中國晶元「內循環」的前世今生(圖)


晶元 半導體 習近平
回顧一下世界半導體發展過程和中國晶元之路。(圖片來源:Adobe Stock)

【看中國2020年9月27日訊】中國國家主席習近平9月11日在科學家座談會上列舉了工業、農業、能源等等幾個受制於人的方面。工業當中最為典型的就是晶元,這是最依賴別人,也是最容易受制於人的。下面回顧一下世界半導體發展過程和中國晶元之路。

1947年,美國發明瞭晶體管,九年之後,一位美國工程師傑克·基爾比(Jack Kilby,1923年11月8日-2005年6月20日)和另一位美國物理學家共同發明瞭集成電路,把眾多縮小的晶體管集中佈置到一個半導體矽片上,叫大型集成電路,也叫晶元。

硅,又譯矽,是一種化學元素,帶著灰藍色金屬光澤且堅硬易碎的晶體。硅介於導體和絕緣體之間,所以叫半導體,硅經過提純成為高性能半導體材料,是晶元的母體。以研究生產硅為半導體母體晶元的地方,也叫矽谷。所以晶元也叫半導體產業,也叫大型集成電路產業。

發明晶元的基爾比於2000年獲諾貝爾物理學獎。作為運算處理中樞,晶元奠定了現代工業文明的基礎,也揭開了二十世紀信息革命的序幕。可能當時人們並沒意識到這些,因為晶元還比較初級,直到現在,晶元越做越小,性能越來越強大。

晶元之後,美國又有進一步的相關發明,如電腦、因特網、行動電話、智能手機等等,這些共同構成了信息技術革命。所以,這一輪信息技術革命,美國是先驅者,是領導者,如今美國處處主動,處處在上游,因為是技術源發地。在這條縱向產業鏈上,哪一個國家處在下游,必然受制於人。

1958年晶元出現之後的第五年,也就是1963年,日本從美國引進了集成電路。那時日本是二戰後恢復時期,美國對日本採取扶持政策,技術援助。日本的工匠精神,青出於藍。由此,日本半導體產業後來居上,而且大規模推向了民用消費領域。所以在上世紀的六七十年代,日本是半導體產業的領頭羊。

1965年,日韓實現了邦交正常化,日本開始在韓國設廠,韓國把日本從美國引進的技術全盤掌握,某些方面還優於日本。美日韓三國在六七十年代你追我趕,形成了國際性的晶元產業鏈。

1965年,中國意識到發展大型集成電路是非常重要的一件事,但在冷戰時期,中國儘管以研究兩彈一星的體制搞晶元,但直到上世紀80年代初,閉關鎖國,高新技術與發達國家處在斷絕狀態,晶元產業沒有大的進展。

1982年,中國國務院成立了電子計算機及大型集成電路領導工作小組辦公室。這個辦公室從1982年到現在已經將近40年,現在還在,簡稱「大辦」。應該說,近40年來,對晶元不可謂不重視。但國產晶元仍然在全球處在相對落後的狀態,尤其是高性能晶元,缺口巨大,全世界四分之三的晶元市場在中國,但80%左右還得依賴進口。晶元進口額花費外匯超過了石油一倍多。石油進口一千四百億美金,晶元進口花費三千多億美金。

在全球晶元產業鏈上,中國處在中下游。上游的高端技術、核心技術,關鍵零部件,關鍵專利都不在中國手裡。全球晶元產業鏈條上的龍頭企業,目前中國還沒有一個。晶元裡面最典型的內存晶元,目前美國佔全球市場一半,韓國佔24%左右,日本佔10%,歐洲佔8%,中國佔3%。市場地位非常邊緣化。

回頭看,60年來中國晶元的發展,在晶元發明和發展的黃金階段,美日韓歐基本同步,形成全球產業鏈,而中國那時候閉關鎖國。最近十年中國晶元產業已有超過兩千家晶元廠商,可以量產14納米的晶元。

目前,中國和第一陣營美日韓晶元技術迭代,相差至少兩到三代。什麼意思呢?從現在的14納米量產,到可以量產7納米、5納米。最近有報導,台積電未來一年將開始3納米量產。當然,晶元不會無限小下去,按科學家推算,晶元的極限是2納米,這是由硅的分子直徑決定的。

晶元產業有其獨特的內部結構和產業特性。晶元產業鏈分為五個子鏈,或者說晶元產業分為五大行業。

第一,設計。數億的線路如何集成在一起,首先需要設計。晶元設計全球最大的公司是英國ARM,而設計軟體,美國EDA居於壟斷地位。最近晶元產業最大的新聞是美國英偉達要從英國手裡收購ARM,屆時美國在晶元產業上將更加強勢壟斷。

第二,製造,包括成品製作和半成品製作。半成品是晶圓,高純度晶圓基本由日本壟斷,硅的冶煉,日本人可以冶煉到百分之九十點九後面十一個九,然後做成的晶圓是最好的。在晶圓的基礎上再做晶元,大家知道這個行業台積電最大。

第三,封裝測試。將晶元壓縮到一個板子上,進行合格測試。因為晶元的線路和觸點太多,一個地方有萬分之零點幾的差錯,最終結果也是相當大的差錯,所以必須逐個測試。

第四,設備。最精密的EUV光刻機是荷蘭ASML,生產晶圓的設備,在日本,主要是三菱、索尼等企業佔優勢。7納米工藝光刻機目前只有荷蘭ASML能夠提供,售價1億美元以上,有錢還不一定能買到。中國上海微電子能夠生產製作28納米晶元的設備。

第五,輔助材料。包括光刻膠、掩膜版、靶材、封裝基板等等,這些材料目前中國仍是瓶頸。



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