面壁十年圖破壁，我以我血薦軒轅。

近日，華為消費者領(lǐng)域總裁余承東在中國信息化百人會2020年峰會上表示，受到美國第二輪制裁的影響，華為的芯片沒辦法生產(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日后臺積電也將斷供，無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”。

不過令人振奮的是，余承東還表示，后悔當(dāng)初沒有進(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，材料、生產(chǎn)制造、工藝、設(shè)計能力、制造、封裝封測等關(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)績還是依舊亮眼的，銷售收入4540億元，同比增長13.1%，凈利潤率9.2%。而且，從目前一系列布局來看，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，我們來盤點一下，華為在芯片產(chǎn)業(yè)內(nèi)需要攻克的難關(guān)，同時也反思一下為什么我們的芯片產(chǎn)業(yè)會如此之脆弱，被人一卡就死？ 小“芯片”的大能量 上世紀(jì)40年代由美國發(fā)起，眾多知名科學(xué)家參與的曼哈頓計劃不但為人類帶來的原子彈，也為我們帶來了計算機(jī)，而計算機(jī)中的集成電路也就是我們芯片的前身，漸漸發(fā)展成了一個市場規(guī)模近萬億的龐大產(chǎn)業(yè)，單是中國對外的芯片凈進(jìn)口額去年就達(dá)到了4000億人民幣，甚至我國進(jìn)口的芯片價值還超過了能源進(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)、云計算等規(guī)模數(shù)十萬億人民幣的巨大市場 ，而4000億的芯片規(guī)模與40萬億產(chǎn)業(yè)鏈規(guī)模之間的差額，就是芯片杠桿?？梢哉f，運(yùn)用芯片卡住我國的脖子，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是計算機(jī)輔助設(shè)計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)計人員可以從概念、算法、協(xié)議等開始設(shè)計電子系統(tǒng)，完成電子產(chǎn)品從電路設(shè)計、性能分析到設(shè)計出IC版圖或PCB版圖的整個過程。數(shù)據(jù)顯示，2018年全球EDA市場規(guī)模還沒突破100億美元，EDA相對于幾千億美元的芯片產(chǎn)業(yè)來說從產(chǎn)值上看根本不值一提，但如果缺少了EDA，整個芯片產(chǎn)業(yè)都得停擺。 EDA市場前三位的Synopsys、Cadence和西門子約占全球市場份額的60%，產(chǎn)業(yè)集中度并不是太高，不過在中國市場，卻完全是另一番景象，我國EDA的市場份額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。 其實我國在EDA方面起步不算晚，早在上世紀(jì)90年代我國自主研發(fā)的熊貓EDA軟件就問世了，這也是我國最大的EDA廠商華大九天的前身。不過在熊貓剛剛面世不久，Synopsys、Cadence就紛紛入華，以低價占領(lǐng)市場，直接把我們的熊貓EDA扼殺在了搖籃里。 前不久爆款文《我國工業(yè)軟件消失的30年》中曾經(jīng)將我國工業(yè)軟件衰落的原因歸結(jié)為國家補(bǔ)貼的不足，筆者雖然不太認(rèn)同這樣的觀點，但是過早的讓我們不成熟的產(chǎn)品直接面對市場的競爭，也使我們在EDA方面不被卡脖子的希望隨之消失。 芯片設(shè)計領(lǐng)域EDA軟件，就類似于美工設(shè)計師的Photoshop，機(jī)械設(shè)計師的Autocad，如果沒有這些工具輔助設(shè)計成本就直接突破天際，而且EDA軟件中豐富的IP庫，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有了IP庫的更新，也就是無法再用最新的元器件庫進(jìn)行設(shè)計或者訪真了，所以EDA軟件也成了我們首要解決的問題之一。 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，但芯片設(shè)計師們在動手之前，也必須先決定芯片的架構(gòu)，也就是指令集。 目前我國還沒有擁有完整知識產(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，其實都是需要單獨授權(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)相對比較安全。 其中RISC-V 是 2010 年新出現(xiàn)的開源精簡指令集架構(gòu)，架構(gòu)設(shè)計上沒有歷史包袱，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，而且為貫徹開源精神。目前RISC-V基金會已經(jīng)有搬遷至瑞士的計劃了，不過RISC-V架構(gòu)出現(xiàn)時間晚， 適配軟件和工具方面沉淀不足，目前雖然由阿里達(dá)摩院推出了號稱最強(qiáng)RISC-V的玄鐵910芯片，不過總體上講其生態(tài)環(huán)境構(gòu)建尚需時間。 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)入云計算領(lǐng)域，并與浪潮云、阿里云、騰訊云等巨頭合作。 但是，無論是MIPS還是RISC-V都還無法在高端領(lǐng)域與ARM及X86進(jìn)行全面對抗。好在華為已經(jīng)拿下了ARMV8的完整授權(quán)，而ARMV9最遲也會在2022年問世。因此芯片指令集，也是一個我們急需要解決的問題。 晶圓制造突破難度 ※※※※※突破希望 ※※提起晶圓制造也就說到了芯片生產(chǎn)過程中最難的環(huán)節(jié)了，而且值得注意的是在晶圓制造這個環(huán)節(jié)中也會決定制程，這個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)價格不變時，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，這其實就是指元件的密度會不斷增大，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，電流就會從Drain端到Source端，如果沒有供給電壓，電流就不會流動，通過這樣表示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更低，從而提升它們的開關(guān)頻率。那么，由于晶體管在切換電子信號時的動態(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，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，而動態(tài)功耗又與電壓的平方成反比，這時能效也會隨之提升。以10nm制程的驍龍 835為例， 在集成了超過 30 億個晶體管的情況下，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)歷了如下幾個階段：MOS時代：在上世紀(jì)50年代末貝爾實驗室研制出MOS管，也就是金屬-氧化物半導(dǎo)體場效應(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的芯片，不過當(dāng)時還只能稱為集成電路時代，原件密度比現(xiàn)在要低的多，不過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)形狀也就類似于魚鰭， FinFET使得芯片制程突破了20nm的工藝關(guān)鍵節(jié)點，是推動當(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。這項技術(shù)的特點是實現(xiàn)了柵極對溝道的四面包裹，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、片狀等多個源極和漏極橫向垂直于柵極分布后，實現(xiàn)MOSFET的基本結(jié)構(gòu)和功能。這樣的設(shè)計在很大程度上解決了柵極間距尺寸減小后帶來的各種問題，包括電容效應(yīng)等，也可以突破目前7nm的制程極限，不過這項技術(shù)目前還沒有正式的商用，只是臺積電和三星等頭部廠商取得了一定進(jìn)展。 可是我國以中芯國際為代表的芯片制造廠商的制造工藝水平還停留在14nm，比國際最高水平的5nm整整落后了一代。不過即使有了14nm的制造工藝，中芯國際也還沒明確表示，可以繼續(xù)向華為供應(yīng)芯片，這是因為我國在光刻技術(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)，由于光源對制程工藝的影響是決定性的，目前非EUV的光源還無法突破7nm的極限。因此沒有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，我國光刻技術(shù)的起步并不晚，早在上個世紀(jì)60年代中科院就開始研究光刻機(jī)了，并且在1965年就研制出65型接觸式光刻機(jī)，1972年武漢無線電元件三廠編寫的《光刻掩模的制造》的書中，具體講述了當(dāng)時那個時代，我們光刻技術(shù)的發(fā)展歷程，后來1980年中國清華大學(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，這個制程與當(dāng)時國際先進(jìn)水平非常接近。 不過與熊貓EDA的情況類似，同樣由于我們過早的讓自主的光刻產(chǎn)品直接面對西方企業(yè)的價格競爭，這使得我國光刻先驅(qū)武漢無線電元件三廠在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。 總有有說光刻有那么難嗎？筆者這里可以給出一個非?？隙ǖ拇鸢福饪碳夹g(shù)之復(fù)雜精密，尤其對于基礎(chǔ)光學(xué)水平要求很高，想取得突破談何容易。 下面向大家簡要介紹一下光刻技術(shù)。在一臺光刻機(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)過矯正、能量控制器、光束成型裝置等之后進(jìn)入光掩膜臺。

而光刻機(jī)的分辯率原理圖如下，下圖中AB兩點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)點的不斷提升，為提高分辯率指標(biāo)，光刻激光波長也在不斷縮小，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這個節(jié)點就是DUV的極限，所以英特爾、三星和臺積電都會在7nm這個節(jié)點引入極紫外光（EUV）光刻技術(shù)。 不過正如筆者前文所述，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、比利時等國家進(jìn)口的。所以華為想以一人之力打通整個芯片的產(chǎn)業(yè)鏈條，其勇氣與決心也可見一斑。 封裝 、測試突破難度 ※※※突破希望 ※※※※目前芯片的封裝測試分為晶圓測試與成品測試兩個步驟。晶圓檢測：指通過探針臺和測試機(jī)配合使用，對晶圓上的裸芯片進(jìn)行功能檢測和電參數(shù)測試，其檢測過程為：探針臺將晶圓逐片自動傳送至測試位置，將芯片的pad點通過探針/專用連接線與測試機(jī)的功能模塊進(jìn)行連接，測試機(jī)對芯片世家輸入信號并采集輸出信號，判斷芯片功能和性能是否達(dá)到設(shè)計規(guī)范要求。測試結(jié)果通過通信接口傳送給探針臺，探針臺據(jù)此對芯片進(jìn)行打點標(biāo)記。成品測試：指通過分選機(jī)和測試機(jī)配合使用，對封裝完成后的芯片進(jìn)行功能和電參數(shù)測試，其測試過程為：分選機(jī)將被測芯片逐個傳送至測試工位，被測芯片的引腳通過測試工位上的基座，專用連接線與測試機(jī)的功能模塊進(jìn)行連接，測試機(jī)對芯片施加輸入信號并采集輸出信號，判斷芯片功能和性能是否達(dá)到設(shè)計規(guī)范要求。測試結(jié)果通過通信接口傳送給分選機(jī)，分選機(jī)據(jù)此對被測芯片進(jìn)行標(biāo)記、分選、收料或編帶。 其實如果我們能突破到這步，也就基本不會再被人卡脖子了，因為這方面不像光學(xué)、材料學(xué)等基礎(chǔ)科學(xué)的突破，還是可以靠多掏學(xué)費彌補(bǔ)的。 窮且益堅不墜青云之志，老當(dāng)益壯寧移白首之心。目前我們在通用計算的芯片領(lǐng)域雖然還有很多困難要克服，不過從最新年報披露的信息來看，華為應(yīng)該已經(jīng)為這場硬仗，提前準(zhǔn)備了未來一到兩年的芯片儲備，用時間換空間，以期突破這些卡脖子的環(huán)節(jié)。 不過，我們也必須清醒的認(rèn)識到，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，沒有捷徑可言，也呼吁業(yè)界同仁給予華為以及我國整個芯片業(yè)以更多耐心，以期破壁圖強(qiáng)，逆境重生。