芯片是人類智慧皇冠上的明珠,而光刻機可以被稱為是芯片工業制造領域的明珠。荷蘭的阿斯麥(ASML),日本的尼康和佳能是光刻機制造領域的前三名,其中阿斯麥在中高端光刻機的市場占有率達到了60%,高端光刻機的市場占有率達到了90%,芯片制程在14納米節點以下的光刻機市場占有率達到了100%,幾乎沒有對手。
在芯片領域,華為旗下的半導體子公司海思半導體,從2004年開始,僅用10多年的時間,就沖進了全球半導體TOP10榜單,增長速度遠超其他半導體企業。但不生制造芯片。
很多人可能會想,小小的一顆芯片,再難也不可能比兩彈一星等技術更難吧?要了解這個問題,我們首先就要搞清楚制造兩彈一星的難度,一般來說,兩彈一星指的是原子彈、氫彈、導彈以及人造衛星。其中,能否研制出核彈,關鍵要素其實是用于制造核彈的原材料。如果原材料不夠,那是萬萬不可能制造出原子彈的。在二戰的時候,英國就遇到了類似的問題,無奈只能選擇和美國合作。
現在我們也是通過分析一個國家“購買濃縮鈾的多少”"和“濃縮鈾離心機數量的多少”來判定,這個國家是不是擁有制造核武器的能量。因此,從現在來看,核武器的原材料才是制造核武器的難題。
芯片的制造難度和核武器完全就是不一樣,它屬于精密制造,那到底有多精密呢?
我們經常會聽到14納米、7納米芯片、5納米芯片乃至3納米,并不是說這個芯片只有幾納米。要知道,“1納米”只有10^(-9)米,是一個非常小的長度,只比原子大10倍。而這里“納米”指的是柵極的厚度,這是一個專業術語,不懂也沒關系的。我們都知道,芯片當中有晶體管,以海思的麒麟9000為例,它是現在最先進的5毫米制程芯片,在這顆芯片上就有153億個晶體管。這晶體管的密度有多嚇人呢?我們舉個簡單的例子,在這顆芯片中,一顆米粒那么大的范圍內,就排布了上億個晶體管。
如果要制造出這么一顆芯片,其中需要幾十個學科的知識,至少需要上千道工序。同時,還需要幾十個行業最尖端技術的加持,包括了精密機床、精密化工、精密光學等等。阿斯麥的CEO說:中國無法獨立做出來。但實際上,他這句話只說了一半。
因為,至今全球沒有一個國家可以獨立制造出一顆最先進的芯片。因為現在最精密的光刻機需要舉全球企業之力,幾個核心部件都不是阿斯麥自己制造出來的,比如:光刻機的光學系統是由德國的蔡司公司提供的,光源系統是美國的Cymer公司所提供。
阿斯麥自身只是專注于光刻機系統的集成和下一代產品的設計,所以它相當于是在整合全球相關企業的資源來制造最高端的光刻機。
不僅如此,我們要知道的是,要制造一顆芯片需要三個步驟,設計、制造和封測。
雖然華為旗下的海思半導體在設計領域已經做的相當不錯,但設計需要用到EDA軟件,能提供軟件服務的有三家企業,其中2家來自于美國,一家來自于德國,總部卻在美國。不僅如此,設計所需要的ARM架構也是由一家英國公司所提供。
而制造環節,除了用到光刻機,還需要許多其他的材料和技術,比如,制造芯片需要純度非常高的單晶硅。這個過程就會涉及到材料提純,需要把二氧化硅轉化成多晶硅,這里對于多晶硅的純度要求非常高,純度需要做到99.999999999%(小數點后面9個9),再把高純度的多晶硅提煉成單晶硅,對單晶硅切片就可以得到晶圓。
而制作芯片就是在晶圓上按照設計方案進行排布元器件的過程。因此,對于多晶硅的提純也十分重要,否則良品率會非常低。從全球來看,提純多晶硅的技術,日本做得最好,而我們國家到現在為止,還沒有辦法做出如此高純度的多晶硅。
除此之外,日本做得比較好的還有光刻膠,這是制作芯片過程中的必需品。
芯片制造的最后一個步驟是封測,這個步驟是給芯片加上一個保護套。在這個方面,我們倒是沒有落后,而且還算是做得比較不錯的。
也就是說,華為旗下的海思在芯片設計方面處于不錯的水平,但依然要借助到歐美的EDA軟件。
在封測方面,我們國家做得還不錯。而在芯片制造方面要落后很多,這也是被卡脖子的地方,這當中涉及到了全球各國企業的核心技術,這些技術是歐美以及一些東南亞幾十年的技術積累從而形成的技術壁壘,一時間很難打破壟斷。
全球供應鏈,由于芯片所需要的技術含量太高,需要整合全球的技術。因此,全世界沒有一個國家可以獨立做出芯片來,并不是說只有中國做不出來。由于這些技術歐美比我們早了幾十年發展,已經形成了長期的技術壁壘,才會使得中國的芯片被卡脖子。
不過,我們也可以看到,如果不刻意打壓。中國的企業其實已經展現出了非常驚人的發展速度,華為的海思半導體就是一個典型的例子。
因此,雖然現在處于被掐脖子的狀態,但掐脖子的事情也讓我們明白,芯片技術對于一個國家而言的重要性。因此,無論有多艱難,需要多么長的時間去攻克,那都是十分必要的。我們也要相信,在接下來的數年內,我們國家肯定會涌現出諸多的芯片技術人才,在他們的努力之下,去打破現在卡脖子的困境,甚至是讓中國芯片技術走向世界的前列,這就像高鐵、盾構機等技術一樣。