當(dāng)下的國(guó)際政治經(jīng)濟(jì)環(huán)境，正處于激烈的調(diào)整期。其中既有地緣政治的因素，也蘊(yùn)含著全球化大分工過(guò)程中價(jià)值鏈體系的重新定位。作為一個(gè)處于持續(xù)發(fā)展、要實(shí)現(xiàn)民族復(fù)興的大國(guó)，讓國(guó)民過(guò)上更好的生活，不斷地向著產(chǎn)業(yè)鏈上游延伸是必然趨勢(shì)。在這個(gè)過(guò)程中，難免會(huì)打破現(xiàn)有的市場(chǎng)格局，遭受一定的阻力也是難以避免的。試想，誰(shuí)會(huì)把市場(chǎng)拱手讓人呢？但基于市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的原則，強(qiáng)于其他更激烈的對(duì)抗手段。
博眾精工研究院認(rèn)為：激烈對(duì)抗手段對(duì)中美都不利，中國(guó)一直采取和平崛起、平等競(jìng)爭(zhēng)的方式，但如何通過(guò)創(chuàng)新自身的價(jià)值，實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體行業(yè)的良性競(jìng)爭(zhēng)，共生共榮——而不是一家壟斷性的獨(dú)大，可能將是接下來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)中美在半導(dǎo)體行業(yè)的主題。而從商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)看，應(yīng)該秉承“一起做大蛋糕“而非”只切現(xiàn)有蛋糕“的思路，有競(jìng)爭(zhēng)更能促進(jìn)雙方的共同提升，從而培育更多元和高效的技術(shù)路線、實(shí)現(xiàn)更大的應(yīng)用市場(chǎng)，這一點(diǎn)從通信、航空等領(lǐng)域都已得到驗(yàn)證。未來(lái)中美在半導(dǎo)體行業(yè)的并駕齊驅(qū)，可能更有利于新一輪工業(yè)革命的智能化和數(shù)字化水平提升。
這對(duì)于中國(guó)來(lái)說(shuō)，就如新能源汽車一樣，有無(wú)可能跳出現(xiàn)有困境，在技術(shù)路線上實(shí)現(xiàn)新的超越呢？
（一）因美國(guó)已覺得涉及到了其國(guó)家利益，收緊趨勢(shì)難以避免；
經(jīng)濟(jì)學(xué)家李斯特在《政治經(jīng)濟(jì)學(xué)的國(guó)民經(jīng)濟(jì)體系》里提到“踢開梯子”的說(shuō)法，講的就是“一個(gè)人攀上高峰后，就會(huì)把身后的梯子一腳踢開，以免別人跟上來(lái)，以此來(lái)保證自己的優(yōu)勢(shì)”。芯片&半導(dǎo)體行業(yè)起源于美國(guó)，美國(guó)想要保持自己的優(yōu)勢(shì)就要不斷地踹梯子。
1980年代，通過(guò)“DRAM制法革新”項(xiàng)目，日本完全超過(guò)美國(guó)成為半導(dǎo)體行業(yè)的霸主。到了1985年，美國(guó)SIA認(rèn)為，如果政府還不迅速采取嚴(yán)厲措施，整個(gè)行業(yè)將在與日本的競(jìng)爭(zhēng)中消亡，美國(guó)正式發(fā)起了“第一次芯片戰(zhàn)爭(zhēng)”，通過(guò)這次戰(zhàn)爭(zhēng)，1992年，美國(guó)本土公司重新奪回了市場(chǎng)份額，在日本的份額也達(dá)到了20%，1993年，美國(guó)重新成為世界最大芯片出口國(guó)。韓國(guó)和臺(tái)灣也在此期間，借著美國(guó)的扶持而崛起，世界進(jìn)入一國(guó)獨(dú)大，多強(qiáng)并存的局面。到了現(xiàn)在，日本雖然還是芯片產(chǎn)業(yè)中的重要玩家，但在全球的份額已經(jīng)只剩下6%。
有了日本的前車之鑒，美國(guó)在中國(guó)做大之前，就主動(dòng)掀起了新一輪的“芯片大戰(zhàn)”。美國(guó)從 2018年開始，對(duì)中國(guó)科技企業(yè)和個(gè)人實(shí)施一系列的制裁，到2022年3月提出打造“四方芯片聯(lián)盟”，再到8月通過(guò)“芯片法案”，該法案計(jì)劃為美國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，提供高達(dá)527億美元的政府補(bǔ)貼。其中，500億美元被撥給“美國(guó)芯片基金”計(jì)劃。剩余27億美元，分別是20億美元美國(guó)芯片國(guó)防基金，5億美元芯片國(guó)際科技安全和創(chuàng)新基金，以及2億美元芯片勞動(dòng)力和教育基金。根據(jù)美國(guó)商務(wù)部發(fā)布的信息，“美國(guó)芯片基金”計(jì)劃旨在振興美國(guó)國(guó)內(nèi)的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)并激勵(lì)創(chuàng)新，同時(shí)在美國(guó)各地創(chuàng)造高薪工作。
美國(guó)商務(wù)部6日發(fā)布的實(shí)施戰(zhàn)略顯示，上述500億美元資金中，約280億美元將用于資助建立先進(jìn)制程芯片的制造和封裝設(shè)施，約100億美元將用于擴(kuò)大在汽車等領(lǐng)域使用的成熟制程芯片制造，另外約110億美元計(jì)劃投入到半導(dǎo)體領(lǐng)域研發(fā)之中。通常認(rèn)為，28納米及以下的制程屬于先進(jìn)制程。美國(guó)《紐約時(shí)報(bào)》6日援引雷蒙多的話稱，美國(guó)商務(wù)部的目標(biāo)是在明年2月前開始向相關(guān)企業(yè)收集資金申請(qǐng)，并可能在明年春天開始撥款。據(jù)香港《南華早報(bào)》報(bào)道，雷蒙多表示，申請(qǐng)者必須“以資本投資財(cái)務(wù)披露的形式”提供證據(jù)，證明所尋求的資金對(duì)于進(jìn)行投資是“絕對(duì)必要的”。
值得注意的是，“芯片法案”中包含了“護(hù)欄條款”，即接受資助的公司至少10年內(nèi)不能在中國(guó)或其他“令人擔(dān)憂的國(guó)家”進(jìn)行新的高科技投資，除非它們生產(chǎn)的是技術(shù)含量較低的成熟制程芯片，只為當(dāng)?shù)厥袌?chǎng)服務(wù)。
美國(guó)商務(wù)部部長(zhǎng)雷蒙多此前在白宮新聞發(fā)布會(huì)上強(qiáng)調(diào)，如果獲得資助的企業(yè)和機(jī)構(gòu)未能履行某些承諾，商務(wù)部將“毫不猶豫地收回資金”。
由于美國(guó)芯片法案的核心目的是提振美國(guó)芯片產(chǎn)業(yè)，尤其是芯片制造業(yè)，因此政策出臺(tái)后受益最大的，當(dāng)屬美國(guó)本土的芯片制造工廠，比如英特爾、格芯。大和資本證券指出，在390億美元的晶圓廠補(bǔ)貼中，預(yù)計(jì)英特爾將獲得 32%，美光將獲得 31%，德州儀器獲得 14%，三星獲得 13%，臺(tái)積電約 10%。受到該法案的影響，美國(guó)芯片企業(yè)中的龍頭也紛紛有所動(dòng)作。
英特爾是其中動(dòng)作最大的一家企業(yè)，其CEO基辛格更是美國(guó)芯片法案積極推動(dòng)者，曾多次公開場(chǎng)合督促美國(guó)國(guó)會(huì)盡早通過(guò)芯片法案。法案落地后，英特爾位于俄亥俄州的晶圓廠再次啟動(dòng)，計(jì)劃依然是200億美元，從這個(gè)規(guī)模來(lái)看，它將是當(dāng)前全球最大的晶圓廠了。目前intel還在7nm，落后臺(tái)積電2代，而按照介紹，英特爾新建的這家晶圓廠，在2025年投入生產(chǎn)時(shí)，工藝水平上可以量產(chǎn)20A及18A兩代工藝。20A工藝，就是對(duì)應(yīng)的臺(tái)積電、三星的2nm，而18A對(duì)應(yīng)的是臺(tái)積電、三星的1.8nm，也就是18埃米工藝。也就是說(shuō)，intel計(jì)劃在2025年，直接量產(chǎn)2nm，追上臺(tái)積電、三星，因?yàn)榕_(tái)積電、三星的計(jì)劃也是2025年量產(chǎn)2nm芯片的。
其次，像美光這類IDM的公司，也會(huì)成為芯片法案第二類受益對(duì)象。日前，美光宣布一項(xiàng)400億美元的投資計(jì)劃，以促進(jìn)美國(guó)國(guó)內(nèi)存儲(chǔ)芯片的制造。
最后，與芯片制造相關(guān)的美國(guó)設(shè)備公司是法案的第三梯隊(duì)受益群體。這些公司是美國(guó)芯片制造能力提升的中流砥柱，隨著美國(guó)芯片制造能力的提升，美國(guó)半導(dǎo)體設(shè)備將迎來(lái)新的發(fā)展浪潮。
而對(duì)于美國(guó)政府來(lái)說(shuō)，扶持龍頭企業(yè)更容易實(shí)現(xiàn)規(guī)模效應(yīng)，加速美國(guó)實(shí)現(xiàn)“美國(guó)芯”的夢(mèng)想。同時(shí)，美國(guó)政府也充當(dāng)了美國(guó)芯片制造廠商與設(shè)計(jì)廠商的黏合劑，在拜登正式簽署芯片前，高通和格芯宣布，將斥資42億美元擴(kuò)建紐約州北部的一家芯片工廠。從高通給格芯下訂單這事也可以看出，芯片法案可能會(huì)推動(dòng)晶圓代工慢慢轉(zhuǎn)向美國(guó)制造，且主要是美國(guó)晶圓代工廠。
到10 月 8 日，美國(guó)又公布了一系列出口管制新措施，其中包括禁止向中國(guó)提供使用美國(guó)設(shè)備在世界各地生產(chǎn)的某些芯片等內(nèi)容。美對(duì)華發(fā)起的“芯片戰(zhàn)爭(zhēng)”愈演愈烈。
（二）美國(guó)本土的人才瓶頸給中國(guó)提供了戰(zhàn)略緩沖期。
芯片企業(yè)的投資建廠，無(wú)疑會(huì)給美國(guó)芯片行業(yè)帶來(lái)活力，但是工廠建好后，就要面臨一個(gè)重大問(wèn)題，那就是美國(guó)缺少足夠的芯片專業(yè)人才。
先前美國(guó)半導(dǎo)體協(xié)會(huì)和牛津研究院一份報(bào)告指出，相比一般科技行業(yè)，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)對(duì)經(jīng)濟(jì)拉動(dòng)乘數(shù)大概是 6.7，而其他統(tǒng)計(jì)行業(yè)中位數(shù)大概是3.7。相當(dāng)于，半導(dǎo)體行業(yè)每雇用一個(gè)工人，會(huì)間接支撐7個(gè)工作崗位。也就是說(shuō)美國(guó)的芯片法案給美國(guó)創(chuàng)造了大量就業(yè)崗位。
但是，多年來(lái)，隨著美國(guó)芯片制造產(chǎn)業(yè)不斷衰落和外移，芯片行業(yè)不再是一個(gè)高薪、高美譽(yù)度的行業(yè)。因此，美國(guó)優(yōu)秀人才在選擇專業(yè)的時(shí)候，會(huì)選擇金融、營(yíng)銷等專業(yè)，而不會(huì)選擇電子信息工程、機(jī)械設(shè)計(jì)自動(dòng)化、材料等與芯片相關(guān)的專業(yè)。芯片行業(yè)是一個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈，美國(guó)不僅缺乏與芯片相關(guān)的專業(yè)人才，也缺乏芯片生產(chǎn)上下游的工廠建設(shè)、儀器耗材制造、物流儲(chǔ)運(yùn)相關(guān)領(lǐng)域的人才。
這個(gè)問(wèn)題靠美國(guó)政府的補(bǔ)貼無(wú)法解決，美國(guó)政府的優(yōu)惠、補(bǔ)貼力度再大，在美國(guó)依舊很難招到合適的員工。沒有符合要求的勞動(dòng)力，芯片公司自然不愿意在美國(guó)投資設(shè)廠。臺(tái)積電、三星在美國(guó)的一再壓力下，被迫到美國(guó)設(shè)廠，而其現(xiàn)在遇到的最大問(wèn)題，就是工廠建好了，員工哪里來(lái)？臺(tái)積電董事長(zhǎng)劉德音6月份公開表示，在美國(guó)招聘工程師和技術(shù)人員很困難。拜登簽署《芯片法案》之后，白宮發(fā)布新聞稿說(shuō)該法案給美國(guó)創(chuàng)造了大量的就業(yè)機(jī)會(huì)。事實(shí)上，就業(yè)機(jī)會(huì)是創(chuàng)造出來(lái)了，但是美國(guó)到底有多少匹配這個(gè)機(jī)會(huì)的勞動(dòng)力呢？
就算好不容易招來(lái)了專業(yè)對(duì)口的員工，很多人的敬業(yè)精神也無(wú)法達(dá)到芯片行業(yè)的要求。美國(guó)的員工評(píng)價(jià)網(wǎng)站上曾經(jīng)出現(xiàn)過(guò)一篇文章，作者正是臺(tái)積電在美國(guó)好不容易招來(lái)的新員工。他參加新員工培訓(xùn)之后發(fā)現(xiàn)，臺(tái)積電的員工每天工作至少10個(gè)小時(shí)，要上夜班，周末還要輪班，其他時(shí)間還要隨時(shí)待命。同事告訴他，這就是芯片行業(yè)的日常工作狀態(tài)。這個(gè)美國(guó)人抱怨，他沒想到要這么拼，工作強(qiáng)度這么大。
在中國(guó)近年來(lái)的半導(dǎo)體振興政策中，有三個(gè)關(guān)鍵詞頻繁出現(xiàn)：產(chǎn)業(yè)鏈聯(lián)動(dòng)發(fā)展、引進(jìn)和培育企業(yè)、公共服務(wù)平臺(tái)建設(shè)。這也映射出現(xiàn)今在政治影響下全球芯片行業(yè)割裂、對(duì)抗趨勢(shì)越來(lái)越明顯，地方政府不再僅僅著眼于某一環(huán)節(jié)的支持和趕超，更聚焦于上下游的聯(lián)動(dòng)發(fā)展與配套建設(shè)，以期提高芯片產(chǎn)業(yè)鏈國(guó)產(chǎn)化水平，保障自身的供應(yīng)安全。
當(dāng)下，國(guó)家政策和金融投資都已經(jīng)大幅度地向芯片行業(yè)傾斜。所以，芯片產(chǎn)業(yè)鏈上每個(gè)環(huán)節(jié)基本上都有人在搞。市場(chǎng)需求方面，中國(guó)也是芯片需求量最大的國(guó)家。
從整體來(lái)看，我國(guó)有著眾多的企業(yè)，完整地覆蓋了整個(gè)芯片產(chǎn)業(yè)鏈。在芯片產(chǎn)業(yè)的最上游的EDA軟件方面有華大九天、芯和半導(dǎo)體、鴻芯微納、行芯科技、廣立微等，其中廣立微的EDA軟件覆蓋了集成電路成品率提升領(lǐng)域的全流程，產(chǎn)品已成功應(yīng)用于目前最先進(jìn)的3納米工藝技術(shù)節(jié)點(diǎn)，廣立微的客戶涵蓋了三星電子等頭部晶圓廠。
半導(dǎo)體材料方面，有中環(huán)股份、有研新材、興森科技等上市企業(yè)，其中排名第一的中環(huán)股份，陸續(xù)完成包括FZ超高阻、CZ超低阻、CZ超低氧等晶體技術(shù)開發(fā)，及8-12英寸EPI、RTP、Ar-Anneal等晶片加工技術(shù)的開發(fā)。主要產(chǎn)品包括光伏硅片、光伏組件、半導(dǎo)體材料、光伏電站、半導(dǎo)體器件等。
再次，在半導(dǎo)體設(shè)備上面，中國(guó)也是全球產(chǎn)業(yè)鏈布局最完整的，從光刻機(jī)到刻蝕機(jī)，到各種設(shè)備，基本上都有生產(chǎn)，比如北方華創(chuàng)、中微公司、拓荊科技、盛美上海等公司
最后就是芯片封測(cè)產(chǎn)業(yè)，該產(chǎn)業(yè)是我國(guó)半導(dǎo)體領(lǐng)域優(yōu)勢(shì)最為突出的子行業(yè)，在當(dāng)前國(guó)產(chǎn)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈中，國(guó)產(chǎn)化程度最高、行業(yè)發(fā)展最為成熟。國(guó)內(nèi)的幾家封測(cè)廠商長(zhǎng)電科技、華天科技、通富微電等巨頭都已經(jīng)擠進(jìn)全球前十名。
雖然芯片產(chǎn)業(yè)鏈條已經(jīng)齊全，部分環(huán)節(jié)也十分強(qiáng)勢(shì)，但從整體來(lái)看還是十分薄弱，國(guó)產(chǎn)化替代之路依然漫長(zhǎng)。比如，在EDA軟件方面，整體國(guó)產(chǎn)化率在10%左右。
在核心的設(shè)備領(lǐng)域，涂膠顯影設(shè)備國(guó)產(chǎn)化率1%，光刻機(jī)國(guó)產(chǎn)化率1.1%，離子注入設(shè)備國(guó)產(chǎn)化率3.1%，過(guò)程控制國(guó)產(chǎn)化率3.6%，薄膜沉積國(guó)產(chǎn)化率5.7%，刻蝕設(shè)備國(guó)產(chǎn)化率22%，化學(xué)機(jī)械平坦化國(guó)產(chǎn)化率23%，氧化擴(kuò)散/熱處理設(shè)備國(guó)產(chǎn)化率28%，清洗設(shè)備國(guó)產(chǎn)化率38%，去膠設(shè)備國(guó)產(chǎn)化率74%；
芯片設(shè)備國(guó)產(chǎn)化替代之所以占比如此低下，一方面是我們?cè)谛酒A(chǔ)研究方面的積累還不夠，主要是起步實(shí)在太晚，中間還走了不少?gòu)澛贰?/strong>
另一方面就是我國(guó)綜合的工業(yè)積累跟不上。就比如我們無(wú)法造出頂尖的光刻機(jī)。其實(shí)在1980年，我國(guó)就造出了國(guó)內(nèi)第一臺(tái)投影光刻機(jī)。1985年，中科院45所在光刻機(jī)領(lǐng)域取得了重大進(jìn)展，研制出分步投影式光刻機(jī)，被認(rèn)定達(dá)到了1978年美國(guó)GCA公司推出的光刻機(jī)水準(zhǔn)。當(dāng)時(shí)，日后的光刻機(jī)巨頭ASML公司才剛剛誕生。
但因改革開放，國(guó)外更先進(jìn)的光刻機(jī)大量涌入，再加上國(guó)家經(jīng)費(fèi)的抽離，國(guó)產(chǎn)光刻機(jī)的研究陷入停滯狀態(tài)。一直到2016年，上海微電子終于實(shí)現(xiàn)了90nm光刻機(jī)的量產(chǎn)。據(jù)上海微電子披露：有望在2022年交付第一臺(tái)28nm工藝國(guó)產(chǎn)光刻機(jī)。但就算28nm國(guó)產(chǎn)光刻機(jī)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，仍然與7nm、5nm仍隔著數(shù)代距離。
所以在芯片設(shè)備國(guó)產(chǎn)化，尤其是高端設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化程度，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到需求，對(duì)國(guó)外設(shè)備的依賴程度依然很高。
材料領(lǐng)域，半導(dǎo)體材料制造的技術(shù)壁壘很高，由于企業(yè)長(zhǎng)期研發(fā)投入和積累不足，我國(guó)半導(dǎo)體材料多處于中低端領(lǐng)域。半導(dǎo)體硅片、濕電子化學(xué)品、電子氣體、靶材、光刻膠等材料供應(yīng)仍高度依賴進(jìn)口。
還有，我國(guó)目前大部分設(shè)備能夠支持的工藝不是最先進(jìn)的水平，最高可以量產(chǎn)14nm級(jí)別的芯片，再高端一些的芯片絕大部分還是要依賴國(guó)外，需要進(jìn)口。
這些歸根結(jié)底是國(guó)內(nèi)裝備制造業(yè)的發(fā)展跟不上，無(wú)法造成芯片產(chǎn)業(yè)所必需的頂尖設(shè)備。20世紀(jì)90年代中期，我國(guó)形成了門類齊全、具有相當(dāng)規(guī)模和技術(shù)水平的產(chǎn)業(yè)體系。但時(shí)至今日，我國(guó)裝備制造業(yè)與國(guó)際先進(jìn)水平相比，我國(guó)裝備制造技術(shù)依然落后 5~20 年。這種發(fā)展的滯后，已經(jīng)成為掣肘國(guó)民經(jīng)濟(jì)運(yùn)行效益提高、制約高技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)發(fā)展、制約國(guó)防安全的瓶頸。
這主要在于：
第一，國(guó)家重視不夠及其戰(zhàn)略的失誤和滯后。 1956 年到 1976 年 20 年間，我國(guó)錯(cuò)過(guò)了發(fā)展的黃金期，導(dǎo)致我國(guó)裝備制造業(yè)長(zhǎng)期落后先進(jìn)國(guó)家；
第二、我國(guó)裝備制造產(chǎn)業(yè)，一般低水平加工能力和普通機(jī)械產(chǎn)品生產(chǎn)能力嚴(yán)重過(guò)剩，具有國(guó)際先進(jìn)水平的大型成套設(shè)備大部分卻不能制造，許多重大技術(shù)裝備仍然依賴進(jìn)口；
第三、數(shù)控系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)和關(guān)鍵部件是裝備制造業(yè)的薄弱環(huán)節(jié)。數(shù)控系統(tǒng)是裝備的神經(jīng)系統(tǒng)，代表著裝備的自動(dòng)化水平。關(guān)鍵部件和基礎(chǔ)元器件落后已經(jīng)成為裝備制造業(yè)發(fā)展的瓶頸。
第四、自主創(chuàng)新能力薄弱。設(shè)備制造企業(yè)與使用企業(yè)之間缺乏利益聯(lián)結(jié)機(jī)制，除政府重點(diǎn)扶持企業(yè)外，其余處于萎縮狀態(tài)，自主創(chuàng)新能力嚴(yán)重不足。
博眾精工研究院認(rèn)為：想要真正讓中國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)崛起，必須同步將政策、投資向裝備制造業(yè)傾斜，特別是涉及半導(dǎo)體制造的裝備制造業(yè)傾斜，才能從根本上解決問(wèn)題。
首先要再次明確的一點(diǎn)，中國(guó)要成為制造強(qiáng)國(guó)，實(shí)現(xiàn)偉大復(fù)興；而美國(guó)要打壓競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手保持自己在國(guó)際上的地位和優(yōu)勢(shì)，二者之間的對(duì)抗是必然的。而芯片行業(yè)的發(fā)展，關(guān)乎未來(lái)國(guó)家科技發(fā)展的方方面面，是二者競(jìng)爭(zhēng)的主要領(lǐng)域之一。那么，很明顯未來(lái)半芯片逆全球化將持續(xù)，甚至?xí)蔀槌B(tài)。芯片行業(yè)將由供需競(jìng)爭(zhēng)狀態(tài)，轉(zhuǎn)向國(guó)家科技競(jìng)賽狀態(tài)。
硅基芯片方面，有個(gè)行業(yè)共識(shí)，就是國(guó)內(nèi)的芯片產(chǎn)業(yè)在未來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間都將處于追趕狀態(tài)。那么，要實(shí)現(xiàn)真正的彎道超車，可能需要等待顛覆性技術(shù)的出現(xiàn)或產(chǎn)業(yè)發(fā)展賽道的切換。
（一）AI技術(shù)機(jī)會(huì)
在芯片設(shè)計(jì)方面加入AI技術(shù)的應(yīng)用。有業(yè)界專家說(shuō)，AI技術(shù)會(huì)給整個(gè)芯片行業(yè)帶來(lái)顛覆性變化。如果將AI應(yīng)用于芯片設(shè)計(jì)的單個(gè)環(huán)節(jié)，能夠把經(jīng)驗(yàn)豐富工程師的積累融入EDA工具中，大幅降低芯片設(shè)計(jì)的門檻。如果將AI應(yīng)用于芯片設(shè)計(jì)的整個(gè)流程，同樣可以利用已有的經(jīng)驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)流程，顯著縮短芯片設(shè)計(jì)周期的同時(shí)，提升芯片性能，降低設(shè)計(jì)成本。
在過(guò)去的二十多年，在摩爾定律下，芯片設(shè)計(jì)主要方向在晶體管的持續(xù)微縮，通過(guò)硬件固有架構(gòu)增加算力。而隨著摩爾定律的逐漸失效，AI技術(shù)的不斷成熟，軟硬件聯(lián)合設(shè)計(jì)成為新的芯片設(shè)計(jì)趨勢(shì)。
采用具有AI技術(shù)的EDA工具來(lái)設(shè)計(jì)芯片，時(shí)間肯定會(huì)縮短，AI能夠縮短芯片設(shè)計(jì)周期的原因并不復(fù)雜，主要是讓AI先通過(guò)學(xué)習(xí)，有了知識(shí)的累積，在后續(xù)使用的過(guò)程中遇到相同或者類似的問(wèn)題能夠以更快的速度解決問(wèn)題，所以帶有AI的EDA可以節(jié)省芯片設(shè)計(jì)周期幾乎是一個(gè)定論。
AI應(yīng)用于EDA有兩種形式，由于芯片設(shè)計(jì)是一個(gè)很長(zhǎng)的復(fù)雜流程，整個(gè)過(guò)程中可能需要十幾個(gè)EDA工具，因此AI既可以應(yīng)用于EDA點(diǎn)工具中來(lái)優(yōu)化單個(gè)芯片設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，也可以用于整個(gè)芯片設(shè)計(jì)流程的優(yōu)化。
當(dāng)然，將AI與EDA工具融合不僅可以顯著節(jié)省研發(fā)時(shí)間，還能帶來(lái)芯片性能的提升和設(shè)計(jì)成本的降低。而且未來(lái)，從芯片的架構(gòu)設(shè)計(jì)、制造以及封裝的全流程都極有可能會(huì)融入AI技術(shù)。
但需要引起注意的是：AI應(yīng)用的底層支撐也需要芯片行業(yè)做支撐，如何解決雞與蛋互生的矛盾問(wèn)題？
（二）碳納米管和量子芯片技術(shù)路線
另外一種方式就是換賽道，比如提前布局碳基芯片產(chǎn)業(yè)。用碳納米管制備的碳基芯片的綜合性能可以比硅基集成電路提高成百上千倍，這已成學(xué)界的共識(shí)。
碳納米管是1991年由日本科學(xué)家飯島澄男（S.Iijima）發(fā)現(xiàn)的。碳原子按照六角排布，形成一個(gè)單原子層，這就是石墨烯。而一個(gè)矩形的石墨烯條帶，長(zhǎng)邊對(duì)接卷成一個(gè)卷，就變成碳納米管，直徑一般是一納米左右。碳納米管具有一些奇特的量子效應(yīng)，使其電子學(xué)性能變得非常好，速度快、功耗低，可以說(shuō)是目前已知材料中，碳納米管是做芯片最好的材料。
北京大學(xué)電子學(xué)院教授彭練矛團(tuán)隊(duì)，從2000年至今，一直從事國(guó)產(chǎn)碳基芯片研究。22年來(lái)，他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)研發(fā)出了整套碳基芯片技術(shù)，首次制備出性能接近理論極限，柵長(zhǎng)僅5納米的碳納米管晶體管，實(shí)現(xiàn)了“從0到1”的突破，為中國(guó)芯片突破西方封鎖、開啟自主創(chuàng)新時(shí)代開辟了一條嶄新的道路。
首先是突破材料瓶頸，掌握碳納米管制備技術(shù)。經(jīng)過(guò)十年的技術(shù)攻堅(jiān)，彭練矛團(tuán)隊(duì)放棄了傳統(tǒng)摻雜工藝，研發(fā)了一整套高性能碳納米管晶體管的無(wú)摻雜制備方法。
碳納米管材料非常微小，肉眼不可見。光學(xué)顯微鏡看不到，只能用電子顯微鏡來(lái)看，同時(shí)，還要操縱它，讓它按照一定秩序排列。彭練矛之前做過(guò)大量電子顯微鏡相關(guān)研究，對(duì)于觀察和操縱“小東西”有一定經(jīng)驗(yàn)。2017年，團(tuán)隊(duì)首次制備出柵長(zhǎng)5納米的碳納米管晶體管，這一世界上迄今最小的高性能晶體管，在本征性能和功耗綜合指標(biāo)上相較最先進(jìn)的硅基器件具有約10倍的綜合優(yōu)勢(shì)，性能接近由量子力學(xué)測(cè)不準(zhǔn)原理決定的理論極限。
2018年，團(tuán)隊(duì)再次取得重要突破，發(fā)展出新原理的超低功耗狄拉克源晶體管，為超低功耗納米電子學(xué)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。同年，團(tuán)隊(duì)用高性能的晶體管制備出小規(guī)模集成電路，最高速度達(dá)到5千兆赫茲。
2020年，該團(tuán)隊(duì)首次制備出達(dá)到大規(guī)模碳基集成電路所需的高純、高密碳納米管陣列材料，并采用這種材料首先實(shí)現(xiàn)了性能超越硅基集成電路的碳納米管集成電路，電路頻率超過(guò)8千兆赫茲，躋身國(guó)際領(lǐng)跑行列。
彭練矛團(tuán)隊(duì)基本掌握了碳納米管集成電路制備技術(shù)，在實(shí)驗(yàn)室已可以采用碳納米管材料制備出一些中等規(guī)模甚至大規(guī)模的集成電路，但要用它做超大規(guī)模集成電路還不行。
要實(shí)現(xiàn)超大規(guī)模高性能集成電路，首先就需要在大面積的基底上制備出超高半導(dǎo)體純度、順排、高密度和大面積均勻的單壁碳納米管陣列。此外更困難的就是需要有專用的工業(yè)級(jí)研發(fā)線，而這樣一條研發(fā)線是其團(tuán)隊(duì)所不具備的。在學(xué)?，F(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件下，能夠制作出的最復(fù)雜的碳納米管芯片的集成度只有幾千、最多幾十萬(wàn)個(gè)晶體管，尺寸還是微米級(jí)的；而當(dāng)下全球最先進(jìn)的硅基芯片中有五百億個(gè)晶體管，每個(gè)晶體管的面積大小只有100納米左右。
尖端碳基芯片的專用設(shè)計(jì)工具同樣缺乏。目前，基于碳納米管的無(wú)摻雜CMOS技術(shù)已經(jīng)不存在原理上不可克服的障礙，但僅在實(shí)驗(yàn)室完成存在性驗(yàn)證和可能性研究和演示，并不意味著碳基芯片技術(shù)就可以自行完成技術(shù)落地，具備商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。把學(xué)校的技術(shù)變成一個(gè)可規(guī)模生產(chǎn)的工業(yè)化技術(shù)，中間還要做很多工作。目前，碳基芯片的工程化和產(chǎn)業(yè)化還有許多問(wèn)題亟待解決，還需要很長(zhǎng)的時(shí)間和大量的投入。
但不可否認(rèn)的是，碳基芯片替代硅基芯片是大趨勢(shì)，彭練矛表示，在國(guó)家重視且科研經(jīng)費(fèi)充足的情況下，預(yù)計(jì)3-5年后碳基技術(shù)能夠在一些特殊領(lǐng)域得到小規(guī)模應(yīng)用；預(yù)計(jì)10年之后碳基芯片有望隨著產(chǎn)品更迭逐漸成為主流芯片技術(shù)。
而碳基芯片對(duì)全球來(lái)說(shuō)都是一條新的道路，目前我國(guó)還處于相對(duì)領(lǐng)先的位置。所以通過(guò)發(fā)展碳基芯片，實(shí)現(xiàn)中國(guó)芯的“換道超車”，是很有可能的事情。
其次，量子芯片由于不需要光刻機(jī)，也被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)彎道超車的機(jī)會(huì)。這方面，中國(guó)也一直處于世界領(lǐng)先水平。
比如，中科院郭光燦院士團(tuán)隊(duì)，2018年2月，制備出世界上最大的三維集成光量子芯片，在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了半導(dǎo)體的三量子比特邏輯門操控；2021年6月，該團(tuán)隊(duì)與中山大學(xué)、浙江大學(xué)等研究組進(jìn)行合作，首次成功設(shè)計(jì)制備出了“魚叉”形的拓?fù)浞质鹘Y(jié)構(gòu)。
另外，郭光燦院士團(tuán)隊(duì)領(lǐng)銜的合肥本源量子，先后推出的本源6比特超導(dǎo)量子芯片“夸父KFC6-130”和24比特超導(dǎo)量子芯片“夸父KFC24-100”，其保真度以及相干時(shí)間等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，都屬于國(guó)際一流水平。
2022年2月，國(guó)防科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院QUANTA團(tuán)隊(duì)與軍事科學(xué)院、中山大學(xué)等國(guó)內(nèi)外單位共同開發(fā)了新型可編程硅基光量子計(jì)算BD6236FM-E2芯片，實(shí)現(xiàn)了解決各種圖像問(wèn)題的量子算法。 雖然這種新型量子芯片也采用了微納加工工藝，但由于生產(chǎn)原理的不同，它主要將大量的光學(xué)量子設(shè)備集成在一個(gè)芯片上。 一旦光量子芯片商業(yè)化成功，對(duì)7nm、5nm等工藝技術(shù)的研究將失去原有的意義，芯片制造領(lǐng)域?qū)⑦~出新的里程，突破芯片制造被卡住的困境。
總而言之，不管是碳基芯片還是量子芯片，外界預(yù)估其量產(chǎn)時(shí)間都在3-10年之間。而想要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，就要求與碳基芯片、量子芯片配套產(chǎn)業(yè)鏈一定要跟上，這其中裝備制造業(yè)占據(jù)著重要地位。
因?yàn)殡S著芯片材質(zhì)變了，那與之相匹配的設(shè)計(jì)軟件、制造工藝、生產(chǎn)設(shè)備等等方面，肯定會(huì)有別于硅基芯片。
目前這兩種芯片都還處于實(shí)驗(yàn)室手工加工的階段。真正實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的制造設(shè)備，還需要各大裝備制造企業(yè)去花費(fèi)大量資源和時(shí)間去探索，也需要大量國(guó)家政策方面的傾斜和社會(huì)資金方面的支持。
但目前在這兩個(gè)領(lǐng)域，中國(guó)和國(guó)外都處于同一起跑線。所以，中國(guó)能不能解決卡脖子問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)彎道超車；國(guó)外能不能在繼續(xù)限制中國(guó)在硅基芯片方面發(fā)展的同時(shí)，又在碳基芯片和量子芯片方面繼續(xù)圍堵，都要在未來(lái)的三到十年之間，逐見分曉。
博眾精工研究院認(rèn)為：裝備制造是一切產(chǎn)品最終能成品應(yīng)用的關(guān)鍵，這也是切換技術(shù)路線能否成功的重中之重。因此中國(guó)在半導(dǎo)體領(lǐng)域的布局應(yīng)該堅(jiān)持研發(fā)設(shè)計(jì)與裝備制造并重的路線，才能實(shí)現(xiàn)真正獨(dú)立的垂直產(chǎn)業(yè)體系和大規(guī)模國(guó)產(chǎn)化應(yīng)用。
從中國(guó)在航天、通信、高鐵等領(lǐng)域的成功經(jīng)驗(yàn)看，有著巨大國(guó)內(nèi)應(yīng)用市場(chǎng)是無(wú)可替代的巨大優(yōu)勢(shì)，加上有著成千上萬(wàn)高度敬業(yè)、愿意日夜奮戰(zhàn)的中國(guó)技術(shù)研發(fā)和生產(chǎn)制造工程師，只要在技術(shù)路線上選對(duì)方向，相信中國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)在未來(lái)的5-10年或?qū)⒛軐?shí)現(xiàn)更獨(dú)立完善的國(guó)內(nèi)應(yīng)用，并能在國(guó)際市場(chǎng)上擁有一席之地。
（本文作者衛(wèi)龍騰、吉站來(lái)自博眾精工研究院）
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