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造“芯”之路 (03)困境:為什么會被“卡脖子”?

來源:Me工程師


前言

在上一篇文章中,我們梳理了生產芯片的整個工藝流程,可以看出造出一顆芯片有多么復雜和困難,尤其是生產最先進、最高端的芯片,目前沒有哪個國家能夠獨立完成。所以有一個說法:芯片產業是全球化最徹底的產業。

讓人奇怪的是,既然已經如此全球化了,產業鏈上的所有國家和公司要相互配合相互依存,為什么還會有“卡脖子”的問題呢?人家封殺咱們,咱們自己干不行嗎?要回答這些問題,還得從現狀、動機、手段三個方面進行分析。

現狀

首先要澄清一個誤區——并不是所有芯片都被卡脖子了。軍用芯片我們完全能夠自主生產,基本滿足所有的國防需求。因為其特點是定制化、批量小、價格不敏感,對運算速度也沒有那么高的要求,只需確保在極端條件、惡劣條件下的穩定性和可靠性。民用領域的大部分中低端芯片,我們也具備一定的生產能力。比如,熱水器里監控水溫的芯片,電子秤里測算重量的芯片,玩具里播放音樂的芯片,移動基站里傳輸信號的芯片……

? ? 如圖1所示,國際上通常以28納米為分水嶺,將芯片制造工藝劃分為“先進制程”和“成熟制程”兩個大類。物聯網、電源管理、顯示驅動、傳感器等相關的芯片屬于28納米以上的成熟制程,我們都已經掌握了,沒有必要卡脖子。據報道,中國大陸最大的芯片代工廠——中芯國際,已經開始量產14納米的芯片了,可以解決5G通信、高性能計算這些領域的應用需求,也就卡不住脖子了。


圖 1 芯片的工藝難度等級

所以,被卡脖子的芯片主要屬于那些28納米以下(現在是14納米以下)的先進制程,尤其是手機、電腦、內存中的高端芯片。比如蘋果手機的A系列芯片,華為手機的麒麟處理器,采用的都是5納米以下工藝,既要求運算速度快、功耗低、功能全面,還要求良率高、性能參數穩定……我們目前搞不定,才被卡了脖子。

從芯片的整個產業鏈(圖2)來看,我國最薄弱的環節還是在上游支撐行業。前一篇文章中,我們介紹過兩個備受關注的難點——設計芯片用到的EDA軟件和加工芯片用到的光刻機——都在上游行業里。

EDA軟件已經形成了新思(Synopsys)、鏗騰(Cadence)和明島(Mentor)三足鼎立的局面。前兩家是美國企業,后一家是德國公司,它們共同把持了全球90%的市場份額。蘋果、高通、英特爾、海思等芯片設計廠商都要向這三家采購軟件和服務。

加工設備的市場集中度也非常高,前五大廠商(應用材料、阿斯麥、東京電子、泛林科技、科天半導體)的市場占有率超過60%,其中3家來自美國,2家來自荷蘭與日本。

至于生產芯片用到的材料,比如晶圓裸片、光刻膠、各種靶材、封裝基板、引線框架等等,大都被美國、日本和中國臺灣地區所壟斷。



圖 2 芯片全產業鏈

芯片行業中有“一代設備、一代工藝、一代產品”的說法。可以說,越往上游走,技術難度越大,行業集中度越高。由于發展階段的局限以及資金人才匱乏等原因,我們過去并沒有給上游支撐產業應有的重視。即使現在一些芯片加工工廠的制造工藝已經接近了世界先進水平,但設備和材料還是得依賴國外供應商。這不僅讓歐美日韓企業賺取了大量超額利潤,也使得我們在關鍵環節受制于人,被卡了脖子。

動機

這兩年美國的瘋狂打壓,不只是因為5G技術,也不僅僅因為意識形態和貿易摩擦。從本質上講,還是大國競爭的必然產物。就像小說里的“江湖”一樣,每個幫會組織的前幾號人物關系非常微妙,尤其是頭號人物對二號人物,防范之嚴、忌憚之深,較之生死仇敵也毫不遜色。究其原因,還是因為二號人物的實力太接近,最有可能取頭號人物而代之。

在上個世紀建交以后,由于綜合國力相差很大(1980年中國GDP僅為美國的6%),所以中美關系相對良好。兩國的產業結構也高度互補,美國技術先進且資本雄厚,中國勞動力豐富而成本很低。加上前有冷戰、中有反恐、后有金融危機,美國需要與中國擱置爭議,合作對抗威脅。

直至2015年前后,國際形式發生了巨大的變化:一方面,中國的GDP超過了美國的1/2,已經是第二大經濟體了,中國的科技研發投入也超過歐盟地區,在全世界排名第二;另一方面,中美暫時沒有強大的共同敵人了,相互之間的矛盾和競爭就凸顯了出來。

回想上個世紀80年代,美國就曾經對當時的第二大經濟體——日本,進行過殘酷的絞殺。在金融方面,美國于1985年逼迫日本簽訂“廣場協議”,使得日元強制升值50%,出口競爭力下降,資金鏈斷裂。接著,操縱大量熱錢涌入日本房地產等虛擬經濟,形成泡沫后又突然撤資,讓日本陷入了長期衰退。

在科技方面,里根政府于1986年簽署美日半導體協議,設置了多項限制,包括要求日本開放芯片市場,確保5年內讓外國公司占據20%以上的市場份額。即便是日本把協議照單全收,幾個月后美國政府仍然宣布日本違反了傾銷條款,對日本芯片產品征收了100%的懲罰性關稅。這個操作是不是有點眼熟?


圖 3 中美日印四國GDP趨勢

可見,美國真正忌憚的,是任何一個挑戰其全球霸主地位的潛在勢力,是任何一個威脅它在信息產業里牟取暴利的國家。哪怕像日本這樣親手扶植的小弟,在亞洲最重要的盟友,一旦威脅到自己的霸權,美國翻臉不認,照打不誤。

所以說,不是誰都會被卡脖子的。只有那些發展到了足夠高的水平,真的能夠影響這個產業的資源分配的國家,才可能被卡脖子。今天中國面臨了這個問題,恰恰說明咱們實力增強了,讓他們害怕了,才這樣不計后果地撕破臉皮。

手段

為了捍衛自己在信息領域的霸權地位,美國對中國的芯片產業瘋狂打壓。那么,在這場不見硝煙的“戰爭”中,美國動用了哪些手段?它又為什么能這么囂張跋扈?

既然屬于高科技產業,首先肯定是拼技術。芯片技術早期的里程碑事件幾乎都發生在美國,這種先發優勢確立了其技術上的超然地位。從現狀分析中不難看出,制造芯片的每一個核心環節都有美國的專利技術,是后來者完全繞不開的。想用這些專利就得向它付錢,而現在付錢也不給咱們用了。當然可以想辦法另辟蹊徑,但先發優勢就在于已經把“低垂的果實”摘干凈了,想繞開這些專利再有突破越來越難。

除了拼技術,美國還利用包括經濟、軍事、政治上的全球影響力,打出一套組合拳。比如這次對華為的無限追溯機制,其他任何一個國家、任何一個公司,只要用了哪怕一丁點的美國技術,就不能再跟華為合作了。不僅說明了美國技術確實遍及信息產業的每個角落,也展示了美國國家力量的強大——號令一出,各國各公司都不敢不從。


圖 4 美國借口網絡安全問題全面封殺華為

如果沒有美國這樣強大的全球影響力,光靠技術卡脖子是卡不住的。就像2019年7月,日本突然宣布加強向韓國的出口管制,其中就涉及芯片制造過程中必需的光刻膠和高純度氟化氫兩種材料。顯然,日本也想在芯片產業上卡韓國(尤其是三星公司)的脖子。

不過,韓國一方面進行了政治斡旋,另一方面很快找到了替代品。因為無論韓國還是中國,都有公司能夠生產類似的化學試劑,只是純度要低一些(在一定程度上影響芯片的品質和良率)。但只要有替代品就能繼續生產,在生產過程中可以不斷改進技術,于是日本的封鎖就被化解了。

這次行動的失敗,并不是因為日本技術不強,而是光有技術手段還不夠。在技術封鎖的同時,還要動用國家力量召集其他各方一起下手,才有可能卡住別人的脖子。

結論

在本文中,我們著力理清了三個事實:一、不是所有芯片都被卡了脖子,主要是那些“先進制程”的高端芯片;二、不是誰都有資格被卡脖子的,你的綜合國力的強大到足以撼動霸主的地位;三、不是誰都能夠卡住別人的脖子,需要在各個領域展開激烈的對抗,將技術和非技術手段用到極致。

面對當前這么嚴峻的形勢,我們不禁要問:中國如何才能突破封鎖?我們現在應該做些什么?下一篇文章,咱們繼續討論。


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