不止光刻机,挡在国产芯片发展路上的“三座大山”是什么?

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伴随着近年来国产智能手机行业的崛起,网上有关于国产芯片的话题就一直没有断过。近期的行业缺芯潮,又一次将芯片问题推上了风口浪尖。这里,我们提出一个问题:国产芯片发展需要解决的问题究竟是什么?很多朋友可能会想到光刻机,没错,光刻机很重要,但挡在国产芯片发展道路上的难题远不止只有它那么简单。今天,我们就来探讨下挡在国产芯片发展道路上的“三座大山”。

 

 

制造材料 硅片产能

房子有地基,大树有根基,任何事物发展都依托于本源,芯片也不例外。我们都知道制造芯片的材料是硅。硅是地壳内第二丰富的元素,而脱氧后的沙子最多可包含25%的硅元素,以二氧化硅(SiO?)的形式存在。

 

 

硅(SiO?)一直被称为半导体制造产业的基础,既然硅是从沙子中提取出来的。那么,沙子遍地都是,不可能缺少沙子,我们缺少的是从沙子里提取硅的技术。

 

 

硅锭

芯片从设计到制造的过程极为复杂,从沙子中提取出硅,制成硅锭,硅锭切成硅晶圆片,然后交给芯片代工厂生产制造芯片。在从沙子提取出硅的工艺环节中,技术难点就在于它的提纯度,不能低于99.99999%,也就是提取出硅的纯度,它的杂质含量不能超过千万分之一。

 

 

晶圆

这就相当于如果硅晶圆片是8英寸(直径200mm),空气中的灰尘直径是10万分之一毫米,那么按照硅的纯度要求,就必须要控制不能超过2粒灰尘落在8英寸的硅晶圆上,这也是芯片制造离不开无尘车间的重要原因。

硅材料生产制造出名的公司有日本的信越化学和SUMCO,韩国的LG化学以及中国台湾地区的环球晶圆等等。虽然大陆内部也有一定数量的公司在做硅材料的研发生产,但是所占比重还是太小。可以说,芯片制造过程中的硅片产能问题,是国产芯片发展道路上的一座大山。

芯片之母 EDA软件技术的欠缺

无论是电脑芯片,还是手机、汽车芯片等,都需要设计规划,而芯片的设计,不仅需要人才研发能力的创新,更离不开EDA工具软件的辅助。

 

 

这里我们首先举个例子,画家绘画除了需要自身的本领外,更离不开颜料、图纸和画板,好的绘画工具可以让绘画的效率事半功倍。可以说,EDA工具软件就如同画家的绘画工具。

具体来讲,EDA是指以计算机为工作平台,融合应用电子技术、计算机技术、智能化技术最新成果而研制成功的电子CAD通用软件包,主要能辅助进行三方面的设计工作,即IC设计、电子电路设计和PCB设计。

 

 

要说集成电路发展初期,电路设计还并非太复杂,即使不借助EDA软件也能实现电路设计。但随着电路集成度越来越高,不依靠软件单纯靠人力就不可能完成设计。况且,芯片早已是纳米级别的电路设计,EDA软件更是不可或缺,正是如此,EDA软件也被称为“芯片设计之母”。

目前,全球最有名的三大EDA软件公司,分别是美国的Synopsys、Cadence 和西门子旗下的 Mentor Graphics ,三大EDA软件巨头几乎垄断了全球 90%以上的EDA市场份额。而且,中国还是三巨头最看重的业务增长市场。

某种意义上讲,三大EDA巨头都属于美企,Mentor所属的西门子工业软件总部也在美国。受限于EDA管制,从一开始的芯片设计,芯片落地前的第一步可能就要被卡脖子。

 

 

EDA软件

当然,国内也有EDA软件公司,其中最有实力的当属华大九天,华大九天继承国产最早的熊猫EDA系统,技术积累还是相当成熟的。但是,纵观国内整个EDA行业,大多数企业很难做到全流程,因此还有很远的路要走。

EDA工具的出现,极大地提高了电路设计的效率和可操作性,减轻了芯片工程师的负担,给电子系统设计带来了革命性的变化。没有EDA软件设计,高端芯片就没有办法设计,芯片设计要想实现完全自主化,EDA软件就是一个绕不开的问题。

芯片制造光刻机技术的现状

生产芯片原材料、设计芯片,到真正生产制造芯片就需要用到光刻机了。众所周知,无论是苹果还是联发科、高通等手机芯片,都需要台积电或三星代工生产,而目前用于制造这类高端芯片就需要用到极紫外(EUV)光刻机,而当下也仅有荷兰ASML一家可提供可供量产用的EUV光刻机。

 

 

荷兰的ASML在光刻机市场上占据了80%的份额

据悉,一台ASML光刻机重量可达180吨,内部零件多达10万个,其中主要零部件来自于欧美几十个发达国家。荷兰的光刻机德国提供蔡司镜头设备,日本提供特殊复合材料,瑞典提供工业精密机床,美国提供控制软件等等。

 

 

一台ASML光刻机内部零件多达10万个

荷兰ASML也不可能仅靠自己就能造出高端光刻机,因为它涉及了全球的供应链体系,汇集了全世界各国的顶尖技术,缺少任何一个组件和环节都不行。

那么,中国可以自主生产光刻机吗?其实早在去年,中国最强的光刻机生产商上海微电子已经攻破了28nm光刻机,虽然国内光刻机企业对比荷兰ASML有着不小的差距,但作为独立自主研究的成果,意义非凡。总之,国内发展光刻机技术,需要政策支持、资金投入和人才培养,同时更需要时间。

写在最后

2020年中国芯片的进口额攀升至近3800亿美元(折合人民币超2.4万亿元),约占国内进口总额的18%。根据彭博社对官方贸易数据的分析,中国内地2020年从日本、韩国、中国台湾等地购买了近320亿美元的设备,用于芯片生产,比2019年增长了20%。有分析师认为:“短期来看,中国将依靠进口来提升芯片制造水平。”

芯片从设计、生产到量产落地,是一套极其复杂的工程,芯片行业发展这么多年,从简单到复杂,从低端到高端,并不是一蹴而就的。国产芯片面临的问题还有很多,但我们都处在解决这些问题的过程中,“赶鸭子上架”的做法不可取,唯有一步一个脚印,才能让国产芯片的根基更牢固。找到问题,解决问题,三座大山也阻挡不了国产芯片前进的步伐。

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