的产物，被称为现代光学工业之花。ASML公司生产的光刻机，集成了德美日韩等国最先进的技术;经济上，英特尔、台积电、三星等大型芯片生产公司入股ASML公司，投入了大量金钱，实现研发风险共享。这就是为什么我国很多领域能突破技术封锁，而光刻机方面始终无法达到一流水准的原因。
目前我国芯片业在不斷发展，但也面临着非常严重的问题。中国芯片需求量占了全球五成以上，但国产芯片能自供的只有8%左右，九成靠进口。2019年中国进口芯片达4451.34亿个，共花费3055.5亿美元，约占同期进口商品总额的14.72%，是我国进口的第一大类型，远超排在第二的石油原油（原油进口总金额为2413.2亿美元）。由此可见我国芯片业亟待发展和超越。
1.发展滞后，投入不够
芯片生产，分为设计、制造、封装三个过程。我国目前在设计和制造上与国际先进技术都有很大的差距。在设计上，除了华为取得了ARM授权，能设计先进的手机CPU外，其他龙芯等CPU，都要落后于国际两三代。制造芯片中需要的核心技术和机器，我们也没有完全掌握，如光刻机，我国还停留在90nm的水平，和国际先进的7nm还有很大差距。只有封装水平国内不算太差，特别是台湾地区的封装公司水平属于世界一流。
目前，我国在半导体投资上每年花费在400亿～600亿美元之间，但这个投资规模，在全球范围来看甚至在统计误差范围之内。英特尔、三星这些企业，每年投资规模都达到了百亿美元的规模，更不用说一个国家的投入了。
2.收入不高，人才缺乏
芯片业是高科技的竞争，目前我国从事芯片行业的大概有30万人，但按照芯片业产值计算，我们最少需要70万人，缺口达到40万人。特别是高端人才，我国是非常缺乏的。人才团队的短缺非常可怕，制约了我国芯片业的快速发展。为什么我国长期面临这个问题？因为成长速度慢、迭代周期长限制了芯片人才薪资涨幅，收入和软件业相比，差了一半左右，这会使更多的人选择互联网公司、软件公司。另外，高校培养的人才和企业需求的人才不一致，一些学生实践能力不强，要想尽快进入工作状态比较难，这就进一步加剧了人才荒的出现。目前海归芯片人才不断增多，这在一定程度上缓解了人才的压力。
结束语
高端芯片的设计、制造，将是我国长期面临的困境。但现在摩尔定律正在放缓，光刻技术突破碰到瓶颈，半导体做得越来越接近物理极限，使得芯片产业更新换代的速度慢了下来，这正是我们追赶的好时机。随着国家财政对芯片产业的支持力度加大，市场、社会资本的积极参与，国产芯片将逐渐缩小与发达国家的差距，芯片自给率不断提高，在国际芯片产业中占据重要地位不再是梦想。
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