中国希望2025年70%的芯片依赖自主生产，目前大约90%的芯片依赖进口，图源Pixabay.com
- 导 读 -
8月22日，在西湖大学工学院主办的 “思享汇” 上，西湖大学讲席教授、副校长仇旻就芯片制造工艺、中国 “芯” 痛进行了深入浅出地剖析，西湖大学工学院院长杨阳，以及李子青、周南嘉等学者也做了精彩的分享。在仇旻看来，中国芯片的未来需要用两条腿走路：一条腿是继续追赶现有技术，另一条腿是把下一代芯片技术的突破口做好。因为 “如果只追现在的芯片技术，可能永远落后别人，当我们把下一代芯片的话语权掌握在自己手上，未来才有希望”。本文由仇旻会上的发言整理而成，仅代表其个人观点。
在演讲之前，我选了很久的题目，希望给各位介绍一点我们在做的研究，又要讲一些大众能听得懂的故事。最近关注度很高的芯片话题正好跟我的科研有很大的关系，跟我们在西湖大学工学院的合作群体也有很大的关系。刚刚李子青老师提到在微纳光学设计上我们有很多合作。实际上，用AI技术辅助设计的光学器件，例如透镜也可以嵌入芯片成为它的一部分。我们近期与一家上市公司合作开发的AI增强现实芯片就是在做这个事情。在 “思享汇” 活动上，嘉宾的主题分享
回到今天的主题，中国 “芯痛” 到底痛在哪里，出路在哪？我们有些自己的思考。芯片我们每天都在用，口袋里只要有电子设备就有芯片，如手机、相机等。手机里面有多少个芯片？大概是20多个，包括电源管理、屏幕控制、存储数据，也包括人脸识别芯片，核心是运算处理芯片。
芯片制造对材料要求非常高
芯片是用什么材料做的？我们现在说的芯片大多是硅芯片，硅芯片从哪里来？为什么用硅，有个很根本的原因，因为硅便宜。硅是地壳和土壤中含量仅次于氧的大量元素。沙子的主要成分是二氧化硅，把硅提纯出来就可以用来做芯片。但实际上制作芯片需要六千多道工序，里面牵涉材料开发、图案加工、测试表征等过程。从材料做成结构，而且逐渐变成三维的结构。在这个过程中，第一步要做材料，要做硅的晶圆片需要高纯度的硅。其实冶炼硅的原理很简单，一根预制棒放到熔化的硅里面，然后慢慢提起来，结晶之后就会形成一个硅棒，越粗越好，因为能做更大的硅片。硅棒切片之后就是硅晶圆片。我们在看新闻时，通常会看到硅片有直径6寸、8寸等等，这是什么概念呢？1英寸是2.5厘米，12英寸就是30厘米，同A4纸的长边差不多大小。实际上，中国一直到近几年才开始生产高端的硅片。现在上海新昇半导体公司已经可以批量生产12寸的硅晶圆片，浙江也有一家企业，金瑞泓，他们可以批量生产8寸硅片。晶圆对硅的纯度要求非常高，通常是9N到11N（也就是百分之99小数点后面有7个9或9个9），几乎不能有任何的杂质。前段时间，苏州新美光发布了国产单晶硅的规划，这对国产替代进口是非常好的一件事情，对未来中国的芯片产业也非常重要。目前，他们已经实现了18寸（450毫米）11N的单晶硅棒。芯片制造工艺为什么这么难？
芯片的地基有了之后，接下来怎么做？我们可以想象一下在玻璃上雕花。我们先在玻璃上涂一层蜡，在蜡上画出美丽的图案，再浇上酸腐蚀，然后再把蜡和酸洗干净，玻璃上就 “刻” 出花纹了。芯片制作工艺简易图，图片来自kuaibao.qq.com
芯片制造的过程其实是类似的，也就是人们经常提起的 “光刻”。先在硅晶圆上匀一层胶，再用波长很短的紫外光曝光，就可以形成一个图案化的模板。我们所说的光刻机，主要作用就是把微纳米尺度的图案印到晶片上。另外，模板做好后还要刻出来。在玻璃上雕花要用酸，这里利用离子把表面的硅材料带走，然后就会留下想要的结构。晶片表面的结构做好后，下一步就是连接金属线，做封装测试。通常一个芯片也就几个厘米见方，因此一片12寸、30厘米的硅片上就可以做出上百个芯片来。这就是为什么晶圆越大越好。封装就是把晶圆切片包起来，让它不受外界材料或者环境的影响。这块工作目前国内已经做的非常好了。芯片制造为什么难？主要难在我们要在一片硅晶圆片上做出几百个芯片，而每个芯片又是由上百亿个晶体管构成。芯片进化的过程就是晶体管不断变小的过程，这就是摩尔定律：芯片可容纳的晶体管数目大约每两年便会增加一倍，性能也将提升一倍。我们通常所说的5纳米、7纳米、14纳米、28纳米，这个数字就代表了晶体管的工艺水平。简单来讲，它指的是电子从晶体管两级流过的距离。当然这个距离也不是随意定的，在工业界有一系列的规定，并且每次工艺水平的提升都需要经历一个过程。距离小到一定程度后，由于量子效应的存在，晶体管的性能也会发生巨大变化。前段时间，全球半导体的龙头企业台积电宣布，最新的5纳米工艺今年已经进入量产。5纳米是什么概念？差不多是10个水分子的距离。为什么要越小越好？第一个原因，更节能。因为晶体管越小，电流穿过晶体管走的路相应减少，功耗也更低。此外，在芯片大小不变的情况下，里面的晶体管数量越多，芯片性能也越高，实际上成本也在降低。我讲一个有意思的例子：1994年，我刚进实验室开始做科研，当时我们实验室买了一台286电脑，那个时候需要2万多块钱，相当于现在至少50万人民币的购买力。当时我的导师从国家自然科学基金委拿到的科研经费一个项目也就几万元，为了买一台电脑，他需要动用好几个项目的经费。
中国 “芯痛”，到底痛在哪里？
为什么我们现在天天在讨论芯片，因为它对于中国太重要了。每年全世界芯片市场产值约4688亿美元，这还是2018年的数据。中国的需求占了全球市场的1/3，我们自己的产能差了很多，需要（大量）进口。那么，这么大的市场为什么没人做，为什么不投资这个领域？因为做这个事情太贵了，不是投资几个亿就可以了，是按照百亿美元的级别来说的，而且投进去后短期很少有产出，投资回报率非常低。那么，为什么别的国家或地区做得那么好？实际上，它们也是从很小的领域开始做，慢慢积累起来的。截至目前，国内在芯片产业上的投入仍然不够，这件事情要做好一定需要国家大力支持，光靠民营企业不可能承担这样大的投入。回到我国的芯片产业，从产业链的角度来说，我们封装和测试是全球做得最好的，现在我们的设计也越来越好。现在华为的芯片设计，在全世界也是做得非常好的，比如他们设计的麒麟芯片。但存在的问题也很突出，我们用的芯片设计软件是国外的，不是自己开发的。我们的芯片制造业还可以，在全世界能排前十，然而同样的问题，这些制造公司用的制造设备大多数都是国外的。如果他们不卖设备给我们，我们就会出现问题。上游半导体设备有光刻机、刻蚀机、生长材料的PVD和CVD等。我们最痛的是什么？就是光刻机。国产刻蚀机比较先进，像北方华创有一系列的设备，14纳米的技术没问题，中芯国际等也在用他们的设备。而国产光刻机呢，国内最领先的上海微电子目前还是90纳米。90纳米是什么概念，相当于国际上2004年的水平。上海微电子预计2021年可以做到28纳米，但仍然落后市场十年。通常我们说起芯片都会提到光刻机，其中一个原因就是它极其昂贵。进口一台光刻机需要上亿美元，实际上它反映了中西方在精密制造方面的差距。我们都知道荷兰ASML的光刻机最顶级，但它的关键零部件是来自于美国、德国、瑞典、法国等国家，是全世界顶尖技术的通力配合。我举一个例子，光刻机能够发展到现在，有一种叫做“浸润式光刻”的技术功不可没。简单来说，就是加工的过程是在水里完成，通过水的折射将光波长缩短。这个 “疯狂的想法” 刚提出来时是被业界所排斥的。抛开水可能带来污染的问题，光是水中产生的气泡就会对光刻结果产生严重影响。另外加工过程中水还不是一直静止的，有时候要高速运动，这个时候还不产生气泡就非常难了。如何让水里没有纳米级的气泡？类似的技术问题如果让我们的大学来解决会怎么样？我们的评价体系主要是考核发表多少篇论文以及多少篇高影响因子论文。这种听来很平淡，可能需要做很多年都出不了 “好论文” 的方向，大学里是少有人愿意去研究的。当然现在好了很多，国家也意识到这种评价体系的弊端，相信未来大学里会有更多的研究组会愿意去重视和解决这些问题。从生产芯片的角度来说，中国大陆现在做得最好的是中芯国际，市场占有率在6%左右，而台积电占59%，台湾同胞确实非常厉害。世界上前十名芯片代工厂中，台湾有4家，中国大陆现在有2家，中芯国际和上海华虹。虽然中芯国际排名第四，但还是有很多东西做不出来，包括一些核心器件。经过这么多年的努力，2019年中芯国际终于实现了14纳米产线。然而，台积电现在已经做到了5纳米，14纳米是他们2014年的事情。在芯片制造上，中芯国际投了非常多的研发经费，占营业收入比例的20%，比台积电以及其他同行都要高。但从投入总额来看，还是比较小的，主要因为它所占的市场还不够大。台积电每年约有200亿人民币的投入，中芯国际研发费用不到台积电的1/4。当然，我也非常敬佩中芯国际，他们愿意投入这么大的比例到研发里面。既然芯片这个行业这么好、市场这么大，为什么少有人做？就是因为生产线越来越贵。从材料生产到光刻、刻蚀、封装，按照月产5万片晶圆估算，5纳米的生产线大约需要155亿美元的投入，如果做到3纳米就要220亿美元。这里面，仅ASML的顶级光刻机就是1.2亿美元一台。2018年，中芯国际想买它，接下来发生的事我们在新闻里面也看到了，ASML的供应商突遇火灾，原定交货计划也被迫延迟。虽然ASML公司表示，绝对不会对中国断供，中国要买多少台都卖，但要取得荷兰政府的同意。据说到目前为止，荷兰政府还没有许可，这是非常遗憾的一件事情。
中国 “芯” 要想赶超，更应该布局未来
所以中国要做自己的东西。虽然我们具备了原材料、晶圆加工、芯片设计等方面的能力，但在核心的光刻机领域我们依然落后。高端的只有ASML一家，市场占有率达到百分之百。对于未来，我们还是要持续资源投入并且重视人才培养。从另外一个角度来说，足够多的时间和资金投入后，台积电的5纳米，我们再过10年也可能做到，那么再往下到了1纳米，量子效应怎么应对？这个时候就更加突显人才的重要性，中国的5G做得非常好，5G专利全世界行业第一，这给我们带来一个非常重要的经验是：我们只追赶人家不够，还要提前布局。3G兴起的时候，华为刚在瑞典设立研发中心，因为当时爱立信是世界老大，2G、3G的核心技术拥有很大的比例。华为那时就开始布局4G，后面又率先布局5G、6G，现在5G技术做到了世界最领先。芯片这个领域也一样，我们要瞄准的是下一代技术。如果只是追赶现在的技术，很可能永远落在别人后面。但是把下一代技术掌握在自己手上，无论是材料生产，还是加工、封装乃至行业标准都由我们来制定，未来我们就是有希望的。现有的技术都是基于0和1的数字化芯片，未来的芯片不一定要这样，它很有可能是模拟芯片，或者是其他类型。从计算能力上来说，人脑是很笨的，只有计算机的万分之一不到甚至更小。但人的处理能力是强大的，人体是模拟芯片，探测的不仅仅是电、光、声，还有触觉等等。把这些技术融合集成在一起，产生下一代的光电芯片，这是我们希望布局的，至少是一条道路。如果比作两条腿走路的话，一条腿是继续追赶现有技术，另一条腿是把下一代芯片技术做好。现在西湖大学工学院在联合国内最先进的企业，筹建一个微纳光电系统集成的工程研究中心，我们希望把不同材料的光电器件集成到一个芯片上，也就是异质异构集成，用这个芯片来做各种各样的应用，如5G、人工智能、物联网等。我们的雄心很大，但能做到什么程度还不知道。我们希望先从几个点开始，瞄准一些卡脖子技术，包括高速电光聚合物材料、高端半导体芯片，三维微纳打印技术，以及光电混合集成技术等。我个人的感觉是，如果集中力量去做，通过几个点的突破可以逐步走到世界前列。这个过程离不开两样东西，一是时间，二是资金。虽然时间就是金钱，但资金投入也很关键。如果 “天时” 和 “地利” 都有，加上国内一批优秀的年轻人，联合有抱负的民族企业，我相信这个事情一定可以做成。