|
來源：IT之家 1977 年 8 月，30 位科技界代表受邀參加在人民大會堂召開的科教工作者座談會。 在這場大會上，中國半導體的奠基人王守武發言說：“全國共有 600 多家半導體生產工廠，其一年生產的集成電路總量，只等于日本一家大型工廠月產量的十分之ー。” 這句話，把改革開放之前中國半導體行業的成就和家底概括得八九不離十。 實際上，中國芯片行業的起步堪稱“夢幻開局”。 一・中國半導體 50 年：從激蕩到沉寂 1955 年 2 月，也就是“一五”期間，北京大學就開設了中國最早的半導體課程，負責人是楊振寧的大學好友、享譽世界的頂尖物理學家黃昆，以及后來中國半導體之母謝希德。 1957 年，京東方的前身——北京電子管廠拉出了中國第一根鍺單晶，同年，王守武、王守覺這對兄弟科學家研制出了中國最早的半導體器件 — 鍺合金晶體管。 這距離美國人發明世界上第一個晶體管剛好過去了 10 年。考慮到當時新中國僅僅成立了 8 年，不管是物質基礎還是理論研究都極為薄弱，所以這個成績已屬難得。 1965 年 9 月，在上海冶金研究所和上海元件五廠共同努力下，研制成功了中國第一塊集成電路。這個成績比美國晚了 7 年，和日本相當，甚至比韓國還要早了 10 年。 進入 70 年代，中國半導體也取得了不俗的成就，例如 1975 年，北京大學的王陽元等科學家，設計出我國第一批三種類型的 1K DRAM。比美國晚五年，比韓國、中國臺灣早五年。 1978 年，中國又研制成功了 4K DRAM，次年量產，達到了世界先進水平。直至 1980 年后，韓國、中國臺灣地區才在美國技術轉移下，獲得了 DRAM 技術突破，這才實現了反超中國大陸。 甚至上海冶金研究所制造的離子注入機由于性能優異，還出口到了日本等國家和地區。 而現在被“卡脖子”的光刻機，中國也曾經走在世界前列。 1972 年，武漢無線電元件三廠編寫的《光刻掩模版的制造》，這個 66 頁的小冊子標志著中國芯片光刻工藝研究正式起步。這個時間比美國稍晚，跟日本差不多同時，比韓國、臺灣要早了 10 年。 
而在 1965 年，中國科學院研制出 65 型接觸式光刻機。1970 年代，中國科學院開始研制計算機輔助光刻掩模工藝。 清華大學研制第四代分步式投影光刻機，并在 1980 年獲得成功，光刻精度達到 3 微米，已經接近國際主流水平。 這個時候，未來的光刻機巨頭 ASML 還沒誕生，光刻機行業的領頭羊還是還是日本尼康和美國的 GCA。 然而，隨著改革開放，中國半導體行業反而進入了低谷期。 舉個例子，上海無線電十四廠在 70 年代末是國內主要的計算器集成電路廠家，其設計的 1024 位移位存儲器，集成度達 8820 個元器件，和國外幾乎沒有技術代差。但是 80 年代初，由于國外計算器進入國內霸占了市場，十四廠從連年盈利陷入虧損的境地。 而制作了中國第一塊集成電路的上海元件五廠，1980 年利潤高達 2070 萬元，職工人均利潤 1.5 萬元。即使是 1985 年，上海元件五廠的產值仍然高達 6713.1 萬元，利潤達 1261.4 萬元。 然而到了 1990 年，上海元件五廠產值下降至 1496 萬元，利潤竟然僅有 2.47 萬元，全廠 1439 人，人均利潤僅有區區 17.16 元。 熬了沒幾年，這家中國半導體曾經風光無限的的龍頭企業，就破產倒閉了。 而中國半導體產業在當時的“敗走麥城”，普遍認為有三個原因。 首先，國外產品的進入，大幅度擠壓了中國自主設備和自主研發的生存空間。 生產企業只顧引進外國設備，以期盡快投產盈利，缺少科研資金對外國技術進行消化吸收。 在六十年代，中國科研投入占 GDP 的 2.32%，然而到了 1984 年，科研經費占 GDP 比值驟然降到 0.6% 以下，半導體研發逐漸開始走下坡路。 其次，生產端出現了引進即落后、重復投產等問題。 例如在六五 - 七五期間， 全國有 33 個單位不同程度引進了各種生產設備 ，差不多引進 24 條線的設備 。但其中大部分是國外淘汰下來的二手生產線，生產出來的產品遠遠落后同期海外競品。 最后，國產半導體科研雖強，但是商業化程度不足，生產出來的產品難以和國外產品競爭。 1970 年 - 1980 年期間，我國相關工廠每月只能生產幾百片 CPU 芯片，而合格的芯片僅有個位數，換言之良品率還不足 1%。而同時期美日每月產量接近百萬，而且良品率達到 80%-90% 以上。即使國產半導體性能能夠追上海外產品，但生產成本也要大大高于海外競品。 在此前，國內半導體產業主要為軍隊、航天等部門提供芯片，因此產量和良率要求并不高，但是進入市場化競爭后，良率不足就大大拖累了國產半導體的銷路。 而國家高層也并不是沒有意識到中國在半導體芯片行業上的落后，展開了 1986 年的“531 戰略”，1990 年的“908 工程”，1995 年的“909 工程”三次技術攻堅戰役。 不過，這三次戰役，并沒有產出太多的戰果。 從 1986 年到 1995 年，陸續誕生了無錫華晶、紹興華越、上海貝嶺、上海飛利浦和首鋼 NEC 等多家集成電路和半導體公司，其中首鋼還是從鋼鐵行業跨界到芯片行業的。 然而，除了無錫華晶在臺灣技術大拿張汝京的支持下成功投產并實現盈虧平衡外，其他幾家無一例外失敗了。 之所以屢戰屢敗，從首鋼 NEC 的發展歷程中或許可以窺見一二。 1991 年，首鋼喊出“首鋼未來不姓鋼”的口號，跨界進軍芯片行業，與日本 NEC 成立合資公司首鋼 NEC。采用 6 英寸 1.2 微米工藝，生產 4M DRAM，后來升級到 16M。 但是，首鋼 NEC 自立項開始就存在一個嚴重問題 —— 技術完全由 NEC 掌控，主要客戶也是 NEC，首鋼 NEC 只是對著日本圖紙生產，不管是技術還是銷售都嚴重受限。 而技術被掌握在外資手上的代價，就是利益被侵蝕。 首鋼 NEC 建立時，首鋼占總股本的 60%，但之后為換取 NEC 的技術，首鋼占股由 60% 降到 49%，喪失了控股權，首鋼 NEC 淪落為了 NEC 全球業務中的一顆棋子。 而在 2001 年的半導體危機重創 NEC 時，首鋼 NEC 也立刻陷入了銷量困境。 這還不算完，當時首鋼和 NEC 合資時，雙方入資總額只有總投資額的 30% 左右，其他資金基本來源于銀行貸款。 背著沉重利息負擔的同時又遭到了嚴酷的市場打擊，沒幾年首鋼就宣布徹底退出芯片行業，首鋼 NEC 也成了 NEC 的代工廠，最終被關停。 連續數十年的失敗，再次揭示的亙古不破的真理：技術，要掌握在自己手上才安全。 二・危中有機，時代變化帶來的國產替換潮 雖然中國半導體產業在過去的幾十年間里屢戰屢敗，但是最近五年，卻反而絕處逢生。 早些年，不管是國內企業還是政府單位，都不愿意使用國產的電子設備，因為軟硬件的配套比起國外競品差距不是一點半點。 舉個例子，本世紀初的國產操作系統，有的連打印機驅動都沒有，運行辦公軟件都時不時崩潰，讓工作人員苦不堪言。 此前國家曾主導推動操作系統自主化，很多單位檢查時用國產，檢查完就又把 Windows 請回來了。有些單位甚至為了用上 Office 等軟件，特意托關系說情。 這就導致了一個“死亡螺旋” —— 國產半導體、軟件因為起步晚，問題多，沒有多少人愿意用；而沒人買沒人用又進一步導致國產產業鏈沒有后續資金來做技術升級，也難以發現產品中的問題。之后就是一步落后步步落后了。 然而，從 2018 年美國制裁華為后，大家驚訝的發現，手上的電腦、手機和軟件貌似也不是那么靠譜了。 在全方位的封鎖下，華為連畫芯片圖紙的 EDA 軟件都沒法用了，更不用提有美國技術的海外代工廠了，整個企業的生產都到了岌岌可危的境地。 而美國的技術封鎖在幾年的時間里不斷升級，這就導致沒有被制裁的企業，也有了“早晚被制裁”的擔憂。各家企業都開始尋求備用方案，國產芯片和軟硬件也獲得了“備胎轉正”的機會。 這對國內半導體產業公司而言是千載難逢的機遇，自家的產品雖然羸弱，但也得到了進場搏殺的入場券。 而中國又是半導體設備最大單一市場，哪怕國產企業能搶到一點點市場份額，也能讓企業有足夠的資金來完成之后的產品迭代。 而另一大機遇，就是全球半導體產業陷入了“技術瓶頸期”。 英特爾公司聯合創始人戈登・摩爾曾經提出了一個著名的“摩爾定律”：當價格不變時，集成電路上可容納的晶體管數目每隔 18-24 個月增加一倍，性能也將提升一倍。 然而，隨著晶體管數量的增加，芯片的功耗和熱量也大幅度增加，這對芯片設計和制造提出了更高的要求。 目前，晶體管數量的增長速度已經接近當前工藝的物理極限，在過去的幾年中，晶體管數量的翻倍速度已經從每 18-24 個月變成了每 2-3 年。 由于全球半導體行業的技術進步放緩，這給了國產半導體產業追上來的機會。 三・彎道超車，不一定需要光刻機 對于芯片生產，光刻機是目前產業中不可缺少的設備。 光刻機是芯片制造中最龐大、最精密復雜、難度最大、價格最昂貴的設備，光刻成本占芯片總制造成本的三分之一，耗費時間約占整個硅片生產時間的 40%~60%，而它也決定了芯片上晶體管能做多小。 光刻機最主要的作用，就是在晶圓上“蝕刻”出來晶體管。 芯片生產的流程，首先就是用等離子體物理沖擊或者化學藥水浸泡之類的辦法，在 wafer（硅晶圓）上制造溝溝槽槽，然后通過“掩膜板”進行規劃，用光線把把晶體管的形狀“挖”出來。 芯片代工廠加工晶圓的步驟極為復雜，僅光刻這一步就要反復幾十次甚至上百次，一般需要多個光刻機配合操作。一個復雜的先進制程芯片，用于光刻的一套光罩有數十個之多。 除此之外，EUV 反射鏡的制作也極其復雜，因為它們的表面需要幾乎完美光滑和干凈，每個納米層都需要具有精確定義的厚度。每個原子都需要在正確的位置，否則可能會丟失光或圖像可能會變形。 這也導致 EUV 光刻機技術難度極大，目前全世界也僅有 ASML 這一家能生產 EUV 光刻機，而 ASML 也是集合了歐美幾十家科技企業共同進行了二十年的技術攻關才搞成功的。 不過，清華大學在幾年前嘗試一條從未設想過的道路 —— 穩態微聚束（SSMB）：
相較于 ASML 極其復雜的“錫滴轟擊法”方案，SSMB 方案非常簡單粗暴 —— 只需要一個直線加速器，讓電子束在其中以近光速的方式飛行，然后為它施加一個電磁場使其轉向減速，此時電子束會損失一定的能量，并且這個能量會以電磁波的方式傳出去。 而光也是一種電磁波，所以想要得到怎樣波長的光，就只需要控制電子束的能量即可。 別說 EUV 光刻機使用的波長 13.5nm 極紫外線了，5nm 波長的軟 X 射線也不在話下，想切多少切多少，主打一個隨心所欲。 除此之外，EUV 光刻機僅支持最大 500W 的輻射功率，而 SSMB 方案可以做到理論 4000W，性能更強生產效率更高。 但是可能有人要問了，這么好的技術方案，為啥國外的科研企業不做呢？ 實際上，SSMB 方案早在十多年前就被提出了，當時是斯坦福大學的趙午團隊進行了初步的研究，而趙午教授也是楊振寧的徒弟，主攻加速器方向，對光線加速可以說是輕車熟路。 然而很快各家科研機構發現，這個方案對土地面積的要求實在太大了，甚至連實驗室都搭建不起來，這才作罷。 另外從經濟的角度上而言，這種“光刻廠”幾乎無法搬遷，而 ASML 的光刻機可以做到小型化，通過卡車即可運輸。買家買回去后用幾年落伍了，還可以轉賣給其他芯片生產企業，降低了營運成本。因此業界也對 SSMB 方案興致缺缺。 不過，自從美國開始全面限制中國獲得先進芯片的能力后，“光刻廠”這個思路又被科學家們拿到臺前討論了起來。 2021 年，清華的唐傳祥教授團隊跟德國的團隊合作，在 Nature 上發表了文章，完成了原理驗證實驗，驗證了 SSMB 技術方案的可行性。 而在去年，清華也派人考察了 SSMB 驗證實驗室的落地事宜： 不過，SSMB 依然有大量的技術難點需要解決，比如目前 SSMB 裝置使用直線加速，電子束單次通過，這對穩定性提出了極高要求。 同時目前的實驗驗證僅僅論證到了跑一圈能穩住，更多圈數更長時間都還沒有完成實驗論證。 因此，現在就說突破歐美“卡脖子”還為時尚早，不過未來可期。 在巨大的人力、物力、財力投入下，或許很多年后，我們可以挺起胸膛驕傲的說一聲：工業皇冠上的明珠，我們又拿下了一顆！ |
