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国产芯片突破“卡脖子”必经的3个阶段

智能计算芯世界 2022-12-28 07:45
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作为高科技产业的核心，芯片产业日渐成为世界各国综合国力竞争的重要砝码，随着中国芯片产业的快速发展，逐步在全球芯片产业链上占据重要位置，却开始受到以美国为首的发达国家的限制。

众所周知，芯片目前主要被美国垄断市场，占据全球50%的份额。国内芯片业虽持续蓬勃发展，但在高端芯片制造领域仍处于劣势位置，同时国内芯片产业高度依赖外部市场，在技术受限的情况下，被美国“卡脖子”的困境更为凸显。
有人可能不太清楚，我们被“卡脖子”的芯片有哪些？例如常用的电脑核心芯片、高端手机核心芯片、视频系统中显示驱动芯片、数字信号处理设备芯片，以及可编程逻辑设备核心芯片等，都是我们目前还造不出来的高端芯片，几乎完全依赖进口。
近年来我国芯片的进口量一直“领跑”全球。数据显示，2022年前10个月我国芯片进口数量为4580.2亿个，支付的金额为23107.8亿元，购买芯片的金额占比我国进口商品总金额的15.5%，超过石油、煤炭、天然气等大宗商品，占据首要位置。

海关总署《2022年10月全国进口重点商品量值表（人民币值）》
极大的需求量和极低的自供给量，自然会导致“卡脖子”问题。而由于我们对外部市场的高依存度及短期内难以突破的技术壁垒，被“卡脖子”时尤为被动。我们知道，国内芯片常遭美国“卡脖子”的技术主要涉及三方面，一是制程工艺；二是装备/材料；三是设计IP核/EDA工具。今天我们着重谈谈制程工艺。

01 芯片“卡脖子”的3个阶段

工艺是指芯片制造工艺，这一块是与芯片生产企业本身的技术相关。芯片制程直接影响芯片组的性能优劣、电源效率和体积，一般以28nm为分水岭，区分先进制程和成熟制程，前者多用于对计算性能要求更高的领域，后者用于成本较高的场景。
虽然两种制程都很重要，但更先进的制程代表的是厂商的硬实力。比如台积电、三星达到了5nm，甚至开始量产3nm，而格芯、英特尔、联电等只达到10nm，这就是技术差距，这一块很重要，也是“卡脖子”的技术之一。目前国产技术在14nm，还没有达到10nm或更先进的制程。
从制程工艺来看，我们可以把芯片“卡脖子”分成三个阶段，第一阶段是「能用」，对应135nm-28nm，为温饱水平；第二阶段是「够用」，对应14nm-7nm含chiplet，能达到这一制程区间，可以说是小康水平；第三阶段是「好用」，对应7-2nm的尖端工艺，属于发达水平。
如果我们不被美国限制，在全球产业链分工合作的背景下，国内芯片可以通过借用其他国家的技术、设备等达到“发达”水平，比如采用台积电的5nm代工的“自研芯片”。但实际上，台积电工厂的设备（含EUV）75%来自于美国。而国产芯片被“卡脖子”的另一重要环节——半导体设备光刻机，EUV光刻机是5nm及更先进制程芯片制造的刚需，但由于受到美国禁令等因素影响，目前国内尚未买到。
所以简而言之，我们被“卡脖子”主要是被美国卡，就目前的趋势，凡涉及美国技术而我们没有掌握的都可能被卡。今年以来，美方宣布了一系列限制措施，其中最严格的芯片“制裁令”，涉及到16/14nm以下先进制程的高性能计算（逻辑）芯片，其目的即想把中国卡在温饱的“能用”水平，意图限制我国云计算与数据中心、自动驾驶、5G、人工智能等应用领域的发展。
02 芯片制程的3个分水岭
前面我们提到，芯片制程通常以28nm为分水岭，往前为先进制程，往后是成熟制程。对应上文所说芯片“卡脖子”的三个阶段，可细分为3个分水岭：
我们可以认为28nm是“能用”的分水岭，对应所有家电、消费电子、3G手机、电动车（不含智能化）、光伏逆变器等。
28nm作为成熟的工艺节点，自台积电率先推出市场距今已有十余年，持续在市场发热。各大晶圆厂在28nm工艺节点上做了很多的特色工艺开发，使得28nm节点能满足更多产品需求，在全球市场呈现稳中有升的态势，2021年全球28nm芯片市场为313亿美元，预计至2027年将增长至449亿美元。
图：全球28nm节点芯片市场及预测（十亿美元）
中芯国际是国内首个能够量产28nm工艺的企业，可以说在短期内，28nm制程将是国产芯片的主战场，实现这一制程的芯片自由也是当下要务之一。
14nm是“够用”的分水岭，对应4G手机、PC机、普通服务器、L2的智能电车、低端人工智能。
从量产时间点上来看，14nm芯片诞生于2014年，最早由英特尔实现生产，当时台积电和三星还处于20nm阶段。到2017年，台积电和三星先后攻克了10nm，而这时英特尔依旧是14nm，自此开始台积电、三星就走在了英特尔前面。
可以说在2017年之前，14nm就是最高端的芯片制程，虽然如今已经5年过去了，但是14nm芯片生产线在目前半导体中仍非常关键，14nm及以上制程基本能满足目前70%半导体制造工艺需求。
国内在这一制程阶段，今年9月份消息，上海经信委主任正式对外宣布，14nm国产芯片已经实现了大规模量产，意味着我们的芯片正在从“能用”迈向“够用”。
5nm是“好用”的分水岭：对应人工智能、超级计算机、L4高阶自动驾驶、智能手机等。
事实上，5nm及以下先进制程领域，目前仅有台积电和三星两个玩家，近乎双寡头格局。今年第三季度，台积电7nm以上先进工艺占比达到54%，5nm首次超过7nm，贡献了最大的收入（28％），其次是7nm产线（26%）。
5nm及以下制程对国产芯片而言是最有距离的，尽管目前其市占率不高，但就发展趋势而言，高端芯片的需求或将长期持续，智能设备、自动驾驶、AI等市场方兴未艾，从大厂的火热需求即可看出，如高通、AMD对4nm/5nm的需求爆棚，追求卓越的苹果则对3nm/2nm热度不减。
在芯片制程工艺上，我国半导体未来一段时间内将处于“温饱”和“小康”的过渡阶段，即从28nm量产走向14nm量产。
03 突破“卡脖子”的3个阶段
但就目前而言，国内产能远远不够，还需加大投入。
我们来看一组数据对比：
台积电2021年资本开支约300亿美元，2022年三季度其下调资本支出后为360亿美元（原计划440亿美元）；三星电子2021年资本开支为337亿美元，2022年预计为379亿美元；英特尔2021年资本开支达到179亿美元，2022年预计达到280亿美元。
中芯国际2021年资本开支45亿美元，预计2022年资本开支达到50亿美元。
从数据中可以看出，国内芯片扩产增投仍需持续。
所以我们在制程工艺上突破“卡脖子”也得经历三个阶段：
一是突破「能用」，围绕135~28nm建立产能，能够覆盖除智能手机和人工智能等大多数行业的大部分需求，这一块的国内市场也是非常大的；
二是突破「够用」，在14~7nm制程上基于Chiplet建立产能，能覆盖低阶智能手机和人工智能产业，主攻成熟工艺的同时不断向先进制程迈近；
三即突破「好用」，未来相当长时间内，受制于半导体设备和材料，国内芯片在尖端工艺的突破上将道阻且长，但我们仍秉持信心。
总结
当前，外部环境错综复杂，美国多次挑起断供风波，导致“卡脖子”问题凸显。
国产芯片实现重大突破是所有人翘首以盼的，其中的艰难也是可以预见的，但相信随着国内扩大产能，加大投入，人才日益完备，实现芯片产业关键环节的自主可控，形成新的替代技术轨道，将指日可待。
参考资料：
半导体风向标.《突破卡脖子的3个阶段》
来源：自主可控新鲜事

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