作者 | 馬超
來源 | CSDN（CSDNnews）
面壁十年圖破壁，我以我血薦軒轅。
近日，華為消費者領域總裁余承東在中國信息化百人會2020年峰會上表示，受到美國第二輪制裁的影響，華為的晶片沒辦法生產，最近都在缺貨階段，今年發貨量可能低於去年。由於9月15日後台積電也將斷供，無法再承接華為高端晶片代工訂單，華為麒麟高端晶片很快將成「絕版」。
不過令人振奮的是，余承東還表示，後悔當初沒有進入晶片製造領域，但是在半導體方面，華為將全方位紮根，突破物理學、材料學的基礎研究和精密製造，突破制約創新的瓶頸，包括EDA的設計，材料、生產製造、工藝、設計能力、製造、封裝封測等關鍵流程，全部被華為設定到今後的目標領域之中。
雖然與各種限制，但是華為在2020年上半年的業績還是依舊亮眼的，銷售收入4540億元，同比增長13.1%，凈利潤率9.2%。而且，從目前一系列布局來看，華為即將走向IDM即全流程晶片商，也就是一條再也不受外界卡脖子的道路。
那麼，我們來盤點一下，華為在晶片產業內需要攻克的難關，同時也反思一下為什麼我們的晶片產業會如此之脆弱，被人一卡就死？
小「晶片」的大能量
上世紀40年代由美國發起，眾多知名科學家參與的曼哈頓計劃不但為人類帶來的原子彈，也為我們帶來了計算機，而計算機中的集成電路也就是我們晶片的前身，漸漸發展成了一個市場規模近萬億的龐大產業，單是中國對外的晶片凈進口額去年就達到了4000億人民幣，甚至我國進口的晶片價值還超過了能源進口1000億。
而晶片行業的上游是以EDA為代表的工業軟體，下游則輻射物聯網、雲計算等規模數十萬億人民幣的巨大市場 ，而4000億的晶片規模與40萬億產業鏈規模之間的差額，就是晶片槓桿。可以說，運用晶片卡住我國的脖子，效果遠比什麼金融核武Swift要好得多。
EDA軟體
突破難度 ※※※※
突破希望 ※※※※
EDA是計算機輔助設計CAD的細分領域，屬於工業軟體的一種，利用EDA工具，晶片設計人員可以從概念、算法、協議等開始設計電子系統，完成電子產品從電路設計、性能分析到設計出IC版圖或PCB版圖的整個過程。數據顯示，2018年全球EDA市場規模還沒突破100億美元，EDA相對於幾千億美元的晶片產業來說從產值上看根本不值一提，但如果缺少了EDA，整個晶片產業都得停擺。
EDA市場前三位的Synopsys、Cadence和西門子約占全球市場份額的60%，產業集中度並不是太高，不過在中國市場，卻完全是另一番景象，我國EDA的市場份額95%由上述三家瓜分，而且這三家EDA巨頭公司已經完全和華為中斷了合作。
其實我國在EDA方面起步不算晚，早在上世紀90年代我國自主研發的熊貓EDA軟體就問世了，這也是我國最大的EDA廠商華大九天的前身。不過在熊貓剛剛面世不久，Synopsys、Cadence就紛紛入華，以低價占領市場，直接把我們的熊貓EDA扼殺在了搖籃里。
前不久爆款文《我國工業軟體消失的30年》中曾經將我國工業軟體衰落的原因歸結為國家補貼的不足，筆者雖然不太認同這樣的觀點，但是過早的讓我們不成熟的產品直接面對市場的競爭，也使我們在EDA方面不被卡脖子的希望隨之消失。
晶片設計領域EDA軟體，就類似於美工設計師的Photoshop，機械設計師的Autocad，如果沒有這些工具輔助設計成本就直接突破天際，而且EDA軟體中豐富的IP庫，還可以為晶片仿真，降低流片率起到關鍵性作用，而一旦被EDA廠商斷供就意味著沒有了IP庫的更新，也就是無法再用最新的元器件庫進行設計或者訪真了，所以EDA軟體也成了我們首要解決的問題之一。
IP授權
突破難度 ※※※※
突破希望 ※※※
既使有了EDA軟體可以進行晶片設計，但晶片設計師們在動手之前，也必須先決定晶片的架構，也就是指令集。
目前我國還沒有擁有完整智慧財產權的晶片指令集。目前應用較為廣泛的X86以及ARM架構晶片，其實都是需要單獨授權乃至完全封閉的IP。一旦產權方停止授權而開成斷供那麼後果不堪設想。而在這方面阿里達摩院的RISC-V以及龍芯所使用的MIPS架構相對比較安全。
其中RISC-V 是 2010 年新出現的開源精簡指令集架構，架構設計上沒有歷史包袱，採用的理念和方法較為先進。和主流架構 x86/ARM 相比，RISC-V 架構篇幅更少，基本指令集更少， 支持模塊化和拓展性，而且為貫徹開源精神。目前RISC-V基金會已經有搬遷至瑞士的計劃了，不過RISC-V架構出現時間晚， 適配軟體和工具方面沉澱不足，目前雖然由阿里達摩院推出了號稱最強RISC-V的玄鐵910晶片，不過總體上講其生態環境構建尚需時間。
而MIPS在給予龍芯永久授權後，也由龍芯繼承了MIPS所有的生態，因此MIPS在國內發展及工具積累的情況相較於RISC-V要好一些。目前龍芯已經發布了基於 MIPS自主版權的指令集 LoongISA。其最新產品 3A4000/3B4000 的性能與 AMD 28nm 工藝的產品相當，而且目前龍芯已經全面進入雲計算領域，並與浪潮雲、阿里雲、騰訊雲等巨頭合作。
但是，無論是MIPS還是RISC-V都還無法在高端領域與ARM及X86進行全面對抗。好在華為已經拿下了ARMV8的完整授權，而ARMV9最遲也會在2022年問世。因此晶片指令集，也是一個我們急需要解決的問題。
晶圓製造
突破難度 ※※※※※
突破希望 ※※
提起晶圓製造也就說到了晶片生產過程中最難的環節了，而且值得注意的是在晶圓製造這個環節中也會決定製程，這個晶片最為重要的指標。
這裡也再為大家科普一下製程的相關概念。上世紀60年代，仙童半導體的Gordon Moore在《電子學》雜誌上，發表論文提出了如雷貫耳的摩爾定律，即當價格不變時，集成電路上可以容納的元器件數目，將每隔一年增加一倍，這其實就是指元件的密度會不斷增大，也就是原件之間的間隔距離不斷減少，而在晶片中不同原件的距離就是製程，所以摩爾定律也可以被稱為是製程定律。
我們知道CPU是以0和1為基礎的邏輯運算，其關鍵就是要判斷電晶體中的電位情況。當在Gate端做電壓供給，電流就會從Drain端到Source端，如果沒有供給電壓，電流就不會流動，通過這樣表示1和0。
縮減元器件之間的距離之後，電晶體之間的電容也會更低，從而提升它們的開關頻率。那麼，由於電晶體在切換電子信號時的動態功率消耗與電容成正比，因此，它們才可以在速度更快的同時，做到更加省電。另外，這些更小的電晶體只需要更低的導通電壓，而動態功耗又與電壓的平方成反比，這時能效也會隨之提升。以10nm製程的驍龍 835為例， 在集成了超過 30 億個電晶體的情況下，體積比14nm驍龍 820 還要小了 35%，整體功耗降低了 40%，性能卻大漲 27%。因此，我們可以看到一款晶片最大的宣傳點就是它的製程。
而想造出先進位程的晶片，還需要先進工藝與光刻機的共同配合才行。半導體的製造工藝，主要經歷了如下幾個階段：
MOS時代：在上世紀50年代末貝爾實驗室研製出MOS管，也就是金屬-氧化物半導體場效應電晶體，在MOS管推出不久能夠量產電晶體的平面工藝誕生，通過氧化、光刻等一系列的流程，可以製作出電晶體集成電路，也就是我們目前所說的晶片，不過當時還只能稱為集成電路時代，原件密度比現在要低的多，不過這也成為了製造各種半導體器件與集成電路的基本工藝技術，也是光刻技術的原型。
FinFET：但是MOS管也並不盡善盡美，其製程存在著20nm的極限，不過在2000年加州大學伯克利分校的胡正明教授發表了一篇文章《FinFET-a self-aligned double-gate MOSFET scalable to 20 nm》，在該論文中提出了一種名為FinFET電晶體結構，中文譯名為「鰭式場效應電晶體」，顧名思義，這種電晶體結構形狀也就類似於魚鰭，
FinFET使得晶片製程突破了20nm的工藝關鍵節點，是推動當代工藝進一步縮小的關鍵技術。
GAAFET：（Gate-All-Around）由Imec（Interuniversity Microelectronics Centre）提出。GAA也就是橫向電晶體技術，也可以被稱為GAAFET。這項技術的特點是實現了柵極對溝道的四面包裹，源極和漏極不再和基底接觸，而是利用線狀（可以理解為棍狀）或者平板狀、片狀等多個源極和漏極橫向垂直於柵極分布後，實現MOSFET的基本結構和功能。這樣的設計在很大程度上解決了柵極間距尺寸減小後帶來的各種問題，包括電容效應等，也可以突破目前7nm的製程極限，不過這項技術目前還沒有正式的商用，只是台積電和三星等頭部廠商取得了一定進展。
可是我國以中芯國際為代表的晶片製造廠商的製造工藝水平還停留在14nm，比國際最高水平的5nm整整落後了一代。不過即使有了14nm的製造工藝，中芯國際也還沒明確表示，可以繼續向華為供應晶片，這是因為我國在光刻技術方面的水平只達到28nm，而且造不出最先進的EUV光刻機。
EUV：Extreme Ultra-violet極紫外光刻，是目前最為先進的光刻技術，由於光源對製程工藝的影響是決定性的，目前非EUV的光源還無法突破7nm的極限。因此沒有EUV的加持，我們就像被三體的智子鎖定基礎科技發展水平一樣，最高也只能達到14nm的製程水平上。
令人遺憾的是，我國光刻技術的起步並不晚，早在上個世紀60年代中科院就開始研究光刻機了，並且在1965年就研製出65型接觸式光刻機，1972年武漢無線電元件三廠編寫的《光刻掩模的製造》的書中，具體講述了當時那個時代，我們光刻技術的發展歷程，後來1980年中國清華大學第四代分布式投影光刻機獲得成功，將光刻精度縮小至3微米，這個製程與當時國際先進水平非常接近。
不過與熊貓EDA的情況類似，同樣由於我們過早的讓自主的光刻產品直接面對西方企業的價格競爭，這使得我國光刻先驅武漢無線電元件三廠在1994年破產，改製成為副食品商鋪，這使得我們20年光刻技術的積累全部付之東流，而且陷入停滯。
總有有說光刻有那麼難嗎？筆者這裡可以給出一個非常肯定的答案，光刻技術之複雜精密，尤其對於基礎光學水平要求很高，想取得突破談何容易。
下面向大家簡要介紹一下光刻技術。在一台光刻機中雷射器負責光源產生，首先是雷射器發光，經過矯正、能量控制器、光束成型裝置等之後進入光掩膜台。
而光刻機的分辯率原理圖如下，下圖中AB兩點的距離就是不同元件間的距離, 光刻機解析度=k1*λ/NA：
隨著半導體工業節點的不斷提升，為提高分辯率指標，光刻雷射波長也在不斷縮小，從436nm、365nm的近紫外（NUV）雷射進入到246nm、193nm的深紫外（DUV）雷射，現在DUV光刻機是應用最多的，光源是ArF（氟化氬），從45nm到7nm工藝都可以使用這種光刻機，但是到了7nm這個節點就是DUV的極限，所以英特爾、三星和台積電都會在7nm這個節點引入極紫外光（EUV）光刻技術。
不過正如筆者前文所述，光刻涉及的基礎科學領域繁多，即使是國際光刻巨頭ASML也不能掌握光刻技術的全產業鏈，其鏡頭和雷射器也是從德國、比利時等國家進口的。所以華為想以一人之力打通整個晶片的產業鏈條，其勇氣與決心也可見一斑。
封裝 、測試
突破難度 ※※※
突破希望 ※※※※
目前晶片的封裝測試分為晶圓測試與成品測試兩個步驟。
晶圓檢測：指通過探針台和測試機配合使用，對晶圓上的裸晶片進行功能檢測和電參數測試，其檢測過程為：探針台將晶圓逐片自動傳送至測試位置，將晶片的pad點通過探針/專用連接線與測試機的功能模塊進行連接，測試機對晶片世家輸入信號並採集輸出信號，判斷晶片功能和性能是否達到設計規範要求。測試結果通過通信接口傳送給探針台，探針台據此對晶片進行打點標記。
成品測試：指通過分選機和測試機配合使用，對封裝完成後的晶片進行功能和電參數測試，其測試過程為：分選機將被測晶片逐個傳送至測試工位，被測晶片的引腳通過測試工位上的基座，專用連接線與測試機的功能模塊進行連接，測試機對晶片施加輸入信號並採集輸出信號，判斷晶片功能和性能是否達到設計規範要求。測試結果通過通信接口傳送給分選機，分選機據此對被測晶片進行標記、分選、收料或編帶。
其實如果我們能突破到這步，也就基本不會再被人卡脖子了，因為這方面不像光學、材料學等基礎科學的突破，還是可以靠多掏學費彌補的。
窮且益堅不墜青雲之志，老當益壯寧移白首之心。目前我們在通用計算的晶片領域雖然還有很多困難要克服，不過從最新年報披露的信息來看，華為應該已經為這場硬仗，提前準備了未來一到兩年的晶片儲備，用時間換空間，以期突破這些卡脖子的環節。
不過，我們也必須清醒的認識到，晶片雖然是IT領域的核心產業，但晶片製造卻更偏向於基礎科學的屬性，只能結硬寨，打硬仗，沒有捷徑可言，也呼籲業界同仁給予華為以及我國整個晶片業以更多耐心，以期破壁圖強，逆境重生。