解读中国芯片真实水平，与世界顶尖差多少？

　　集成电路是怎么回事

　　这是重点。先来一段百度百科上的介绍：

　　集成电路(integrated circuit)(缩写IC)是一种微型电子器件或部件。采用一定的工艺，把一个电路中所需的晶体管、电阻、电容和电感等元件及布线互连一起，制作在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上，然后封装在一个管壳内，成为具有所需电路功能的微型结构;其中所有元件在结构上已组成一个整体，使电子元件向着微小型化、低功耗、智能化和高可靠性方面迈进了一大步。它在电路中用字母“IC”表示。集成电路发明者为杰克·基尔比(基于锗(Ge)的集成电路)和罗伯特·诺伊思(基于硅(Si)的集成电路)。当今半导体工业大多数应用的是基于硅的集成电路。

　　集成电路技术包括芯片制造技术与设计技术，主要体现在加工设备，加工工艺，封装测试，批量生产及设计创新的能力上。

　　下面是我自己写的：

　　人人都听说过摩尔定律，当价格不变时，集成电路上可容纳的元器件的数目，约每隔18-24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。有一段时间，人们说摩尔定律失效了，英特尔自己都做不到了，也有人说实际上IC行业发展比摩尔定律更快了。不论如何，全球半导体企业一直投入巨资研究新的制程工艺，其标志就是集成的半导体元件的线宽。每一次制程工艺的进步，都带来更小的线宽，更小的功耗，更高的工作频率，能够集成更多的元件，有更强的性能。

　　线宽：注意，1毫米=1000微米=1000000纳米，一千倍的关系。从我对半导体行业有印象的时候开始，半导体行业最先进的制程工艺从几十微米到几微米，再到几百纳米， 130纳米，65纳米，45纳米，28纳米，20纳米，16纳米，14纳米，10纳米，直到今年三星就要量产的7纳米， (中间可能还有个别其它的线宽)。每隔两三年就更新一代， 但是基于这些线宽，各个厂家仍然有不同的工艺技术。 有时候线宽也只是一个商业宣传噱头，因为IC电路上的每一个晶体管都是由多种半导体材料搭建而成，每种材料的形状和线宽都可能不同，厂家选择最窄那个宣传，仿佛水平最高，实际上也许不那么高。比如网上有很多讨论，英特尔的20纳米制程工艺在实际效果上要强于台积电的16纳米制程工艺。所以我们在评价一个IC厂的制程工艺是否先进的时候，线宽是一个重要的参考，但不是唯一的。

　　晶圆(Wafer)：晶圆是圆柱形的单晶硅切割成的圆形硅薄片，所有的IC都是在晶圆上加工而成的，然后经过切割和封装、测试，就是芯片成品。显然，晶圆越大，能在晶圆上制造的IC就越多，成本就越低。所以在半导体行业发展的近几十年里，晶圆的尺寸不断加大，从4英寸、6英寸、8英寸发展到现在的主流12英寸，未来会有更大的晶圆。原理上讲，用多少纳米线宽的制程工艺和晶圆的尺寸没有必然的联系，7纳米也可以用4英寸晶圆，但实际上IC工厂通常会采用那个时代最大的晶圆来降低成本。

　　投资和行业：摩尔定律只告诉你了IC工艺如何进步，但没告诉你建造IC工厂的投资如何增长。实际上每一代制程工艺的进步，新建工厂所需投资都大幅度增长。从70年代的几千万美元，到几亿美元，十几亿美元，几十亿美元，上百亿美元，而最近三星，英特尔和台积电投资的7纳米生产厂，投资额都已经超过二百亿美元。这种天价的建设成本带来两种后果：第一，是小国或者新进入IC行业的国家，已经没有经济实力追求最先进的制程工艺了。台湾和韩国都是举政府之力全力支持，并且从几十年前IC工厂所需投资还没那么大的时候就进入行业，经过以厂养厂的良性循环，利用旧工厂的高利润才能撑得起对新厂房的投入。而投入稍微不足，便一步落后步步落后，如今欧洲和日本的IC企业都已经无力再追寻最先进的制程工艺了。全世界最先进的IC制程工艺只掌握在三家公司手中：三星，台积电，英特尔。而目前唯一有可能赶上来的，就是中国。第二个后果，就是如此高价的厂房，靠自家的产品一般都无法填满产能，带来的后果就是自家产品的成本飙升。为了填满产能，摊平成本，所有掌握最先进工艺的厂家都必须为其它公司代工。这就导致了IC行业分化为没有工厂只有设计和市场部门的FABLESS企业，和为其它企业代工生产的FAB公司。台积电是只有代工，没有自己品牌IC产品的。三星和英特尔都有自己品牌的IC产品，但也为其它企业代工。世界上也有一些IC企业，在特定的行业里市场占有率高，而IC工厂的制程工艺并不高，成本也不高，这些企业是不用给别家代工的，自己生产自己设计的IC就够。

　　没有IC工厂的设计企业有很多，比如华为海思，AMD，NVIDIA，高通，MTK，博通，等等等等。网上有人说华为海思的芯片是台积电代工的，所以华为海思不牛，这个观点是错的。通讯行业霸主高通就没自己的IC厂，所有产品都是台积电或者三星代工生产的，你敢说高通不牛?华为不止是手机CPU是自己设计，它的网络产品中用的交换机芯片，路由器芯片，和电源管理等等很多芯片都是自己设计找FAB厂代工的。华为是核心电子元器件自主率最高的中国企业，当然，它也有大量的电子元器件需要进口。

　　中国的IC行业水平：

　　这里就是重点中的重点了。中国的经济实力是在最近十年左右才爆发性增长的。由于IC FAB工厂所需投资额巨大，十几年前中国实际上没有多少钱投入，水平落后是必然的。再加上科研体制的问题，早期有一帮公司靠打磨进口芯片冒充自己的产品，造成了极其恶劣的影响，首当其冲的就是“汉芯”，以至于网上一有新闻说中国什么芯片获得突破，立即有人蹦出来说：是打磨掉人家的标打上自己的标的吧? 这种情况直到近些年才有所改观。

　　首先看IC制造FAB企业的水平：中国目前(2018年初)最先进的IC制程工艺是中芯国际和厦门联芯的28纳米制程。厦门联芯的28纳米良品率已经超过95%，而中芯国际的28纳米良品率还不高，实际上对这一工艺还没完全搞利索。而中芯国际已经把14纳米制程作为研发重点，争取在2019年底之前量产。另外台积电在南京投资的16纳米工厂，目标是2018年底量产。

　　那么世界最先进水平呢?上周刚刚爆出的消息，三星的7纳米制程刚刚量产成功，而且是应用了ASML最先进的EUV光刻机完成的。而台积电没有使用EUV光刻机的7纳米工艺要到今年底才能量产，英特尔会更晚些。使用EUV光刻机未来可升级到更先进的5纳米制程。

　　这样看来，中国的IC制程技术比世界最先进水平落后两代以上，时间上落后三年多(台积电和三星的14/16纳米制程工艺都是在2015年开始量产的)。这实际上就是美国对中国大陆IC制造设备的禁运目标。IC制造设备种类非常多，价格都非常昂贵，其中最重要的是光刻机。光刻机的生产厂家并不多，在28纳米以上线宽的时代，日本的佳能和尼康都能制造(对，就是造单反相机的那个佳能和尼康)，但是IC制程工艺进步到十几纳米以下时，佳能和尼康就落后了，基本退出了光刻机市场。目前，世界上唯一的光刻机厂家就剩下ASML。ASML是荷兰飞利浦公司的半导体部门拆分出来的独立公司(飞利浦半导体部门拆分出的另一家公司是NXP恩智浦，最近美国高通公司要收购NXP，需要得到中国政府的批准，赶上美帝对中兴禁运，那么，就拭目以待吧)。ASML的主要股东是飞利浦，但三星，台积电和英特尔都占有股份。去年底， ASML的中国区销售总监对媒体说，ASML最先进的EUV光刻机对中国没有禁运。但是美国政府又的确有禁运的指示。那么，到底禁运不禁运?这个问题得这么看： ASML每年光刻机的产量只有不多的几十台，每台卖一亿多美元，只能优先供应它的主要股东。对，就那三个最先进的IC厂家：三星、台积电、英特尔，中国企业如果订货得排在后面等，交货期将近两年，交货后生产线调试，工艺调整还要一年左右，加到一起，从下订单到量产要至少三年。这样通过正常的商业逻辑和流程，就能达到美国政府制定的，让中国落后于最先进IC工艺至少三年的目标。那美国政府何必要蹦出来说禁运呢?

　　但是在这里必须说明，中国IC制程落后的最主要原因，并不是买不到光刻机，或者是光刻机到货太晚。最主要的原因在于没有足够的人才和技术!现状就是，即使把所有最先进的生产设备都马上交给中国IC制造企业，中国IC企业在三年内也没有能力量产最先进的IC制程。事实上中芯国际目前就有14纳米制程的全套设备，而他们的28纳米制程都没整利索。再说一遍：最大的瓶颈在于缺乏技术和人才。

　　IC生产工艺异常复杂，是人类目前生产的最复杂的产品，没有之一，有了最先进的生产设备，就比如给了我最高级的画笔和颜料，我仍然画不出一幅能看的画来，因为我根本不会画画，不知道怎么落笔，怎么钩线，怎么涂色。用IC生产设备生产IC，需要经过大量的工艺研发，需要知道用什么材料，制作成什么形状，怎么布局，等等，才能保证良品率。而中国懂这些技术的人才太少太少。中国自己的大学微电子专业离业界先进水平太远，培养出的合格工程师太少。这也解释了，为什么中国的IC制造企业大量高薪挖台湾日本韩国的IC制造人才。指望买到最先进的生产设备，短时间就赶上世界最先进水平是不现实的。技术的积累和人才的培养都需要很长时间。

　　那么到底有没有机会赶上呢?也许未来5年左右是个弯道超车的机会，但要看运气。原因在于，新一代制程工艺对于半导体线宽的缩小不是无限制的。业界普遍认为，以目前的工艺技术，到了3纳米以下的时候，电子在半导体内的流动就不是按照我们所理解的理论来走了，而是会遇到神秘的量子效应，当前的工艺技术就失效了。各大领先企业都投入巨资研发全新的工艺和技术，试图突破这一限制，媒体上经常能见到某某公司又有什么突破。但到目前为止，还见不到实用的技术突破。所以，也许，在5年之内，各领先企业都会停滞在3纳米制程附近，正是中国赶上来的好机会。但是也有可能，未来5年真会有技术突破，那么领先企业还会继续领跑，中国还得在后面苦苦追赶。

　　不过IC制程工艺未来有一个发展方向是实用的并且已经在闪存行业应用了：那就是向多层发展，3D堆叠。目前三星已经量产64层堆叠的NAND Flash芯片，正在开发96层堆叠的技术，中国紫光刚刚量产32层堆叠的NAND Flash芯片，64层的计划到2019年才能量产。而除了闪存芯片之外的CPU类IC，目前都是平面的一层，未来肯定会向多层发展，能够成多倍地提高IC的集成度。这种技术也是中国企业需要突破的。

　　但是，除了对速度和功耗有极致要求的一些IC需要追求最先进的制程工艺外，比如各种CPU和GPU等，其它大部分的IC产品实际上并不需要使用最先进的制程工艺。实际上，目前业内公认性价比最高的制程工艺是28纳米，而这一工艺正在被中国大陆企业掌握。还有一个事实就是，28纳米工艺的营业额目前是台积电所有工艺里最高的。只要把这块市场拿下，做大，中国的IC企业就能占据大半江山了。

　　再说说FABLESS IC设计企业。这个行业中国进步是比较快的，当然这也和能买到现成的IC设计方案有关(业内叫IP core)，其中最有名的就是ARM架构的CPU了。2017年底，中国大陆的FABLESS企业的营业额已经超过了台湾，而且还在高速发展中。

　　这里可以举一个每个人都用的产品的例子：手机CPU。目前世界上拥有自主CPU的智能手机厂家只有四个：三星，苹果，华为(麒麟处理器)，小米(小米的松果CPU是基于大唐的技术)。而世界上的手机生产企业能外购到的智能手机CPU也只有四家的产品：高通，联发科(MTK)，三星(魅族最爱用)，紫光展锐。苹果，华为和小米的CPU不外卖。不过，最近华为的麒麟970 CPU开始向联想K9 Plus手机供货了，不知是不是在中国政府的压力下华为才放开的。另外，去年听说，小米的松果CPU也和生产诺基亚品牌手机的HMD公司签订了一个意向书。紫光展锐的智能手机CPU主要用在低端手机上，但是别看低端，2017年紫光展锐的营业额及市场占有率都和台湾联发科MTK相差无几了，在大陆市场的推动下，超过联发科是必然的事。