一个国家如果要发展自己的芯片产业,在坚持军品级芯片以我为主的基础上,在发展商业级芯片上也不能求全,无需要求所有芯片全都靠自己研发生产。其实,在某些领域拥有自己的核心技术或独门技术才是关键。

文 | 吴 健

“曾几何时,美国可以泰然自若,因为没有哪个国家能达到其在技术能力和实际规模上的结合程度。但岁月已然过去,现在的中国具备这种能力。”对于“华为事件”,委内瑞拉外交官阿尔弗雷多·托罗·哈迪曾在《大国技术逐鹿》文章里做过解释,当美国到了“战略性而非策略性”切断对某国技术供应的地步,往往是这种差距缩小到“堪与比肩”的程度。

过去一年多,美国相继对中兴通讯、福建晋华、华为等中国公司采取“芯片断供”的措施,其结果都是中国未被打垮,却加快了中国技术追赶。

我们要能活下来

从技术制约华为乃至整个中国高科技产业,芯片似乎是最佳的“切口”。作为高速通信与人工智能技术的“心脏”,芯片长期是中国的软肋,在国际知名调查公司IC Insights在2018年最新发布的芯片销售排行榜上,前15位的分别是美国、韩国、台湾地区、欧洲和日本企业,高端芯片基本依赖进口,中国在这个领域花的钱比进口石油还要多。

华为创始人任正非曾表示:“中国与美国的差距,估计未来二三十年,甚至五六十年还不能消除。但是,我们要将差距缩小到‘我们要能活下来’。”

诺言很快化作行动。IFA2018柏林国际电子消费品展览会上,华为消费者业务CEO余承东发布面向智能手机的自主知识产权芯片——“麒麟980”,场上掌声雷动,它使用全球最先进的7纳米集成电路工艺,戏剧性地提升人工智能的机器学习和图像处理能力,同时大幅节省电力消耗。

两个月后,华为轮值CEO徐直军在上海一间巨大的展示厅里告诉在场的2000名听众:“这是目前全世界性能最高的芯片。”屏幕上展示的是更高级的人工智能芯片——昇腾910,是目前全球已发布的单芯片计算密度最大的芯片,运算能力是美国英伟达公司同级别产品的两倍。

更给力的是,2019年5月17日,芯片企业海思公司总裁何庭波发布一封激情澎湃的员工内部信,提到自研芯片“从备胎转正”,成为华为最大的底气。

要害是光刻机

现代社会高度信息化,再厉害的“国之重器”,大部分所支撑的却是尺寸和重量都很小的芯片,没有它,就谈不上自动化,大部分设备就会失灵……芯片是半导体元器件的统称,是指内含集成电路的硅片。

要想制造高端芯片,首先须有高端的加工设备。在这方面,世界上呈现出高度垄断的情况,例如,光刻机是生产集成电路的关键设备,但全球高端光刻机几乎被荷兰ASML垄断。全球14纳米的光刻机,都是ASML的产品,每年的产量只有24台,单价高达1.5亿美元。

而英特尔、台积电、三星电子等芯片巨头,之所以能制作出高端芯片,就是获得ASML的高端光刻机,原因很简单,这三家都是ASML的股东。然而,其他国家和地区的芯片厂商就难以获得高端光刻机,甚至是万金难求,出多大价钱人家都不卖。

即使购买比较过时的二手光刻机,还需要美国点头,因为美国是《关于常规武器和两用物品及技术出口控制的瓦森纳协定》(简称《瓦森纳协定》,目前共有包括美国、日本、英国、俄罗斯等40个成员国。目的是通过成员国间的信息通报制度,加强对常规武器和双用途物品及相关技术转让的监督和控制)的主导者,它通常都附加苛刻条件,就是不能用于生产军用级别的芯片和自主研发的芯片。

芯片制作的难度,还有设计布图,其试错成本高、排错难度大。超大规模集成电路的芯片,往往指甲盖大一片的面积就有上亿个晶体管,但最终能在电路板上测到的信号线却只有十几根到几百根。要想根据这些少得可怜的信息去判断哪个晶体管有问题,难度不言而喻。

芯片从电路设计开始到投片,最少需要半年;投片送到工厂加工生产,需要三个月。一次投片的费用最少需要数十万元人民币,先进工艺高达一千万到几千万元,这么高的试错时间和资金成本,对一次成功率要求极高,设计团队中任何一个人出点错,都有可能在数月后制作出来的芯片只是废金属片。

三类芯片,中国不怕

按照业内划分,芯片分为商业级、工业级、军品级和航天级。就重要性而言,每级芯片又可划分为一般、重要、关键、核心四个层级。

消费级电子产品当然采用商业级芯片,与事关国家安全的军品级芯片区别极大,后者对性能、工艺要求并不高,但对稳定性、可靠性、抗电磁和复杂地磁环境干扰、抗冲击、使用环境温度等要求极高。

即使是半导体技术领先的美国,军品级芯片的性能与商业级芯片也相差甚远。

由于军品级芯片对性能要求不高,所以中国虽然得不到高端加工设备,但用稍微低端一些的加工设备仍能满足生产军品级芯片的需要,无非是芯片尺寸大一点、能耗高一点、外观差一点。这种芯片如果放在民用市场上虽缺乏竞争力,但对于军用来说,不存在商业竞争的问题,因而能保障军用芯片的安全供应,实现自给自足。

据公开信息,军用芯片领域,中国大体实现国产化,这也是各类国产雷达在技术性能上达到世界顶尖水平的主要原因。

既然核心层级的军用芯片不会被发达国家卡脖子,那么一般、重要、关键层级的军用芯片的自产就更不在话下。如一般层级的电阻电容器,国内生产没有任何问题,就是航天级的钽电容国内也能生产。之所以这些级别的芯片还要进口,主要是由于国外的同类产品生产量和销售量巨大、价格更低,又不属于被控制出口的敏感产品,而且电阻电容器也不存在CPU可能留有后门的隐患,因而这类采购既不存在断供风险,也不存在信息安全方面的风险。说到价格,军品级芯片对于价格并不敏感,因为其需求量远不如商业级那么大。而且,由于国防安全的重要性怎么强调都不为过,相对来说,成本就不是很重要的考虑因素,所以各国对于军品级芯片都是能自主尽量自主。然而,商业级芯片对于价格很敏感,在性能相近的情况下,拼的就是价格。

很显然,中国与芯片强国的真正差距,主要在商业级芯片上,它强调性能、工艺,还强调外观、价格,而这些正是中国目前的短板。美国在芯片技术上之所以占据领先地位,是因为其起步早、投入大而且持久、从研发到投入市场速度快、市场认同度高等原因。

美国发展芯片的思路是:只要掌握核心和大部分关键层级的元器件设计生产能力,以及系统设计和整合的能力,就掌握了这一产品的命脉,并不追求100%国产化,客观上这也做不到。正因为如此,美国既是芯片出口大国,同时也从外国大量采购。

所以,一个国家如果要发展自己的芯片产业,在坚持军品级芯片以我为主的基础上,在发展商业级芯片上也不能求全,无需要求所有芯片全都靠自己研发生产,其实,在某些领域拥有自己的核心技术或独门技术才是关键。

问题是“什么时候”

瑞士信贷银行驻台北分析师兰迪·艾布拉姆斯认为,在风靡半导体产业的新技术应用方面,有两个趋势:第一,通用芯片被重新设计和优化,用于特定任务;第二,原来相互独立的处理和内存等功能被集成到一块芯片上。

他指出,这给半导体产业带来“根本性变革”,并将为中国半导体产业提高存在感创造新机会。几十年来,芯片产业一直是靠摩尔定律来推动的,根据该定律,特定尺寸的芯片性能每两年翻一番。但定律正在达到其物理极限,半导体企业花了数十年时间竞相促成晶体管数量实现翻番,极小面积内的设计布图与微细加工难度呈几何级上升,这就为包括量子计算在内的新概念、新技术的“新维度应用”开辟道路,而这恰恰是中国的强项。

艾布拉姆斯推测,从长远看,美国对华芯片禁售是徒劳的,“这无疑可以放慢对手的速度,但中国的进步是无法阻止的。正如硅谷的崛起有赖于美国政府的支持一样,中国为了实现目标而将国家和企业的资源进行整合,它制定激励计划,从其他地方吸引工程人才,2015年美国阻止英特尔芯片出口反而刺激中国发展出更强大的超级计算产业,如今华为正成为新的‘倒逼创新刺激’的案例”。他认为,美国终将转向“更聪明”的游戏规则:一方面,培育国内创新,更多政府资金进入芯片研究领域,加大对世界人才开放;另一方面,加快与盟国或伙伴国形成联盟,为“中国芯片更加普及的世界”做准备,这意味着美国必须提前拟定国际安全检测程序和数据处理标准,以“确保安全”的名义收紧中国芯片的生存空间。