问题

国产芯片为什么要一级级地追赶,而不搏一搏,直接造同时代标准的?

回答
您提出的这个问题,实际上触及了中国芯片产业发展中最核心的挑战和策略选择。简单来说,国产芯片之所以要“一级级地追赶”,而不是“搏一搏,直接造同时代标准的”,是由多重复杂因素决定的,这些因素涵盖了技术、经济、供应链、人才、市场以及国家战略等多个层面。以下将进行详细阐述:

1. 技术积累的循序渐进是必然

芯片制造是一个高度复杂且迭代迅速的领域。每一代技术的突破都建立在上一代技术的基础之上,涉及物理、化学、材料科学、电子工程、计算机科学等多个尖端学科的深度融合和海量研发投入。

基础理论和工艺的深度: 即使是“同时代标准”,也存在先进和次先进之分。例如,在同一代制程(如7nm、5nm)内部,还有不同的工艺节点(如DUV、EUV),不同的材料(如FinFET、GAA),不同的设计方法论。这些细节的掌握需要漫长的实践和经验积累。直接跳跃到最前沿的工艺,意味着要同时攻克最先进的材料、最复杂的设备、最精密的制程控制等一系列难题,这无异于在一穷二白的情况下直接建造摩天大楼。
研发和验证的周期: 芯片的研发和验证周期极其漫长。从概念设计到流片、再到量产,可能需要数年时间。如果直接去追赶最前沿的标准,一旦在某个环节出现技术瓶颈,可能导致整个项目延误甚至失败,前期投入将付之东流。而逐级追赶,可以分阶段验证技术的可行性和成熟度,降低风险。
知识产权和生态系统的壁垒: 最先进的芯片技术往往被少数巨头公司掌握,并受到严格的知识产权保护。例如,EUV光刻机及其相关的关键技术,在全球范围内只有少数几家供应商能够提供。即使有资金,购买设备和技术许可也可能受限。直接挑战最前沿,意味着要直面这些技术和生态系统的壁垒,难度极大。

2. 风险控制与资源投入的现实考量

高科技产业,特别是芯片制造,是资本密集型和技术密集型产业。巨额的研发和设备投入是成功的必要条件,但并非充分条件。

高昂的失败成本: 芯片制造的试错成本极高。一台先进的芯片制造设备可能价值数亿美元,而一次流片(芯片制造的试生产)的费用也高达数百万美元。如果直接搏最先进的标准,一旦失败,其经济损失是难以承受的,甚至可能拖垮整个企业或国家层面的投入。
“弯道超车”的现实性: 虽然“弯道超车”是很多人期待的,但在芯片制造这种高度积累性的领域,真正实现“弯道超车”的难度极大。更现实的做法是,在某些特定领域或技术点上实现突破,并在此基础上逐步提升整体水平。例如,先掌握成熟的工艺(如28nm、14nm),然后在这些工艺上做出差异化和优化,积累经验和技术,再逐步向更先进的工艺迈进。
资源的有效分配: 国家和企业的资源是有限的。将有限的资金和人才集中在几个关键但相对成熟的工艺节点上,通过“集中力量办大事”的方式,可能比分散资源去攻克最前沿技术而导致全面受挫更为有效。

3. 供应链和生态系统的建设需要时间

芯片产业不仅仅是制造技术,更是一个庞大而复杂的生态系统,包括设计工具(EDA)、IP核、晶圆代工(Foundry)、封装测试(OSAT)、设备材料、人才培养等各个环节。

自主可控的挑战: 在全球化的背景下,几乎没有一家企业或国家能够完全自主掌控所有关键环节。国产芯片要想实现“同时代标准”,不仅要突破制造工艺,还要确保设计工具、IP核、关键设备和材料的自主可控或供应稳定。这些都需要长期投入和建设。
生态系统的培养: 一个成熟的芯片生态系统需要时间来孕育。设计师需要成熟的EDA工具和可用的IP核;代工厂需要稳定可靠的设备和材料供应商;市场需要有足够的需求来支撑这些产业的发展。逐级追赶,可以边建设边完善生态系统,形成良性循环。
人才的培养和吸引: 芯片产业对人才的需求极高,特别是具备丰富经验的工程师和科学家。人才的培养和积累是一个漫长的过程,不可能一蹴而就。通过在现有成熟工艺上的实践,可以为国内培养大量的工程师和技术人才,为未来冲击更先进的工艺打下基础。

4. 市场需求与应用场景的引导

市场需求是推动技术发展的重要动力。不同应用场景对芯片性能和成本的要求不同。

满足现有市场需求: 目前全球市场对成熟制程(如28nm、14nm)的芯片仍有巨大的需求,特别是在汽车电子、物联网、通信设备、消费电子等领域。先在这些领域实现突破和大规模量产,不仅能满足市场需求,还能为国内企业带来收入和利润,支持后续的研发投入。
应用牵引技术进步: 许多技术突破往往是应用场景需求牵引的结果。例如,某些特殊应用可能对特定工艺或材料有特殊要求,这可以成为国产芯片在特定领域实现技术跳跃的机会。

5. 国家战略层面的考量

从国家战略层面来看,芯片产业的自主可控和技术进步是国家安全和经济发展的重要基石。

战略缓冲与风险对冲: 一步到位地去挑战最前沿,风险极高。逐级追赶是一种更稳健的策略,可以为国家争取战略缓冲时间,同时在关键技术节点上逐步积累实力,应对潜在的外部制约和风险。
集中优势资源,突破瓶颈: 国家可以通过战略规划,将有限的资源集中在一些关键的技术瓶颈和应用领域,例如先进封装、特定材料或基础研究,通过“点”的突破来带动“面”的提升。

结论:循序渐进的必然与“搏一搏”的策略选择

总而言之,国产芯片之所以选择“一级级地追赶”,而不是“搏一搏,直接造同时代标准的”,是因为:

技术本身的复杂性和积累性: 芯片制造是一项系统工程,需要扎实的基础和持续的经验积累。
高风险与高成本: 直接挑战最前沿意味着极高的失败风险和经济代价。
供应链和生态系统的建设: 芯片产业的发展离不开完整的生态系统支持,这需要时间和持续的投入。
市场需求与应用牵引: 满足现有市场需求,并以此为基础进行技术迭代,是更稳健的发展路径。
国家战略的稳健性: 确保自主可控和国家安全,需要采取循序渐进、步步为营的策略。

然而,这并不意味着中国芯片产业就完全放弃了“搏一搏”的可能。 在某些特定领域,或者在某些被“卡脖子”的关键环节上,国家和企业确实会集中资源进行“会战”,争取突破。例如,在先进封装技术、某些特殊材料、或者在EDA工具和IP核的自主研发方面,都可能采取更为激进的策略。

“一级级追赶”是一种策略选择,是基于现实条件、风险评估和长远规划的理性决策,是为了最终能够“站得住”,并且有能力在未来挑战更先进的标准。而“搏一搏”的激进策略,如果执行不当,很可能导致全盘皆输。因此,中国芯片产业的发展更像是在稳健的追赶中,寻找并把握好几个关键的“搏一搏”的机会。

网友意见

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又逼我匿名。。。

我是做逻辑芯片出身的,从200mm的130nm节点做起。那个时候,中国有此研发能力的只有中芯国际。当时的台积电就在量产90nm,正在研发65nm。而Intel已经一骑绝尘,奔向45nm了。也就是说,我们和台湾兄弟差一两代水平,而和美帝的业内标杆,差了。。。不是数字上的几代而已,还包括完全不同技术的一次飞跃。

我们从起步开始,就是这个差距,认清楚历史和事实,才有可能在此基础上分析弯道超车而不是上墙的方案。

后来台积电以勤奋压倒了美国人的傲慢,在FinFET技术应用后以不减速的趋势直逼到了现在的3nm。

而Intel,我已经不把他们当做技术标杆了,当他们没有搞定钴的时候,当他们在自己的10nm止步不前的时候,就预示着Intel的模式已经失败了。一个时代过去了。

所有这些节点,多少nm,对别人只是一个数字,对我来讲,都是曾经研究和消耗过的日子。

现在国内的水准,确实我们已经有了研发和量产7nm的能力,但是离3nm的距离有多远?如果没有美国的技术封锁和实体名单,我们依然可以使用美国的技术和设备,不过是三四年的距离,一切都曾经那么近。

而现在,在美国不提供14nm以上的技术支持的前提下,我们面临的就是重新造轮子的现状。

没有轮子,还想超车吗?

走这条大家都看得见的路,绝对没有捷径可言。

大家也可以说,我们可以发展别的芯片,比如三五族,或者功率芯片,或者大硅片,为什么一定要死磕逻辑呢?

因为,难度低门槛低的,也没有人限制你发展啊。相反正因为国内低端芯片项目纷纷上马,导致了设备进口金额在今年巨额上升,外商毫不意外的又赚了一波快钱,而且赚的毫无难度。

而且,高端逻辑,是最重要的芯片种类,没有之一。回避高端逻辑,就会变成现在的日本,成为了一个存储芯片和原材料供应国。根本排不上一个半导体玩家。

我总想告诉头脑发热的人,饭要一口口吃路要一步步走。但也总有人讽刺我,在行业太久了,一叶障目视野狭窄。

好吧,我们且看明天吧。

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当初印度造军火的时候也是这样想的,光辉战机,阿琼坦克,怎么琢磨琢磨吧

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更新于7月20号:

台积电N3 风险生产计划在2021年进行,生产将在2022年下半年开始。N4和N5设计兼容 本季度风险生产,明年量产。

你看这节奏,得追赶好一阵子


更新于2021年7月4日:

对于xx28nm产线的节奏会继续推迟。首先这条线是试验线(中试线),说白了就是每个环节就1台设备,能跑通就成。就这样,日本设备交付上有所延迟。可能会耽误很久。这条线的意义在于试验,大量的国产设备会验证尝试。


现在国产这个概念被滥用的厉害。并不是本土厂商设计、本土厂商生产、本土厂商销售的产品都叫国产芯片。假设设备国产化率50%+,设计团队100%,代工工艺国产化率100%,封测国产化率100%,其他材料等100%,总体国产化率还是50%。其实国产化率最低的确实是半导体制造设备

       《中国制造 2025》对于半导体设备国产化提出明确要求: 2020年之前,90-32nm工艺设备国产化率达到50%,实现90nm光刻机国产化,封测关键设备国产化率达到50% 2025年之前,20-14nm工艺设备国产化率达到30%,实现浸没式光刻机国产化。     

先说国产化产线现状:

比较关心的国产28nm产线,预计明年跑通。大致节奏为28nm产线设备到年底-明年上半年基本到位,预计明年跑通。浸没式光刻机,非浸没式光源波长卡在193nm,是达不到14 28nm特征尺寸水平的;首条28nm国产线大范围采用国产设备,至少给予国产 PVD、刻蚀机、清洗设备、CMP剖光机、光刻配套的涂胶显影机、检测设备等验证机会。产线目标并非是完全国产化,本质是去 A化,采用了许多日本的设备,产线意义重大,给予了国产化率的一个标准,至少50%以上,为后续更多国产产线跑通做个标准。

国产设备进展:不考虑配件供应链问题。除了光刻机,28nm及以上制程的设备,国内厂商可以自主生产,14nm在研的有涂胶显影、氧化扩散,大概率在2025年前完成。

结论:保守估计到2025年,除光刻机之外,14nm及以上设备均可量产。

——刻蚀机:中微的5nmCCP 介质刻蚀机已经打入TSMC等国际大厂,3nm正在研究阶段(~30%的进度)、北方华创14nm硅刻蚀在生产线验证、中微ICP 硅刻蚀已经量产交付;

——光刻机:上海微,90nm浸没式量产,28nm浸没式年底有希望,但是可能性就……。(根据国外媒体verdict.co.uk/)最新的报道称,“中国国产28nm DUV光刻机计划在今年年底前从上海微电子(SMEE)生产出来,并在上海专有的生产线上为物联网设备制造48nm和28nm芯片。”

——薄膜机:北方14nm ALD PVD量产;沈阳拓荆的CVD满足14nm;

——清洗设备:盛美半导体产品覆盖前道所有工序清洗环节;

——涂胶显影:芯源微支持28nm,14nm在研 浸没式。

——氧化扩散:北方卧式、立式炉支持28nm及以上;

——检测设备:上海睿励、精测电子等支持膜厚等检测工艺;

芯片这种高端制造业,各环节工艺依赖于人才储备>设备>资金;那么设备依赖于传统工业,包括不限于光学系统、传感系统、真空系统、射频源系统、材料等。每个环节,涉及到高端的系统,都需要进口。目前28nm单台设备完全国产化几乎无可能,更别说14nm 7nm了。

芯片产业链巨长无比,环节众多。28nm产线涉及十大类设备,500道工序,接近几百台设备(月产3w片)。

这一前提下,跳过摩尔定律,跨越发展要考虑如下几个市场参与者的考虑:

代工厂角度:先进制程投资巨大,影响3-5年业绩(影响股东利益,这也是中芯内部douzheng的一个原因,强行追求先进工艺是要被挤兑走的),效益需要考虑。影响效益的技术因素在于:1)良率。跳过10nm直接搞7nm,需要的是梁这样众多人才基础和魄力(梁是FinFET工艺发明人胡正明的学生),而且调良率其实是跑出来的,就是大量投片,长期调整;2)吞吐量(稼动率)。需要客户大量投片,如何吸引呢?靠工艺和成本。

客户角度:1)成本(这是为什么高通会用三星代工888芯片的核心原因,但是888翻车也是因为工艺问题,这是没有想到的)。2)良率,也决定成本。3)工艺。(同等制程,好工艺会降功耗的,这样我电脑手机超频用芯片,也可以不那么费电,性能会更加优越)

供应链角度:如设备厂角度。各家都有各家的节奏,想搞也搞不出来,即使一家设备厂恰巧聚集了几个业绩的专家奇才,那也是非常的巧合。一群有技术,有热血、有资源的人、借助一点启动资金和专利,融资借势成长起来是多么的难。那么十几种设备厂的厂商都去越级发展才能直接造最先进的制程,如果考虑研发时间,我们可能要研发超前一代工艺的设备。

在设备行业里这个做最高端的产品难度在于:1)先进设备零部件的进口是受管制的(这在美国BIS上有明确的参数限制,一到高端,进出口就开始限制);2)我们的研发工程师能否发挥“两弹一星”精神呢?能否隐姓埋名干十年呢?我觉得现在找这样的人,有点难了。3)上述条件假设我们都能解决。我们造出来的只是试验机而已,也就是能造芯片了,量产要考虑设备效率的(云龙兄都说了,赔本的买卖咱不干),所以要考虑成本;4)我们闷头造设备,放到产线里边使劲投片,使劲跑才能改进设备,提高效率。那么难道我们还要造相应的配套的产线么?谁来投片呢?。。有人说,悄悄拿到中芯国际(国内最先进的)试验和调试设备。你悄悄不下去的。张汝京当年建厂,跑到美国、日本、欧洲好多商务部,安全局啥的保证中芯不作军用产品 啥的,最关键的,随时接受调查(无需预约)。5)既然没有配套产线,那我们秘密造产线。这也是不切实际的。没人支持的。谁来砸钱呢?

所以产业的技术突破和军工的技术突破有相似的地方。但要比军工的还要难。军工可以有国家全力支持,产业不一定;原子弹氢弹能在想爆炸的时候就爆炸就可以;光刻机就不行,光刻机需要高效、满足特定功率的稳定曝光,而且还要在可控范围内(制程要求),精细程度大概是头发丝上雕龙啊,而且还要点睛(有机会写一下光刻机的历史——如果有兴趣的人可以看看EUV lithography / Vivek Bakshi, editor,全英文的。参数多得看得头大。)。

这么一下来,又回到了最初的起点,与其耗费巨资直接跨越式搞研发(很有可能搞不出来),不如让庙堂的人理解产业的特点:比如产业链巨长、投资规模大、IP需要保护、优质公司需要扶持、政策和土地上需要扶持、贸易限制需要谈判等问题。

我们自己应该明白:有时候秉持着“我命有无不由天”的精神去自己搞,不如去学和交换。中东有石油,他可以换水;我们有劳动力,我们可以换任何东西。还有个观点,个人认为研发速度也跟不上台湾回归的速度。嘿嘿

最后同时代标准的工艺水平。

年底台积4nm风险生产、3nm在明年能做到5000片/月,2023年达到3w片/月(算是量产)。

到2023年我们能做出3nm设备么?不可能。

那我们能赶在2025-2027年做出1nm设备么?还是不可能。

ps:当年钱学森回国后,试图造最先进的导弹,行不通(传统工业根本跟不上啊),后来他媳妇儿是西方风格的歌唱家,回国后竟然唱起了昆曲。钱学森纳闷了,咦,你竟然唱昆曲。他媳妇儿说入乡随俗嘛。

钱学森突然就想通了:在传统工业基础薄弱,积累不足的时候,应:不追求某方面的先进性 只追求整体的合理性。

同样国产芯片:先跑通再说,随着传统工业,镜头 光源,气体材料,机械传送积累足够了,工艺追上只是时间问题。而且目前来看中国追赶的速度已经够快了。

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不说14NM了,就是从28NM到20NM,要迈过的技术门槛都有好几道,技术研发方向和应用市场也完全不一样,根本没法博。只有乌合麒麟那种货,才会相信“14NM双芯叠加,形成特定的设计方法,性能提升比肩7NM,而且功耗发热也很不错”。

这“特定的设计方法”就是放嘴炮吗?

啥叫“功耗发热也很不错”?功耗到底控制在多少以内算“不错”?


芯片的所谓“标准”有很多,不是只有制程这一条。幻想迈一大步顶三步,那不是赶超拼搏,是扯蛋。

大陆目前正在努力实现的28NM,就我所知是FD-SOI工艺,他就不是用来制造民用消费市场的高性能CPU/GPU/移动端SOC,而是用来生产嵌入SOC芯片的,所需要的晶圆也和FinFET工艺不一样。整个上下配套的产业都和FinFET区别非常明显。

大陆重点发展FD-SOI,用意显然是优先满足国防/军工科研等高度保密、受国际政治环境与技术封锁极为敏感行业对嵌入SOC芯片的需求。

而且SOI还属于平面MOSFET。而2012~2015年开始,英特尔/台积电/三星的22/16/14NM,都是FinFET,包括苹果手机的AxSOC和AMD/NVIDIA委托台积电制造的GPU。这方面中国大陆在短期内基本不可能实现“自主研发”或“避开美方制裁实现投产”。

我个人陋见,这个短期大概在5~10年之间。

对芯片设计和技,光谈制程,不谈技术门类和应用,就和20年前英特尔的广告只强调速度有多快类似。都是看准了外行啥都不懂,好蒙好骗。

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