Hi，我是如舟。在上篇中我們聊了手機市場的現狀和為什麼要造芯這個問題，沒看過的朋友可以點選下方的連結，這次跟大家聊聊國産廠商造芯，到底難在哪裡。
世界上第一款商用計算機微處理器 Intel_4004
要搞清楚這個問題，首先得了解差距。縱觀整個産業鍊，前端設計是第一部分。首先晶片架構師确定晶片的種類、用途、規格、性能水準等原始需求，并選出最合适的方案，确定好就不再修改。然後晶片設計工程師利用硬體描述語言（HDL）編寫晶片功能和電路代碼，并通過 EDA 工具進行功能和電路模拟、布線和驗證，測試分析關鍵電路是否完備，功能是否可以實作。這就好比蓋房子，先要畫設計圖紙确定結構和空間一樣。再根據回報結果不斷優化調整，最後由 EDA 工具繪制出實體版圖。在此過程中，無晶圓廠半導體公司和 EDA 工具是主體。
2020-2021 中國智能手機 SoC 市場佔有率占比變化
無晶圓廠半導體公司又稱 IC 設計商，主要負責晶片設計、研發、應用和銷售，而晶圓制造部分則外包給晶圓代工廠。我們來看市場調研機構 CINNO Research 釋出的兩張表格，分别是 2020 年 Q1 季度和 2021 年全年中國智能手機市場 SoC 出貨量和市場佔有率占比，彼時華為旗下的海思麒麟以 43.9% 的市場佔有率位列第一，超過了高通和蘋果的份額總和，紫光展銳還屬于其它，聯發科不到華為的三分之一，但到了 2021 年在美國的制裁和打壓之下，華為市場佔有率暴跌 68.6%，高通和蘋果加起來已占據半壁江山，聯發科蹿到了第一的位置，展銳暴漲 100 倍，勉強跻身第五。
被稱為“華為絕唱”的麒麟 9000 晶片
不難看出，中國目前的晶片設計能力絕非弱者，有海思麒麟這樣能夠與高通蘋果扳手腕的公司，雖然在絕對的晶片性能上，我們不敢妄自尊大、無視差距，但至少消費者是用真金白銀在投票。問題也很明顯，受美國制裁的海思麒麟，一夕之間江山拱手讓人，聯發科雖上榜，但目前主打中低端産品，與高通、蘋果尚有一定差距。給國産手機供貨還得看美國臉色，談不上晶片自由。紫光展銳雖然發展迅速，但面對龍頭難以望其項背，裝機量對市場無法構成威脅。更何況還有三星這樣集晶片設計、制造和銷售于一體的強大對手。
開源 EDA 工具 KiCad EDA 界面圖
而 EDA 工具方面，半導體行業有個經典的摩爾定律效應，即每 18 個月左右，內建電路上可容納的半導體數量就會翻一倍。在晶片設計的最早期，電路圖還比較簡單，工程師甚至可以手工完成繪制。但現在，手機 SoC 晶片上的半導體數量都是上億級别，如果說人類的極限是在頭發絲上微雕刻字的話，那現在要想手繪邏輯電路，無異于在頭發絲上畫世界地圖，繪制精度的要求被無限放大，任何一個纰漏就會導緻前功盡棄，顯然目前無論能力還是效率，人工都不可能勝任。是以 EDA 工具變得非常必要。它能幫企業節省大量的時間成本，極大提高容錯率，并且提供全流程的解決方案。
國内代表性 EDA 企業及覆寫業務
尴尬的是，EDA 軟體 95% 的份額都被海外企業占領，等同壟斷。EDA 行業從上個世紀八九十年代的百家争鳴發展至今，已形成新思科技、铿騰電子和西門子 EDA 三足鼎立之勢，光是這三家的市場佔有率就達到了 70%。大陸本土的 EDA 代表企業有華大九天、芯禾科技、廣立微、概倫電子、創聯智軟等，它們雖然在局部流程上各有優勢，但發展不全面，無法覆寫晶片設計全流程。EDA 是晶片設計中最上遊、最高端的産業，被稱為“晶片之母”，覆寫了內建電路設計與制造的全流程，功能十分全面，涉及領域極廣。另一方面，EDA 行業入門門檻高，成本彈性大，性能依賴強，對晶片研發極為關鍵，一旦受制于人整個晶片産業發展都會阻滞和停擺。
中微公司總經理尹志堯接受采訪時的感歎
還有個容易忽視的問題，大陸的晶片人才缺口很大。根據《中國內建電路産業人才白皮書（2019~2020）》的資料顯示，2022 年大陸晶片專業人才缺口約 25 萬，存在供給總量不足和結構性失衡問題。供給總量不足這事兒得從美國說起。美國半導體産業發展較早，成熟較快，人才培養體系完善，全球的優秀人才多數都被吸引過去了。比如英特爾中，幾乎一半工程師都是技術移民身份的外國人。讓人無語的是，中微半導體公司創始人尹志堯在接受采訪時說道：“我在英特爾工作期間發現，公司内的晶片專家其實大部分都是中國人。”人才流失嚴重和技術霸權，撕開一條大大的口子。
三大晶片相關科技公司巨頭均是美籍華人
一方面我們面臨如何留住晶片人才的問題。1977 年，當時的中國剛剛恢複聯考，國内多所大學開始重建半導體或微電子專業，向企業輸送人才，然而國内的經濟環境對內建電路人才待遇不足，很多畢業生找工作時，甚至根本沒有對口崗位，于是他們紛紛跑去了外企或選擇出國，歐美國家不僅科研環境優秀，薪資待遇豐厚，還會通過各種方式把人才截住，從矽谷科技公司大佬到名校終身教授，很多中國晶片專家沒有歸國報效國家，而是選擇了技術移民和終身供職，這其實是很可悲的。
中國內建電路産業人才缺口現狀
另一方面在晶片人才培養的問題上，國内的高校、學生和企業都走了很大一段彎路。按照每年高校畢業生進入晶片産業的人數來看，區區 3 萬人本就難以滿足需求，更别說教學品質參差不齊。一些高校的專業結構的不合理，跟風現象嚴重，比如某些高校認為“內建電路很熱”就匆匆設定內建電路專業，沒有充分考慮師資條件和辦學資源，不能針對市場和企業需求做強針對性的培養，教出的學生産業适用性差，不會變通且缺乏經驗，很可能出現畢業即失業的窘境。
還有就是工程實用性差，人才培養與産業需求脫節，畢業生無法直接滿足企業的研發生産需求，入職後還要花費 2-3 年時間教育訓練才能勝任崗位要求。不少企業将工作經驗的門檻提高到 3-5 年，他們認為高校培養的學生“不好用”，接收實習生積極性也不高，生怕開設企業課程後，學生最終離開另擇良栖。如此惡性循環，導緻人才培養“最後一公裡”脫節，畢業生就業困難。
中微公司總經理尹志堯接受采訪時對現有內建電路人才培養的建議
一位正在攻讀在職博士學位的資深業内人士對此感觸頗深，他認為學校的體系是把學生都往科研方向塞，這是不對的。很多導師不懂外面行業競争的壓力，在學校别說做出一款可用的晶片，能帶學生把晶片全流程打通的都很少。還不如找企業的工程師講解實際應用中的産業知識，讓學生快速了解、進入行業，帶領學生參觀生産線，實機操作，親自感受研發環境和生産氛圍有意義。微電子專業不能隻側重晶片實體結構的設計、科研課題的研究，應當讓學生了解、參與流片，在晶片上運作作業系統等流程，最好帶着自己設計的處理器晶片畢業。
中國內建電路産業人才現狀
還有前面提到的結構性失衡問題，更為嚴重。內建電路領域是一個綜合性很強的學科，從工具、IP 選擇，再到不同子產品設計、生産制造、封裝測試，至少要經過 40 多個環節，如果粗略的将其分為設計和制造兩個領域，那麼設計領域除了內建電路産業知識，還設計大量計算機、無線電、軟體工程等學科，而制造領域則是集實體、化學、機械、光學多門學科為一體。但現狀是，複合型人才占比太少，無法推動行業快速發展，單一專業的人才按照企業要求培養，局限性太強。很多企業和學校合作開辦的聯合實驗室，一個課題隻有七八個人做專項研究，這不是普惠性的人才培養，而是單純的定制人才。尖端人才的培養，我們做得還遠遠不夠。
國家重點實驗室 EDA 室主任，清華大學教授、博導周祖成教授
清華大學周祖成教授曾提到了一個科學體系的建設問題：“什麼是科學？就是發現一個問題，解決一個問題，再提出一個問題。國内的高等教育隻注重學生分析問題和解決問題能力的訓練，卻忽略學生提出問題和創新能力的培養。2020 年這場新冠疫情，暴露了我們在醫學、生物相關的基礎學科和研究上不少短闆。”晶片行業也是同理，隻有重新加強基礎研究，回歸科學的本質，找到那些善于提出問題，用創新型思路看待問題的人才，培養他們在晶片領域上的多學科整合能力，才有可能帶出領軍人物。道理很簡單，這些學生畢業不是去寫論文、也不是去做菜，而是去創造曆史的。
全球晶圓代工廠市場佔有率現狀
除了晶片設計，還有晶片制造這個老大難問題。造芯需要晶圓代工廠和制造裝置。晶圓代工廠經過多年的市場競争，版圖基本上定了型。像英特爾、三星這樣又設計、又制造、又封測的頂級學霸非常少，而且産能優先給自家産品。幫别人代工晶片的廠子裡，台積電以 50% 以上的份額力壓群雄，問鼎第一。
中國企業在晶圓代工市場 10 強中占據 3 席
幸運的是，中國大陸在前十中占據 3 席，分别是中芯國際、華虹半導體和上海微電子。其中，在先進制程工藝比如 7nm、5nm 上，台積電擁有領先優勢。中國大陸代工廠最強的是中芯國際，可以生産 FinFET 14nm 的晶片，良品率已達到台積電 90% 以上，12nm 生産線也在籌備。華虹半導體可以生産 28nm 的晶片；上海微電子比較微妙，去年 6 月就傳出計劃年底推出首台國産 28nm IC 前道光刻機，但至今還沒後續，目前可以實作 90nm 光刻機的生産。千萬别小看這 28nm，如果真能下線，上海微電子将一躍成為世界第二，僅次于 ASML 的廠商。
上海微電子 90nm IC 前道光刻機
是以中國廠商在代工方面還是有底子的，追趕台積電也不是水中幻月。但是，在造芯最重要的裝置之一光刻機上，中國依舊被牢牢卡着脖子。目前大陸唯一的光刻機制造商隻有上海微電子，其 90nm 的産品與全球光刻機巨頭 ASML 的 7nm 和 5nm 相距甚遠。光刻機集中了西方百年工業制造的結晶，一台 ASML 光刻機需要 10 萬個零配件，由 13 個系統共同組成。這些零配件中有來自美國的光源控制器、德國的蔡司光學鏡頭、日本的光罩等等，全是最頂級的。它們将誤差均攤到 13 個系統，以確定整體的制造精度和良品率。目前，基于 EUV 技術的先進工藝光刻機被 ASML 壟斷，準确點說是被美國壟斷。
光刻機巨頭阿斯麥 CEO 對中國的斷言
大家都知道，ASML 是一家荷蘭公司，但實際上，EUV 技術卻起源于英特爾與美國政府牽頭成立的 EUV LLC 聯盟。ASML 雖然成功入局，但做出了在美國建廠和研發基地等多項讓步，因為美國政府擔心尖端技術落入外國公司，直接不帶另外兩個光刻機大廠，日本的尼康和佳能玩。而且在 ASML 不斷收購和整合相關技術企業的同時，美國也在技術和資本層面逐漸滲透 ASML，是以 EUV 技術實際受控于美國，而且 ASML 當初加入 EUV 聯盟的承諾之一，就是美國零部件需要占比 55% 以上，是以美國才是 ASML 背後實際的控制方。ASML 的 CEO 甚至自信放話：中國不可能獨立造出頂尖光刻機。在技術、公司和裝置零件都控制在美國的環境下，中國想要追上，幾乎就是在做一件從無到有的事情。
除了光刻機，晶片制造所需的裝置還有很多，比如 ICP 等離子體刻蝕系統、反應離子刻蝕系統、離子注入機、單晶爐、晶圓劃片機、晶片減薄機、氧化爐、清洗機等等，這些裝置中不少咱們都有辦法替代，但是工藝方面與國外仍有差距，也有做到全球領先水準的，比如中微半導體公司的刻蝕機，在晶片媒體刻蝕裝置、矽通孔刻蝕裝置、MOCVD 裝置三大細分領域均處于世界三強水準，是以這部分阻力相對于光刻機要小不少。最後的晶片封測環節，中國在過去已經積累了一定的基礎，整體差距不算大，在勞動力上也有優勢，眼下要做的是盡快加強、強化優勢環節，補足短闆努力追趕。
任正非在清華、北大演講時的擔憂和無奈
當然，晶片制造和封測方面，我們同樣存在人才短缺的問題，而且越是頂尖的創新型人才、複合型人才的缺乏，對我們的影響越大。總體來說，造芯主要差在 EDA 工具、光刻機制造裝置、完整的配套産業鍊叢集缺失以及晶片人才的巨大缺口上。可以肯定的是，這些差距我們必須一一擊破，沒有任何捷徑可言。在美國的制裁大棒之下，華為的遭遇警醒了整個中國，特别是華為總裁任正非在清華、北大演講上的那句話：“我們設計的晶片，國内的基礎工業還造不出來”，聽起來是那麼的心酸和不甘。
江蘇南京紫金山實驗室成功突破 5G 毫米波晶片技術
然我泱泱大國巍巍華夏，尚有很多堅守在一線的科研人員艱苦奮鬥，他們取得的成績同樣令人驕傲。紫金山實驗室 5G 毫米波晶片研發成功，中興通訊自研 7nm 主要晶片成功，中芯國際 FinFET N+1 先進工藝晶片流片成功，南大光電 ArF 光刻膠 28 納米工藝節點突破，中國電科離子注入機全國産化，覆寫 28nm 工藝，盛美半導體清洗機進入産線 14 納米驗證，提前覆寫國内最新制程；從晶片生産環節和技術節點來看，中國大陸已經實作了 28nm 完整覆寫，純國産化指日可待。是以我相信，憑借中國千千萬萬勞動人民的偉大智慧，一定能殺出重圍，因為凡是不能毀滅我的，必使我更強大。
參考
中國半導體産業發展曆史大事記【森國科】
對話周祖成教授：中國內建電路産業的兩個時代【SupplyframeChina】
看一看國内晶片人才緊缺，晶片行業薪酬漲幅預計超 50%，應屆生年薪高達 60 萬【淘新币】
晶片人才培養難題亟待化解【中國青年報】
2020 年全球 EDA 軟體行業市場競争格局分析【前瞻經濟學人】
逐風者，專訪“矽谷傳奇”尹志堯【楊瀾訪談錄】
DUV 和 EUV 光刻機的差別在哪？【科創闆日報】