芯片是人类智慧皇冠上的明珠,而光刻机可以被称为是芯片工业制造领域的明珠。荷兰的阿斯麦(ASML),日本的尼康和佳能是光刻机制造领域的前三名,其中阿斯麦在中高端光刻机的市场占有率达到了60%,高端光刻机的市场占有率达到了90%,芯片制程在14纳米节点以下的光刻机市场占有率达到了100%,几乎没有对手。而这家企业的CEO温彼得表示:
中国不太可能独立复制出顶尖的光刻技术,因为阿斯麦依赖于不懈的创新,以及整合只有从非中国供应商处才能获得的零部件。但我的意思并不是绝对不可能,因为中国的物理定律和我们这里是一样的。永远别那么绝对,他们肯定会尝试的。
相信不少人看到阿斯麦CEO的话,会表示不服,毕竟咱们中国的科学家们曾经在被技术封锁的情况下,还独立完成了两弹一星、空间站的研究;在曾经落后的盾构机、高速铁路等方面后来实现了反超。这样的例子,我们可以举出一堆来。
即便是在芯片领域,华为旗下的半导体子公司海思半导体,从2004年开始,仅用10多年的时间,就冲进了全球半导体TOP10榜单,增长速度远超其他半导体企业。
相信看到这里,很多人可能会想,小小的一颗芯片,再难也不可能比两弹一星等技术更难吧?
两弹一星
要了解这个问题,我们首先就要搞清楚制造两弹一星的难度,一般来说,两弹一星指的是原子弹、氢弹、导弹以及人造卫星。其中,能否研制出核弹,关键要素其实是用于制造核弹的原材料。如果原材料不够,那是万万不可能制造出原子弹的。在二战的时候,英国就遇到了类似的问题,无奈只能选择和美国合作。
现在我们也是通过分析一个国家“购买浓缩铀的多少”"和“浓缩铀离心机数量的多少”来判定,这个国家是不是拥有制造核武器的能量。因此,从现在来看,核武器的原材料才是制造核武器的难题。
芯片制造
芯片的制造难度和核武器完全就是不一样,它属于精密制造,那到底有多精密呢?
我们经常会听到14纳米、7纳米芯片、5纳米芯片乃至3纳米,并不是说这个芯片只有几纳米。要知道,“1纳米”只有10^(-9)米,是一个非常小的长度,只比原子大10倍。而这里“纳米”指的是栅极的厚度,这是一个专业术语,不懂也没关系的。我们都知道,芯片当中有晶体管,以海思的麒麟9000为例,它是现在最先进的5毫米制程芯片,在这颗芯片上就有153亿个晶体管。这晶体管的密度有多吓人呢?我们举个简单的例子,在这颗芯片中,一颗米粒那么大的范围内,就排布了上亿个晶体管。
如果要制造出这么一颗芯片,其中需要几十个学科的知识,至少需要上千道工序。同时,还需要几十个行业最尖端技术的加持,包括了精密机床、精密化工、精密光学等等。阿斯麦的CEO说:中国无法独立做出来。但实际上,他这句话只说了一半。
因为,至今全球没有一个国家可以独立制造出一颗最先进的芯片。因为现在最精密的光刻机需要举全球企业之力,几个核心部件都不是阿斯麦自己制造出来的,比如:光刻机的光学系统是由德国的蔡司公司提供的,光源系统是美国的Cymer公司所提供。
阿斯麦自身只是专注于光刻机系统的集成和下一代产品的设计,所以它相当于是在整合全球相关企业的资源来制造最高端的光刻机。
不仅如此,我们要知道的是,要制造一颗芯片需要三个步骤,设计、制造和封测。
虽然华为旗下的海思半导体在设计领域已经做的相当不错,但设计需要用到EDA软件,能提供软件服务的有三家企业,其中2家来自于美国,一家来自于德国,总部却在美国。不仅如此,设计所需要的ARM架构也是由一家英国公司所提供。
而制造环节,除了用到光刻机,还需要许多其他的材料和技术,比如,制造芯片需要纯度非常高的单晶硅。这个过程就会涉及到材料提纯,需要把二氧化硅转化成多晶硅,这里对于多晶硅的纯度要求非常高,纯度需要做到99.999999999%(小数点后面9个9),再把高纯度的多晶硅提炼成单晶硅,对单晶硅切片就可以得到晶圆。
而制作芯片就是在晶圆上按照设计方案进行排布元器件的过程。因此,对于多晶硅的提纯也十分重要,否则良品率会非常低。从全球来看,提纯多晶硅的技术,日本做得最好,而我们国家到现在为止,还没有办法做出如此高纯度的多晶硅。
除此之外,日本做得比较好的还有光刻胶,这是制作芯片过程中的必需品。
芯片制造的最后一个步骤是封测,这个步骤是给芯片加上一个保护套。在这个方面,我们倒是没有落后,而且还算是做得比较不错的。
也就是说,华为旗下的海思在芯片设计方面处于不错的水平,但依然要借助到欧美的EDA软件。
在封测方面,我们国家做得还不错。而在芯片制造方面要落后很多,这也是被卡脖子的地方,这当中涉及到了全球各国企业的核心技术,这些技术是欧美以及一些东南亚几十年的技术积累从而形成的技术壁垒,一时间很难打破垄断。
全球供应链
由于芯片所需要的技术含量太高,需要整合全球的技术。因此,全世界没有一个国家可以独立做出芯片来,并不是说只有中国做不出来。由于这些技术欧美比我们早了几十年发展,已经形成了长期的技术壁垒,才会使得中国的芯片被卡脖子。
不过,我们也可以看到,如果不刻意打压。中国的企业其实已经展现出了非常惊人的发展速度,华为的海思半导体就是一个典型的例子。
因此,虽然现在处于被掐脖子的状态,但掐脖子的事情也让我们明白,芯片技术对于一个国家而言的重要性。因此,无论有多艰难,需要多么长的时间去攻克,那都是十分必要的。我们也要相信,在接下来的数年内,我们国家肯定会涌现出诸多的芯片技术人才,在他们的努力之下,去打破现在卡脖子的困境,甚至是让中国芯片技术走向世界的前列,这就像高铁、盾构机等技术一样。