芯片在经济、科技、军事、民生和就业等方面具有极大的影响,被视为国家的“生命线”。美国、韩国、欧盟、日本和中国之间的竞争特别激烈,尤其是美国采取行政手段打压中国芯片,直接与中国对抗。首先,美国将华为、中兴、长江存储、中科龙芯等300多家企业列入“实体清单”,然后与日本、韩国、荷兰等国家合作制造“芯片屏障”,试图完全封锁中国的芯片通路。
国内芯片企业在零部件、材料、制造、设备等方面遭受了巨大的阻力,最明显的表现是我们无法使用搭载麒麟芯片的5G手机,但实际上情况远不止如此。
根据统计,2022年我国注销、吊销的芯片公司数量高达5746家,比去年增长了68%。
尽管这些芯片公司大多是小角色,但在芯片禁令的压力下,订单减少、业绩下滑,最终选择注销、吊销,甚至有些公司甚至都没有开展过芯片业务。然而,仍有一些企业在逆境中迎难而上,取得了不俗的成绩,如中芯国际、长电科技、上海微电子等。
最近,中芯国际在财报会议上表示,他们基于14nm的12nm工艺已经开始试生产。通过与客户的深度合作,目前进展良好,正在进行客户验证和鉴定阶段。
此前,中芯国际就曾表示,12nm工艺将比14nm晶体管尺寸进一步缩小,可以让芯片的功耗降低20%、性能提升10%,错误率降低20%。
中芯国际攻克了14nm、12nm制造技术,将国产芯片制造水平提高到了新的高度;长电科技实现了4nm封装技术,进入国际领先地位;上海微电子已量产90nm光刻机,28nm光刻机也正在研发中。这些制造领域的成就来之不易,因为制造是我国芯片最大的短板之一。
中芯国际的12纳米工艺
中芯国际的新一代12纳米工艺可生产先进芯片,提升其在市场上的竞争力。未来几年,中芯国际还将不断推进技术创新,预计将突破7纳米制造工艺,生产更小、更快、更节能的芯片。这将有助于人工智能、5G、云计算等领域的应用。
张汝京在建造芯片工厂方面拥有丰富的经验,曾在德州仪器建造10家工厂。他回到中国后建造了第一座芯片制造工厂,但不得不关闭。他后来建立了世大半导体,使其成为台湾第三大芯片代工企业,但被台积电以50亿美元的价格收购。尽管张汝京要求台积电在中国大陆建立芯片制造厂,但未能实现。最终,他离开了台积电,在北京得到了一个去上海的机会。
到达上海后,张汝京受到土地优惠政策和人才的支持,加快了中芯国际的发展。中芯国际很快在日本设立了分公司,并于2004年在纽约交易所上市成为全球第四大代工厂。但中芯国际的迅速崛起引起了台积电的警觉,在中芯国际赴港上市前夕,台积电将其告上法庭,指控中芯国际侵犯专利权和窃取商业机密。中芯国际反诉台积电违反和解协议。最终,双方和解,中芯国际赔偿台积电1.75亿美元。
令人大跌眼镜的是,北京高院意外驳回中芯国际的诉讼,对中芯国际可谓是沉重的打击。法院对中芯国际的判决有以下几点:
1.额外支付2亿美元的赔偿金;
2.将中芯国际8%的股份转让给台积电;
3.公司创始人张汝京被排除在公司之外。
这表明中国在知识产权案件方面缺乏经验。同时,当时我们对于芯片的重要性认识不足,否则,我们会争取更多的时间为中芯国际辩护。
尽管秋天在上海浦东并不荒凉,但中芯国际的气氛却显得凉飕飕的。尽管如此,张汝京依然坚定地说:“这不是人生中的失败,不要被打倒。中芯国际必须继续向前。”
没有张汝京的中芯国际
中芯国际在张汝京离开后陷入了混乱,公司内部出现了大量人员离职、权力争夺和亏损的情况。直到国有资产和大型基金全面介入,才得以稳定局面。但此时,中芯国际已经被台积电远远地甩在了后面。
2017年,中芯国际迎来了新的CEO梁孟松,并决心在工艺制程方面发力,缩小与先进工艺之间的差距。梁孟松毕业于加州大学电子工程专业,在FinFET发明人胡正明的指导下学习,并曾在AMD、台积电和三星电子担任工程师和研发经理。
梁孟松是一位经验丰富的芯片领域专家,拥有超过450项半导体专利和发表了超过350篇技术论文。他曾帮助台积电在130纳米工艺上击败IBM,在14纳米工艺上带领三星电子击败台积电。在中芯国际工作多年,他带领中芯国际相继突破了14纳米、12纳米制造工艺,并攻克了7纳米技术。'
此次突破12nm有何意义
我国在采用12纳米技术方面比原计划提前两年实现目标,即到2025年将芯片自给率提高至70%。自2016年中国提出芯片本土化战略以来,要求本国在芯片设计、制造、封装等全产业链实现本土化替代。2020年,我国又提出到2025年实现70%芯片自给率的宏大计划,这意味着在材料、设备、EDA工具等上游,设计、制造、封装测试等中游,汽车电子、消费电子、通信、人工智能、军工等应用领域下游,全面实现本土化。这是一个极具挑战性的目标,但在国家的大力支持下,科技人员正夜以继日地努力,以确保中国的芯片制造业能够取得突破。
芯片的重要性不仅体现在经济、就业和科技方面,还包括国防、信息和财产安全等重要领域。在国家的全力支持下,中国的国产芯片正取得长足进步。最显著的进步之一是芯片制造的突破。芯片制造是科技含量最高的领域之一,也是中国最大的短板之一。例如,中芯国际的12纳米工艺与台积电的3纳米工艺相差6年,上海微电子的90纳米光刻机与ASML的EUV光刻机差距更大。
满足军用需求
由于航天军工芯片需要具备耐高低温、耐冲击、抗辐射、抗干扰等特性,因此它们大多数制程在90纳米以上,而不是追求先进的制程。这是因为许多武器装备处于严酷的环境中,如太空、地下掩体、戈壁大山等,那里面临高温、低温、宇宙射线、潮湿、盐碱等极端条件。先进工艺芯片过于复杂,容易在恶劣环境中出现问题。而成熟工艺的芯片,由于出现问题的概率更低,加上特殊的设计、制造工艺更适合国防军工的需求。
满足工业需求
工业级芯片通常采用14纳米制程,但在个别情况下可以使用7纳米或5纳米芯片。这些芯片需要满足广泛的工作温度要求,通常在-40℃至85℃之间,并具备多级防雷、双变压器、短路保护、热保护和超高压保护等功能。在制造过程中,还需要采取防潮、防水、防霉和防腐等措施。目前,我国的工控芯片大多采用成熟工艺,如40纳米和55纳米等。
满足汽车芯片需求
随着电动智能汽车的快速发展,芯片需求量大幅增加。高端智能汽车所需的芯片数量甚至达到了3000颗。虽然芯片数量很大,但实际上只有自动驾驶和智能座舱需要7nm及以下工艺的芯片。
满足生活家电需求
对于家电方面,冰箱、空调、电视和洗衣机等家电中也使用许多芯片,但通常采用成熟工艺,如90nm制程。因为这些家电产品的空间较大,零部件不需要像手机一样拥挤在一起。此外,家电产品通常是固定使用且直接连接到220V工频交流电,因此不需要考虑大功率的功耗问题。因此,成熟工艺的芯片完全可以满足家电的需求,并且还能够降低成本。
总的来看,12nm芯片可以满足大部分场景的需求,如军工、工业、家电、WiFi、物联网、电网和视频监控等,这些场景占据了全部芯片需求的80%以上。从制造工艺角度来看,国产芯片已经提前两年实现了70%自给率的目标。然而,芯片制造离不开光刻机,目前国产光刻机仅支持90nm工艺。因此,攻克28nm光刻机是我国目前的当务之急,以实现12nm国产芯片的全产业链。稳定12nm工艺后,再考虑7nm、5nm等先进工艺。