新形勢下半導體國產化的現狀與展望
作者 |?李翀?北京煒衡(杭州)律師事務所律師
編輯 |?又青?
一、美國制裁中國半導體行業前期手段
2022年8月12日,美國商務部工業與安全局(以下簡稱“BIS”)在《出口管制條例》中對中國半導體產業增加了兩個技術管制條目,分別為:
(一)兩種超寬帶隙半導體襯底:氧化鎵(Ga2O3)和金剛石,這兩種材料普遍被視為系第四代半導體材料,能在更惡劣的條件下工作;
(二)專為開發具有全柵極場效應晶體管 (GAAFET) 結構的集成電路而設計的電子計算機輔助設計 (ECAD) 軟件。
事實上,2022年8月12日,BIS的更新一共新增了四條技術管制條目,除前述提到的三種外,另一種為生產開發燃氣渦輪發動機部件或系統所需的壓力增益燃燒(Pressure-gain combustion,PGC)技術,該項技術可應用于航空航天、火箭和超高音速導彈系統,提高發動機效率和降低油耗。
想要了解BIS的該次更新,不得不提到“大名鼎鼎”的《瓦森納協定》。1996年7月,美國召集33國在奧地利維也納簽署了《瓦森納協定》(以下簡稱“《協定》”)。實際上,《瓦森納協定》脫胎于美蘇冷戰時期成立的“巴黎統籌委員會”(以下簡稱“巴統”)。最初簽署的33個成員國中,有17個曾是“巴統”組織的成員國。如今,該協議已經涵蓋了美國、日本、英國等42個國家,對武器、軍民兩用商品和技術的出口進行管制。其中,全體會議是該協定的決策機構。全體會議由所有參與國的代表組成,通常每12月份舉行一次會議,每年年底會在其官方網站(https://www.wassenaar.org/)上更新一次會議紀要和對某些國家進行出口管制的信息,前文所述四條技術管制條目均在其2021年12月22日公布的版本中。
二、美國制裁中國半導體行業新的規則
2022年10月7日,BIS再次對其出口管制進行了一系列有針對性的更新,該次BIS對先進計算機和半導體制造的相關管制包括如下條目:
(一)將某些先進和高性能計算芯片及含有此類芯片的計算機商品加入《商業管制清單》(CCL);
(二)對運至中國的最終用途為超級計算機或半導體開發或生產的物項增加新的許可證要求;
(三)將《出口管理條例》(EAR)的適用范圍擴大至某些外國生產的先進計算物項及外國生產的最終用途為超級計算機的物項;
(四)將受制于許可證要求的外國生產物項范圍擴大到實體清單上位于中國境內的28個現有實體;
(五)將某些半導體制造設備和相關物項增加到《商業管制清單》;
(六)對目的地為中國的半導體制造“設施”(semiconductor fabrication “facility”)且能制造符合特定標準的集成電路之物項,增加新的許可證要求。由中國實體所有的設施將面臨“推定拒絕”政策,而跨國公司所有的設施將基于逐案審查政策決定。相關閾值如下:
1、非平面晶體管結構16nm或14nm或以下(即FinFET或GAAFET)的邏輯芯片;
2、半間距18nm或以下的DRAM存儲芯片;
3、128層或以上的NAND閃存芯片。
(七)限制美國人員在沒有許可證的情況下支持位于中國的某些半導體制造“設施”(semiconductor fabrication “facilities”)集成電路開發或生產的能力;
(八)對開發或生產半導體制造設備和相關項目的出口物項增加新的許可證要求;以及
(九)建立臨時通用許可證(TGL),對目的地為中國以外地區使用的物項,允許特定及有限的的相關制造活動,以減少短期內對半導體供應鏈的影響。
前述更新將進一步限制中國購買獲得先進計算機芯片、開發和維護超級計算機以及制造先進半導體的能力。
雖然前述措施中均提到了“許可證”,似乎只要中國企業向美國申請該許可證,即可如常經營及深入對芯片產業的研究。然而,根據《紐約時報》引述一位不具名美國高級官員表示,多數許可證申請將被拒絕,但若設備是準備運送給當地美國企業或盟國企業經營的工廠,則會被逐案審查。這意味著如果新措施能夠有效實施,使用美國技術的外國企業將會在半導體行業上與中國切斷聯系,包括向中國售賣、運輸、轉運新規中限制的技術與產品。
事實上,此種制裁我國華為公司已經提前“體驗”了一次。2020年5月15日,BIS發布禁令,任何企業將含有美國技術的半導體產品給華為,必須先取得美國政府的出口許可,禁令實施前有120天的緩沖期。2020年8月17日,禁令進一步升級,在“實體清單”上新增了38家華為子公司,并宣布無論在交易的哪個階段,只要有華為公司參與,那么世界上任何公司未經許可都不得出售用美國軟件或設備制造的半導體。
2020年9月15日,特朗普政府手起刀落,切斷了華為從商業渠道獲得芯片的能力。隨后,臺積電、英特爾、高通、聯發科、美光等芯片大廠相繼宣布,9月15日后將無法繼續為華為供貨。根據中國工業和信息化部下屬的中國信息通信研究院發布的《全球5G專利活動報告(2022年)》顯示,華為的5G專利在多項不同排名中都位居全球第一。然而,由于特朗普政府的“芯片禁令”,華為最新發布的手機HUAWEI Mate 50 pro卻只能使用4G網絡,足見其制裁之可怖。
三、半導體行業國產化現狀
筆者在拙作《一文讀懂美國“搶芯”的前因后果》中提到過半導體產業將沙子變成芯片,需要在全球數十個國家的通力合作下才能完成。而美國出于打擊中國半導體企業崛起的目的,拉著“保護知識產權”的大旗制裁中國大陸企業。一方面限制了全球半導體供應鏈中的自我調節能力,加劇了“芯片荒”的惡果;另一方面,限制了部分國外企業在中國對芯片進行封測,轉而選擇成本更高的日、韓、美企業,限制了“芯片荒”的緩解。
本次制裁措施更新后,華府智庫“戰略暨國際研究中心”(CSIS)科技事務主任路易斯(James Lewis)表示,“中國雖不會因此放棄芯片制造,但能放慢他們速度”。目前,中國在芯片研發領域的?4?個技術關卡分別為光刻機、電子設計自動化(EDA)軟件、晶圓和指令集。
2006年,國務院發布了《國家中長期科學和技術發展規劃綱要(2006—2020年)》(以下簡稱“《綱要》”)?!毒V要》第二部分“指導方針、發展目標和總體部署”中明確指出,“事實告訴我們,在關系國民經濟命脈和國家安全的關鍵領域,真正的核心技術是買不來的。我國要在激烈的國際競爭中掌握主動權,就必須提高自主創新能力,在若干重要領域掌握一批核心技術,擁有一批自主知識產權,造就一批具有國際競爭力的企業”。故在《綱要》第四部分,同時部署并啟動了16個重大專項,包括核心電子器件、高端通用芯片及基礎軟件(以下簡稱“01專項”),極大規模集成電路制造技術及成套工藝(以下簡稱“02專項”),新一代寬帶無線移動通信,高檔數控機床與基礎制造技術等。其中,01專項與02專項與半導體行業息息相關,下面分別對前述四個技術關卡的現狀略作介紹。
(一)光刻機的國產化
光刻機是利用光學復制的方法把超小圖樣刻印至半導體薄片上來制作復雜電路的技術,不同波長的光源可以刻印的集成電路圖的精細程度亦不相同。簡單來說,光源波長越短,能刻印的集成電路圖就越精細。而不同的光源,也有自己的分辨率極限。目前的光刻機可分為DUV光刻機和EUV光刻機,前者的極限為10nm,而后者目前還在向5nm、3nm技術延伸。
中國方正證券的一份研究報告披露,“在02專項光刻機項目二期中,設定的時間為2020年12月驗收193納米ArF浸入式DUV光刻機,其制程工藝為28納米”。雖然早在2020就有消息稱上海微電子的國產DUV光刻機SSA800即將在2021年下線。然而,實際機器的交付已經延遲到了現在。
據《電子技術設計》報道,上海微電子裝備(集團)股份有限公司(以下簡稱“上海微電子”)、中國電子科技集團(以下簡稱“中國電科”)、中國科學院長春光學精密機械與物理研究所(以下簡稱“長春光機物理所”)分別接到了研發光刻機的任務。其中,上海微電子、中國電科都是在突破DUV光刻機,而長春光機物理所是突破EUV光刻機。
結合各方消息來看,28nm光刻機(DUV光刻機)的理論以及包括光源系統、物鏡系統、光學系統、浸液系統在內的各個環節的制造能力我國都已具備。待上海微電子完成整機集成并測試完成(大概需要穩定跑2-3年,使光學畸變穩定下來)后,我國便可未來的幾年內具備生產28nm工藝芯片的能力。
(二)EDA軟件國產化
EDA軟件實際上是對所有做輔助電子相關設計軟件的統稱,被譽為“芯片之母”,是目前芯片設計所需的基礎工具。根據國內某CAD軟件公司相關負責人標識,如果設計一款5nm芯片產品,使用全球頂尖的EDA軟件,成本可以控制在4000萬美元左右。如果沒有EDA軟件支持,那么成本可能高達77億美元,兩者有200倍左右的差距。短期來看,國內芯片企業的設計能力將受到重大打擊;長期來看,中國的芯片技術將被鎖在與先進技術相差四至五代的水平。
在EDA中,通常一個軟件會集成幾個工序的工作,負責好幾件事情。如果某個EDA公司的某個環節比較強,做出了行業普遍認可的工具,則這種工具可以負責行業中的某個點,該種工具也被稱作點工具。在EDA行業中,前三的企業分別為新思科技(Synopsys)、楷登電子(Cadence)、明導國際(Mentor Graphics,后因在2016年被西門子收購更名為Siemens EDA),國內EDA市場長期被三大巨頭壟斷,約占據了80%的市場份額。一般的,工程師們在設計芯片時會用新思科技的前端工具、用楷登電子的后端工具、用明導國際的DFT和物理驗證,今年六月份三星公司突破3納米的GAAFET架構制程技術就是在前述EDA軟件的全力協助下完成的。此次美國對設計GAAFET結構集成電路所必須的EDA軟件實施出口管制,直接讓中國沒有了設計3納米及以下芯片的工具。EDA軟件工具鏈大約有40個細分領域,前述三家企業目前實現了全產業鏈覆蓋。而中國EDA軟件企業中,僅有北京華大九天科技股份有限公司(以下簡稱“華大九天”)覆蓋了40%的工具鏈,在本土市場中占有大約6%的市場份額,而其他國產EDA廠商則多為點工具,無法為客戶提供特定區域全流程產品服務。
筆者認為,提升國產化EDA軟件的研發進程,需要國內半導體產業聯合起來,組成聯盟,共同開發、共享經驗,加強企業間的協同配合,盡量少走彎路。
(三)晶圓國產化
半導體產業包括生產晶圓的晶圓產業和以晶圓為材料進行設計和制造的晶圓加工產業、組裝產業等。此處的晶圓國產化是指生產晶圓的晶圓產業。
晶圓是制作集成電路的基礎,如果要做個比喻,晶圓就是制作披薩需要用到的面團,在對晶圓進行一系列加工后,就形成了集成電路。制作晶圓的過程需要三個階段,第一個階段將沙子中提取的硅進行高純度的提純程序,并將硅原料高溶解,制造高純度的硅溶液,并使其結晶凝固,形成錠(Ingot)。第二階段,需要用金剛石線將錠切割成厚度均勻的薄片,薄片的直徑決定了晶圓的尺寸,一般來說,晶圓的尺寸有150mm(6英寸)、200mm(8英寸)、300mm(12英寸)等等。晶圓的尺寸與芯片的工藝制程是并行發展的,即晶圓的尺寸越大,每片晶圓上能產出的芯片就越多,故晶圓切割工藝一直在向厚度變薄、尺寸變大的方向發展。第三階段,將切割后的晶圓進行一系列的加工,避免因晶圓表面有瑕疵而影響電路的精密度。目前,我國如果要在生產晶圓的產業線上實現全面“脫美”,能拼湊出200mm(8英寸)晶圓的供應,與之相對應的,在8英寸晶圓上,芯片規格與經濟極限是90納米工藝,如果要縮小工藝制程,均需用到12英寸晶圓。據業內人士介紹,目前上海新昇半導體科技有限公司與西安奕斯偉材料科技有限公司已經宣布實現了300mm硅片的量產,但目前還沒有聽說有一線廠家給主要訂單,即目前我國可完全脫美的芯片工藝制程為90納米。
(四)CPU國產化
CPU(中央處理器)是計算機的核心,其內部主要由控制單元(CU)和算數邏輯單元(ALU)構成,主要運作原理可以分為四個階段:提取、解碼、執行和寫回。這些運作過程全部由指令系統,即指令集控制。對指令集的掌控程度決定了國產化的程度,對指令集的消化吸收和創新程度決定了CPU的創新可信程度。
指令集可分為復雜指令集(CISC)與精簡指令集(RISC),前者代表如英特爾公司的X86架構,后者代表如ARM架構、MIPS架構、Alpha架構、RISC-V架構等。其中,RISC-V架構指令集是美國加州大學伯克利分校研究團隊于2010年設計的基于RISC原理的精簡指令集,具有完全開源、架構簡單、易于移植、模塊化設計、工具鏈完整的特點。RISC-V指令集的出現,打破了英特爾公司與ARM公司在指令集領域兩強壟斷的局面。
2021年,我國在《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》(以下簡稱“十四五規劃”)首次將“開源”規劃列入其中,十四五規劃期間,我國將“加快布局量子計算、量子通信、神經芯片、DNA存儲等前沿技術,加強信息科學與生命科學、材料等基礎學科的交叉創新,支持數字技術開源社區等創新聯合體發展,完善開源知識產權和法律體系,鼓勵企業開放軟件源代碼、硬件設計和應用服務”。目前,隨著物聯網、5G通信、人工智能等新技術的興起,物聯網和嵌入式設備成為RISC-V最先落地的領域和最大的應用市場。阿里平頭哥半導體有限公司的開源玄鐵RISC-V系列處理器已應用于工業控制、智能家電、智能電網等多個領域。結合RISC-V本身低功耗、低成本的特性,亦不排除使用該架構的芯片進入服務器、高性能領域的可能性。
2021年6月,首屆RISC-V中國峰會于上??萍即髮W舉辦。會上,中國科學院計算技術研究所包云崗團隊公開推出了“香山”開源高性能處理器芯片。這標志著,在中科院計算所、鵬城實驗室的技術支持下,由中國開放指令生態聯盟開發的國產RISC-V處理器內核正式誕生。包云崗先生表示,“香山芯片是一個研究芯片,未來的商業化還需要企業參與,我們將面向全球開放,構建芯片科技領域的人類命運共同體?!惫P者對此持樂觀態度。
四、結語
由于特朗普政府與拜登政府的持續施壓,中國面臨著貿易制裁與科技封鎖的雙重困難。此次美國對中國半導體行業的打壓,定會給中國半導體行業造成一次不短的“陣痛期”,然而古諺云“塞翁失馬,焉知非?!?,中國擁有世界上規模最大、門類最全、配套最完備的制造業體系。此次打壓或許會“倒逼”半導體行業加快國產化的步伐,避免在建設現代化產業體系的過程中被美國掣肘。
(本文僅代表作者觀點,不代表知產力立場)