小小芯片“卡”在哪儿了
沈海华 彭聪昊
在日常生活中，人们会用到手机、电视机、电脑、汽车等产品，芯片就是这些产品的“大脑”。今年9月3日，美国商务部长在接受美国媒体采访时称，会继续每年向中国出售数十亿美元的芯片，但“不会向中国出售最顶尖的芯片”。其实早在2022年10月，美国就已公开宣布对中国芯片行业实施制裁措施，禁止其他地区向中国出口半导体和芯片制造设备。
针对中国的一系列芯片出口管制措施，使得中美两国在芯片领域的交锋逐渐白热化。一个小小的芯片为何会在国际上引起轩然大波？芯片的设计制造到底难在哪儿？今天我们就来跟大家说一说这小小芯片的故事。
1 现代信息技术的基石
芯片是由半导体材料制成的集成电路，是现代信息技术的基石。根据芯片种类用途的不同，芯片中可以包含海量的微小晶体管、电阻和电容等元器件。
芯片的起源可以追溯到20世纪中叶，业界普遍认为是美国德州仪器公司的工程师杰克·基尔比发明了世界上第一个集成电路。1958年，基尔比在一块硅片上成功制造了几个晶体管，并将它们连接在一起，实现了信息的处理和存储功能。这个里程碑式的发明引发了集成电路技术的革命。2000年，杰克·基尔比因发明集成电路的成就被授予诺贝尔物理学奖。
随着集成电路的发明和发展，芯片技术经历了数十年的持续进步，新的设计制造方法和材料不断推出，集成电路单位面积上容纳的晶体管数量越来越多，芯片设计生产的自动化程度也越来越高。这意味着科学家和工程师能用更多的元器件，更方便地设计出高性能的复杂芯片产品，有了更聪明的芯片“大脑”，电子设备的性能也随之大幅提升。
1971年，英特尔公司设计并生产了世界上第一款商用微处理器4004，集成电路迈入处理器时代。处理器是一种将控制单元、计算单元和存储单元集成在一起的芯片，通过运行指令序列来执行复杂的计算控制任务。处理器是现代计算机的核心，因此又被称为“中央处理器”，它的出现使得计算机制造成本大幅降低，计算机开始走向小型化，走入千家万户，为现代信息技术的普及和发展创造了条件。
随后的几十年，芯片技术和工艺不断进步，元器件的尺寸越来越小、性能越来越高。到20世纪末，芯片制造工艺进入纳米时代，运算处理能力飞速增长，为移动通信、互联网、人工智能等领域的跃变式创新奠定了坚实的基础。从5G通信网络到ChatGPT等人工智能大模型，芯片技术的发展带动了信息产业的全面高速发展，彻底改变了人们的生活方式。
日常使用的芯片可以按照处理信号的不同方式分为两大类：数字芯片和模拟芯片。数字芯片基于数字逻辑设计和运行，用于处理离散的数字信号。在数字芯片中，单位信号通常只有0和1两种状态，而0和1的不同组合就构成了数字芯片中处理的各种信息。手机、家电、智能设备中的处理器芯片以及现在非常火的人工智能加速器芯片，都属于数字芯片的范畴。而模拟芯片用于处理连续的模拟信号，种类繁多，在生活中同样随处可见。以手机为例，其中的电源管理芯片、射频芯片、滤波器、音频放大器等都是模拟芯片。
芯片还可以按照用途分为处理器芯片、数字信号处理（DSP）芯片、AI加速器芯片、存储芯片等。处理器芯片是各种电子产品的核心，从数据中心的服务器到手机、平板设备，再到智能家电，它们的“大脑”都是处理器芯片。DSP芯片一般用于特定领域的信号处理和计算，从北斗卫星到合成孔径雷达，都有DSP芯片在大显身手。就在不久前，ChatGPT大模型的诞生掀起了又一轮人工智能热潮，大模型计算需要消耗大量的计算资源和能源，AI加速器芯片就是专门为人工智能运算设计的芯片，它能够用较低的耗电实现人工智能运算性能的大幅提升。存储芯片则用于各种电子设备存储数据，内存条两面排列整齐的一颗颗黑色的芯片颗粒就属于存储芯片。
总之，不同种类的芯片，从架构设计到底层晶体管实现的差别极大，但它们共同构筑了这个千姿百态的信息社会的基石。
2 设计制造产业链已全球化
作为现代信息技术的基石，芯片看起来很小，内部却非常复杂。所以，芯片设计制造的产业链极长，覆盖了包括芯片架构设计、逻辑设计、物理设计、EDA工具开发、芯片制造、封装测试等多个环节，如果再算上源头设备光刻机的制造，芯片设计制造产业链横跨全球几大洲，涉及数千家上下游企业。
客观地说，在过去50年间得益于芯片产业链的全球化，不同国家和地区可以充分发挥各自的优势，共同推动全流程芯片技术的快速发展。
芯片设计是芯片产业链的第一环，包括芯片的架构设计、逻辑设计、物理设计、验证测试等环节。在设计领域，以美国为代表的西方发达国家有先发优势，拥有一些全球知名的芯片公司，如英特尔、AMD、高通、英伟达、ARM等。
进入21世纪后，我国芯片产业进入高速发展期，芯片设计能力突飞猛进，在处理器设计领域，以龙芯、华为、飞腾、申威、兆芯、海光等为代表的芯片设计公司在处理器设计能力上已基本追赶上国际先进水平；在AI加速器设计领域，寒武纪等公司的设计技术已处于国际领先水平。
然而，当前芯片设计从仿真、电路综合、布局布线到验证测试，几乎全流程都需要EDA工具，即电子设计自动化软件的支持。原因是现代芯片设计动辄包含上亿晶体管，过于复杂的结构使得芯片无法像几十年前那样，仅靠工程师手工设计就能搞定，EDA工具变得必不可少。
目前，全球EDA市场基本被3家欧美公司垄断：Synopsys、Cadence和西门子EDA（原为美国公司Mentor，后被西门子收购）。近年来，我国科研人员也一直致力于国产EDA工具的研发，现已能够在小规模芯片设计中实现替代，从技术发展趋势来看，实现EDA工具完全的国产替代只是时间问题。
3 芯片制造有3种主流模式
芯片设计完成后会得到版图，并送到芯片制造工厂。制造工厂根据版图进行芯片制造，首先需要制造出一个大圆盘，叫作晶圆，再经过掩膜、光刻、刻蚀、掺杂、薄膜沉积、清洗、切割等一系列制造工艺流程，形成裸芯片。从商业角度看，目前芯片制造有很多种模式，比较主流的有IDM 模式、OEM 模式、ODM 模式等，通俗地说，就是“自给自足”“代工”“贴牌”3种模式。
具体来说，IDM 模式是指芯片制造企业自身是一个从芯片设计、晶圆制造到封装测试等全产业链自给自足的半导体公司，大家比较熟悉的英特尔、三星、海力士、英飞凌、美光等都属于这一类，其制造生产线通常只用于满足自身的需求，基本不提供对外代工。
要知道，建设和维护一条芯片生产线的成本是极高的，通常是数十亿美元起步，而且这种投资并非一劳永逸，后期持续不断投入的制造工艺研发和生产线运营花费也极为昂贵。所以，选择这种芯片制造模式的一般都是国际芯片产业中的巨头，通过一定程度的芯片市场垄断来保证芯片出货量，以对冲生产线闲置可能带来的巨大成本浪费。普通芯片企业受终端市场需求变动以及企业自身经营状况影响较大，如果采用IDM模式，仅依赖自身产能需求想收回生产线投资非常困难，这也是目前我国IDM 企业不多的原因。
事实上，随着制造工艺的快速迭代和优化，面对昂贵的制造工艺研发和生产线运营花费，即使是老牌IDM 国际芯片巨头也面临着巨大的运营成本压力——2019年10月，AMD宣布完成旗下制造工厂的分拆，将制造厂的控股权卖给了阿联酋的Mubadala公司；英特尔则选择与头部代工企业台积电等联合开发新的工艺生产线；三星等企业甚至开始尝试对外代工，以对冲成本。
另一种芯片制造的主流模式OEM 俗称“代工”模式，即上游设计企业完成全套设计后，将产品版图发给芯片制造企业，由制造企业进行制造生产，生产出的芯片原始设计企业仍拥有完全的知识产权。相比IDM 企业，代工企业采用彻底开放制造平台的模式，面向全球芯片设计企业提供制造服务，既维持了生产线的多样化，也保证了生产线的满负荷运转，消减了空置风险。代工模式应用非常广泛，目前AMD、ARM 等许多国际知名芯片企业都选择代工模式生产。在全球代工领域，中国台湾地区、韩国和中国大陆等占据较为头部的市场地位。
随着信息产业的迅猛发展，芯片的需求量越来越大，许多代工企业也逐渐参与到芯片设计中来，为客户提供委托设计到制造一条龙的服务，即所谓的ODM 模式。上游企业只需要简单描述功能需求，就可以当“甩手掌柜”了，芯片的研发设计、生产，甚至后期维护都交由代工企业来完成，代工企业也相应地拥有了芯片的知识产权，因此这种模式也俗称“贴牌”模式。
裸芯片制造完成后，还需要经过封装和测试，才能成为芯片成品。封装是把裸芯片用各种特殊的材料包裹起来，再安上引脚，变成大家熟悉的芯片产品的模样；测试则是在从晶圆到裸芯片的各个环节进行检测，筛选出符合规格的优质可靠的芯片成品。
封装和测试也是芯片产业链中的重要环节，目前亚太地区的企业占全球集成电路封装测试市场80%以上的份额。我国在芯片封装测试技术领域基本达到世界先进水平，封装技术和材料大部分能做到自给自足，仅在基板材料等个别领域进口比例稍高，仍有进步空间。
4 “卡脖子”的光刻机为什么厉害
从芯片全产业链的角度来看，只有设计、制造到封装测试的流程是不完整的，因为芯片制造设备本身的制造也属于芯片全产业链的一环，其中最重要的部分就是鼎鼎大名的光刻机。
在芯片制造过程中，光刻机利用光刻技术将设计企业提交的电路图案（也就是版图）精确地投射到硅片上形成电路，这个过程有点儿类似胶卷时代的照片冲印。光刻机是芯片制造生产线上的核心设备，全球范围内只有少数几家公司能生产，目前荷兰ASML公司在这个领域处于绝对垄断地位。
光刻机主要包括深紫外光刻机（DUV）和极紫外光刻机（EUV）两种类型，ASML占据高端DUV光刻机市场的90%，也是唯一掌握目前全球最先进的极紫外光刻机技术的企业。光刻机的制造技术非常复杂，需要精密的光学系统、高精度的机械系统、精确的控制系统以及高端材料技术的支撑。以EUV为例，虽然光刻机产品贴着ASML的品牌，但组成光刻机的10万余个零部件中，光源来自美国企业、光学系统来自德国企业、真空系统来自英国企业、高端材料来自日本企业……从某种意义上说，光刻机是50年来工业全球化的巅峰和代表，全球有超过5000家供应商在为光刻机产业链提供支持。
与其他商品不同，光刻机产业成本高、利润高、风险高、市场小，因此产业链全球化有利于整合世界各国的优势技术，分散产业风险。但近年来，美国公然破坏信息产业的全球化进程，联合日本、荷兰等国在高端DUV光刻机领域对我国实行出口管制，意图以此阻碍中国芯片产业发展的进程。对此，我国一方面尽力寻求与国际上其他光刻机制造商合作，一方面也在布局光刻机的自主研发，目前已在一些关键技术上取得较好进展。考虑到光刻机产业链生态的建立尚需时日，近期可先依托我国芯片封装行业的优势，大力推动以“封”促“造”，通过芯粒（chiplet）等先进封装技术的研发和应用，弥补制造环节的不足，快速实现相似性能芯片产品的替代。
5 构建自主产业链势在必行
要搞明白芯片设计制造的痛点，还得从高度全球化的芯片产业链结构分析入手。
得益于过去几十年资本全球化进程，芯片产业链也高度全球化，遍布美欧亚的众多企业共同支撑起了芯片产业从高端光刻机研发到芯片设计、制造、封装测试的全流程。在市场化大背景下，世界各国的技术和资源进行了自动整合，实现了优势互补，降低了产业成本。与此同时，那些在经济和技术上处于领先地位的国家也慢慢筑起了森严的知识产权壁垒和生态高墙，在产业链中占据了绝对的主导和支配地位。
来看下面一组数据：在全球十大芯片设计企业中，美国企业常年占据6-7席；在全球芯片制造业中，美国的英特尔公司是IDM模式企业的典型代表，代工企业中我国台湾地区处于领先地位，韩国、欧美、中国大陆也占有一席之地；全球EDA行业市场则长期被美国厂商垄断；在全球十大芯片封装测试企业中，除了1家来自美国，其余9家都是中国企业；在全球光刻机制造领域，荷兰ASML居绝对垄断地位，日本、德国、英国企业也在光刻机制造流程中把持了部分关键技术；在全球集成电路材料行业中，日本和美国企业基本处于寡头垄断局面。
我国芯片产业起步较晚，以处理器为例，美国在20世纪70年代就研制成功了第一款处理器芯片，而我国在2001年才研发了自己的第一款处理器。时至今日，伴随着国民经济的高速发展和政府的鼎力支持，我们用大约20年时间走过了发达国家50年的芯片发展道路。面对中国在芯片领域的迅速崛起，美国作为全球芯片产业的掌控者感受到了威胁，开始不断在芯片全球产业链的各个环节和关键技术上给中国制造麻烦。随着数字经济和人工智能的蓬勃发展，芯片作为信息技术的基石更加成为世界关注的焦点，各国对于芯片供应链安全的关注达到前所未有的程度。众目睽睽之下，美国却走上一条逆全球化发展的道路，在芯片领域公然破坏贸易全球化，为打压中国，强迫台积电搬迁美国本土、要挟荷兰禁售高端DUV光刻机、限制美国EDA和芯片相关企业的销售策略……在全球科技领域搞霸权主义。
为了不在科技发展和国家安全上受制于人，我国构建独立自主的芯片产业链势在必行。当前，我国在芯片产业核心技术上已取得长足进步，在光刻机等“卡脖子”领域也取得了重要技术突破。只有坚持走独立自主、自力更生的发展道路，逐步提升我国芯片行业的基础科技和工业水平，才能彻底打破芯片封锁的现状，正所谓：道阻且长，行则将至。
（作者：沈海华为中国科学院大学教授、博士生导师；彭聪昊为中国科学院大学研究生）
本版供图：视觉中国