为什么一个国家不能“独立自主”制造芯片？ | 循迹晓讲
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作者：颜方平
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日前，一则“国内唯一光刻机已被抵押”的新闻传遍网络。这台被抵押的光刻机所有权在武汉弘芯公司，成立于2017年11月。
公司成立之初，就请来了曾经在台积电任职十多年的蒋尚义担任首席执行官，不仅如此，还以三倍年薪从台积电挖来了大批技术和管理人员，据说平均年薪都达到了200万人民币以上。
然而，不到三年，武汉弘芯项目就不得不停摆，不仅没有造出一块芯片，连后续投资都无法到位，最终落得个最重要的资产——光刻机被银行抵押的下场。
除了武汉弘芯之外，还有济南泉芯、德淮半导体等，也差不多是相同模式构造，差不多相同原因停摆。
到今天为止，除了举国之力搭建的中芯国际已经相对成熟，各地雄心勃勃，耗费了大量资金和人力物力上马的芯片项目几乎全部失败。
无论是武汉弘芯、泉州泉芯、德淮半导体，它们的主要运营模式都是类似的，即政府主导项目，划拨土地，并在先期垫资；国内知名投资人参与合作，负责联络资本、人才和技术，后期将政府垫资补齐；高薪挖掘国际知名芯片企业的管理和技术人才负责研发和生产。
乍一看，这是个非常好的建设方案，政府手里有土地，有一定的资金；投资人有人脉；高薪挖来的人才有技术。
三方的有机结合，形成政府引导、社会投资、专业运作的良好局面，既能够充分发挥市场主体的积极性，又能够更好发挥政府职能，充分调动资源，共谋发展大局。
这也正是那些深宅大院里的领导们每天在下级和秘书送上来的“材料”中不断重复的语句，并对此深信不疑。
那么，这么“好”的方案，为什么就是做不成功呢？
▲泉州打造的“中国芯谷” 半导体高新技术产业园区 图源于网络
武汉弘芯项目，总投资高达200亿美元，折合人民币约1400亿。湖北省2019年一年的一般公共预算收入是3000亿左右，其中武汉一市占一半，为1500多亿。
光一个武汉弘芯项目，投资额就达到了武汉市全年的财政收入、湖北省全年一半的财政收入，如此巨大的投资项目，光在资金层面就十分困难。
为此，政府在前期垫付了部分启动资金，一共200亿左右，完成土地划拨、厂房建设等前期配套。政府原本希望，土地和厂房起来之后，可以筑巢引凤，一方面吸引社会资本投入，另一方面土地和厂房也可以向银行抵押贷款，最终凑齐所需要的1400亿投资。
然而，“社会投资”不是停留在领导们的“材料”上的名词，而是真金白银，去哪里弄来这么多真金白银呢？
▲该公司主要对外投资 图源于网络
武汉弘芯项目的主要投资方为“北京光量蓝图科技有限公司”。
从网上公开的资料来看，该公司的注册资金18亿元，但是控股超过一半的大股东李某艳，此前都只有认缴资金数百万的控股和参股纪录，且这些企业即便都与半导体行业无关。
▲李某艳的个人图谱 图源于网络
从武汉弘芯项目的推进历程来看，在完成了政府前期垫资之后，所谓的“社会资本”就几乎没有一文钱进账，不仅无法开展弘芯项目的后续投资，甚至连厂房建设承包商的工程款都拖欠了。
先不要忙着谴责，那些所谓“社会资本”都是打着“国家战略”旗号的骗局，关键问题是，为什么明摆着不太可能完成的所谓“投资”就能够取得如此重大项目的投资主导权，为什么真正有资金、有实力的企业和投资人根本就对这些“国家战略”的项目毫不感冒？
▲该公司官网上效果图 图源于网络
还有，即使武汉弘芯项目真的完成了那么多投资，假设我们所熟知的国内大企业、大资本，都全心全意参与到这个项目中去，它就真的能够作出芯片吗？
▲2018年全球晶圆代工产业销售格局 图源于网络
我们熟悉的中芯国际，通过20年的发展，营业额数十亿美元，占全球纯晶圆代工市场份额的6%，位居全球第四位。然而，它的最小芯片制程至今只有14纳米级，并且还处于客户导入阶段。
我们所熟知的苹果A系列、高通骁龙等，它们的品牌苹果、高通都只是设计方，而不是制造商。
芯片的学名叫集成电路（Integrated Circuit），设计芯片被称为IC设计。设计者使用硬体描述语言（HDL）将集成电路描写出来，常使用的 HDL 有 Verilog、VHDL 等，藉由程式码便可轻易地将一颗IC的功能表达出来。
通过芯片设计软件，完成这一步并不难，所以国内一些厂商得以紧跟世界先进水平，设计出性能不错的芯片。
▲苹果A14芯片采用台积电最新的5nm工艺制程，在提升性能的同时大幅度降低功耗。A14在晶体管数量上达到惊人的150亿个，较上一代A13芯片，A14在性能上将提升50% 图源于网络
设计好的集成电路是一种层叠结构，在极小的载体表面层叠出复杂的电路系统。其中电路部分由金属组成，承载这些电路的载体则是硅片。硅片是晶体材料切割成的圆片，也叫晶圆。
一块集成电路的制造分四个步骤，分别是金属溅镀、涂布光阻、离子蚀刻、光阻去除。
▲芯片制作流程 图源于网络
首先，将组成电路的金属材料均匀洒在硅片上，形成一层金属薄膜，这一过程叫做金属溅镀，然后将能够阻挡光源的材料铺放在晶圆片上。
我们知道，芯片上的电路是一种层叠结构，而非平铺，集成电路的设计图是按照层叠的顺序一层一层堆叠起来的。每一层堆叠的电路图又被称作“光罩”，有电路的地方无法透光，没电路的地方光束可以透过，故称“光罩”。
透过光罩的光束打在阻光材料上，就可以把不要的部分破坏掉，再以化学药剂将被破坏的光阻材料洗去。
此时，需要组成电路的金属处于光阻材料的保护之下，不需要的部分则暴露出来。下一步将使用离子束对金属材料进行蚀刻，受到光阻材料保护的部分不会被蚀刻，暴露出来的部分会被蚀刻，剩下的金属就会组成电路图描画的形状，一层电路就制作出来了。
最后，再使用去光阻液把剩下的光阻材料溶解掉，就大功告成。
▲通过紫外线照射，把预先设计好的电路图，刻到光刻胶层 图源于网络
一块小小的芯片上，集成的电路太多，以至于电路的每一个元件都必须非常小，否则芯片电路将会十分巨大。
芯片越小，体积就越轻薄；小小的芯片中塞入的电路元件越多，同样大小的芯片电路就越复杂，运算能力就更强；而由于电路多而元件小，电阻也会更小，芯片就更省电。
目前芯片上的电路大小是纳米级别，有14纳米、7纳米、5纳米、3纳米甚至2纳米等。
不过，如此小的元件大小，会遇到物理问题。
因为电路与电路之间需要有绝缘体，就像我们的电线必须包一层绝缘胶皮否则就会漏电一样，早期芯片上的元件是通过电路之间的二氧化硅层来绝缘的。
▲从沙子中提炼高纯度二氧化硅，制造出硅锭，之后再用切割机切割成薄片，也就是晶圆（Wafer）图源于网络
当元件缩小到60纳米左右的时候，二氧化硅绝缘层就会漏电。工业界研究出了是使用一种高介电常数（high dielectric）的材料, 以金属铪（Hafnium）氧化物为基础，取代二氧化硅作为绝缘层。
集成电路的电子元件是场效应晶体管（FET），由源极（Source）、柵极（Gate）和漏极（Drain）组成。
栅极可以被认为是控制一个物理栅的开关，可以制造或者消除源极和漏极之间的沟道，从而允许或者阻碍电子流过。如果受一个外加的电压影响，电子流将从源极流向漏极，达到控制电流的效果。
当元件缩小到20纳米左右的时候，由于元件导电的阈值电压不断下降，元件的源极、栅极和漏极压差也极小，元件便不再有明显的源极和漏极区别，电流就不再通过栅极的控制，从源极流向漏极，看起来就像是元件漏电了。
这种效应叫做“沟道漏电效应”。
▲FinFET晶体管结构 图源于网络
为了解决这个问题，业界提出了FinFET的设计概念，在三个侧面用栅极把晶体管包住，使得源极和漏极的任何通道离栅极都不会太远，保证栅极的控制能力，减弱短沟道效应带来的漏电现象。
因为这一设计的形状像鱼鳍（Fin），所以也被称为FinFET。
当集成电路的元件缩小到10纳米以下，又面临新的问题。
因为1颗原子的大小约为0.1纳米，在10纳米的情况下，一条线只有不到100颗原子，不仅在制作上相当困难，而且只要有一个原子的缺陷，比如有原子掉出或掺进了其他原子杂质，都会极大影响产品的良率。
我们看到，当工艺到了极限的时候，其实是现有的结构、材料和设备性能到了极限。
为了解决这些瓶颈，就必须引入新的材料或结构来克服传统工艺的局限性，这都有赖于基础学科的雄厚实力和强大的创新能力。
▲张忠谋，1931年7月10日出生于浙江宁波，台湾积体电路制造股份有限公司（台积电）创始人，被誉为“芯片大王”、台湾“半导体教父” 图源于网络
每一代芯片工艺的复杂性和成本都在上升，现在还能够支持最先进工艺制造的厂商已经只剩下“三家半”，三家是指Intel、台积电、三星，GlobalFoundries由于只具备10纳米制程的芯片制造技术，业界只把它算作半家。
台积电的创始人张忠谋曾经在美国的德州仪器公司工作，曾经做到了公司半导体业务的副总裁，但终因理念不同于1983年离开德州仪器，回到台湾创业。
张忠谋认为，未来的世代是半导体的世代，一切消费电子领域都依赖半导体。张忠谋时任台湾工业技术研究院院长，联合了荷兰飞利浦电子公司合资成立了台湾积体电路公司，简称台积电。
台积电最初的半导体技术主要来自台湾当局出资1000万美元引进的美国RCA技术转移计划。
张忠谋设想，由于技术和资金实力都不充足，新成立的台积电应当专门从事半导体代工，为下游厂商接单生产芯片。这一代工模式，为台积电所首创。
当时半导体产业尚处于起步阶段，所需的技术要求和投资要求都不算太高，这也是张忠谋得以一展才华的历史机遇。创立之初，遭遇了全球电子领域的低谷，订单稀少，但张忠谋始终坚持创业的目标，领导公司挺过了初创的艰难时期。
▲英特尔CPU性能排行 图源于网络
而从初创时期到二十一世纪初，英特尔是当仁不让的行业翘楚。
之前提到的高介电常数材料、改进设计的晶体管，此类技术创新都是由英特尔来完成。英特尔之所以能做到这些，完全依赖美国雄厚的基础科学研究实力和强大的创新能力。
美国的科技实力何以至此，也已经是无需论证的常识，此处略去不表。
从2005年左右开始，台积电的技术实力开始超越英特尔。晶圆代工行业毛利率很高，台积电从初创开始，就始终保持了充足的资金流。
台积电的大量技术人员都在美国受过高等教育，台湾地区与世界发达国家群体互相信任的关系，又让台积电获得了得天独厚的科研成果基础。
除此之外，就是张忠谋塑造的低调专注的企业文化。台积电从不进行商业炒作，也不搞多种经营，几乎全部实力都投入了芯片制造技术的研究中。
值得注意的是，未经证实的消息显示，武汉弘芯项目从台积电挖掘的人才给到了200万人民币的年薪，是台积电的三倍，也就是说台积电的顶尖技术人员年薪也就数十万人民币，可见专注和付出，并不是光用钱就能买到的。
台积电虽然是世界首屈一指的芯片生产企业，但生产芯片所需要的设备，台积电乃至整个台湾地区却不能自行生产。
生产芯片需要使用光刻机，在介绍芯片生产过程的时候，我们提到需要让光束透过光罩打在涂抹了阻光材料的晶圆表面，将不需要的部分破坏掉，再进入下一步的离子蚀刻阶段。
光刻机就是能够发出光束破坏阻光材料的一种机器，在芯片制造中至关重要。
生产光刻机需要先进和强大的光学和电子工业基础，世界上只有少数厂家掌握配套技术，因此光刻机的价格十分昂贵，通常在数千万到数亿美元一台不等。
武汉弘芯项目被抵押的光刻机是荷兰ASML公司在 2015 年推出的，光源波长为193nm，属于DUV光刻机。
荷兰ASML公司生产的光刻机最先进的是波长为13.5纳米的EUV光刻机，卖给武汉弘芯的这台DUV光刻机在技术上与最先进水平还有较大差距。
2004年以前，最优秀的光刻机是由日本的尼康生产的干式光刻机。台积电的优秀技术人员林本坚在2002年研究出以水作为介质的193纳米浸润式光刻技术，带来技术革命，宣告了干式光刻机的死刑。
当时光刻机巨头尼康、佳能都拒绝采用林本坚的技术生产湿式光刻机，却被荷兰的ASML看到了机会，与台积电合作，浸润式光刻技术同时成就了ASML和台积电。
其实，ASML也只是技术链条上的一环。
EUV光刻的光源，需要激光系统技术；镜头需要物镜系统技术；精密制造需要工作台技术。
▲ASML上游供应商主要以半导体及设备厂商为主，包括信邦电子、公准精密、光罩等 图源于网络
镜头几乎由德国的蔡司垄断，激光技术在美国Cymer手中，工作台技术由几家德国公司掌握，ASML的核心技术只不过占光刻机的不到百分之十。正是由于全球化的分工和各国的通力合作，才能成就光刻机，成就整个半导体产业。
产业链中的每个核心技术持有人都可以随时切段供应，相当于“一票否决权”。
可是几乎没有一个环节会这么做。
因为半导体产业所需要的成本由大家分摊，利润的蛋糕由大家分享，很好的体现了现代产业分工的优越性。
而每个环节也都明白，如果放弃自身的核心竞争力优势，不断觊觎他人的领域，希望由一个国家、一家企业把整个产业链“包圆”，其结果必然是得不偿失，并且会遭到全部产业链所有环节、所有企业、所有国家的一致抵制。
这就是全球化的分工和制衡的奥秘。
历史证明，任何希望打破其他环节对本环节的制衡，希望所有环节都具备“自主知识产权”的努力都将以失败告终，包括世界上技术实力最强大的美国，也逃不出这个规律。
美国一些半导体公司为了与ASML竞争，曾经由Intel、IBM等公司合作扶持了一家叫做XTAL的光刻机生产企业。
2018年，ASML诉XTAL侵犯知识产权，获得胜诉。XTAL也因此破产，大部分资产被ASML公司以冲抵赔偿的形式兼并。
如果只谈产业链上掌握核心技术的各环节之间的平衡共处，也不尽是全部事实。
美国、荷兰和日本等国，联合实施了对生产先进芯片所需要的设备的严格多边出口管制。
这些国家几乎垄断了先进的芯片制造设备，有针对性的出口管制将继续促进彼此往来。受到管制的包括伊朗、朝鲜等国，其中就包括ASML生产的最先进的13.5纳米光波的EUV光刻机。
▲关于芯片的爽文不断冲击人们的G点 图源于网络
而技术水平较低的DUV光刻机则不在出口管制之列。
对于受到管制的国家来说，有三种方案来应对。
一是研发出半导体行业某一环节的关键核心技术，加入到半导体产业链当中去，成为不可或缺的一环，自然也就有实力制衡其他环节；二是尽可能发展与上述国家的友好关系，不仅有贸易利益，更要在价值观上与其相近，做他们值得信任的伙伴；三是完全撇开现有产业链体系，争取自己从无到有发展出整个半导体产业链。
第一种方案虽然有一定的可行性，但是对于技术能力的要求太高，目前除了已经掌握先进技术的国家之外，其他国家暂不具备这样的能力。
第二种方案是比较简便、投入最小的，但同时也是被管制国家最不愿意采取的。第三种方案就是“武汉弘芯模式”，正在失败，且屡败屡行。
为什么总是第一个想到“什么东西都要自己搞”，这不是本文要讨论的问题。
总有那么一伙人，始终觉得科学研究不是什么难事，只要投入大量的金钱、大量的人力，并且封闭起来，让他们专心致志，就一定能搞出高科技。
这一观点在很多人头脑中根深蒂固，他们最喜欢拿出来说的就是原子弹、氢弹和卫星。
其实，原子弹究竟是怎么搞出来的，跟他们的理解恰恰相反。
原子弹绝不是靠一群人封闭起来，要钱给钱，专心致志，就搞出来的。而是依靠苏联遗留的部分研究基础和在美国接受核物理教育的一批顶尖科学家。即使是苏联和美国，他们搞原子弹，也不是完全靠自己，而是建立在已经成型的人类物理科学大厦之上。
原子弹如此，半导体更是如此。
没有美国转让的技术基础和大量美国培养的技术人才，台积电一万年也搞不出芯片技术。
可笑的是，人们把对原子弹研制过程的错误认识当作所谓“集中力量办大事”的“优势”，那么美国没有“集中力量”，却办成了大得多、多得多的“大事”，岂不是更有优势？
长期以来，对于国际高技术的追赶，我们都是采取逆向研究的办法进行。
1977年，中国研制出了所谓DJS-050半导体控制器，使用31块分离元件代替微控制器，实现了电路控制功能。
▲DJS-050微型计算机-安徽电子科学研究所 图源于网络
这种半导体控制器并不是现代意义上的集成电路，只是因为没有能力生产集成电路而采取的替代方案，一定程度上接近集成电路的运算能力。
为了研制出集成电路，购买了一些国外芯片来进行复制。
主要步骤是把封装外壳腐蚀掉或者磨掉，让芯片暴露出来，用染色的方法让不同材料和尺寸的电路元件呈现不同颜色，一层一层拍照记录，再将多层照片叠加，搞清楚电路的结构。
早期芯片层次较少，要实现这一步依靠手工拍照时可以做到的。最后再将电路设计整理下来，绘制成图纸。
制造是最难的，因为没有自动化的设备，即使国外也只能使用半自动蚀刻设备，中国的仿制者完全是手工制造，每一个仿制的芯片都可以看作是一块手工艺品。
▲逆向研发后，就成为了“中国微机的摇篮” 图源于网络
这种手工作坊式的生产，可能连“生产”都谈不上，又怎么谈得上“芯片技术迅速发展”？手工生产方式落后，良品率极低，连续生产几百片，能用的就几片。
从70年代末到80年代开始，计算机体系结构的蓬勃发展，尤其是Microarchitecture（微结构）的广泛使用，导致手工生产芯片的工作方式对于复制高集成度的芯片越来越力不从心。
老一代熟练工根本无法再以同样的手法“拆解”新一代的Intel的芯片，更谈不上复制了。也恰好是此时，由于改革开放、中美建交，我国能够大量从国外进口芯片，这种手工作坊就完全退出历史舞台了。
▲汉芯事件（Hanxin events）是指2003年2月上海交通大学微电子学院院长陈进教授发明的“汉芯一号”造假，并借助“汉芯一号”，陈进又申请了数十个科研项目，骗取了高达上亿元的科研基金。 图源于网络
简单来说，这一整套生产方式是落后的、手工作坊式的、非常具有农耕时代特色的，到了体系结构蓬勃发展的时代直接被淘汰了。
延续这套生产方式绝不可能跟上当时世界先进水平快速发展的脚步。中国真正进行“自主设计”已经是快21世纪了，也就不存在什么上世纪六七十年代“独立自主”发展半导体产业的神话。
简单来说，一个初中数学都没有学好的人，一定要学高等数学，也不是不可以，但直接把他人做的高等数学卷子拿来抄答案则是万万不可能的。
虽然“独立自主”始终只是神话，却又有一大批人对此深信不疑。
在这样的长官意志之下，借着各种“战略”、“规划”的东风兴起了大批项目。尽管长官们也曾经指示过，“功成不必在我”、“十年磨一剑”，可是实际执行的过程中却总是秉持着大干快上、“亩产万斤”、“放卫星”的思路来进行。
这也就是武汉弘芯们的真实面目，以及从来没有投资过半导体产业的投资人能够取信于政府的根本原因。
所以，明明国内的政策、资本对IC的倾斜与韩国等国家当初的政府扶持也没有太大差别，但产生的乱相总比成果多得多。
说到底，整个产业思路和科研体制需要重整，从头开始搭建高水平的人才培养体系、技术研发平台，才是发展高科技的正途。
（完）
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