一顆“芯”是如何煉成的

2017年中國(guó)集成電路進(jìn)口量高達(dá)3770億塊，同比增長(zhǎng)10.1%;進(jìn)口額為2601億美元(約合17561億元)，同比增長(zhǎng)14.6%。2017年中國(guó)貨物進(jìn)口額為12.46萬(wàn)億元，也就是說(shuō)集成電路進(jìn)口額占中國(guó)總進(jìn)口額的14.1%，而同期中國(guó)的原油進(jìn)口總額僅約為1500億美元。中國(guó)在半導(dǎo)體芯片進(jìn)口上的花費(fèi)已經(jīng)接近原油的兩倍。

近日，越來(lái)越多的人關(guān)注中國(guó)自主研發(fā)的芯片進(jìn)展。若想煉成一顆中國(guó)“芯”，需要怎樣的步驟?

現(xiàn)狀

半導(dǎo)體芯片進(jìn)口花費(fèi)

已接近原油兩倍

也許不是人人都了解集成電路，但許多人聽(tīng)說(shuō)過(guò)摩爾定律。摩爾定律是指，當(dāng)價(jià)格不變時(shí)，集成電路上可容納的元器件的數(shù)目，約每隔18個(gè)月便會(huì)增加一倍，性能也將提升一倍。在半個(gè)世紀(jì)前，由英特爾創(chuàng)始人之一的摩爾提出的這一推測(cè)，已經(jīng)延續(xù)了50多年。

摩爾定律揭示了集成電路領(lǐng)域的發(fā)展速度。在這樣的高速創(chuàng)新發(fā)展中，集成電路的產(chǎn)品持續(xù)降低成本、提升性能、增加功能。也是在這樣的高速發(fā)展中，各國(guó)集成電路技術(shù)的差距越拉越大。有業(yè)內(nèi)人士表示，中國(guó)若想在主要集成電路領(lǐng)域追趕上頂級(jí)公司，需要的不止時(shí)間，而是整個(gè)系統(tǒng)性提升。

海關(guān)總署公開(kāi)信息顯示，集成電路進(jìn)口額從2015年起已連續(xù)三年超過(guò)原油，且二者進(jìn)口差額每年都在950億美元以上。其中，2017年中國(guó)集成電路進(jìn)口量高達(dá)3770億塊，同比增長(zhǎng)10.1%;進(jìn)口額為2601億美元(約合17561億元)，同比增長(zhǎng)14.6%。2017年中國(guó)貨物進(jìn)口額為12.46萬(wàn)億元，也就是說(shuō)集成電路進(jìn)口額占中國(guó)總進(jìn)口額的14.1%，而同期中國(guó)的原油進(jìn)口總額僅約為1500億美元。中國(guó)在半導(dǎo)體芯片進(jìn)口上的花費(fèi)已經(jīng)接近原油的兩倍。

調(diào)查

芯片有幾十種大門類

上千種小門類

芯片，是指內(nèi)含集成電路的硅片，體積很小，常常是計(jì)算機(jī)或其他電子設(shè)備的一部分。芯片組，是一系列相互關(guān)聯(lián)的芯片組合。它們相互依賴，組合在一起能發(fā)揮更多作用，比如，計(jì)算機(jī)里的中央處理器(CPU)及手機(jī)中的射頻、基帶和通信基站里的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)等，就是由多個(gè)芯片組合在一起的更大的集成電路。而集成電路是非常精密的儀器，其單位為納米。一納米為十萬(wàn)分之一毫米。這就對(duì)設(shè)計(jì)、制造工藝都有非常嚴(yán)格、高標(biāo)準(zhǔn)的要求。

芯片的種類很多，芯謀研究首席分析師顧文軍對(duì)北京青年報(bào)記者表示：“僅從產(chǎn)品種類來(lái)說(shuō)，芯片的種類就有幾十種大門類，上千種小門類;如果涉及設(shè)備流程的話就更多了。美國(guó)是整體式、全方位處于領(lǐng)先地位，而我們只是在某些領(lǐng)域里面有所突破，并且這些領(lǐng)域也并非核心、高端的領(lǐng)域，比如中國(guó)在存儲(chǔ)器、CPU、FPG及高端的模擬芯片、功率芯片等領(lǐng)域，幾乎是沒(méi)有的。如果中國(guó)發(fā)力研發(fā)，在某些小的門類中可能會(huì)有所突破。”

追訪

一臺(tái)通信基站內(nèi)

有上百顆芯片

以運(yùn)營(yíng)商業(yè)務(wù)為例，通信基站設(shè)備是其最主要的產(chǎn)品之一，而在一臺(tái)通信基站中就有上百顆芯片負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)不同功能。“簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，基站發(fā)射并回收信號(hào)，收回信號(hào)后首先要有芯片濾波，穩(wěn)定信號(hào);然后還有芯片將這種特別小的信號(hào)放大;再有芯片進(jìn)行解析、處理;然后是芯片負(fù)責(zé)傳輸、分發(fā)?；竞诵母娔X類似，可以實(shí)現(xiàn)各種功能，但它可以支持多個(gè)手機(jī)，因而速度更快，芯片更復(fù)雜。”上述人士表示。

其中，最典型的是ADC芯片，中國(guó)目前還無(wú)法生產(chǎn)出可替代產(chǎn)品。ADC芯片是模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，負(fù)責(zé)將天線接收的連續(xù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為通話或上網(wǎng)的數(shù)字信號(hào)。目前ADC主要依賴亞德諾、德州儀器等公司供應(yīng)。

從軟件方面來(lái)說(shuō)，EDA仿真軟件是另一個(gè)典型。利用該軟件，電子設(shè)計(jì)師才可以在電腦上設(shè)計(jì)芯片系統(tǒng)，大量工作可以利用計(jì)算機(jī)完成，并可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)產(chǎn)品的結(jié)合試驗(yàn)等。如果沒(méi)有EDA仿真軟件，則需要人工進(jìn)行設(shè)計(jì)、試驗(yàn)，耗費(fèi)的人力、時(shí)間等成本不計(jì)其數(shù)。目前進(jìn)入我國(guó)并具有廣泛影響的EDA軟件有十幾種，基本都來(lái)自于美國(guó)。

關(guān)注

制造一顆芯片

需要5000道工序

一位芯片制造領(lǐng)域的專家向北青報(bào)記者介紹，一顆芯片的制造工藝非常復(fù)雜，一條生產(chǎn)線大約涉及50多個(gè)行業(yè)、2000-5000道工序。就拿代工廠來(lái)說(shuō)，需要先將“砂子”提純成硅，再切成晶元，然后加工晶元。晶元加工廠包含前后兩道工藝，前道工藝分幾大模塊——光刻、薄膜、刻蝕、清洗、注入;后道工藝主要是封裝——互聯(lián)、打線、密封。其中，光刻是制造和設(shè)計(jì)的紐帶。

其中許多工藝都在獨(dú)立的工廠進(jìn)行，而使用的設(shè)備也需要專門的設(shè)備廠制造;使用的材料包括幾百種特種氣體、液體、靶材，都需要專門的化工工業(yè)。另外，集成電路的生產(chǎn)都是在超凈間進(jìn)行的，因此還需要排風(fēng)和空氣凈化等系統(tǒng)。

有說(shuō)法認(rèn)為，集成電路是比航天還要高的高科技。該業(yè)內(nèi)人士表示，這種說(shuō)法也不無(wú)道理，“航天的可靠性估計(jì)也就4個(gè)9、5個(gè)9的樣子(X個(gè)9表示在軟件系統(tǒng)一年時(shí)間的使用過(guò)程中，系統(tǒng)可以正常使用時(shí)間與總時(shí)間之比)?，F(xiàn)在硅晶圓材料的純度就要6個(gè)9以上。”

焦點(diǎn)

全球芯片

幾乎被美日歐壟斷

根據(jù)前瞻研究院的報(bào)告顯示，目前，全球芯片仍主要以美、日、歐企業(yè)產(chǎn)品為主，高端市場(chǎng)幾乎被這三大主力地區(qū)壟斷。在高端芯片領(lǐng)域，由于國(guó)內(nèi)廠商尚未形成規(guī)模效應(yīng)與集群效應(yīng)，所以其生產(chǎn)仍以“代工”模式為主。

截至2015年年底的數(shù)據(jù)顯示，全球共有94家先進(jìn)的晶元制造廠商，其中17家在美國(guó)，71家在亞洲(中國(guó)有9家)，6家在歐洲。日本在上世紀(jì)80年代處于領(lǐng)先地位，但自90年代開(kāi)始其全球半導(dǎo)體市場(chǎng)份額顯著下降，至2015年僅有3家日本芯片制造商位列全球排名前二十——東芝、瑞薩電子和索尼。而與此同時(shí)，東亞其他國(guó)家已成為動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器市場(chǎng)的主要公司。韓國(guó)三星電子和海士力目前是世界第二和第三大半導(dǎo)體公司。

根據(jù)美國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)(SIA)的最新統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2017年1月至2月，中國(guó)和美國(guó)的芯片市場(chǎng)規(guī)模份額擴(kuò)大，分別為33.10%和19.73%;日本和歐洲的芯片市場(chǎng)份額有所下降，分別為9.29%和9.12%。中國(guó)芯片市場(chǎng)是全球最大、增長(zhǎng)最快的市場(chǎng)，但是對(duì)外依存度過(guò)高。

熱點(diǎn)

英特爾一直是

世界上最大芯片制造商

自1993年1月以來(lái)，英特爾一直是世界上最大的芯片制造商。個(gè)人計(jì)算機(jī)所用的CPU處理器中，英特爾就占據(jù)了八成份額。人們耳熟能詳?shù)谋简v、賽揚(yáng)、酷睿等處理器都來(lái)自英特爾。目前，英特爾的年?duì)I收率仍然在繼續(xù)增長(zhǎng)——無(wú)論是從PC、數(shù)據(jù)中心服務(wù)器，還是物聯(lián)網(wǎng)芯片。

2016年英特爾仍是全球最大芯片供應(yīng)商，全年芯片銷售額達(dá)540.9億美元，較2015年增長(zhǎng)4.6%;市場(chǎng)份額達(dá)15.7%。

而在手機(jī)芯片中，高通是另一大巨頭。目前國(guó)內(nèi)除了華為、三星等手機(jī)廠商外，其余安卓手機(jī)廠商采用的全部都是高通處理器。除了購(gòu)買芯片的費(fèi)用外，高通還向每臺(tái)手機(jī)收取專利費(fèi)用。此前，魅族就與高通對(duì)簿公堂，魅族副總裁李楠稱，有100多家手機(jī)廠商都與高通簽訂了購(gòu)買專利的協(xié)議。

亮點(diǎn)

中國(guó)半導(dǎo)體前三

分別是華為、紫光、中興

而在國(guó)內(nèi)，我國(guó)的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)近年來(lái)也在加速發(fā)展。

根據(jù)中國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，2017年中國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)銷售額達(dá)到5411.3億元，同比增長(zhǎng)24.8%。其中，集成電路制造業(yè)增速最快，2017年同比增長(zhǎng)28.5%，銷售額達(dá)到1448.1億元。設(shè)計(jì)業(yè)和封測(cè)業(yè)繼續(xù)保持快速增長(zhǎng)，增速分別為26.1%和20.8%，銷售額分別為2073.5億元和1889.7億元。

來(lái)自海關(guān)總署的數(shù)據(jù)顯示，2017年中國(guó)出口集成電路2043.5億塊，同比增長(zhǎng)13.1%;出口金額為668.8億美元，同比增長(zhǎng)9.8%。

一份由半導(dǎo)體協(xié)會(huì)和工信部中國(guó)電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究院公布的2017年國(guó)內(nèi)十大集成電路設(shè)計(jì)/制造行業(yè)的最新排名報(bào)告顯示，在國(guó)內(nèi)前十大集成電路設(shè)計(jì)企業(yè)當(dāng)中，華為海思半導(dǎo)體以361億元銷售額排名第一;清華紫光展銳以110億元排名第二;中興微電子以76億元排名第三。隨后的還有華大半導(dǎo)體、智芯微電子、匯頂科技、士蘭微電子、敦泰科技(深圳)有限公司、格科微電子和中星微電子。

財(cái)經(jīng)觀察

中國(guó)能否跳離

美國(guó)IP核另起爐灶?

有專家表示，我國(guó)集成電路的起步并不算晚，只比美國(guó)晚幾年。但由于其間歐美技術(shù)封鎖、國(guó)內(nèi)歷史問(wèn)題等多種因素，目前與歐美的差距比較大，想要在短時(shí)間內(nèi)追趕有難度。

一位從業(yè)者對(duì)北青報(bào)記者表示，從整個(gè)行業(yè)來(lái)看，美國(guó)卡的是“IP(知識(shí)產(chǎn)權(quán))”，“圍繞IP的戰(zhàn)爭(zhēng)更激烈，就算你用了人家的技術(shù)，人家也有產(chǎn)權(quán)，你無(wú)法繞開(kāi)它去解決問(wèn)題。”資料顯示，IP核將一些在數(shù)字電路中常用但比較復(fù)雜的功能塊，如FIR濾波器、SDRAM控制器、PCI接口等設(shè)計(jì)成可修改參數(shù)的模塊。上述人士表示，中國(guó)集成電路行業(yè)一直流行一個(gè)詞語(yǔ)“彎道超車”，很多人在想，能否跳離美國(guó)的IP核而另起爐灶，另外開(kāi)發(fā)一整套的生態(tài)系統(tǒng)?但這實(shí)在太復(fù)雜了。

多位行業(yè)研究人士表示，目前中國(guó)的集成電路是系統(tǒng)性落后，整體提升需要從基礎(chǔ)性研究和人才培養(yǎng)來(lái)做，需要比較久的時(shí)間，“我們需要先培養(yǎng)數(shù)學(xué)、物理等學(xué)科的基礎(chǔ)人才。這些人提上來(lái)后，再由他們培養(yǎng)跟其他學(xué)科交叉的人才。他們需要掌握工業(yè)設(shè)計(jì)等技術(shù)。”

個(gè)案展示

華為海思半導(dǎo)體有限公司成立于2004年，前身是創(chuàng)建于1991年的華為集成電路設(shè)計(jì)中心。目前，海思總部位于深圳，在北京、上海及美國(guó)硅谷和瑞典設(shè)有設(shè)計(jì)分部。其產(chǎn)品覆蓋無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、固定網(wǎng)絡(luò)、數(shù)字媒體等領(lǐng)域的芯片及解決方案，成功應(yīng)用在全球100多個(gè)國(guó)家和地區(qū);在數(shù)字媒體領(lǐng)域，已推出SoC網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控芯片及解決方案、可視電話芯片及解決方案、DVB芯片及解決方案和IPTV芯片及解決方案。華為海思的產(chǎn)品在運(yùn)營(yíng)商業(yè)務(wù)、消費(fèi)者業(yè)務(wù)等多個(gè)業(yè)務(wù)線都有應(yīng)用，而普通消費(fèi)者更多是因?yàn)槿A為手機(jī)搭載的麒麟處理器認(rèn)識(shí)它，目前華為多款手機(jī)包括Mate系列、P系列及榮耀手機(jī)都有搭載。麒麟960還被外媒評(píng)為“2016最佳安卓機(jī)處理器”，表現(xiàn)超過(guò)高通處理器。海思總裁何庭波曾表示，“我們?cè)陂_(kāi)始做7納米，也在跟著業(yè)界一起看5納米這些更先進(jìn)的工藝。”

華為海思

麒麟960被評(píng)為

“2016最佳安卓機(jī)處理器”

紫光展銳

正致力研發(fā)

國(guó)產(chǎn)自主可控架構(gòu)的CPU

紫光展銳則是紫光集團(tuán)響應(yīng)國(guó)家的集成電路發(fā)展戰(zhàn)略，而通過(guò)資本運(yùn)作、企業(yè)布局等方式大力發(fā)展起來(lái)的。2013年12月，紫光集團(tuán)收購(gòu)在美國(guó)納斯達(dá)克上市的國(guó)內(nèi)排名第一、世界排名第三位的通信基帶芯片設(shè)計(jì)企業(yè)展訊通信公司，進(jìn)而在2014年7月完成對(duì)同為納斯達(dá)克上市公司、國(guó)內(nèi)排名第二的通信芯片設(shè)計(jì)企業(yè)銳迪科微電子公司的并購(gòu)。2016年，紫光控股上海宏茂微電子公司，布局集成電路封裝測(cè)試領(lǐng)域。同時(shí)，2016年紫光控股武漢長(zhǎng)江存儲(chǔ)有限公司，并在成都、南京陸續(xù)簽約落地總投資額近1000億美元的存儲(chǔ)芯片與存儲(chǔ)器制造工廠。

據(jù)其官網(wǎng)消息，2015年，紫光展銳與英特爾達(dá)成合作，開(kāi)發(fā)出了基于英特爾x86架構(gòu)的系統(tǒng)芯片并上市。目前，紫光展銳擁有5000多名員工，其中90%以上是研發(fā)人員;在全球設(shè)有16個(gè)技術(shù)研發(fā)中心。紫光展銳正致力研發(fā)國(guó)產(chǎn)自主可控架構(gòu)的CPU。

關(guān)鍵詞： 工序 芯片