最近一兩年，中國(guó)高端芯片似乎出現(xiàn)了希望的曙光。

早在2019年第四季度，國(guó)產(chǎn)14nm工藝芯片就實(shí)現(xiàn)小批量量產(chǎn)，到今年3月良品率已經(jīng)達(dá)到90%-95%。

今年6月下旬，中國(guó)電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究院電子信息研究所所長(zhǎng)溫曉君在接受媒體采訪時(shí)表示，國(guó)產(chǎn)14nm芯片明年底可以實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，國(guó)產(chǎn)芯片已經(jīng)迎來(lái)最好的時(shí)刻。

7月初，中科院計(jì)算技術(shù)研究所副所長(zhǎng)包云崗博士在接受觀察者網(wǎng)采訪時(shí)也表示，國(guó)產(chǎn)28nm芯片有望在今年底量產(chǎn)，國(guó)產(chǎn)14nm芯片將在明年底實(shí)現(xiàn)規(guī)模化量產(chǎn)。

振奮人心的消息相繼傳來(lái)，痛了多年的中國(guó)“芯”，是否有能力在中高端市場(chǎng)站穩(wěn)腳跟了？離解決“芯”痛還有多久？

▲2021年7月4日，江蘇宿遷，工人在泗洪經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)一生產(chǎn)芯片的企業(yè)車間內(nèi)忙碌。圖/視覺中國(guó)

作為現(xiàn)代電子信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展的源動(dòng)力，芯片已廣泛滲透及融合到國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展每個(gè)領(lǐng)域，是數(shù)字經(jīng)濟(jì)、信息消費(fèi)乃至國(guó)家長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展的重要支撐。

然而，我國(guó)核心處理器芯片在全球市場(chǎng)份額至今仍不到?1%，電子產(chǎn)品嚴(yán)重依賴從美國(guó)、韓國(guó)等國(guó)家和地區(qū)進(jìn)口處理器芯片，面臨重大“卡脖子”風(fēng)險(xiǎn)。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，在2019年上半年，整個(gè)半導(dǎo)體銷售市場(chǎng)規(guī)模約為2000億美元，其中65%芯片采用14nm制程工藝，25%左右采用10nm和12nm，采用7nm的僅10%左右。

其中，14-12nm能滿足大量高端芯片需求，比如5G、人工智能、新能源汽車、臺(tái)式電腦的CPU、高速運(yùn)算、基頻、高端消費(fèi)電子產(chǎn)品；智能手機(jī)已經(jīng)進(jìn)入應(yīng)用5nm芯片的時(shí)代，14nm制程應(yīng)用已經(jīng)不多。

目前，國(guó)產(chǎn)14nm領(lǐng)域的設(shè)備、工藝、封裝、材料等各技術(shù)工藝環(huán)節(jié)都已經(jīng)有系統(tǒng)部署，均在按部就班進(jìn)行迭代升級(jí)。公開信息顯示，2019年第四季度，國(guó)產(chǎn)14nm工藝芯片實(shí)現(xiàn)小批量量產(chǎn)，到了今年3月良品率已經(jīng)達(dá)到90%-95%，同時(shí)已經(jīng)完全有能力應(yīng)對(duì)下游大規(guī)模量產(chǎn)的需要。

▲圖/圖蟲

14nm芯片量產(chǎn)突破在即，28nm還能有所作為嗎？

在很多人看來(lái)，芯片工藝是越先進(jìn)越好。事實(shí)確實(shí)如此，但市場(chǎng)急需的往往不是先進(jìn)芯片，而是成熟工藝芯片產(chǎn)能。

包云崗表示，比起14nm制程工藝的突破，國(guó)產(chǎn)28nm芯片規(guī)模量產(chǎn)同樣意義非凡。

28nm工藝是集成電路制造產(chǎn)能中劃分中低端與中高端的分界線。在當(dāng)前的芯片種類里，除了對(duì)功耗要求比較高的CPU、GPU、AI芯片外，其余的工業(yè)級(jí)芯片都是用的28nm以上的技術(shù)，比如電視、空調(diào)、汽車、高鐵、火箭、衛(wèi)星、工業(yè)機(jī)器人、電梯、醫(yī)療設(shè)備、智能手環(huán)以及無(wú)人機(jī)等等。

“由于集成電路制造還是以中低端產(chǎn)能為主，當(dāng)前我國(guó)向中高端邁進(jìn)的需求非常迫切。而一旦完全掌握了28nm技術(shù)，就意味著市場(chǎng)上絕大部分的芯片需求都不會(huì)被卡脖子了?！卑茘徴f(shuō)，28nm的優(yōu)勢(shì)也比較明顯。在成本幾乎相同的情況下，使用28nm工藝制程可以給產(chǎn)品帶來(lái)更加良好的性能。

例如與40nm工藝相比，28nm柵密度更高、晶體管的速度提升了約50%，每次開關(guān)時(shí)能耗減少了50%。由此，綜合考慮成本和技術(shù)因素，28nm制程在未來(lái)較長(zhǎng)一段時(shí)間將成為中端主流工藝節(jié)點(diǎn)。

▲圖/新華社發(fā)

去年，國(guó)務(wù)院發(fā)布了《新時(shí)期促進(jìn)集成電路產(chǎn)業(yè)和軟件產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展若干政策的通知》，其中提到對(duì)28nm及以下的晶圓廠/企業(yè)加大稅費(fèi)優(yōu)惠支持力度，增加“中國(guó)鼓勵(lì)的集成電路線寬小于28nm（含），且經(jīng)營(yíng)期在15年以上的集成電路生產(chǎn)企業(yè)或項(xiàng)目，第一年至第十年免征企業(yè)所得稅”等內(nèi)容。

在市場(chǎng)應(yīng)用方面，包云崗稱，國(guó)產(chǎn)28nm芯片國(guó)內(nèi)市場(chǎng)廣闊。目前，國(guó)內(nèi)芯片制造企業(yè)產(chǎn)能已基本全線利用，至少達(dá)到了98%。這是最近五年來(lái)產(chǎn)能利用率最高的一年。而隨著數(shù)字經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，中國(guó)正在全力開展新基建工程，對(duì)芯片的需求十分旺盛。

雖然與5nm、7nm相比，28nm的工藝還有一定差距，但在5G、新能源汽車、特高壓、大數(shù)據(jù)中心、人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等國(guó)家大力發(fā)展的領(lǐng)域中已經(jīng)屬于成熟工藝，不論在成本還是在芯片功耗、功能與性能三大指標(biāo)上，都是性價(jià)比最高的工藝制程。

▲2019年6月24日，秦皇島經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)一家汽車電器生產(chǎn)企業(yè)的職工展示一款汽車電器設(shè)備的芯片。（新華社記者楊世堯攝）

就拿今年全球最緊缺的智能家電、智能汽車領(lǐng)域芯片來(lái)說(shuō)，這部分芯片基本都只需要8英寸晶圓、28/14nm等成熟工藝。

根據(jù)調(diào)研機(jī)構(gòu)IC insights發(fā)布的《2020-2024年全球晶圓產(chǎn)能》報(bào)告，2019年，10nm以下先進(jìn)制程的芯片產(chǎn)能占總產(chǎn)能的4.4%，而大于28nm的成熟制程產(chǎn)能則占52%。因此，加快國(guó)產(chǎn)28nm芯片布局，不僅有利于在這一領(lǐng)域站穩(wěn)腳根，而且在芯片國(guó)產(chǎn)替代和新基建大潮下大有可為。

包云崗認(rèn)為，國(guó)內(nèi)已經(jīng)具備28nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)規(guī)模量產(chǎn)能力。在集成電路各產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)，有些企業(yè)研發(fā)已經(jīng)取得了不俗成就，有些企業(yè)的產(chǎn)品生產(chǎn)線上已經(jīng)得到具體應(yīng)用。與此同時(shí)，國(guó)內(nèi)在一些細(xì)分領(lǐng)域還實(shí)現(xiàn)了顯著突破，比如在介質(zhì)刻蝕領(lǐng)域已達(dá)到全球先進(jìn)水平。

2019年國(guó)內(nèi)集成電路產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)值超過(guò)7500億元人民幣，2020年則達(dá)到了8848億元。而在整個(gè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展過(guò)程中，芯片制造行業(yè)取得的進(jìn)步最為明顯。

回顧過(guò)去，中國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)曾經(jīng)遺憾地錯(cuò)過(guò)一個(gè)黃金年代，目前國(guó)際半導(dǎo)體行業(yè)巨頭幾乎都在上世紀(jì)七八十年代起步，用漫長(zhǎng)時(shí)間和巨量人才投入才換來(lái)現(xiàn)在的技術(shù)積累。

一方面，近年來(lái)，中國(guó)集成電路市場(chǎng)的迅速發(fā)展，推動(dòng)了整個(gè)產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步與技術(shù)革新。隨著產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域的專業(yè)化和細(xì)分化，國(guó)內(nèi)在集成電路制造領(lǐng)域的技術(shù)水平不斷實(shí)現(xiàn)突破，比如在先進(jìn)與特色工藝的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化等方面取得了顯著進(jìn)展。這使得中國(guó)大陸的芯片制造與國(guó)際領(lǐng)先技術(shù)的差距越來(lái)越小。

另一方面，全球集成電路產(chǎn)能向中國(guó)大陸轉(zhuǎn)移，將為國(guó)內(nèi)集成電路產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)跨越發(fā)展奠定重要基礎(chǔ)。目前，國(guó)內(nèi)外多家廠商都在大陸規(guī)劃建設(shè)新增產(chǎn)能。而在諸多新增晶圓廠逐步建設(shè)完成后，中國(guó)大陸將在降低成本、擴(kuò)大產(chǎn)能、地域便利性等方面具備更強(qiáng)有力的保障及支持。顯然，這對(duì)國(guó)內(nèi)集成電路產(chǎn)業(yè)的整體發(fā)展及完善，起到極為重要的促進(jìn)作用。

近年來(lái)，中國(guó)正在不斷出臺(tái)產(chǎn)業(yè)政策，以市場(chǎng)化運(yùn)作的方式推動(dòng)集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。比如2020年8月，國(guó)務(wù)院發(fā)布了《新時(shí)期促進(jìn)集成電路產(chǎn)業(yè)和軟件產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的若干政策》，進(jìn)一步明確了對(duì)集成電路產(chǎn)業(yè)尤其是制造業(yè)的支持。

盡管一系列支持措施提供了有利的發(fā)展環(huán)境，但實(shí)現(xiàn)這些突破也還是不容易。包云崗表示，國(guó)產(chǎn)14nm芯片攻克了許多技術(shù)難題，包括刻蝕機(jī)、薄膜沉積等關(guān)鍵裝備實(shí)現(xiàn)從無(wú)到有，并批量應(yīng)用在大生產(chǎn)線上；后道封裝集成技術(shù)成果全面實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)；拋光劑、濺射靶材等上百種關(guān)鍵材料，通過(guò)大生產(chǎn)線考核進(jìn)入批量銷售等等。這些成果基本覆蓋了我國(guó)集成電路全產(chǎn)業(yè)鏈體系，扭轉(zhuǎn)了之前工藝技術(shù)全套引進(jìn)的被動(dòng)局面。

▲圖/新華社發(fā)

縱觀全球，原本只有美國(guó)有結(jié)構(gòu)完整的計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)，英國(guó)、韓國(guó)、德國(guó)、法國(guó)等都只是各有所長(zhǎng)。但現(xiàn)在除了美國(guó)之外，中國(guó)也已具備了構(gòu)建全產(chǎn)業(yè)的潛力。而單從代工環(huán)節(jié)情況來(lái)看，擁有14nm工藝技術(shù)的國(guó)家和地區(qū)只有美國(guó)、中國(guó)臺(tái)灣、韓國(guó)和中國(guó)大陸。

公開信息顯示，今年4月，國(guó)內(nèi)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)7nm芯片試產(chǎn)，取得了階段性成果。如果進(jìn)展順利，今年底或明年初時(shí)即可以實(shí)現(xiàn)7nm芯片批量生產(chǎn)。

不過(guò)，在5nm芯片工藝研發(fā)方面，國(guó)內(nèi)依然面臨不少困難。一方面，美國(guó)的限制一直未能出現(xiàn)根本性的解除，導(dǎo)致國(guó)內(nèi)依然難以獲得頂級(jí)水平的光刻機(jī)。另一方面，5nm芯片本身也是一個(gè)巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)，難度要高出7nm很多。

但即使面臨多項(xiàng)壓力、困難，國(guó)內(nèi)也已經(jīng)啟動(dòng)了5nm芯片工藝研發(fā)，力求在2021年底之前先打通完整工藝流程，再向?qū)嶒?yàn)生產(chǎn)階段邁進(jìn)。

現(xiàn)在，國(guó)內(nèi)技術(shù)在滿足做大量普通芯片方面并不存在卡脖子，所謂的卡脖子是在頂級(jí)芯片領(lǐng)域被卡了脖子。但要實(shí)現(xiàn)突破，想要后發(fā)制人，還需要下苦力。

溫曉君坦言，我國(guó)14nm技術(shù)蓬勃發(fā)展，并交出了不俗的成績(jī)單，但是想要后發(fā)制人，實(shí)現(xiàn)追趕，也并不是一朝一夕能夠完成的。

一方面，集成電路產(chǎn)業(yè)是資金超密集、換代特頻繁、人才極尖端的全球前沿產(chǎn)業(yè)之一，技術(shù)難度高、試錯(cuò)成本高、排錯(cuò)難度大。業(yè)內(nèi)領(lǐng)先廠商在14nm上已經(jīng)有多年的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，產(chǎn)線折舊已經(jīng)完成，我國(guó)企業(yè)在成本上與其他廠商競(jìng)爭(zhēng)并沒(méi)有優(yōu)勢(shì)。因此，在技術(shù)追趕上我們和世界第一流的代工企業(yè)存在著代差。

另一方面，從日、韓、臺(tái)等國(guó)家和地區(qū)集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展歷程看，后發(fā)國(guó)家和地區(qū)趕超不是一蹴而就，需要有自主發(fā)展的決心、艱苦奮斗的恒心、趕超成功的信心，更要有強(qiáng)大持續(xù)的資金、迭代演進(jìn)的技術(shù)、素質(zhì)達(dá)標(biāo)的人才、產(chǎn)用聯(lián)動(dòng)的市場(chǎng)，集聚資本、技術(shù)、人才、市場(chǎng)四大要素合力，才可能實(shí)現(xiàn)成功的趕超發(fā)展。

溫曉君表示，14nm芯片量產(chǎn)以后，后續(xù)擴(kuò)大產(chǎn)能還需要做好資金支持，包括光刻機(jī)、清洗設(shè)備、拋光儀器等所需設(shè)備不僅價(jià)格昂貴，且在使用過(guò)程中需要耗費(fèi)大量的水和電；其次，需要在原材料、元器件等供應(yīng)商層面上做好整合工作，提前做好客戶導(dǎo)入，確保產(chǎn)能得到充分利用。

分析人士認(rèn)為，由于支撐新一代芯片技術(shù)的新材料制造需要整個(gè)芯片供應(yīng)鏈的支持，還需要包括光刻機(jī)在內(nèi)的先進(jìn)設(shè)備和生產(chǎn)工具的支持，中國(guó)要邁向高端芯片制造仍有挑戰(zhàn)，需要給產(chǎn)業(yè)和人才發(fā)展的時(shí)間。

另有不少業(yè)內(nèi)人士指出，依據(jù)國(guó)際歷史經(jīng)驗(yàn)看，通過(guò)軟件的調(diào)試也可以改變芯片的特性。比如，讓國(guó)內(nèi)通訊運(yùn)營(yíng)商、設(shè)備提供商以及通訊方案服務(wù)商結(jié)合當(dāng)下芯片產(chǎn)業(yè)的變化，努力通過(guò)“軟硬件結(jié)合”的模式創(chuàng)新服務(wù)方案、設(shè)備架構(gòu)，以適應(yīng)時(shí)代的變化發(fā)展。

▲圖/新華社發(fā)

包云崗則提供了另外一種思路。他表示，當(dāng)中低端工藝能成為穩(wěn)定的現(xiàn)金流來(lái)源，再去攻克高端工藝也許更有把握。國(guó)內(nèi)也許應(yīng)該分配足夠的資源來(lái)提升中低端工藝的服務(wù)能力，加大投入完善中低端工藝的生態(tài)，從設(shè)備、材料、單元庫(kù)、EDA、IP等都積累起來(lái)并打磨好，從而力爭(zhēng)在國(guó)際上形成市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

“中低端工藝對(duì)于國(guó)內(nèi)企業(yè)已基本不存在大的技術(shù)壁壘，但這部分的收入?yún)s和臺(tái)積電等企業(yè)差距巨大。這是生態(tài)的差距，是服務(wù)能力的差距。相比研制先進(jìn)工藝的投入，完善中低端工藝的投入要小得多，但收益卻可能會(huì)更顯著。”他認(rèn)為，根據(jù)國(guó)內(nèi)的流片經(jīng)歷來(lái)看，芯片制造企業(yè)的服務(wù)能力的確還有很大提升空間。如果能進(jìn)一步提高服務(wù)意識(shí)和服務(wù)能力，那將會(huì)吸引一大批鐵桿客戶形成互信，從而加速技術(shù)的迭代優(yōu)化。

目前，我國(guó)已將芯片制造技術(shù)提升到國(guó)家戰(zhàn)略地位，從而支持2030年國(guó)家先進(jìn)制造目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。按照計(jì)劃，我國(guó)今年本土芯片供應(yīng)占比將提升至40%，到2025年，將進(jìn)一步提升至70%。

在國(guó)際形勢(shì)風(fēng)云變幻、數(shù)字經(jīng)濟(jì)日新月異、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)愈發(fā)緊迫以及新基建大潮來(lái)臨等情況下，我國(guó)正在尋求刺激芯片顛覆性新技術(shù)發(fā)展的途徑，包括向整個(gè)芯片行業(yè)提供廣泛的激勵(lì)措施，以及從目前的硅片芯片躍升至使用新材料制造的“第三代”芯片。

上海交通大學(xué)副校長(zhǎng)、中國(guó)科學(xué)院院士毛軍發(fā)在南京舉行的2021世界半導(dǎo)體大會(huì)上表示，中國(guó)可以通過(guò)“異構(gòu)集成”或單獨(dú)制造組件集成，來(lái)保持芯片行業(yè)領(lǐng)先地位?！爱悩?gòu)整合是后摩爾定律時(shí)代行業(yè)的新方向，這為中國(guó)在集成電路行業(yè)彎道超車提供機(jī)會(huì)?！?/span>

據(jù)毛軍發(fā)介紹，芯片現(xiàn)有兩條主要發(fā)展路線，一是延續(xù)摩爾定律，二是繞道摩爾定律。如今摩爾定律正面臨各種挑戰(zhàn)，而繞道摩爾定律有很多途徑，異構(gòu)集成電路就是其中之一。

使用新的芯片材料和異構(gòu)集成的方式被視為最有可能產(chǎn)生顛覆性創(chuàng)新的兩個(gè)領(lǐng)域。下一代芯片即第三代芯片的新材料包括碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)。

包云崗則認(rèn)為，芯片作為未來(lái)工業(yè)真正的明珠，不僅是全球化最徹底的產(chǎn)業(yè)，也是全球最高級(jí)別的創(chuàng)新協(xié)作體系。因此，芯片產(chǎn)業(yè)需要建立一個(gè)全球創(chuàng)新的協(xié)作體系，以及清晰意識(shí)到芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展的規(guī)律：當(dāng)前的自主研發(fā)是為了更好地融入全球市場(chǎng)，而不是脫離全球市場(chǎng)另起爐灶。

無(wú)論是市場(chǎng)需求龐大、政策持續(xù)利好，還是技術(shù)創(chuàng)新另辟蹊徑，截止到目前，中國(guó)半導(dǎo)體市場(chǎng)上已經(jīng)涌現(xiàn)出中芯國(guó)際、韋爾股份、卓勝微、三安光電、北方華創(chuàng)、聞泰科技、華潤(rùn)微、兆易創(chuàng)新、中環(huán)股份等一批市值達(dá)千億人民幣的企業(yè)，逐步構(gòu)建起中國(guó)芯片制造的技術(shù)生態(tài)和世界影響力。