中興事件或遇轉機，專家提示："缺芯"問題仍需警惕！

    　2018-05-18 10:07設計/中興/操作系統

　　採訪：巴利思坦

　　編輯：明天

　　上個月，美國商務部近日宣布對中興通訊公司執行長達7年的出口禁令——所有Export Administration Regulations （EAR）中規定的軍民兩用產品（例如電腦、飛機、微生物製品）都不允許出口。對中興公司而言，禁令中的「致命傷」，非晶元莫屬。

　　「制裁事件」發生后，也迅速在新聞媒體和業界人士間掀起了熱議，中興一時危在旦夕。誰知，剛過了一個月，事情就有了轉機——川普總統忽然跳出來發布推特表示要解決中興禁令問題。

　　

　　美國總統在推特上表示自己正在和中國領導人一起為中興公司提供快速恢復業務的途徑，並告知商務部要儘快施行。（圖片來源：Twitter）

　　中興或將「劫后逢生」，但這一事件也引發了不少民眾的困惑——為什麼「缺芯」會導致如此嚴峻的後果，讓一個大型企業瞬間面臨危機？

　　我們在「中興制裁事件」發生后，採訪了矽谷某大型半導體公司的資深科學家和高級研發工程師（因為身份信息敏感，在此不便透露真實身份），請他們對晶元的應用、工藝、發展等問題性展開了專業的分析和解答。

　　

　　Q1

　　晶元是什麼？有什麼作用？除了電腦，我們生活中還有其他地方會用到晶元嗎？

　　晶元也叫集成電路（Integrated circuit, IC），是封裝在一起的具有一定電路功能的器件或者部件。晶元在生活中幾乎隨處可見，把任何電子設備拆開，裡面密密麻麻黑色的小方塊都是晶元。從家用電器、手機等通訊工具，到汽車、飛機等交通工具，以及航空航天領域都需要用到大量晶元。說現代人類生活在晶元組成的世界中，也毫不為過。

　　

　　圖中電路板上黑色的小方塊都是晶元，它們已經成為我們生活中不可缺少的一部分。（圖片來源：unsplash.com）

　　Q2

　　中興被禁止進口晶元，對這樣一個企業來說意味著什麼？資料顯示中興受影響的業務主要有基站、光通信、手機三大塊，晶元在其中主要起什麼作用？

　　如果真如新聞所說沒有迴旋餘地，那麼中興這個「中國製造2025」標桿企業可以考慮退出市場和業務轉型了。因為包括無線網路、寬頻、光傳輸、數據通信、雲計算和手機終端等在內的中興的主營業務幾乎被打擊殆盡。由於有很多文章從技術角度剖析了禁運對中興的影響和中國現有的替代方案，我們就不再深入討論，這裡主要對進口依賴最大，也最容易讓人覺得困惑的基站晶元做一下通俗的解釋。

　　Q3

　　對，不少文章都提到，基站用的晶元對進口產品依賴最大，基站就是發射手機信號那個基站嗎？

　　沒錯，基站說的就是收發手機信號的那個，它的任務是接收信號—調製—發射信號。傳統基站的工作部件主要分兩大部分：基帶處理單元（BBU）和射頻處理單元（RRU）。BBU像是接線員，負責處理信號，把不同的信號接到對應的頻道上；而RRU則像是大喇叭，通過大量電纜與發射天線相連，把這些信息廣播出去。BBU和RRU的核心部件都是晶元，只是種類和功能不同。遺憾的是，目前這些晶元我們幾乎完全依賴進口。

　　至於光通信和手機晶元我們就不做過多解釋了。總體而言我國目前除了一些數字電路有相對低端的解決方案外，其餘都要依賴進口。所以我們說此次制裁如若成真，帶來的打擊幾乎是毀滅性的。

　　Q4

　　這麼重要又基礎的晶元居然完全依賴進口，我們國家為什麼自己不研發晶元？或者說，為什麼我們不在這些地方使用自己研發的晶元？

　　我覺得這個問題非常值得深思，最近的網上也出現了很多不同的聲音，有些說得比較中肯，有些則帶著恨鐵不成鋼或者失落的情緒，還有一些盲目樂觀，想用全民大生產模式進行攻堅。我們試著從歷史和發展的角度解讀一下目前「缺芯」的狀況。

　　晶元產業分為設計、製造和封裝幾個環節，中國晶元產業的瓶頸，在設計和製造這兩個方面。

　　對於晶元設計而言，之前的問題是「沒錢」和「沒人」，現在的問題是「受制於人」。雖然近年來國家集成電路產業投資基金（大基金）達到了1000億，許多設計公司也因此如雨後春筍般出現，從業人員也越來越多。但由於核心的知識產權（IP）不在自己手中，導致許多門類的國產晶元市場佔有率幾乎為零，同時也造成了進口依賴。

　　一方面，如果繞開專利壁壘完全自主研發，投入巨大不說，做出來的晶元還可能因為性能不夠先進而賣不出去；另一方面，基站晶元多數由國外中小企業設計，被政府嚴格管控，外國人很難進入。也就是說，我們不僅無法取得IP，甚至沒辦法通過引進人才來起步發展。此次美國政府正是瞄準了這一點進行精準打擊。

　　對於晶元製造而言，不得不提到《瓦森納協定》。1996年制定的《瓦森納協定》，主要用來限制常規武器和高新技術從33個成員國出口到中國、伊朗等國家。儘管《瓦森納協定》允許成員國在自願的基礎上控制技術出口，但美國在關鍵技術方面是有話語權的。

　　正是由於該限制，中國大陸在拿到包括光刻機在內的關鍵技術和生產設備的時間往往比其他不受限成員地區的企業（比如台灣和韓國）晚5年左右。熟悉半導體的人可能聽說過「摩爾定律」，這個定律說每隔18-24個月，晶元的集成度和性能就會提高一倍，依此而言的話我們的發展速度至少要落後世界先進水平兩到三代的時間。

　　Q5

　　光刻機是什麼？為什麼說它是關鍵技術呢？

　　集成電路的製造，可以描述成用光刻機在圖紙（電路基板）上刻字的過程。光刻機能打出的「字」越精細，圖紙上就能畫越複雜的電路。這個精細的程度就是半導體器件的「製程」。我們常說的28納米半導體，14納米半導體，描述的就是製程。值得注意的是，目前它不再表示精確的值，而成為不同等級晶元加工技術的代號。

　　Q6

　　所以製程越小，晶元上的電路就越密集，功能也就越多，對嗎？

　

　這是一部分原因。尺寸越小，速度越快，而且能耗越小。我們可以將數字電路中的每個基本元件想成開關——尺寸越小的元件，開關速度越快，消耗能量也越少。舉個例子，我們的U盤從當年的幾MB到現在幾百GB，體積反而越來越小，就是存儲晶元不斷更新換代、不斷集成的結果。

　　回顧過去40多年的發展，可以說摩爾定律給半導體廠商指定了一個期望，從而驅使產品不斷更新換代，跟不上節奏的就會被市場淘汰。當然，電子產品的更新換代最近有逐漸減緩的趨勢，這主要源於物理上加工水平的制約。打個比方，如果之前的半導體工藝是在核桃上刻字，現在的工藝水平可能相當於在米粒、甚至針尖上刻字了，工藝和設計的挑戰都越來越大。

　　Q7

　　所以現在這個「製程」，我國的技術能做到多小呢？

　　縱觀當代半導體製造工藝的發展，我們認為有以下幾個主要的分水嶺：

　　130 納米，銅互聯（Copper interconnect）工藝

　　90納米，嵌入式鍺化硅源漏（Embedded SiGe Source/Drain）工藝

　　28納米，有兩類 (a) HKMG，(b) Poly-SiON（多晶硅氮氧化硅柵氧）

　　14納米，第一代FinFET（鰭式場效應晶體管）

　　目前我國已經跨過(1)(2)階段，(3)中的Poly-SiON也由中芯國際（SMIC）在16年突破，而HKMG技術也在不斷改良，最早有望18年下半年量產；目前14納米FinFET距實現量產還有一段路要走。作為對比，國際上一線半導體製造公司目前10納米技術已成熟，正在發展7納米以及以下技術。

　　半導體的製造精度有限，也就在一定程度上制約了我國可自主研發的晶元種類。由於28納米Poly-SiON是早期低功耗（Low power early, LPE）工藝，基本只能用於一些輔助晶元的製造。而更先進、更重要的晶元（片上系統（SoC），硬體加速晶元（例如GPU，FPGA和DSP）等）則需要更高的加工工藝才能做出來。

　　Q8

　　我們自己不能解決製造問題，可以請其他加工廠解決嗎？台積電（TSMC）公司好像就負責很多國外品牌晶元的加工，能不能自己設計晶元，請他們代工呢？

　　答案是可以，但可行性低。有兩個主要的問題，一是加工時間太短，完全沒有試錯的機會；由於被美國資本控股，台積電每年留給我們的製造窗口只有2-3個月，其餘檔期都被蘋果、高通、AMD, 英偉達等電路設計公司瓜分。二是成本高，因為加工量小時間短，我們很難在價格上擁有話語權。

　　Q9

　　這件事對我們普通人會有什麼影響呢？

　　我們不能孤立地看這件事，中興或許只是由於自己的疏忽被抓住了把柄，但這個事件顯示了美國對於「中國製造2025」的忌憚和打壓。如果單說中興公司，可能給生活帶來的影響暫時僅限於談資和擔憂，但不得不說，這件事如若沒有得到妥善的處理，可能會對所有人帶來深遠的影響。

　　舉個簡單例子，我們都知道華為參與制定了5G時代的通訊協議，雖然為之自豪，但必須認清任何的協議都需要有硬體的配合，整個產業鏈中硬體基礎設施是核心競爭力的重要組成部分，而這些都基於前文提到的那些進口晶元，如果受到限制，那麼以後我們使用的手機可能會長期停滯在4G時代，進步緩慢；

　　再比如雲計算平台，了解深度學習的人都明白訓練深度神經網路離不開大量的并行計算資源，試想如果CPU/GPU等晶元再被禁運，國內目前躋身於世界前沿的深度學習以及超級計算機的研究和產業將倍受限制，諸如安防、智能家居以及自動化等等生活便利也將被沉重打擊；

　　此外，我們也聽說伴隨著此事谷歌可能會停止向中興授權安卓系統，由於安卓系統開源，所以對於國內其他安卓系統手機來說影響並不大。但即便這樣，事情發展到什麼程度也很難預估——假如安卓系統停止開源，國內的眾多手機廠商可能需要自己重新編寫APP——智能手機性能將受到影響。

　　當然我們自己的設計也有振奮人心的消息，看到很多文章稱今年為「中國存儲晶元元年」，原因是合肥長鑫的DRAM和長江存儲的3D NAND的突破。但是有些差距依然需要正視，以3D NAND為例，存儲器的層數和先進水平還有差距，目前3D NAND的製造公司（包括Intel/Micron, 和SK Hynix）已經開始準備量產96層的3D NAND產品。而目前長江存儲的技術是32層，仍有提升的空間。而對於以發展DRAM為核心的合肥長鑫來說，預計會在今年年底前實現早期的19納米技術，估計良品率在10%左右。三星在2015年第一次實現了20納米 DRAM技術，目前處在18納米量產階段（量產一般需要80%到85% 的良品率）。

　　2D NAND和3D NAND是兩種存儲晶元的模型。在2D平面結構上一直增加電子元件密度會減小存儲器的可靠性；做成3D立體結構，每一層就不用做那麼密了，把這些層堆在一起，單位體積的存儲量也就越大。因此，3D NAND的層數越大，存儲器的效率也就越高。（圖片來源：www.nvmdurance.com）

　　10

　　聽上去，我們很難在短時間內超越國外的技術，作為業內人士，您認為現在該怎麼辦？

　　技術層面上的差距，我們在前面做了基本的介紹。最近，在很多文章中看到呼籲國家出台相關政策的意見，我們也想藉此機會再用一點時間討論下這個問題。

　　半導體行業相比於網際網路和人工智慧的發展具有投資大、周期長、回報慢的特點，而且最大的問題是勝者全得（winner-take-all），也就是說獨佔鰲頭的公司幾乎可以獨吞訂單，這就造成了投資的風險。簡而言之，半導體行業是高度的資本密集型行業，投資風險大、成本高昂、人才稀缺……這些都是國內企業需要面對的嚴峻問題。

　　他山之玉可以攻石，我們認為借鑒美國的半導體研究聯盟（SRC）和之前的Sematech的模式可能是一個風險相對較小的思路。成立半導體產業委員會，共同注資建立一個資金池用於支持和引導高校和中小企業的研發和攻關，而研發的成果歸聯盟成員共同所有，以此來取代目前群龍無首、各自為戰的局面，從而減少投機和不良競爭造成的大量時間和資源浪費的問題。另外，號召國內高科技行業的領軍人物，比如百度阿里騰訊（BAT），加大對半導體製造、設計等基礎科研方向的投資，實現不同產業間互相扶植。我們也注意到國家其他方面的政策，比如在二線城市布局、稅收的優惠等等，相信這些在不久的將來都會看到收穫。