國(guó)防科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院博士扈嘯為您多維度講述—芯片研發(fā)究竟有多難？

1、它體積微小，貌不驚人，卻集高精尖技術(shù)于一體。

2、它作用非凡，應(yīng)用廣泛，是信息產(chǎn)業(yè)的核心和基石。

3、它事關(guān)國(guó)計(jì)民生與信息安全，牽動(dòng)著億萬(wàn)國(guó)人的心。

芯片有幾十種大門類上千種小門類

芯片，是指內(nèi)含集成電路的硅片，體積很小，常常是計(jì)算機(jī)或其他電子設(shè)備的一部分。芯片組，是一系列相互關(guān)聯(lián)的芯片組合。它們相互依賴，組合在一起能發(fā)揮更多作用。

僅從產(chǎn)品種類來(lái)說(shuō)，芯片的種類就有幾十種大門類，上千種小門類；如果涉及設(shè)備流程的話就更多了。美國(guó)是整體式、全方位處于領(lǐng)先地位，而我們只是在某些領(lǐng)域里面有所突破，并且這些領(lǐng)域也并非核心、高端的領(lǐng)域，比如中國(guó)在存儲(chǔ)器、CPU、FPG及高端的模擬芯片、功率芯片等領(lǐng)域，幾乎是沒(méi)有的。如果中國(guó)發(fā)力研發(fā)，在某些小的門類中可能會(huì)有所突破。

一臺(tái)通信基站內(nèi)有上百顆芯片

以運(yùn)營(yíng)商業(yè)務(wù)為例，通信基站設(shè)備是其最主要的產(chǎn)品之一，而在一臺(tái)通信基站中就有上百顆芯片負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)不同功能?！昂?jiǎn)單來(lái)說(shuō)，基站發(fā)射并回收信號(hào)，收回信號(hào)后首先要有芯片濾波，穩(wěn)定信號(hào)；然后還有芯片將這種特別小的信號(hào)放大；再有芯片進(jìn)行解析、處理；然后是芯片負(fù)責(zé)傳輸、分發(fā)。基站核心跟電腦類似，可以實(shí)現(xiàn)各種功能，但它可以支持多個(gè)手機(jī)，因而速度更快，芯片更復(fù)雜?！鄙鲜鋈耸勘硎尽?/p>

其中，最典型的是ADC芯片，中國(guó)目前還無(wú)法生產(chǎn)出可替代產(chǎn)品。ADC芯片是模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，負(fù)責(zé)將天線接收的連續(xù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為通話或上網(wǎng)的數(shù)字信號(hào)。目前ADC主要依賴亞德諾、德州儀器等公司供應(yīng)。

從軟件方面來(lái)說(shuō)，EDA仿真軟件是另一個(gè)典型。利用該軟件，電子設(shè)計(jì)師才可以在電腦上設(shè)計(jì)芯片系統(tǒng)，大量工作可以利用計(jì)算機(jī)完成，并可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)產(chǎn)品的結(jié)合試驗(yàn)等。如果沒(méi)有EDA仿真軟件，則需要人工進(jìn)行設(shè)計(jì)、試驗(yàn)，耗費(fèi)的人力、時(shí)間等成本不計(jì)其數(shù)。目前進(jìn)入我國(guó)并具有廣泛影響的EDA軟件有十幾種，基本都來(lái)自于美國(guó)。

制造一顆芯片需要5000道工序

一顆芯片的制造工藝非常復(fù)雜，一條生產(chǎn)線大約涉及50多個(gè)行業(yè)、2000-5000道工序。就拿代工廠來(lái)說(shuō)，需要先將“砂子”提純成硅，再切成晶元，然后加工晶元。晶元加工廠包含前后兩道工藝，前道工藝分幾大模塊——光刻、薄膜、刻蝕、清洗、注入；后道工藝主要是封裝——互聯(lián)、打線、密封。其中，光刻是制造和設(shè)計(jì)的紐帶。

其中許多工藝都在獨(dú)立的工廠進(jìn)行，而使用的設(shè)備也需要專門的設(shè)備廠制造；使用的材料包括幾百種特種氣體、液體、靶材，都需要專門的化工工業(yè)。另外，集成電路的生產(chǎn)都是在超凈間進(jìn)行的，因此還需要排風(fēng)和空氣凈化等系統(tǒng)。

有說(shuō)法認(rèn)為，集成電路是比航天還要高的高科技。該業(yè)內(nèi)人士表示，這種說(shuō)法也不無(wú)道理，“航天的可靠性估計(jì)也就4個(gè)9、5個(gè)9的樣子(X個(gè)9表示在軟件系統(tǒng)一年時(shí)間的使用過(guò)程中，系統(tǒng)可以正常使用時(shí)間與總時(shí)間之比)?，F(xiàn)在硅晶圓材料的純度就要6個(gè)9以上?！?/p>

全球芯片幾乎被美日歐壟斷

目前，全球芯片仍主要以美、日、歐企業(yè)產(chǎn)品為主，高端市場(chǎng)幾乎被這三大主力地區(qū)壟斷。在高端芯片領(lǐng)域，由于國(guó)內(nèi)廠商尚未形成規(guī)模效應(yīng)與集群效應(yīng)，所以其生產(chǎn)仍以“代工”模式為主。

日本在上世紀(jì)80年代處于領(lǐng)先地位，但自90年代開始其全球半導(dǎo)體市場(chǎng)份額顯著下降，至2015年僅有3家日本芯片制造商位列全球排名前二十：東芝、瑞薩電子和索尼。而與此同時(shí)，東亞其他國(guó)家已成為動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器市場(chǎng)的主要公司。韓國(guó)三星電子和海士力目前是世界第二和第三大半導(dǎo)體公司。

根據(jù)美國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)(SIA)的最新統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2017年1月至2月，中國(guó)和美國(guó)的芯片市場(chǎng)規(guī)模份額擴(kuò)大，分別為33.10%和19.73%；日本和歐洲的芯片市場(chǎng)份額有所下降，分別為9.29%和9.12%。中國(guó)芯片市場(chǎng)是全球最大、增長(zhǎng)最快的市場(chǎng)，但是對(duì)外依存度過(guò)高。

英特爾一直是世界上最大芯片制造商

自1993年1月以來(lái)，英特爾一直是世界上最大的芯片制造商。個(gè)人計(jì)算機(jī)所用的CPU處理器中，英特爾就占據(jù)了八成份額。人們耳熟能詳?shù)谋简v、賽揚(yáng)、酷睿等處理器都來(lái)自英特爾。目前，英特爾的年?duì)I收率仍然在繼續(xù)增長(zhǎng)：無(wú)論是從PC、數(shù)據(jù)中心服務(wù)器，還是物聯(lián)網(wǎng)芯片。

而在手機(jī)芯片中，高通是另一大巨頭。目前國(guó)內(nèi)除了華為、三星等手機(jī)廠商外，其余安卓手機(jī)廠商采用的全部都是高通處理器。除了購(gòu)買芯片的費(fèi)用外，高通還向每臺(tái)手機(jī)收取專利費(fèi)用。（芯片圈 微信：xinpianquan）

中國(guó)能否跳離美國(guó)IP核另起爐灶？

有專家表示，我國(guó)集成電路的起步并不算晚，只比美國(guó)晚幾年。但由于其間歐美技術(shù)封鎖、國(guó)內(nèi)歷史問(wèn)題等多種因素，目前與歐美的差距比較大，想要在短時(shí)間內(nèi)追趕有難度。

從整個(gè)行業(yè)來(lái)看，美國(guó)卡的是“IP(知識(shí)產(chǎn)權(quán))”，“圍繞IP的戰(zhàn)爭(zhēng)更激烈，就算你用了人家的技術(shù)，人家也有產(chǎn)權(quán)，你無(wú)法繞開它去解決問(wèn)題?！辟Y料顯示，IP核將一些在數(shù)字電路中常用但比較復(fù)雜的功能塊，如FIR濾波器、SDRAM控制器、PCI接口等設(shè)計(jì)成可修改參數(shù)的模塊。上述人士表示，中國(guó)集成電路行業(yè)一直流行一個(gè)詞語(yǔ)“彎道超車”，很多人在想，能否跳離美國(guó)的IP核而另起爐灶，另外開發(fā)一整套的生態(tài)系統(tǒng)？但這實(shí)在太復(fù)雜了。

多位行業(yè)研究人士表示，目前中國(guó)的集成電路是系統(tǒng)性落后，整體提升需要從基礎(chǔ)性研究和人才培養(yǎng)來(lái)做，需要比較久的時(shí)間，“我們需要先培養(yǎng)數(shù)學(xué)、物理等學(xué)科的基礎(chǔ)人才。這些人提上來(lái)后，再由他們培養(yǎng)跟其他學(xué)科交叉的人才。他們需要掌握工業(yè)設(shè)計(jì)等技術(shù)?！?/p>