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扬眉吐气!国产芯片迎来新突破,中国自研芯片强势崛起,不容易!

作者:罗灵姣 日期:2023-10-24 09:35:14 点击数:

科技是社会发展的核心,芯片是当代电子科技的生命。

“乾坤日月当依旧,昨夜今朝却异同”,如今的我们生活高速发展的信息时代。便捷的手机、飞速的交通、智能的生活,一切都与百年前的生活大相径庭,

这些巨大的飞跃都来自于芯片技术的发展。

小小的一块芯片上承载了数以亿计的晶体管,通过这些集成电路来进行运算和存储,主宰着电子世界。它们被广泛应用于信息、军事、消费等方面,代表着一个国家最先进的科技水平。

扬眉吐气!国产芯片迎来新突破,中国自研芯片强势崛起,不容易!(图1)

在当下的信息时代,掌握着先进的芯片技术,不仅意味着拥有更好的发展机会,更意味着拥有世界话语权,各个国家都以芯片产业为科技发展的重中之重。

芯片的重要性与日俱增,而我国也出台了许多的支持政策,大力推动了芯片行业的发展。

然而从我国芯片行业的现状来看,先进技术国的压制、研发技术的相对滞后、需求的暴增......这些都标示着中国芯片仍然在面临着困境。

事实上,中国已经在芯片行业上走了很长的时间,从20世纪中期到现在,中国芯片在逐渐崛起。

回顾中国芯片的发展历程,每一个艰难的脚步都是在打基础,我们从来没有停止过对超国际水平的追赶,获得了很多宝贵的经验。

一、中国芯片的崛起历程

中国芯片的发展阶段大致可以分为三个阶段:探索起步阶段、初步发展阶段和转型创新期。

(一)探索起步阶段

1956年至1978年,中国的芯片产业在学习和摸索中慢慢起步。这一时期,全世界的芯片产业大致都处于同一阶段。

1954年,美国最早制造出硅合金晶体管,打开了芯片半导体的新世界。为了追赶国外的半导体科学,我国于1956年把电子元件的研究纳入国家的四大紧急措施之列。

1958年,第一个集成电路在美国的实验室初现雏形;一年后,美国创新出了平面光刻技术,晶体管从双极体跨入了平面型;

在60年代,贝尔实验室研制出了单晶技术、仙童半导体用平面工艺解决了集成电路的连接问题。

扬眉吐气!国产芯片迎来新突破,中国自研芯片强势崛起,不容易!(图2)

20世纪研发的晶体管

美国的半导体工业从起步开始,在十年之间站稳了脚跟,作为世界上最早拥有批次生产能力的国家,美国开拓了芯片制造的前沿。

在这一时期,英特尔、AMD等公司也成立起来,成为世界芯片制造的领袖。

看着美国的快速发展,我国的科学家奋力直追。

1958年,北京电子管厂研制出硅合金晶体管;

1963年,中国科学院半导体研究所研制成平面管;

1975年,北京大学物理系设计出我国第一批三种类型的1Kb DRAM动态随机存储器,标志着我国拥有了独立制造内存芯片的技术。

这一阶段中,国家主导半导体产业的研究,大批的研究机构和电子厂投入建设,对研发和生产实行两手抓的策略;

国内的半导体成品主要是开发逻辑电路,应用在军工服务和计算机制造方面;初步拥有了集成电路产业,也为中国建立了一套横跨院所和高校的半导体人才培养体系。

受到时代环境的制约,我国的半导体产业受国家管制,应用范围有限,民用和走入市场的领域一片空白。在集中管理之下,我国的芯片制造在开始时,就缺少了欧美国家竞争下的多样制造。

(二)初步发展阶段

进入改革开放之后,中国的芯片产业迎来了初步发展。

在国家的支持下,1982年,“电子计算机和大规模集成电路领导小组”成立,1985年,中兴半导体成立,致力于独立研发新的芯片技术。

面对国外电子市场的冲击,为了提高国营芯片企业的效益、促进芯片行业的发展,国家提出了“531战略”、“908工程”、“909工程”等科研战略,致力于在具体的芯片分化领域有所进展。

除此之外,国家还牵头引入了国外的生产线,学习国外的技术。

然而由于芯片技术的快速更迭以及高要求,这一策略并没有达到很好的效果,只有少数的企业抓住了机遇,成为了第一批芯片生产的幸运儿。

对于发展条件不足的民营企业,他们依托国内的低价成本,承接了门槛较低的封装产业,在学习技术的同时进行利润积累,在下游产业链中占据了一壁江山。

原本在这些条件的助力下,距离中国芯片接轨国际水平的目标更进一步。但事与愿违,全球芯片产业的裂变与分工细化打得我们措手不及。

在80年代,国外的芯片企业出现了两种裂变——主攻软件和专注硬件,微软和英特尔作为两个方向的领头羊,选择以合作的方式入手全球市场。

一时之间,便宜好用的芯片大量涌入,将国营芯片企业的受众瓜分殆尽。

而在后续的分工过程中,ARM和台积电又分别占据了芯片生产代工和IP核授权的先机,将芯片产业扩展为设计、生产、封装的不同产业链。

国外的企业有了更多入局芯片产业的机会,领域的细分也提供了高效专注某一方向技术的可能。

在这样的背景下,我国芯片产业在初步发展时期就受到了很大的冲击。原本在第一阶段的五年差距立马扩大了,国内外的发展鸿沟很快就横亘而出。

雪上加霜的是,我国的研发虽然一直在进行,但却始终触碰不到先进技术;西方国家对于生产的保护与垄断,使得中国人才无处可学,只能闭门造车,自行研发可用的技术。

(三)转型创新期

在20世纪的前夕,我国的芯片产业迎来了转型发展的机遇。

1999年,我国提出了“星光中国芯工程”,号召学习了海外先进技术的科学家和爱国企业家一同开拓芯片产业。

中星微电子公司在中关村扎根,建立了数字多媒体芯片技术实验室,致力于芯片的研发和设计。

2001年,“星光一号”在北京诞生,我国拥有了第一颗百万门级超大规模数字多媒体芯片,结束了没有芯片的历史。

“星光一号”不仅在国内得到了好的反响,更是被多个国外知名品牌采用,受到了苹果、飞利浦、戴尔、索尼等品牌的认可。

同一时期,中芯国际、华为海思等企业也成立了,民企成为了中国芯片研制的主力军,发展势头猛烈。

扬眉吐气!国产芯片迎来新突破,中国自研芯片强势崛起,不容易!(图3)星光一号升级版——“星光智能一号”

中国芯片产业搭上了腾飞的时代,一时之间发展迅速。

好景不长,由于风头过盛,中国芯片产业受到了国际芯片巨头的防备与打压,诸如产权诉讼、垄断打压的事件层出不穷。

此外,“汉芯”造假事件骗取了大量的科研经费,引起了国家对民企不规范行为的制裁,对不少民企造成了影响。

这些让大家看到了在发展机遇之下蕴含着的风险,因此积极寻找对策来解决问题。

2015年,国家出台政策,设立芯片研制产业基金,对考察合格的优质公司进行扶持。

这一决策让真正有实力的人才和企业有了发挥的舞台,芯片产业形成了良性的市场竞争,推动了我国的芯片产业创新。

近几年,我国的芯片研发趋势向好,不仅研发出了全球首颗嵌入式,神经网络处理器人工智能芯片——“星光智能一号”,推动了我国进入智能时代;

还提出了智能摩尔之路,从人脑机制的启发中,找到了芯片的三维转型方向。

可以说,中国芯片在20世纪真正开始崛起了。

扬眉吐气!国产芯片迎来新突破,中国自研芯片强势崛起,不容易!(图4)中国芯片集成板

不过,即使在芯片设计和制造方面有所突破,但在芯片的生产上,我们至今也仍然依靠着国外的光刻机,并且在高端芯片制造上,依旧在追赶国外的先进技术。

也就是说,我国的芯片产业链发展不平衡,在例如晶圆代工的环节中,技术上依然存在缺陷,亟待提升;且高端技术掌握程度不高,对进口芯片的依赖很大。

而在过去几十年的发展历史中,芯片产业已经形成了分化细致的全球网络,在任何一个环节的不足都会造成滞后。

尽管我国的企业在努力占据各个细化环节,中国芯片还是在很多方面也受到了制约。

随着我国的芯片技术快速前进,以美国为代表的资本国家开始对中国芯片企业围追堵截,中兴和华为先后受到了一系列制裁,芯片产业的制造交流也对中国关上了大门,中国的芯片科技受到了全面打压。

看懂芯片承载的未来后,我国政府和企业正在齐心协力,共同解决中国芯片制造高端技术缺失和产业链不完整的问题。

中国芯片遇到了新的危机,但在崛起之路上,我们依然在勇往直前。

二、新时代中国芯片崛起之难

芯片制造大致有5个主要环节,生产流程是以电路设计为主导,由芯片设计公司设计出芯片,然后委托芯片制造厂生产晶圆,再委托封装厂进行芯片封装、测试。

目前,中国芯片产业占据了全球市场规模的三分之一,随着5G时代的到来,产业规模还将进一步扩大。

国内的芯片产业分布已形成地域规模,围绕北京、长三角、珠三角等多个中心发展。

在具体的芯片制造流程中,我国在系统方面拥有自主研发的鸿蒙系统;

在设计方面拥有近2000家设计公司,海思和紫光集团占据了全球前十的两个席位;

在封装、测试方面势头强劲,长电科技、华天科技、通富微电长期位列全球前十。

而以上分化环节之外,我国的芯片产业目前还存在许多不足。在晶圆代工方面,我国仅仅在早期的工艺上达到了成熟,在细微新工艺上,依旧在追赶台积电公司;

在制造产业方面,我国的芯片制造还较为滞后,与设计、封测相比,所占的比例相比还很低;在设计IP方面,我国的生态系统建设也进展颇慢,正在等待技术革新。

总而言之,中国芯片在生态和制造环节存在很大的不足,面临着的头号挑战正是芯片的制造问题。造成这一局面的原因有多重。

第一、芯片的制造流程脱节

一片芯片的诞生是涵盖芯片设计、硅片制造、晶圆制造、电子封装、基板互联、仪器设备组装等多重流程的复杂工艺,每一个环节都在生产中占据着重要的作用。

我国的圆晶制造至今依靠引进国外的光刻机,关键的高频射频元器件、化合物半导体等也都需要进口,高端的制造工艺还存在空白,对高端芯片的进口需求极大,与其他环节严重脱节。

扬眉吐气!国产芯片迎来新突破,中国自研芯片强势崛起,不容易!(图5)

第二,芯片的制造技术落后

除了设计需要创新,芯片制造也有高标准。

材料、工厂环境、设备等,都对芯片的成品有直接的影响。芯片是人类目前最顶尖科技水平在材料上的体现之一,国内的相关技术还难以支持优质产品的制造,与国际先进水平差距较大。

我国目前最先进的制程技术还停留在对第一代14 nm的FinFET技术的重大进展,对更为先进的工艺还未触及,甚至很多设备都依赖进口;

而最先进的工艺已经发展到5nm了,与我国形成了巨大的鸿沟。

第三、芯片的制造成本高

芯片制造具有前期投入大、生产周期长、研发费用大的特点,投入金额一般以亿为单位;如此高昂的造价,还需要面对研发困境和市场风险,成功的企业往往要付出超出预期的成本。

第四,外国垄断制裁影响大。为了压制中国的综合实力,将核心科技垄断在自己手中,西方资本国家一直对中国的芯片产业进行封锁。

2018年,中兴企业受到封锁,2019年,华为芯片彻底断供。只要中国芯片有技术上的突破,就会被这些国家使用何种借口诉讼,阻止中国芯片的进一步发展,以达到维护他们的垄断地位的目的。

三、中国芯片走向崛起的根本动力

2017年全球芯片行业十大公司排名,除了台积电中国台湾晶圆代工,中国的芯片公司无一上榜。

作为世界上最大的芯片消费市场,我国的芯片市场交易额高达五千亿,本土生产的芯片仅占据了10%左右的比例。重要的市场和核心的技术依然被发达国家掌控。

中国芯片虽然积累了一些经验,也有了向好的发展趋势,但也需要找对方向,从核心要点入手,提升自身的技术,这样才能真正站起来。

《中国制造2025》提出,2025年我国芯片自给率要达到50%。

工信部提出的相关实施方案则提出,10年内力争实现70%芯片自主保障且部分达到国际领先水平。这意味着国家依旧会给予芯片产业最大程度的支持。

事实上,我国的企业在自主研发的同时也在走互帮互助的路线,华为、紫光、中兴等27家企业成立了“中国高端芯片联盟”,合作追赶世界先进水平,我国的芯片专利数量已经有了可喜的增长。

扬眉吐气!国产芯片迎来新突破,中国自研芯片强势崛起,不容易!(图6)

从眼下来看,只有认清不足之处、完善相关的保障、提出替代方案,才能解决当前的困境;而从长久考虑,需要完善产业链建设、通过创新研发能力、培养人才储备,才能取得中国芯片的胜利。

首先,中国芯片在设计和封测环节已经取得了较好的发展成果,但制造环节仍有发展空间。近年来,芯片设计领域异军突起,在整个行业中贡献同比增长最快;

封测产业具备规模和技术基础,基本已掌握最先进的技术;而制造所需的光刻机依旧依赖进口,因此,必须把握核心,对制造产业进行重点突破。

其次,制定芯片生产备份方案,对于受到国外垄断的重要设备和零部件,需要事无巨细的考虑,解决好生产环节中的后顾之忧。对高端的机床、仪器、芯片等等,都要保障生产顺利进行。

再者,要保障芯片产业链的连续性。

做到芯片设计、制备工艺、制造、封装测试等领域突破“卡脖子”技术,不断完善产业生态,提升产业链核心竞争力和控制力。

最后,也是重中之重的部分,要切实提高自主创新能力、增大人才储备。打铁还需自身硬,中国芯片目前遇到的难题,归根结底都是源于我国的芯片技术落后、可用之人不足。

只有掌握先进技术、培养可靠人才,加快关键设备的生产技术、提高仪器精度、建立独立的研发体系,才能尽快实现中国人制造中国芯,打破受制于人的局面。

结语

随着5G和AI的兴起,中国迎来了新的发展机遇。

尽管眼下中国芯片的发展遇到了阻碍,但回顾中国芯片的发展历程,这条崛起之路从来都不是一帆风顺的。

所有的机遇都与挑战相伴,如果上世纪没有举步维艰的困境,或许我国的核弹和原子弹也不会很快的制造出来。

同理,中国的绝大多数科技都是在曲折中摸索出来的,今天的芯片产业也不是我们遇到的首次挫折了。

从之前积累的经验和当时对于时局的思考中,中国芯片面临的问题已经显而易见了,需要做的就是紧抓制造不足进行突破。

雄关漫道真如铁,而今迈步从头越。如今遇到的问题只是暂时的阻碍,国家和企业都已经用行动表明了攀越的决心,中国芯片的崛起已然在路上了。



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