中国发展半导体能“弯道超车”?误会有点太多了

2020-09-28 09:59:36 来源:观察者网
谈到中国半导体产业,“弯道超车”一词频繁见诸媒体。在不同语境下,“弯道超车”也有不同的含义。有的是指中国半导体产业必须经过惊险的努力,才能超越美国领导构建的半导体产业体系,创造世界半导体的新一极。而另一些指的是通过某些特殊的技术或者机缘,中国半导体靠巧力完成超越。

后者无疑对中国的半导体正常发展不利,但又是经常看到的。早在2017年,国家集成电路产业投资基金总裁丁文武就表示:“中国芯片行业弯道超车的策略不现实,弯道超车的前提是大家在同一起跑线上”。但是华为被断供之后,铺天盖地的“弯道超车”又卷土重来。

 

在这里,笔者梳理了一些常见的“弯道超车”误会,希望我们能坚定决心踏实发展,破除美国在相关领域的垄断和封锁。

01高估新技术潜力 芯片产业化没这么简单

传统的芯片使用的半导体基础材料是硅。其他的材料做芯片,尤其是一些新材料,在某些性能上会比传统芯片好得多。

美国国防高级研究计划局的电子复兴计划曾经拨款6100万美国给麻省理工学院的Max Shulaker教授团队,用于研究碳纳米管3D芯片。Max教授2013年认为:“与传统晶体管相比,碳纳米管体积更小,传导性也更强,并且能够支持快速开关,因此其性能和能耗表现也远远好于传统硅材料”。

近期被热炒的中科院3nm晶体管和北大碳基芯片也属于这一类,共同的特点是用新材料取代传统的硅材料,在某些性能上拥有突出的表现。

2017年,北大彭练矛院士团队研制了高性能5 nm(纳米)栅长碳纳米管CMOS器件,并发表在权威期刊《Science》上。根据研究,其工作速度3倍于英特尔最先进的14 nm商用硅材料晶体管,能耗却只有硅材料晶体管的1/4。

因此近期某些媒体认为,中国将通过碳基芯片和中科院的3nm晶体管实现弯道超车。真的是这样吗?

像这样说的人,其实隐含了一个判断,即:近几年来,作为计算机核心的CPU的单核性能不再像过去一样大幅提高,是因为硅半导体材料的力学、化学和电学性能不行。但事实是,制约CPU主频提高的因素是芯片功耗障碍和带宽障碍,这些都不是靠换材料能够解决的。

以主频的提高为例,130nm工艺之后,芯片电路延迟随晶体管缩小的趋势越来越弱。伴随而来的就是主频的提升越来越难,目前制约主频的主要因素已经成为连线时延而非晶体管的翻转速度。

 

随之制程的减小,门延迟降低而连线延迟上升

现今CPU的主频提高早已由门延迟主导变为连线延迟主导,连线延迟通俗的说就是电流在CPU中流动产生的延迟。由于电子以接近光速传播,没有更快的可能了,想要优化只能让CPU性能上升的情况下,还得简化其结构,引入新的材料并不能解决面临的这一难题。

相反,以石墨烯构建芯片还面临着与旧生态不兼容、加工困难的问题。无论是中科院的殷华湘团队还是北大彭练矛院士团队,目前的成果还停留在单个晶体管的层面。就算发表的成果保守一些,实际上也不会超过上万个晶体管集成电路的水平。与主流芯片动辄几亿、几十亿晶体管存在巨大的差距。

而唯一能做出芯片级成果的Max Shulaker教授团队,也没能彻底解决碳基芯片的良率问题。

该教授2017年发表在《自然》杂志论文中报告的芯片,拥着四个集成电路层,并拥有5个子系统。其中负责实验样品蒸汽数据采集、传输和处理的部分是碳纳米晶体管构建的,而电阻随机存储单元(RRAM)和接口电路是由硅晶体管构建的。毫无疑问,这是一个碳基+硅基组合型的气味探测芯片,而不仅仅是碳纳米晶体管构成的。

 

Max Shulaker教授的组合型芯片

这一芯片号称集成的200万个碳纳米晶体管也有很大的水分。该芯片只有气味传感器中使用了碳纳米晶体管,而气味传感器的容错性是非常强的,100万个气味传感器传感器中即使损坏一半也不会对芯片产生毁灭性的影响。但是芯片的逻辑部分绝对接受不了这样的良率。

最后,我们不能太低估传统工艺。根据彭练矛院士团队研究,5nm碳纳米管的速度是英特尔14nm的三倍。我们假设这个速度差距,完全可以变为芯片主要频率的差距。之所以拿主要频率做例子,因为这是目前半导体发展的主要瓶颈。

按工艺代数算,5nm差不多比14nm领先三代,而14nm又比40nm领先三代。从40nm进步到14nm,CPUGPU的主要频率都增加了大约1倍(当然这主要是因为设计上的进步)。

照这么算,新材料芯片同进程最多比硅芯片快50%。当然这是很大的优势,但是考虑到新材料芯片的设计、制造和生态都很不成熟。仅仅快一点,是扭转不了现有的半导体产业几十年发展所产生的惯性的。

还有一种误会是,中国产业真的取得了新的突破,但新技术的潜力被宣传夸大了,成为又一被“弯道超车”的对象。

其中最典型的莫过于2018年“自主研发22nm光刻机”事件,2018年12月1日,《解放军报》报道了中科院光电所可加工22nm芯片的“‘超分辨光刻装备项目’通过国家验收”,很快引发了网络社区的狂欢,似乎中国自主生产高性能光刻机已经近在咫尺了。

 

自主研制的超分辨光刻镜头

事实是,这主要是一个生产光电芯片的超分辨率光刻镜头,在11月30日凌晨央视13频道的《午夜新闻栏目》中,该项目副总设计师胡松就说到该设备可以加工10毫米乘10毫米范围的芯片

10毫米乘10毫米,也就是100平方毫米,这已经大于大部分手机芯片的大小了。但是对于更高等级的芯片,比如说电脑CPUGPU而言,这样的大小就很不够看了。

总之,过分夸大新技术的颠覆性作用是这种误会产生的根源。

02天上掉馅饼的引进 技术大跃进风险重重

既然引进新技术不可行,又想要弯道超车,那只能依靠外部技术输入了,“可喜”的是,瞌睡时总有人送上枕头。

8月24日,财新网报道了弘芯半导体——预计投资千亿的明星项目停摆了,而且面临着资金链断裂的风险。由于资金困难,弘芯原计划购置设备3560台(套),但项目一期生产线仅有300余台(套)设备处于订购和进厂阶段。在此之前,该项目好不容易从AMSL引进的一台高级光刻机已经被以5.8亿元抵押了。最丢人的是,从引进至今,该设备没有生产过一片晶圆。

根据笔者的梳理,近年来爆雷的半导体项目至少还包括福建晋华、苏州宏芯、淮安德准半导体、成都格芯和贵州华芯通。经过深入了解,这些项目几乎都存在破天荒的技术引进。

最近爆雷的武汉弘芯半导体项目,当初最被人看好的就是成功从ASML引进了一台性能很高的TWINSCAN NXT:1980Di光刻机,弘芯专门为这台设备准备了风光的进场仪式。

 

弘芯为设备进场准备的风光仪式

2016年2月,一则有关苏州中晟宏芯欠薪的微博引爆业界,引发了舆论的热议。宏芯2014年从IBM引进了Power8 CPU的全套源代码,并承接了“核高基”以及其他项目补助不少于20亿资金。但是这个被寄予厚望的项目,却在短短两年内就爆出了“欠薪事件”,随后该项目陷入沉寂。

苏州中晟宏芯引进了Power8 CPU的源代码,此时距离IBM发布Power8还不到一年,当时属于IBM性能最强的CPU,也是当时单核性能最强的服务器CPU

成都格芯是今年5月份爆雷的,计划引进的是格罗方德晶圆制造工艺。格罗方德是2015年世界第三大芯片制造厂,这样的项目对成都而言,诱惑力不能说是不大。

华芯通是2016年贵州省政府和美国高通公司共同成立的合资公司。目标是承接高通ARM架构的服务器芯片技术,面向中国市场设计并销售这些产品。同年华芯通获得ARMv8-A 64位处理器架构授权。这意味着华芯通可以设计并销售符合该指令集的64位处理器

2018年11月27日,华芯通半导体在北京举行新品发布会,宣布其第一代商用ARM架构国产通用服务器芯片—昇龙4800 (StarDragon 4800) 正式量产。随着第一代产品量产的消息,其注册资本也节节攀升到38.5亿元。谁知过了不到半年,就传来了华芯通关门的消息。

高通的ARM的服务器芯片,2016年拿出来还是引领风骚的,甚至于首屈一指。这样的项目落户贵州,难怪当地政府对此充满了兴奋和期待。

但这些项目最后的结局都不好,落得个“风流总被雨打风吹去”。为什么这些“技术先进”的项目,到了中国就水土不服了呢?

事后复盘,这其实是一种信息差导致的误判。

国外这些所谓“先进”的技术,在当时已经出现了一些难以为继的现象。例如:引入IBM的Power8时,互联网产业的“去IOE”(用廉价的产品替代昂贵的IBM小型机、Oracle数据库和EMC存储设备)运动已接近尾声。

又如格罗方德虽然是2015年世界第三大芯片制造厂,但这主要是因为AMD的业务拉动。格罗方德是从AMD分拆出的芯片制造厂,分拆后很长一段时间依然为AMD代工,因此保持了较高的市场份额。脱离了AMD带动,分拆后的格罗方德自身盈利能力偏低,大举投资不太现实。

国内政府的相关管理人员要意识到这些信息需要时间。一些掮客就是利用了这一点,将国外即将落后的一些技术进行包装,显得市场前景广阔。利用地方政府渴盼优质项目的心理,获得国内的补贴和政策扶持。

总而言之,还是缺乏踏踏实实自主研发的魄力和毅力。还是那句话:“关键核心技术是要不来、买不来、讨不来的”。

老希望搞“弯道超车”,实质就是不相信“关键核心技术必须牢牢掌握在我们自己手中”的科学判断,同时也是不尊重艰苦奋斗创造的美好中国。中国制造业的腾飞,固然有少数来自于弯道超车,但更多的是靠苦干奋斗。

我们都见证过“牛仔裤换大飞机”的历史,那是一段直道追赶的过去。今天的半导体破围战,能够“弯道超车”当然好,但我们一定不能放弃直道追赶的勇气。而且我相信,靠直道追赶,中国半导体也能胜利。


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