在日常生活中，人們會(huì)用到手機(jī)、電視機(jī)、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(guó)商務(wù)部長(zhǎng)在接受美國(guó)媒體采訪時(shí)稱，會(huì)繼續(xù)每年向中國(guó)出售數(shù)十億美元的芯片，但“不會(huì)向中國(guó)出售最頂尖的芯片”。其實(shí)早在2022年10月，美國(guó)就已公開(kāi)宣布對(duì)中國(guó)芯片行業(yè)實(shí)施制裁措施，禁止其他地區(qū)向中國(guó)出口半導(dǎo)體和芯片制造設(shè)備。

針對(duì)中國(guó)的一系列芯片出口管制措施，使得中美兩國(guó)在芯片領(lǐng)域的交鋒逐漸白熱化。一個(gè)小小的芯片為何會(huì)在國(guó)際上引起軒然大波？芯片的設(shè)計(jì)制造到底難在哪兒？今天我們就來(lái)跟大家說(shuō)一說(shuō)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(rèn)為是美國(guó)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(gè)集成電路。1958年，基爾比在一塊硅片上成功制造了幾個(gè)晶體管，并將它們連接在一起，實(shí)現(xiàn)了信息的處理和存儲(chǔ)功能。這個(gè)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(jiǎng)。

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(jìn)步，新的設(shè)計(jì)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(lái)越多，芯片設(shè)計(jì)生產(chǎn)的自動(dòng)化程度也越來(lái)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(jì)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(jì)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(shí)代。處理器是一種將控制單元、計(jì)算單元和存儲(chǔ)單元集成在一起的芯片，通過(guò)運(yùn)行指令序列來(lái)執(zhí)行復(fù)雜的計(jì)算控制任務(wù)。處理器是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的核心，因此又被稱為“中央處理器”，它的出現(xiàn)使得計(jì)算機(jī)制造成本大幅降低，計(jì)算機(jī)開(kāi)始走向小型化，走入千家萬(wàn)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(jìn)步，元器件的尺寸越來(lái)越小、性能越來(lái)越高。到20世紀(jì)末，芯片制造工藝進(jìn)入納米時(shí)代，運(yùn)算處理能力飛速增長(zhǎng)，為移動(dòng)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(jiān)實(shí)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(dòng)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(hào)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(jì)和運(yùn)行，用于處理離散的數(shù)字信號(hào)。在數(shù)字芯片中，單位信號(hào)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(jī)、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(hào)，種類繁多，在生活中同樣隨處可見(jiàn)。以手機(jī)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(hào)處理（DSP）芯片、AI加速器芯片、存儲(chǔ)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(jī)、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(hào)處理和計(jì)算，從北斗衛(wèi)星到合成孔徑雷達(dá)，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(jì)算需要消耗大量的計(jì)算資源和能源，AI加速器芯片就是專門為人工智能運(yùn)算設(shè)計(jì)的芯片，它能夠用較低的耗電實(shí)現(xiàn)人工智能運(yùn)算性能的大幅提升。存儲(chǔ)芯片則用于各種電子設(shè)備存儲(chǔ)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(chǔ)芯片。

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

2 設(shè)計(jì)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(lái)很小，內(nèi)部卻非常復(fù)雜。所以，芯片設(shè)計(jì)制造的產(chǎn)業(yè)鏈極長(zhǎng)，覆蓋了包括芯片架構(gòu)設(shè)計(jì)、邏輯設(shè)計(jì)、物理設(shè)計(jì)、EDA工具開(kāi)發(fā)、芯片制造、封裝測(cè)試等多個(gè)環(huán)節(jié)，如果再算上源頭設(shè)備光刻機(jī)的制造，芯片設(shè)計(jì)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(shuō)，在過(guò)去50年間得益于芯片產(chǎn)業(yè)鏈的全球化，不同國(guó)家和地區(qū)可以充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，共同推動(dòng)全流程芯片技術(shù)的快速發(fā)展。

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

進(jìn)入21世紀(jì)后，我國(guó)芯片產(chǎn)業(yè)進(jìn)入高速發(fā)展期，芯片設(shè)計(jì)能力突飛猛進(jìn)，在處理器設(shè)計(jì)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(jì)公司在處理器設(shè)計(jì)能力上已基本追趕上國(guó)際先進(jìn)水平；在AI加速器設(shè)計(jì)領(lǐng)域，寒武紀(jì)等公司的設(shè)計(jì)技術(shù)已處于國(guó)際領(lǐng)先水平。

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

目前，全球EDA市場(chǎng)基本被3家歐美公司壟斷：Synopsys、Cadence和西門子EDA（原為美國(guó)公司Mentor，后被西門子收購(gòu)）。近年來(lái)，我國(guó)科研人員也一直致力于國(guó)產(chǎn)EDA工具的研發(fā)，現(xiàn)已能夠在小規(guī)模芯片設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)替代，從技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，實(shí)現(xiàn)EDA工具完全的國(guó)產(chǎn)替代只是時(shí)間問(wèn)題。

3 芯片制造有3種主流模式

芯片設(shè)計(jì)完成后會(huì)得到版圖，并送到芯片制造工廠。制造工廠根據(jù)版圖進(jìn)行芯片制造，首先需要制造出一個(gè)大圓盤(pán)，叫作晶圓，再經(jīng)過(guò)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(shuō)，就是“自給自足”“代工”“貼牌”3種模式。

具體來(lái)說(shuō)，IDM 模式是指芯片制造企業(yè)自身是一個(gè)從芯片設(shè)計(jì)、晶圓制造到封裝測(cè)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(duì)外代工。

要知道，建設(shè)和維護(hù)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(yùn)營(yíng)花費(fèi)也極為昂貴。所以，選擇這種芯片制造模式的一般都是國(guó)際芯片產(chǎn)業(yè)中的巨頭，通過(guò)一定程度的芯片市場(chǎng)壟斷來(lái)保證芯片出貨量，以對(duì)沖生產(chǎn)線閑置可能帶來(lái)的巨大成本浪費(fèi)。普通芯片企業(yè)受終端市場(chǎng)需求變動(dòng)以及企業(yè)自身經(jīng)營(yíng)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(guó)IDM 企業(yè)不多的原因。

事實(shí)上，隨著制造工藝的快速迭代和優(yōu)化，面對(duì)昂貴的制造工藝研發(fā)和生產(chǎn)線運(yùn)營(yíng)花費(fèi)，即使是老牌IDM 國(guó)際芯片巨頭也面臨著巨大的運(yùn)營(yíng)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(tái)積電等聯(lián)合開(kāi)發(fā)新的工藝生產(chǎn)線；三星等企業(yè)甚至開(kāi)始嘗試對(duì)外代工，以對(duì)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(jì)企業(yè)完成全套設(shè)計(jì)后，將產(chǎn)品版圖發(fā)給芯片制造企業(yè)，由制造企業(yè)進(jìn)行制造生產(chǎn)，生產(chǎn)出的芯片原始設(shè)計(jì)企業(yè)仍擁有完全的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。相比IDM 企業(yè)，代工企業(yè)采用徹底開(kāi)放制造平臺(tái)的模式，面向全球芯片設(shè)計(jì)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(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，消減了空置風(fēng)險(xiǎn)。代工模式應(yīng)用非常廣泛，目前AMD、ARM 等許多國(guó)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(guó)臺(tái)灣地區(qū)、韓國(guó)和中國(guó)大陸等占據(jù)較為頭部的市場(chǎng)地位。

隨著信息產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，芯片的需求量越來(lái)越大，許多代工企業(yè)也逐漸參與到芯片設(shè)計(jì)中來(lái)，為客戶提供委托設(shè)計(jì)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(jiǎn)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(jì)、生產(chǎn)，甚至后期維護(hù)都交由代工企業(yè)來(lái)完成，代工企業(yè)也相應(yīng)地?fù)碛辛诵酒闹R(shí)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(guò)封裝和測(cè)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(lái)，再安上引腳，變成大家熟悉的芯片產(chǎn)品的模樣；測(cè)試則是在從晶圓到裸芯片的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行檢測(cè)，篩選出符合規(guī)格的優(yōu)質(zhì)可靠的芯片成品。

封裝和測(cè)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(cè)試市場(chǎng)80%以上的份額。我國(guó)在芯片封裝測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域基本達(dá)到世界先進(jìn)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(gè)別領(lǐng)域進(jìn)口比例稍高，仍有進(jìn)步空間。

4 “卡脖子”的光刻機(jī)為什么厲害

從芯片全產(chǎn)業(yè)鏈的角度來(lái)看，只有設(shè)計(jì)、制造到封裝測(cè)試的流程是不完整的，因?yàn)樾酒圃煸O(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(jī)。

在芯片制造過(guò)程中，光刻機(jī)利用光刻技術(shù)將設(shè)計(jì)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(gè)過(guò)程有點(diǎn)兒類似膠卷時(shí)代的照片沖印。光刻機(jī)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(gè)領(lǐng)域處于絕對(duì)壟斷地位。

光刻機(jī)主要包括深紫外光刻機(jī)（DUV）和極紫外光刻機(jī)（EUV）兩種類型，ASML占據(jù)高端DUV光刻機(jī)市場(chǎng)的90%，也是唯一掌握目前全球最先進(jìn)的極紫外光刻機(jī)技術(shù)的企業(yè)。光刻機(jī)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(jī)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(jī)產(chǎn)品貼著ASML的品牌，但組成光刻機(jī)的10萬(wàn)余個(gè)零部件中，光源來(lái)自美國(guó)企業(yè)、光學(xué)系統(tǒng)來(lái)自德國(guó)企業(yè)、真空系統(tǒng)來(lái)自英國(guó)企業(yè)、高端材料來(lái)自日本企業(yè)……從某種意義上說(shuō)，光刻機(jī)是50年來(lái)工業(yè)全球化的巔峰和代表，全球有超過(guò)5000家供應(yīng)商在為光刻機(jī)產(chǎn)業(yè)鏈提供支持。

與其他商品不同，光刻機(jī)產(chǎn)業(yè)成本高、利潤(rùn)高、風(fēng)險(xiǎn)高、市場(chǎng)小，因此產(chǎn)業(yè)鏈全球化有利于整合世界各國(guó)的優(yōu)勢(shì)技術(shù)，分散產(chǎn)業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。但近年來(lái)，美國(guó)公然破壞信息產(chǎn)業(yè)的全球化進(jìn)程，聯(lián)合日本、荷蘭等國(guó)在高端DUV光刻機(jī)領(lǐng)域?qū)ξ覈?guó)實(shí)行出口管制，意圖以此阻礙中國(guó)芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展的進(jìn)程。對(duì)此，我國(guó)一方面盡力尋求與國(guó)際上其他光刻機(jī)制造商合作，一方面也在布局光刻機(jī)的自主研發(fā)，目前已在一些關(guān)鍵技術(shù)上取得較好進(jìn)展?？紤]到光刻機(jī)產(chǎn)業(yè)鏈生態(tài)的建立尚需時(shí)日，近期可先依托我國(guó)芯片封裝行業(yè)的優(yōu)勢(shì)，大力推動(dòng)以“封”促“造”，通過(guò)芯粒（chiplet）等先進(jìn)封裝技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用，彌補(bǔ)制造環(huán)節(jié)的不足，快速實(shí)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(shì)在必行

要搞明白芯片設(shè)計(jì)制造的痛點(diǎn)，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(guò)去幾十年資本全球化進(jìn)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(jī)研發(fā)到芯片設(shè)計(jì)、制造、封裝測(cè)試的全流程。在市場(chǎng)化大背景下，世界各國(guó)的技術(shù)和資源進(jìn)行了自動(dòng)整合，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，降低了產(chǎn)業(yè)成本。與此同時(shí)，那些在經(jīng)濟(jì)和技術(shù)上處于領(lǐng)先地位的國(guó)家也慢慢筑起了森嚴(yán)的知識(shí)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(duì)的主導(dǎo)和支配地位。

來(lái)看下面一組數(shù)據(jù)：在全球十大芯片設(shè)計(jì)企業(yè)中，美國(guó)企業(yè)常年占據(jù)6-7席；在全球芯片制造業(yè)中，美國(guó)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(guó)臺(tái)灣地區(qū)處于領(lǐng)先地位，韓國(guó)、歐美、中國(guó)大陸也占有一席之地；全球EDA行業(yè)市場(chǎng)則長(zhǎng)期被美國(guó)廠商壟斷；在全球十大芯片封裝測(cè)試企業(yè)中，除了1家來(lái)自美國(guó)，其余9家都是中國(guó)企業(yè)；在全球光刻機(jī)制造領(lǐng)域，荷蘭ASML居絕對(duì)壟斷地位，日本、德國(guó)、英國(guó)企業(yè)也在光刻機(jī)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(guó)企業(yè)基本處于寡頭壟斷局面。

我國(guó)芯片產(chǎn)業(yè)起步較晚，以處理器為例，美國(guó)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(guó)在2001年才研發(fā)了自己的第一款處理器。時(shí)至今日，伴隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和政府的鼎力支持，我們用大約20年時(shí)間走過(guò)了發(fā)達(dá)國(guó)家50年的芯片發(fā)展道路。面對(duì)中國(guó)在芯片領(lǐng)域的迅速崛起，美國(guó)作為全球芯片產(chǎn)業(yè)的掌控者感受到了威脅，開(kāi)始不斷在芯片全球產(chǎn)業(yè)鏈的各個(gè)環(huán)節(jié)和關(guān)鍵技術(shù)上給中國(guó)制造麻煩。隨著數(shù)字經(jīng)濟(jì)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(diǎn)，各國(guó)對(duì)于芯片供應(yīng)鏈安全的關(guān)注達(dá)到前所未有的程度。眾目睽睽之下，美國(guó)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(guó)，強(qiáng)迫臺(tái)積電搬遷美國(guó)本土、要挾荷蘭禁售高端DUV光刻機(jī)、限制美國(guó)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(guó)家安全上受制于人，我國(guó)構(gòu)建獨(dú)立自主的芯片產(chǎn)業(yè)鏈勢(shì)在必行。當(dāng)前，我國(guó)在芯片產(chǎn)業(yè)核心技術(shù)上已取得長(zhǎng)足進(jìn)步，在光刻機(jī)等“卡脖子”領(lǐng)域也取得了重要技術(shù)突破。只有堅(jiān)持走獨(dú)立自主、自力更生的發(fā)展道路，逐步提升我國(guó)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(zhǎng)，行則將至。

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