面壁十年圖破壁，我以我血薦軒轅。

近日，華為消費(fèi)者領(lǐng)域總裁余承東在中國(guó)信息化百人會(huì)2020年峰會(huì)上表示，受到美國(guó)第二輪制裁的影響，華為的芯片沒(méi)辦法生產(chǎn)，最近都在缺貨階段，今年發(fā)貨量可能低于去年。由于9月15日后臺(tái)積電也將斷供，無(wú)法再承接華為高端芯片代工訂單，華為麒麟高端芯片很快將成“絕版”。

不過(guò)令人振奮的是，余承東還表示，后悔當(dāng)初沒(méi)有進(jìn)入芯片制造領(lǐng)域，但是在半導(dǎo)體方面，華為將全方位扎根，突破物理學(xué)、材料學(xué)的基礎(chǔ)研究和精密制造，突破制約創(chuàng)新的瓶頸，包括EDA的設(shè)計(jì)，材料、生產(chǎn)制造、工藝、設(shè)計(jì)能力、制造、封裝封測(cè)等關(guān)鍵流程，全部被華為設(shè)定到今后的目標(biāo)領(lǐng)域之中。

雖然與各種限制，但是華為在2020年上半年的業(yè)績(jī)還是依舊亮眼的，銷(xiāo)售收入4540億元，同比增長(zhǎng)13.1%，凈利潤(rùn)率9.2%。而且，從目前一系列布局來(lái)看，華為即將走向IDM即全流程芯片商，也就是一條再也不受外界卡脖子的道路。 那么，我們來(lái)盤(pán)點(diǎn)一下，華為在芯片產(chǎn)業(yè)內(nèi)需要攻克的難關(guān)，同時(shí)也反思一下為什么我們的芯片產(chǎn)業(yè)會(huì)如此之脆弱，被人一卡就死？ 小“芯片”的大能量 上世紀(jì)40年代由美國(guó)發(fā)起，眾多知名科學(xué)家參與的曼哈頓計(jì)劃不但為人類帶來(lái)的原子彈，也為我們帶來(lái)了計(jì)算機(jī)，而計(jì)算機(jī)中的集成電路也就是我們芯片的前身，漸漸發(fā)展成了一個(gè)市場(chǎng)規(guī)模近萬(wàn)億的龐大產(chǎn)業(yè)，單是中國(guó)對(duì)外的芯片凈進(jìn)口額去年就達(dá)到了4000億人民幣，甚至我國(guó)進(jìn)口的芯片價(jià)值還超過(guò)了能源進(jìn)口1000億。 而芯片行業(yè)的上游是以EDA為代表的工業(yè)軟件，下游則輻射物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等規(guī)模數(shù)十萬(wàn)億人民幣的巨大市場(chǎng) ，而4000億的芯片規(guī)模與40萬(wàn)億產(chǎn)業(yè)鏈規(guī)模之間的差額，就是芯片杠桿。可以說(shuō)，運(yùn)用芯片卡住我國(guó)的脖子，效果遠(yuǎn)比什么金融核武Swift要好得多。

EDA軟件突破難度 ※※※※突破希望 ※※※※EDA是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD的細(xì)分領(lǐng)域，屬于工業(yè)軟件的一種，利用EDA工具，芯片設(shè)計(jì)人員可以從概念、算法、協(xié)議等開(kāi)始設(shè)計(jì)電子系統(tǒng)，完成電子產(chǎn)品從電路設(shè)計(jì)、性能分析到設(shè)計(jì)出IC版圖或PCB版圖的整個(gè)過(guò)程。數(shù)據(jù)顯示，2018年全球EDA市場(chǎng)規(guī)模還沒(méi)突破100億美元，EDA相對(duì)于幾千億美元的芯片產(chǎn)業(yè)來(lái)說(shuō)從產(chǎn)值上看根本不值一提，但如果缺少了EDA，整個(gè)芯片產(chǎn)業(yè)都得停擺。 EDA市場(chǎng)前三位的Synopsys、Cadence和西門(mén)子約占全球市場(chǎng)份額的60%，產(chǎn)業(yè)集中度并不是太高，不過(guò)在中國(guó)市場(chǎng)，卻完全是另一番景象，我國(guó)EDA的市場(chǎng)份額95%由上述三家瓜分，而且這三家EDA巨頭公司已經(jīng)完全和華為中斷了合作。 其實(shí)我國(guó)在EDA方面起步不算晚，早在上世紀(jì)90年代我國(guó)自主研發(fā)的熊貓EDA軟件就問(wèn)世了，這也是我國(guó)最大的EDA廠商華大九天的前身。不過(guò)在熊貓剛剛面世不久，Synopsys、Cadence就紛紛入華，以低價(jià)占領(lǐng)市場(chǎng)，直接把我們的熊貓EDA扼殺在了搖籃里。 前不久爆款文《我國(guó)工業(yè)軟件消失的30年》中曾經(jīng)將我國(guó)工業(yè)軟件衰落的原因歸結(jié)為國(guó)家補(bǔ)貼的不足，筆者雖然不太認(rèn)同這樣的觀點(diǎn)，但是過(guò)早的讓我們不成熟的產(chǎn)品直接面對(duì)市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)，也使我們?cè)贓DA方面不被卡脖子的希望隨之消失。 芯片設(shè)計(jì)領(lǐng)域EDA軟件，就類似于美工設(shè)計(jì)師的Photoshop，機(jī)械設(shè)計(jì)師的Autocad，如果沒(méi)有這些工具輔助設(shè)計(jì)成本就直接突破天際，而且EDA軟件中豐富的IP庫(kù)，還可以為芯片仿真，降低流片率起到關(guān)鍵性作用，而一旦被EDA廠商斷供就意味著沒(méi)有了IP庫(kù)的更新，也就是無(wú)法再用最新的元器件庫(kù)進(jìn)行設(shè)計(jì)或者訪真了，所以EDA軟件也成了我們首要解決的問(wèn)題之一。 IP授權(quán)突破難度 ※※※※突破希望 ※※※既使有了EDA軟件可以進(jìn)行芯片設(shè)計(jì)，但芯片設(shè)計(jì)師們?cè)趧?dòng)手之前，也必須先決定芯片的架構(gòu)，也就是指令集。 目前我國(guó)還沒(méi)有擁有完整知識(shí)產(chǎn)權(quán)的芯片指令集。目前應(yīng)用較為廣泛的X86以及ARM架構(gòu)芯片，其實(shí)都是需要單獨(dú)授權(quán)乃至完全封閉的IP。一旦產(chǎn)權(quán)方停止授權(quán)而開(kāi)成斷供那么后果不堪設(shè)想。而在這方面阿里達(dá)摩院的RISC-V以及龍芯所使用的MIPS架構(gòu)相對(duì)比較安全。 其中RISC-V 是 2010 年新出現(xiàn)的開(kāi)源精簡(jiǎn)指令集架構(gòu)，架構(gòu)設(shè)計(jì)上沒(méi)有歷史包袱，采用的理念和方法較為先進(jìn)。和主流架構(gòu) x86/ARM 相比，RISC-V 架構(gòu)篇幅更少，基本指令集更少， 支持模塊化和拓展性，而且為貫徹開(kāi)源精神。目前RISC-V基金會(huì)已經(jīng)有搬遷至瑞士的計(jì)劃了，不過(guò)RISC-V架構(gòu)出現(xiàn)時(shí)間晚， 適配軟件和工具方面沉淀不足，目前雖然由阿里達(dá)摩院推出了號(hào)稱最強(qiáng)RISC-V的玄鐵910芯片，不過(guò)總體上講其生態(tài)環(huán)境構(gòu)建尚需時(shí)間。 而MIPS在給予龍芯永久授權(quán)后，也由龍芯繼承了MIPS所有的生態(tài)，因此MIPS在國(guó)內(nèi)發(fā)展及工具積累的情況相較于RISC-V要好一些。目前龍芯已經(jīng)發(fā)布了基于 MIPS自主版權(quán)的指令集 LoongISA。其最新產(chǎn)品 3A4000/3B4000 的性能與 AMD 28nm 工藝的產(chǎn)品相當(dāng)，而且目前龍芯已經(jīng)全面進(jìn)入云計(jì)算領(lǐng)域，并與浪潮云、阿里云、騰訊云等巨頭合作。 但是，無(wú)論是MIPS還是RISC-V都還無(wú)法在高端領(lǐng)域與ARM及X86進(jìn)行全面對(duì)抗。好在華為已經(jīng)拿下了ARMV8的完整授權(quán)，而ARMV9最遲也會(huì)在2022年問(wèn)世。因此芯片指令集，也是一個(gè)我們急需要解決的問(wèn)題。 晶圓制造突破難度 ※※※※※突破希望 ※※提起晶圓制造也就說(shuō)到了芯片生產(chǎn)過(guò)程中最難的環(huán)節(jié)了，而且值得注意的是在晶圓制造這個(gè)環(huán)節(jié)中也會(huì)決定制程，這個(gè)芯片最為重要的指標(biāo)。 這里也再為大家科普一下制程的相關(guān)概念。上世紀(jì)60年代，仙童半導(dǎo)體的Gordon Moore在《電子學(xué)》雜志上，發(fā)表論文提出了如雷貫耳的摩爾定律，即當(dāng)價(jià)格不變時(shí)，集成電路上可以容納的元器件數(shù)目，將每隔一年增加一倍，這其實(shí)就是指元件的密度會(huì)不斷增大，也就是原件之間的間隔距離不斷減少，而在芯片中不同原件的距離就是制程，所以摩爾定律也可以被稱為是制程定律。 我們知道CPU是以0和1為基礎(chǔ)的邏輯運(yùn)算，其關(guān)鍵就是要判斷晶體管中的電位情況。當(dāng)在Gate端做電壓供給，電流就會(huì)從Drain端到Source端，如果沒(méi)有供給電壓，電流就不會(huì)流動(dòng)，通過(guò)這樣表示1和0。 縮減元器件之間的距離之后，晶體管之間的電容也會(huì)更低，從而提升它們的開(kāi)關(guān)頻率。那么，由于晶體管在切換電子信號(hào)時(shí)的動(dòng)態(tài)功率消耗與電容成正比，因此，它們才可以在速度更快的同時(shí)，做到更加省電。另外，這些更小的晶體管只需要更低的導(dǎo)通電壓，而動(dòng)態(tài)功耗又與電壓的平方成反比，這時(shí)能效也會(huì)隨之提升。以10nm制程的驍龍 835為例， 在集成了超過(guò) 30 億個(gè)晶體管的情況下，體積比14nm驍龍 820 還要小了 35%，整體功耗降低了 40%，性能卻大漲 27%。因此，我們可以看到一款芯片最大的宣傳點(diǎn)就是它的制程。 而想造出先進(jìn)制程的芯片，還需要先進(jìn)工藝與光刻機(jī)的共同配合才行。半導(dǎo)體的制造工藝，主要經(jīng)歷了如下幾個(gè)階段：MOS時(shí)代：在上世紀(jì)50年代末貝爾實(shí)驗(yàn)室研制出MOS管，也就是金屬-氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管，在MOS管推出不久能夠量產(chǎn)晶體管的平面工藝誕生，通過(guò)氧化、光刻等一系列的流程，可以制作出晶體管集成電路，也就是我們目前所說(shuō)的芯片，不過(guò)當(dāng)時(shí)還只能稱為集成電路時(shí)代，原件密度比現(xiàn)在要低的多，不過(guò)這也成為了制造各種半導(dǎo)體器件與集成電路的基本工藝技術(shù)，也是光刻技術(shù)的原型。

FinFET：但是MOS管也并不盡善盡美，其制程存在著20nm的極限，不過(guò)在2000年加州大學(xué)伯克利分校的胡正明教授發(fā)表了一篇文章《FinFET-a self-aligned double-gate MOSFET scalable to 20 nm》，在該論文中提出了一種名為FinFET晶體管結(jié)構(gòu)，中文譯名為“鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管”，顧名思義，這種晶體管結(jié)構(gòu)形狀也就類似于魚(yú)鰭， FinFET使得芯片制程突破了20nm的工藝關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，是推動(dòng)當(dāng)代工藝進(jìn)一步縮小的關(guān)鍵技術(shù)。GAAFET：（Gate-All-Around）由Imec（Interuniversity Microelectronics Centre）提出。GAA也就是橫向晶體管技術(shù)，也可以被稱為GAAFET。這項(xiàng)技術(shù)的特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了柵極對(duì)溝道的四面包裹，源極和漏極不再和基底接觸，而是利用線狀（可以理解為棍狀）或者平板狀、片狀等多個(gè)源極和漏極橫向垂直于柵極分布后，實(shí)現(xiàn)MOSFET的基本結(jié)構(gòu)和功能。這樣的設(shè)計(jì)在很大程度上解決了柵極間距尺寸減小后帶來(lái)的各種問(wèn)題，包括電容效應(yīng)等，也可以突破目前7nm的制程極限，不過(guò)這項(xiàng)技術(shù)目前還沒(méi)有正式的商用，只是臺(tái)積電和三星等頭部廠商取得了一定進(jìn)展。 可是我國(guó)以中芯國(guó)際為代表的芯片制造廠商的制造工藝水平還停留在14nm，比國(guó)際最高水平的5nm整整落后了一代。不過(guò)即使有了14nm的制造工藝，中芯國(guó)際也還沒(méi)明確表示，可以繼續(xù)向華為供應(yīng)芯片，這是因?yàn)槲覈?guó)在光刻技術(shù)方面的水平只達(dá)到28nm，而且造不出最先進(jìn)的EUV光刻機(jī)。EUV：Extreme Ultra-violet極紫外光刻，是目前最為先進(jìn)的光刻技術(shù)，由于光源對(duì)制程工藝的影響是決定性的，目前非EUV的光源還無(wú)法突破7nm的極限。因此沒(méi)有EUV的加持，我們就像被三體的智子鎖定基礎(chǔ)科技發(fā)展水平一樣，最高也只能達(dá)到14nm的制程水平上。 令人遺憾的是，我國(guó)光刻技術(shù)的起步并不晚，早在上個(gè)世紀(jì)60年代中科院就開(kāi)始研究光刻機(jī)了，并且在1965年就研制出65型接觸式光刻機(jī)，1972年武漢無(wú)線電元件三廠編寫(xiě)的《光刻掩模的制造》的書(shū)中，具體講述了當(dāng)時(shí)那個(gè)時(shí)代，我們光刻技術(shù)的發(fā)展歷程，后來(lái)1980年中國(guó)清華大學(xué)第四代分布式投影光刻機(jī)獲得成功，將光刻精度縮小至3微米，這個(gè)制程與當(dāng)時(shí)國(guó)際先進(jìn)水平非常接近。 不過(guò)與熊貓EDA的情況類似，同樣由于我們過(guò)早的讓自主的光刻產(chǎn)品直接面對(duì)西方企業(yè)的價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)，這使得我國(guó)光刻先驅(qū)武漢無(wú)線電元件三廠在1994年破產(chǎn)，改制成為副食品商鋪，這使得我們20年光刻技術(shù)的積累全部付之東流，而且陷入停滯。 總有有說(shuō)光刻有那么難嗎？筆者這里可以給出一個(gè)非常肯定的答案，光刻技術(shù)之復(fù)雜精密，尤其對(duì)于基礎(chǔ)光學(xué)水平要求很高，想取得突破談何容易。 下面向大家簡(jiǎn)要介紹一下光刻技術(shù)。在一臺(tái)光刻機(jī)中激光器負(fù)責(zé)光源產(chǎn)生，首先是激光器發(fā)光，經(jīng)過(guò)矯正、能量控制器、光束成型裝置等之后進(jìn)入光掩膜臺(tái)。

而光刻機(jī)的分辯率原理圖如下，下圖中AB兩點(diǎn)的距離就是不同元件間的距離, 光刻機(jī)分辨率=k1*λ/NA：

隨著半導(dǎo)體工業(yè)節(jié)點(diǎn)的不斷提升，為提高分辯率指標(biāo)，光刻激光波長(zhǎng)也在不斷縮小，從436nm、365nm的近紫外（NUV）激光進(jìn)入到246nm、193nm的深紫外（DUV）激光，現(xiàn)在DUV光刻機(jī)是應(yīng)用最多的，光源是ArF（氟化氬），從45nm到7nm工藝都可以使用這種光刻機(jī)，但是到了7nm這個(gè)節(jié)點(diǎn)就是DUV的極限，所以英特爾、三星和臺(tái)積電都會(huì)在7nm這個(gè)節(jié)點(diǎn)引入極紫外光（EUV）光刻技術(shù)。 不過(guò)正如筆者前文所述，光刻涉及的基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域繁多，即使是國(guó)際光刻巨頭ASML也不能掌握光刻技術(shù)的全產(chǎn)業(yè)鏈，其鏡頭和激光器也是從德國(guó)、比利時(shí)等國(guó)家進(jìn)口的。所以華為想以一人之力打通整個(gè)芯片的產(chǎn)業(yè)鏈條，其勇氣與決心也可見(jiàn)一斑。 封裝 、測(cè)試突破難度 ※※※突破希望 ※※※※目前芯片的封裝測(cè)試分為晶圓測(cè)試與成品測(cè)試兩個(gè)步驟。晶圓檢測(cè)：指通過(guò)探針臺(tái)和測(cè)試機(jī)配合使用，對(duì)晶圓上的裸芯片進(jìn)行功能檢測(cè)和電參數(shù)測(cè)試，其檢測(cè)過(guò)程為：探針臺(tái)將晶圓逐片自動(dòng)傳送至測(cè)試位置，將芯片的pad點(diǎn)通過(guò)探針/專用連接線與測(cè)試機(jī)的功能模塊進(jìn)行連接，測(cè)試機(jī)對(duì)芯片世家輸入信號(hào)并采集輸出信號(hào)，判斷芯片功能和性能是否達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)范要求。測(cè)試結(jié)果通過(guò)通信接口傳送給探針臺(tái)，探針臺(tái)據(jù)此對(duì)芯片進(jìn)行打點(diǎn)標(biāo)記。成品測(cè)試：指通過(guò)分選機(jī)和測(cè)試機(jī)配合使用，對(duì)封裝完成后的芯片進(jìn)行功能和電參數(shù)測(cè)試，其測(cè)試過(guò)程為：分選機(jī)將被測(cè)芯片逐個(gè)傳送至測(cè)試工位，被測(cè)芯片的引腳通過(guò)測(cè)試工位上的基座，專用連接線與測(cè)試機(jī)的功能模塊進(jìn)行連接，測(cè)試機(jī)對(duì)芯片施加輸入信號(hào)并采集輸出信號(hào)，判斷芯片功能和性能是否達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)范要求。測(cè)試結(jié)果通過(guò)通信接口傳送給分選機(jī)，分選機(jī)據(jù)此對(duì)被測(cè)芯片進(jìn)行標(biāo)記、分選、收料或編帶。 其實(shí)如果我們能突破到這步，也就基本不會(huì)再被人卡脖子了，因?yàn)檫@方面不像光學(xué)、材料學(xué)等基礎(chǔ)科學(xué)的突破，還是可以靠多掏學(xué)費(fèi)彌補(bǔ)的。 窮且益堅(jiān)不墜青云之志，老當(dāng)益壯寧移白首之心。目前我們?cè)谕ㄓ糜?jì)算的芯片領(lǐng)域雖然還有很多困難要克服，不過(guò)從最新年報(bào)披露的信息來(lái)看，華為應(yīng)該已經(jīng)為這場(chǎng)硬仗，提前準(zhǔn)備了未來(lái)一到兩年的芯片儲(chǔ)備，用時(shí)間換空間，以期突破這些卡脖子的環(huán)節(jié)。 不過(guò)，我們也必須清醒的認(rèn)識(shí)到，芯片雖然是IT領(lǐng)域的核心產(chǎn)業(yè)，但芯片制造卻更偏向于基礎(chǔ)科學(xué)的屬性，只能結(jié)硬寨，打硬仗，沒(méi)有捷徑可言，也呼吁業(yè)界同仁給予華為以及我國(guó)整個(gè)芯片業(yè)以更多耐心，以期破壁圖強(qiáng)，逆境重生。