在日常生活中，人們會用到手機、電視機、電腦、汽車等產(chǎn)品，芯片就是這些產(chǎn)品的“大腦”。今年9月3日，美國商務(wù)部長在接受美國媒體采訪時稱，會繼續(xù)每年向中國出售數(shù)十億美元的芯片，但“不會向中國出售最頂尖的芯片”。其實早在2022年10月，美國就已公開宣布對中國芯片行業(yè)實施制裁措施，禁止其他地區(qū)向中國出口半導(dǎo)體和芯片制造設(shè)備。

針對中國的一系列芯片出口管制措施，使得中美兩國在芯片領(lǐng)域的交鋒逐漸白熱化。一個小小的芯片為何會在國際上引起軒然大波？芯片的設(shè)計制造到底難在哪兒？今天我們就來跟大家說一說這小小芯片的故事。

1 現(xiàn)代信息技術(shù)的基石

芯片是由半導(dǎo)體材料制成的集成電路，是現(xiàn)代信息技術(shù)的基石。根據(jù)芯片種類用途的不同，芯片中可以包含海量的微小晶體管、電阻和電容等元器件。

芯片的起源可以追溯到20世紀(jì)中葉，業(yè)界普遍認為是美國德州儀器公司的工程師杰克·基爾比發(fā)明了世界上第一個集成電路。1958年，基爾比在一塊硅片上成功制造了幾個晶體管，并將它們連接在一起，實現(xiàn)了信息的處理和存儲功能。這個里程碑式的發(fā)明引發(fā)了集成電路技術(shù)的革命。2000年，杰克·基爾比因發(fā)明集成電路的成就被授予諾貝爾物理學(xué)獎。

隨著集成電路的發(fā)明和發(fā)展，芯片技術(shù)經(jīng)歷了數(shù)十年的持續(xù)進步，新的設(shè)計制造方法和材料不斷推出，集成電路單位面積上容納的晶體管數(shù)量越來越多，芯片設(shè)計生產(chǎn)的自動化程度也越來越高。這意味著科學(xué)家和工程師能用更多的元器件，更方便地設(shè)計出高性能的復(fù)雜芯片產(chǎn)品，有了更聰明的芯片“大腦”，電子設(shè)備的性能也隨之大幅提升。

1971年，英特爾公司設(shè)計并生產(chǎn)了世界上第一款商用微處理器4004，集成電路邁入處理器時代。處理器是一種將控制單元、計算單元和存儲單元集成在一起的芯片，通過運行指令序列來執(zhí)行復(fù)雜的計算控制任務(wù)。處理器是現(xiàn)代計算機的核心，因此又被稱為“中央處理器”，它的出現(xiàn)使得計算機制造成本大幅降低，計算機開始走向小型化，走入千家萬戶，為現(xiàn)代信息技術(shù)的普及和發(fā)展創(chuàng)造了條件。

隨后的幾十年，芯片技術(shù)和工藝不斷進步，元器件的尺寸越來越小、性能越來越高。到20世紀(jì)末，芯片制造工藝進入納米時代，運算處理能力飛速增長，為移動通信、互聯(lián)網(wǎng)、人工智能等領(lǐng)域的躍變式創(chuàng)新奠定了堅實的基礎(chǔ)。從5G通信網(wǎng)絡(luò)到ChatGPT等人工智能大模型，芯片技術(shù)的發(fā)展帶動了信息產(chǎn)業(yè)的全面高速發(fā)展，徹底改變了人們的生活方式。

日常使用的芯片可以按照處理信號的不同方式分為兩大類：數(shù)字芯片和模擬芯片。數(shù)字芯片基于數(shù)字邏輯設(shè)計和運行，用于處理離散的數(shù)字信號。在數(shù)字芯片中，單位信號通常只有0和1兩種狀態(tài)，而0和1的不同組合就構(gòu)成了數(shù)字芯片中處理的各種信息。手機、家電、智能設(shè)備中的處理器芯片以及現(xiàn)在非?；鸬娜斯ぶ悄芗铀倨餍酒?，都屬于數(shù)字芯片的范疇。而模擬芯片用于處理連續(xù)的模擬信號，種類繁多，在生活中同樣隨處可見。以手機為例，其中的電源管理芯片、射頻芯片、濾波器、音頻放大器等都是模擬芯片。

芯片還可以按照用途分為處理器芯片、數(shù)字信號處理（DSP）芯片、AI加速器芯片、存儲芯片等。處理器芯片是各種電子產(chǎn)品的核心，從數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器到手機、平板設(shè)備，再到智能家電，它們的“大腦”都是處理器芯片。DSP芯片一般用于特定領(lǐng)域的信號處理和計算，從北斗衛(wèi)星到合成孔徑雷達，都有DSP芯片在大顯身手。就在不久前，ChatGPT大模型的誕生掀起了又一輪人工智能熱潮，大模型計算需要消耗大量的計算資源和能源，AI加速器芯片就是專門為人工智能運算設(shè)計的芯片，它能夠用較低的耗電實現(xiàn)人工智能運算性能的大幅提升。存儲芯片則用于各種電子設(shè)備存儲數(shù)據(jù)，內(nèi)存條兩面排列整齊的一顆顆黑色的芯片顆粒就屬于存儲芯片。

總之，不同種類的芯片，從架構(gòu)設(shè)計到底層晶體管實現(xiàn)的差別極大，但它們共同構(gòu)筑了這個千姿百態(tài)的信息社會的基石。

2 設(shè)計制造產(chǎn)業(yè)鏈已全球化

作為現(xiàn)代信息技術(shù)的基石，芯片看起來很小，內(nèi)部卻非常復(fù)雜。所以，芯片設(shè)計制造的產(chǎn)業(yè)鏈極長，覆蓋了包括芯片架構(gòu)設(shè)計、邏輯設(shè)計、物理設(shè)計、EDA工具開發(fā)、芯片制造、封裝測試等多個環(huán)節(jié)，如果再算上源頭設(shè)備光刻機的制造，芯片設(shè)計制造產(chǎn)業(yè)鏈橫跨全球幾大洲，涉及數(shù)千家上下游企業(yè)。

客觀地說，在過去50年間得益于芯片產(chǎn)業(yè)鏈的全球化，不同國家和地區(qū)可以充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，共同推動全流程芯片技術(shù)的快速發(fā)展。

芯片設(shè)計是芯片產(chǎn)業(yè)鏈的第一環(huán)，包括芯片的架構(gòu)設(shè)計、邏輯設(shè)計、物理設(shè)計、驗證測試等環(huán)節(jié)。在設(shè)計領(lǐng)域，以美國為代表的西方發(fā)達國家有先發(fā)優(yōu)勢，擁有一些全球知名的芯片公司，如英特爾、AMD、高通、英偉達、ARM等。

進入21世紀(jì)后，我國芯片產(chǎn)業(yè)進入高速發(fā)展期，芯片設(shè)計能力突飛猛進，在處理器設(shè)計領(lǐng)域，以龍芯、華為、飛騰、申威、兆芯、海光等為代表的芯片設(shè)計公司在處理器設(shè)計能力上已基本追趕上國際先進水平；在AI加速器設(shè)計領(lǐng)域，寒武紀(jì)等公司的設(shè)計技術(shù)已處于國際領(lǐng)先水平。

然而，當(dāng)前芯片設(shè)計從仿真、電路綜合、布局布線到驗證測試，幾乎全流程都需要EDA工具，即電子設(shè)計自動化軟件的支持。原因是現(xiàn)代芯片設(shè)計動輒包含上億晶體管，過于復(fù)雜的結(jié)構(gòu)使得芯片無法像幾十年前那樣，僅靠工程師手工設(shè)計就能搞定，EDA工具變得必不可少。

目前，全球EDA市場基本被3家歐美公司壟斷：Synopsys、Cadence和西門子EDA（原為美國公司Mentor，后被西門子收購）。近年來，我國科研人員也一直致力于國產(chǎn)EDA工具的研發(fā)，現(xiàn)已能夠在小規(guī)模芯片設(shè)計中實現(xiàn)替代，從技術(shù)發(fā)展趨勢來看，實現(xiàn)EDA工具完全的國產(chǎn)替代只是時間問題。

3 芯片制造有3種主流模式

芯片設(shè)計完成后會得到版圖，并送到芯片制造工廠。制造工廠根據(jù)版圖進行芯片制造，首先需要制造出一個大圓盤，叫作晶圓，再經(jīng)過掩膜、光刻、刻蝕、摻雜、薄膜沉積、清洗、切割等一系列制造工藝流程，形成裸芯片。從商業(yè)角度看，目前芯片制造有很多種模式，比較主流的有IDM 模式、OEM 模式、ODM 模式等，通俗地說，就是“自給自足”“代工”“貼牌”3種模式。

具體來說，IDM 模式是指芯片制造企業(yè)自身是一個從芯片設(shè)計、晶圓制造到封裝測試等全產(chǎn)業(yè)鏈自給自足的半導(dǎo)體公司，大家比較熟悉的英特爾、三星、海力士、英飛凌、美光等都屬于這一類，其制造生產(chǎn)線通常只用于滿足自身的需求，基本不提供對外代工。

要知道，建設(shè)和維護一條芯片生產(chǎn)線的成本是極高的，通常是數(shù)十億美元起步，而且這種投資并非一勞永逸，后期持續(xù)不斷投入的制造工藝研發(fā)和生產(chǎn)線運營花費也極為昂貴。所以，選擇這種芯片制造模式的一般都是國際芯片產(chǎn)業(yè)中的巨頭，通過一定程度的芯片市場壟斷來保證芯片出貨量，以對沖生產(chǎn)線閑置可能帶來的巨大成本浪費。普通芯片企業(yè)受終端市場需求變動以及企業(yè)自身經(jīng)營狀況影響較大，如果采用IDM模式，僅依賴自身產(chǎn)能需求想收回生產(chǎn)線投資非常困難，這也是目前我國IDM 企業(yè)不多的原因。

事實上，隨著制造工藝的快速迭代和優(yōu)化，面對昂貴的制造工藝研發(fā)和生產(chǎn)線運營花費，即使是老牌IDM 國際芯片巨頭也面臨著巨大的運營成本壓力——2019年10月，AMD宣布完成旗下制造工廠的分拆，將制造廠的控股權(quán)賣給了阿聯(lián)酋的Mubadala公司；英特爾則選擇與頭部代工企業(yè)臺積電等聯(lián)合開發(fā)新的工藝生產(chǎn)線；三星等企業(yè)甚至開始嘗試對外代工，以對沖成本。

另一種芯片制造的主流模式OEM 俗稱“代工”模式，即上游設(shè)計企業(yè)完成全套設(shè)計后，將產(chǎn)品版圖發(fā)給芯片制造企業(yè)，由制造企業(yè)進行制造生產(chǎn)，生產(chǎn)出的芯片原始設(shè)計企業(yè)仍擁有完全的知識產(chǎn)權(quán)。相比IDM 企業(yè)，代工企業(yè)采用徹底開放制造平臺的模式，面向全球芯片設(shè)計企業(yè)提供制造服務(wù)，既維持了生產(chǎn)線的多樣化，也保證了生產(chǎn)線的滿負荷運轉(zhuǎn)，消減了空置風(fēng)險。代工模式應(yīng)用非常廣泛，目前AMD、ARM 等許多國際知名芯片企業(yè)都選擇代工模式生產(chǎn)。在全球代工領(lǐng)域，中國臺灣地區(qū)、韓國和中國大陸等占據(jù)較為頭部的市場地位。

隨著信息產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，芯片的需求量越來越大，許多代工企業(yè)也逐漸參與到芯片設(shè)計中來，為客戶提供委托設(shè)計到制造一條龍的服務(wù)，即所謂的ODM 模式。上游企業(yè)只需要簡單描述功能需求，就可以當(dāng)“甩手掌柜”了，芯片的研發(fā)設(shè)計、生產(chǎn)，甚至后期維護都交由代工企業(yè)來完成，代工企業(yè)也相應(yīng)地擁有了芯片的知識產(chǎn)權(quán)，因此這種模式也俗稱“貼牌”模式。

裸芯片制造完成后，還需要經(jīng)過封裝和測試，才能成為芯片成品。封裝是把裸芯片用各種特殊的材料包裹起來，再安上引腳，變成大家熟悉的芯片產(chǎn)品的模樣；測試則是在從晶圓到裸芯片的各個環(huán)節(jié)進行檢測，篩選出符合規(guī)格的優(yōu)質(zhì)可靠的芯片成品。

封裝和測試也是芯片產(chǎn)業(yè)鏈中的重要環(huán)節(jié)，目前亞太地區(qū)的企業(yè)占全球集成電路封裝測試市場80%以上的份額。我國在芯片封裝測試技術(shù)領(lǐng)域基本達到世界先進水平，封裝技術(shù)和材料大部分能做到自給自足，僅在基板材料等個別領(lǐng)域進口比例稍高，仍有進步空間。

4 “卡脖子”的光刻機為什么厲害

從芯片全產(chǎn)業(yè)鏈的角度來看，只有設(shè)計、制造到封裝測試的流程是不完整的，因為芯片制造設(shè)備本身的制造也屬于芯片全產(chǎn)業(yè)鏈的一環(huán)，其中最重要的部分就是鼎鼎大名的光刻機。

在芯片制造過程中，光刻機利用光刻技術(shù)將設(shè)計企業(yè)提交的電路圖案（也就是版圖）精確地投射到硅片上形成電路，這個過程有點兒類似膠卷時代的照片沖印。光刻機是芯片制造生產(chǎn)線上的核心設(shè)備，全球范圍內(nèi)只有少數(shù)幾家公司能生產(chǎn)，目前荷蘭ASML公司在這個領(lǐng)域處于絕對壟斷地位。

光刻機主要包括深紫外光刻機（DUV）和極紫外光刻機（EUV）兩種類型，ASML占據(jù)高端DUV光刻機市場的90%，也是唯一掌握目前全球最先進的極紫外光刻機技術(shù)的企業(yè)。光刻機的制造技術(shù)非常復(fù)雜，需要精密的光學(xué)系統(tǒng)、高精度的機械系統(tǒng)、精確的控制系統(tǒng)以及高端材料技術(shù)的支撐。以EUV為例，雖然光刻機產(chǎn)品貼著ASML的品牌，但組成光刻機的10萬余個零部件中，光源來自美國企業(yè)、光學(xué)系統(tǒng)來自德國企業(yè)、真空系統(tǒng)來自英國企業(yè)、高端材料來自日本企業(yè)……從某種意義上說，光刻機是50年來工業(yè)全球化的巔峰和代表，全球有超過5000家供應(yīng)商在為光刻機產(chǎn)業(yè)鏈提供支持。

與其他商品不同，光刻機產(chǎn)業(yè)成本高、利潤高、風(fēng)險高、市場小，因此產(chǎn)業(yè)鏈全球化有利于整合世界各國的優(yōu)勢技術(shù)，分散產(chǎn)業(yè)風(fēng)險。但近年來，美國公然破壞信息產(chǎn)業(yè)的全球化進程，聯(lián)合日本、荷蘭等國在高端DUV光刻機領(lǐng)域?qū)ξ覈鴮嵭谐隹诠苤疲鈭D以此阻礙中國芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展的進程。對此，我國一方面盡力尋求與國際上其他光刻機制造商合作，一方面也在布局光刻機的自主研發(fā)，目前已在一些關(guān)鍵技術(shù)上取得較好進展?？紤]到光刻機產(chǎn)業(yè)鏈生態(tài)的建立尚需時日，近期可先依托我國芯片封裝行業(yè)的優(yōu)勢，大力推動以“封”促“造”，通過芯粒（chiplet）等先進封裝技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用，彌補制造環(huán)節(jié)的不足，快速實現(xiàn)相似性能芯片產(chǎn)品的替代。

5 構(gòu)建自主產(chǎn)業(yè)鏈勢在必行

要搞明白芯片設(shè)計制造的痛點，還得從高度全球化的芯片產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)分析入手。

得益于過去幾十年資本全球化進程，芯片產(chǎn)業(yè)鏈也高度全球化，遍布美歐亞的眾多企業(yè)共同支撐起了芯片產(chǎn)業(yè)從高端光刻機研發(fā)到芯片設(shè)計、制造、封裝測試的全流程。在市場化大背景下，世界各國的技術(shù)和資源進行了自動整合，實現(xiàn)了優(yōu)勢互補，降低了產(chǎn)業(yè)成本。與此同時，那些在經(jīng)濟和技術(shù)上處于領(lǐng)先地位的國家也慢慢筑起了森嚴(yán)的知識產(chǎn)權(quán)壁壘和生態(tài)高墻，在產(chǎn)業(yè)鏈中占據(jù)了絕對的主導(dǎo)和支配地位。

來看下面一組數(shù)據(jù)：在全球十大芯片設(shè)計企業(yè)中，美國企業(yè)常年占據(jù)6-7席；在全球芯片制造業(yè)中，美國的英特爾公司是IDM模式企業(yè)的典型代表，代工企業(yè)中我國臺灣地區(qū)處于領(lǐng)先地位，韓國、歐美、中國大陸也占有一席之地；全球EDA行業(yè)市場則長期被美國廠商壟斷；在全球十大芯片封裝測試企業(yè)中，除了1家來自美國，其余9家都是中國企業(yè)；在全球光刻機制造領(lǐng)域，荷蘭ASML居絕對壟斷地位，日本、德國、英國企業(yè)也在光刻機制造流程中把持了部分關(guān)鍵技術(shù)；在全球集成電路材料行業(yè)中，日本和美國企業(yè)基本處于寡頭壟斷局面。

我國芯片產(chǎn)業(yè)起步較晚，以處理器為例，美國在20世紀(jì)70年代就研制成功了第一款處理器芯片，而我國在2001年才研發(fā)了自己的第一款處理器。時至今日，伴隨著國民經(jīng)濟的高速發(fā)展和政府的鼎力支持，我們用大約20年時間走過了發(fā)達國家50年的芯片發(fā)展道路。面對中國在芯片領(lǐng)域的迅速崛起，美國作為全球芯片產(chǎn)業(yè)的掌控者感受到了威脅，開始不斷在芯片全球產(chǎn)業(yè)鏈的各個環(huán)節(jié)和關(guān)鍵技術(shù)上給中國制造麻煩。隨著數(shù)字經(jīng)濟和人工智能的蓬勃發(fā)展，芯片作為信息技術(shù)的基石更加成為世界關(guān)注的焦點，各國對于芯片供應(yīng)鏈安全的關(guān)注達到前所未有的程度。眾目睽睽之下，美國卻走上一條逆全球化發(fā)展的道路，在芯片領(lǐng)域公然破壞貿(mào)易全球化，為打壓中國，強迫臺積電搬遷美國本土、要挾荷蘭禁售高端DUV光刻機、限制美國EDA和芯片相關(guān)企業(yè)的銷售策略……在全球科技領(lǐng)域搞霸權(quán)主義。

為了不在科技發(fā)展和國家安全上受制于人，我國構(gòu)建獨立自主的芯片產(chǎn)業(yè)鏈勢在必行。當(dāng)前，我國在芯片產(chǎn)業(yè)核心技術(shù)上已取得長足進步，在光刻機等“卡脖子”領(lǐng)域也取得了重要技術(shù)突破。只有堅持走獨立自主、自力更生的發(fā)展道路，逐步提升我國芯片行業(yè)的基礎(chǔ)科技和工業(yè)水平，才能徹底打破芯片封鎖的現(xiàn)狀，正所謂：道阻且長，行則將至。

（作者：沈海華為中國科學(xué)院大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師；彭聰昊為中國科學(xué)院大學(xué)研究生）