中国芯片的困境与发展之路的探讨

吴濛涛， 武文一， 郑佳依， 刘 畅

（徐州工程学院机电工程学院， 江苏 徐州 221018）

引言

近期，海思麒麟980芯片正式发布。它采用台积电的7 nm制程工艺，集成了69亿的晶体管，其性能和能效一举超越了高通旗舰骁龙845。海思麒麟980上搭载了国内AI芯片厂商寒武纪的双核NPU，引领国产芯片突破了高端芯片的难题，性能表现与创新之处得到了业界的高度评价，开创了国产芯片的新纪元[1]。

然而，中兴通信遭芯片禁售事件的教训与启示对国人影响深刻。2018年中国与美国发生了贸易摩擦，中兴通讯被美国商务部开出了14亿美元的巨额罚单，并发出了长达7年的“禁售令”。作为通讯行业的巨头，遭受如此巨大的打击，确实让国人深深感到了切肤之痛。从中兴通讯制造的基站来看，电路板上除了一些数字基带芯片能够自产外，通信链路上RF（射频）芯片、PLL（锁相环）芯片、ADC（多通道模数转换器）芯片和DAC（数模转换器)芯片都来自ACIA、Oclaro与高通等美国的顶级芯片供应商。初步统计，一台完整的中兴通讯基站至少有20%～30%关键元器件都要从美国进口。而一台基站中只要有1颗芯片被禁运，整台基站就无法成功运行，也就会导致这台基站无法供应顾客，从而只能支付高额的毁约费。美国当局卡住了芯片的供应，也就意味着牢牢地卡住了中兴通讯的命门，使企业生产难以为继，从而导致行业巨头的坍塌。

“禁售令”的出现，使大家深刻了解到我国芯片行业的弱点所在。没有掌握核心技术，关键零部件依赖国外，就可能被别人卡住命门。从中国海关总署提供的数据来看，到2017年我国在芯片方面的进口额，已经连续五年超过2000亿美元。其实早在2005年，我国自主研发的“龙芯2号”CPU已经问世。但龙芯的问世，只是让中国告别了无"中国芯"的时代，并不意味着所有芯片都能够自主生产。至今为止，我国的部分芯片，依旧需要进口，仍告别不了“缺芯”的时代。

1 “中国芯”面临的主要问题

在电脑端中央处理器上我国有龙芯的成功，但在手机高端中央处理器领域仍存在差距。既没有自主研发的指令集，也没有能够适配主流手机操作系统的自研处理器架构。即便像“华为”这类在国产芯片领域已有不错作为的科技巨头对此也无能为力。以海思麒麟980为例，一枚指甲盖大小的手机端中央处理器，除了基带、NPU等是我国科技公司自主研发的以外，其它例如指令集、CPU等重要部分都需要通过国外厂商的授权。而国外如高通、苹果和三星等科技巨头，在设计手机CPU的过程中，都需要经过ARM公司的授权，才能进行下一步的生产制造。

对于自主架构而言，在设计出来后，需要考虑的问题很多。首先是自主架构的功耗和性能是否能达到预期；其次，能否能适配主流的手机操作系统，或者能够适用于我国拥有自主知识产权的操作系统，是否搭建起了完整的应用生态；最后，在推向市场时，是否因为市场迭代太快，刚完成所有的设计还未流片时，就已经落后了国际厂商一大截。而这些问题，给工程师们增加了许多无形的压力。

在芯片制程工艺上，也是一座难以逾越的“大山”。目前国内芯片制程工艺发展进度最快的芯片代工企业——中芯国际，也仅仅在第一代14 nm的FinFET技术开发上获得重大进展，像有一些制程工艺及其小的芯片，目前仍然还未有突破性的进展，部分加工设备仍然需要进口；而同时间像三星、台积电等公司都已经推出了10 nm的FinFET制程工艺，都进入量产阶段，台积电已经量产了7 nm的制程工艺，三星也已经推出了8 nm的LPP FinFET的制程工艺，目前台积电的5 nm制程工艺已经开始研发。由于芯片制程工艺的研发必须保持阶梯式发展，有一个循序渐进的过程，中国芯片企业要从28 nm的制程工艺一下跳到目前量产的10 nm的制程工艺是具有很大难度的。因此，中国芯片代工企业现在只能在国内芯片市场上提供低端产品，而像处理器、存储器以及高端的模拟芯片、功率芯片等核心元器件都由外资企业把控。在集成电路的毛利率方面，中国集成电路设计公司普遍都在30%以下，而欧美竞争对手都在45%以上，500多家集成电路设计公司收入仅是美国高通公司的60%～70%。

在芯片设计、制程工艺方面我国与世界顶尖技术有差距，尤其是芯片制造差距更大。高水平的芯片制造依赖的是先进的制造设备，而中国目前在先进制造工艺方面与国际先进水平有着25年的技术差距，而且半导体核心设备供应商都集中在美国、日本与荷兰等国手中，尤其是芯片制造最重要的设备光刻机超80%是由荷兰ASML所供应，其他例如高频射频元器件、高端光刻胶、化合物半导体等在芯片制造上起关键作用的设备也都完全依赖进口。在参与芯片制造的生产线构成中，目前我国能国产化的设备只占其中的12%，而且几乎全是中低端设备。

目前，中国是全球最大的芯片消费市场，仅去年的销售额就达到了5 411.3亿元，但是，在整个芯片市场占比中，仅有10%左右的芯片为中国企业生产，换句话说，外国的芯片产品占据了国内芯片市场90%左右的份额，国外科技巨头在中国市场上赢取了巨大的利润。据赛迪研究院数据统计，在2017年世界前20半导体企业中，美国企业占了13家，在中国市场销售额合计是667亿美元，其中，高通、博通、美光有一半以上的市场销售额是在中国实现的，而作为中国本土最大的芯片制造商，华为海思的营收还不到英特尔和三星的10%。

2 追赶过程与未来展望

事实上，我国的本土公司一直在不断地追赶国外芯片领域属于行业巨头公司的脚步。“中国高端芯片联盟”的成立，包括了像华为、中兴通讯、紫光集团、中芯国际在内的27家国内芯片龙头企业，他们是国产芯片追赶世界先进水平的主要力量。过去19年全球芯片专利数量增长了6倍，而中国芯片专利量则增长了23倍，以芯片专利申请数量而论，我国已跃居世界第一大国，并且连续6年蝉联全球第一。

2018年8月，中芯国际成功从ASML订购一台EUV光刻机，预计2019年春出货。作为7nm制程工艺的主力，EUV光刻机的成功订购也意味着我国在制程工艺的追赶上，又迈出了重要的一步。然而，无法改变的事实是仍然需要进口光刻机来进行生产。一台ASML EUV光刻机，其售价约为1.2亿美元，而每台光刻机的零件就达到了五万多个，且一年的产量仅为12台。对于我国而言，发展自主光刻机也是重中之重。基于自身核心技术的短缺，在芯片设计领域国内企业可以与海外的芯片公司进行合资或者通过专利授权的技术路线来维系自己的产品生产与加工。而对于光刻机而言，作为受《瓦森纳协定》的限制的对象，我国在技术垄断的情况下，科学家们仍然在探索中不断前进。目前，我国华中科技大学的甘棕松教授已经在世界范围内实现了单线9 nm线宽的超分辨光刻，追赶上荷兰ASML公司也只是时间长短的问题。

对于国产芯片来说，未来仍是一条艰苦卓绝的发展之路，增大顶尖芯片领域人才的储备也愈发重要。我国的高校应大力培养芯片领域所需的交叉学科的人才，从海外引进优秀的人才，与企业合作，将企业的电子工程师经过培训转轨为集成电路设计工程师，建立全国统一的以集成电路设计、制造为核心的学习实践平台，对全国高校开放，允许相关专业的学生申请使用这个平台上的资源，多方面加快人才培养的速度，提高人才培养的质量，来加快光刻机等关键制造设备的技术开发，提高超精密制造设备所用元器件的精度，逐步提升我国在芯片设计制造领域的实力，尽快摆脱对国外公司顶尖技术与尖端制造设备的依赖。如此，才能够实现芯片真正的国产化，而不会在芯片从设计到变为实物的整个过程中受制于人。