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中国芯片制造之殇—从美国制裁华为谈起

更新时间:2020-06-12  点击次数:290次 打印
2019年5月16日,美国商务部将华为列入“实体清单”,禁止美企向华为出售相关技术和产品,企图借此”封杀“华为”,致使华为自主研发的“备胎”芯片走上了舞台。

2019年5月16日,美国商务部将华为列入“实体清单”,禁止美企向华为出售相关技术和产品,企图借此”封杀“华为”,致使华为自主研发的“备胎”芯片走上了舞台。

时隔一年,2020年5月15日,美国对华为的制裁再度升级,美国政府要求,凡是使用美国芯片技术和设备的公司,要先获得美国的许可,才能将芯片供应给华为和其关联企业。

这无疑是美国给华为的当头一棒,一年前华为通过海思自主研发设计的芯片实行自救,这次又有什么不同呢?有人还会问,华为不是能够自己设计芯片,怎么还会受美国的牵制呢?首先,我们要了解全球的芯片设计公司都需要用到EDA这个软件,而目前这个领域主要都被美国的Synopsys、Cadence、Mentor三家公司垄断且都与华为中断了合作,因此之后他们都不会再给华为软件的授权了。因为华为之前购买的软件授权还没到期,所以还能继续设计海思芯片。另一方面,华为虽然具备了软件设计的能力,但是自己却不能制造芯片,需要找芯片代工厂生产。 华为为什么不能制造芯片,要了解这个原因,我们得明白芯片制造的整个流程。

那么一枚小小的芯片究竟是如何生产出来的呢,让我们来看一下。

制造芯片最基础的材料是沙子,其主要成分是二氧化硅,首先通过在高温下的还原反应,从氧化物当中提炼出高纯度的硅晶体,并制成硅锭,再切割成薄脆的圆盘形状,这就是晶圆,也是制作芯片的胚胎。

下一步就是光刻了。首先在晶圆上敷涂一种特殊的光刻胶,再将客户设计完成的包含数10亿个电路原件的芯片蓝图制作成掩膜。掩膜可以理解为一种特殊的投影底片,其中包含了芯片设计的蓝图。

下一步就要将蓝图转印到晶圆上,性能越强悍的芯片,就需要在更小的晶片范围内放进更多的电子元件,因此也对投影的分辨率有更高的要求,所以,光刻机的光源波长不断地追求更短,更精密,目前只有最先进的EUV光刻机,才能完成各家顶级的7nm和5nm的芯片制作,而台积电便是其中的佼佼者。通常在一片晶圆上可以印刷成百上千个晶片,整个投影过程,类似于我们初中所学的凸透镜成像原理,利用极紫外光,将芯片的蓝图投影到晶圆的光刻胶膜上,光刻胶膜发生光化学反应,被光照的地方变得可溶于水,经过显影清洗后,便留下了光刻的芯片电路,再利用特制的化学药水进行蚀刻,从而得到各种纵横交错的电路沟槽,再通过注入对应的杂质离子,在高温下扩散,直至满足设计所需的导电性能。然后再将上述一系列流程,重复20至50遍,使得晶片有更加复杂的三维结构,再通过金属镀膜技术,将各层原件之间相互导通。最后送往晶圆测试部门,在这里将对晶圆的制造工艺以及预期的性能进行测试,在测试无误后切割封装交付客户使用。

由此可见,整个芯片的制造过程需要大量精致的光学技术、材料技术以及精密的加工技术,中国在短期内想建造一条完整的芯片制造产业链难度之大。目前华为主要的芯片代工厂有两家,台积电和中芯国际。那么,台积电和中芯国际有什么区别呢?

目前,台积电已经可以实现7nm芯片的量产,预计将在今年年底的时候实现5nm更高工艺制程的量产,拥有着更好的性能,但是中芯国际目前还只有14nm的量产成绩。说白了,台积电可以代工更高端的芯片,但是中芯现在的实力只能代工中端芯片。 造成这样的重中之因,是更高级别的nm工艺制程需要更精密的EUV光刻机。目前,只有荷兰的ASML公司才能生产EUV光刻机。中芯国际去年向ASML公司订购了一台EUV光刻机,至今仍然没有交付,主要是ASML公司的光刻机也使用了美国的一些技术,由于美国的限制不允许出口给华为。因此,中芯国际想要追赶上台积电的步伐还很漫长,进一步说明了中国芯片制造的路仍然艰难且漫长。

华为中高端机型所需要的芯片都是5nm进程的,所以目前必须依赖台积电的供应。一旦美国制裁生效,台积电就需要得到美国的允许才能与华为进行交易,那华为未来的业务就会大大受到美国的压制。 那这次华为就束手就擒了吗?并没有,一方面,美国升级禁令后,华为还向台积电追加了7亿美元的订单,台积电承诺会完成华为的订单;另一方面,美国新的制裁政策也设定了120天的缓冲期,这就给了双方一个博弈的过程,这其中牵扯了诸多利益,结果仍未可知。美国禁令升级后,华为立马表态:除了胜利,我们已经无路可走。由此,我们感受到了华为背水一战的决心,我们也要相信华为一定能够顺利地度过这次危机。

魏源在其著作《海国图志》中提出“师夷长技以制夷”,一方面我们要认识到我们与西方国家在科技上还存在一定的差距,还要虚心学习,踏踏实实做事;另一方面,我们要进行科技的自主创新,只有自己掌握了核心技术,我们才不会受到大国的压制,才能实现真正的独立自强。

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