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院士倪光南談中美芯片產業的差距

倪光南 · 2019-06-13 · 來源:俠客島
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  由于中美貿易戰的緣故,國人對芯片的關注度急劇上升。

  芯片,又稱微電路,是指內部含有集成電路的硅片。制成這樣的硅片,要將上億個晶體管在指甲蓋大小的硅晶片上精確排布,前后要經過近5000道工序。芯片的設計和制造技藝總在不斷迭代,每次迭代總能深刻影響半導體領域的行業格局。

  自上世紀50年代起,中國大陸的集成電路產業經歷了六十余年的發展歷程,“缺芯少魂”卻一直是產業發展的一大困境。去年以來,中興、華為兩家企業遭遇的芯片、操作系統“斷供”事件,再次將這一困境凸顯出來。

  為此我們不禁要問:我國發展現狀和水平如何?當前面臨的最大瓶頸是什么?實現突圍、自立自強,還有多遠的路要走?

  就這些問題,我們與中國工程院院士、中國科學院計算技術研究所研究員倪光南老先生展開了一番對話。文字、視頻總有一款適合你。

  

 

 

  警醒

  俠客島:有人說,多少有關提倡創新的宣傳報道,都抵不上“中興事件”“華為事件”的警示來得深刻、有效。您如何看待這兩個事件?

  倪光南:“中興事件”“華為事件”沒有發生之前,很多人覺得芯片就是很普通的電子元器件,直接從市場上買來用就是了。但實際上,芯片技術是現代信息技術的制高點,關系到國家的競爭力和信息安全。

  中興、華為事件的發生,讓我們意識到芯片技術和芯片產業的極其重大的價值,形成了全民自發地關心中國芯片技術發展和芯片產業進步的局面。從這個意義上來說,上述事件像“警醒針”一般,有積極的一面。

 

  短板

  俠客島:經過多年發展,我國芯片產業的發展水平如何?與美國相比,還有多大差距?具體體現在哪些方面?

  倪光南:在芯片設計方面,中國做得不錯。中國擁有全球數量最多的芯片設計公司,芯片設計水平也位列全球第二,僅次于美國。我們設計出了一批優秀產品,連續幾年登上世界第一寶座的“神威·太湖之光”超級計算機用的CPU(中央處理器)芯片,就是典型代表。國產手機、電腦和服務器用的CPU芯片性能也基本上達到了國際先進水平。

  即便如此,中國在芯片設計領域還存在設計工具方面的“短板”。芯片設計需要依賴電子設計自動化工具(EDA),這一工具使設計者能用計算機進行邏輯編譯、化簡、分割、綜合、優化、布局、布線和仿真等工作,最終完成芯片設計。不過,提供該軟件服務的主要是3家美國公司。

  在芯片制造領域,包括制造工藝和制造裝備方面,中國能力尚弱。芯片制造聽上去像是傳統制造,實際上其制造工藝和裝備的精密、繁雜程度遠超后者。具體來說,其工藝包括光刻、刻蝕、離子注入、薄膜生長、拋光、金屬化、擴散、氧化……不一而足。

  與上述制造工藝相對應的,是200多種關鍵制造裝備,包括光刻機、刻蝕機、清洗機、切割減薄設備、分選機以及其他工序所需的擴散、氧化、清洗設備等。每種裝備的制造技術要求都很高,制造難度極大且造價十分高昂。

  目前,在芯片制造領域,占有領軍地位的企業大多來自美國、日本等國家,中國芯片制造廠80%的裝備需要從國外進口。

  有了這些先進裝備是遠遠不夠的,還要開設生產線、制定經營計劃。建廠、設備安裝及調試往往需要2-3年時間,這意味著芯片制造企業要預先對市場需求做出判斷。芯片制造技術不斷迭代更新,之前的設備及生產線到真正投產時是否能滿足市場需求,猶未可知。如果新建成的生產線不能充分實現量產,之前的投入將面臨重大風險。

  此外,芯片制造所需的材料也大量依賴進口,有的材料如光刻膠需全部進口。國內半導體材料產業總體規模偏小、技術水平偏低,國產材料的銷售規模占全球比重不到5%,與發達國家相比仍存在較大差距。

  

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  后發

  俠客島:很多工業領域,我們成功實現了跨越和趕超,比如高速鐵路、家用電器領域,但在集成電路領域,這種景象沒能出現。原因何在?

  倪光南:從歷史原因來看,我們起步晚。1947年,美國貝爾實驗室發明了半導體點接觸式晶體管。直到1956年,中國才成功制成第一根硅單晶。鑒于早期的計算機是用分立元件(電子管、晶體管等)做的,彼時中國還可以跟隨國外的計算機技術。

  隨著集成電路發展到大規模集成電路時代,中國由于沒有集成電路產業的支撐,就明顯追趕乏力了。而,世界上的芯片技術卻突飛猛進。到目前為止,雖然我們有華為海思、中芯國際等國際知名的芯片設計和芯片制造企業,但就整體產業發展而言,相較國際先進水平,我們可能需要一二十年才能追趕上。

  起步晚是重要的歷史原因,主導理念的偏差導致創新推進不夠是現實原因。曾經,我們在很多方面,希望能夠用更省事的辦法解決問題,所謂“造不如買,買不如租”。實踐證明,核心技術是買不來的。中國芯片行業的“短板”最終還是需要中國人自己通過努力奮斗不斷推進創新,一步一步踏實追趕。

  

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  突破

  俠客島:面對內部“短板”、外部封鎖等難題,中國芯片技術和產業要怎么做才能實現突破?

  倪光南:從供應鏈安全的角度來看,一旦供應鏈的某個環節“斷供”,就會使整個行業陷入被動。這種情況下,需要集中力量去突破供應鏈中薄弱環節的關鍵核心技術。

  而關鍵核心技術的發展,往往是從無到有、從小到大的過程,要有“板凳要坐十年冷”的思想準備。

  核心技術的發展成熟也離不開市場的支持,新研發出來的核心技術和產品如果沒機會到市場去試錯,沒有進入市場的良性循環,不管是軟件還是硬件,都很難達到用戶滿意的水平。

  正是在這個意義上,習近平總書記要求做好市場化引導。我們強調,政府采購應當支持國產自主研發芯片和軟件,應當突出網絡安全要求,使國產自主研發芯片和軟件有進入市場應用的機會,接受檢驗和磨礪,只有這樣,才能不斷走向成熟。

  從產業集群的角度來看,可以參考硅谷的產業集群模式。在硅谷,有一流的研究機構和大學、諸多創業者、充裕的風險投資資本,它們之間形成了緊密的合作網絡,實現了人才、技術、資本、經營方面的強強聯合。

  北京的中關村有潛力打造成芯片技術和產業集群的高地。不妨充分利用周圍的科研院所及人才資源,加之國家政策和資本的支持,統籌資金和研發資源,加強產學研合作,做出有中國特色的高新技術產業集群項目。

  發展大型軟件或芯片產業的投入周期,往往以一二十年來計,資金投入非常大,單純靠市場和企業是難以實現快速突破的。因為,一般的企業會有壓力,比如說上市公司要出報表,要做厚利潤,要向股東證明自己的業績。

  因此,要發揚舉國體制和市場經濟相結合的優勢,比如,國家層面制定一些長期規劃綱要和發展計劃。與此同時,積極引入金融市場的配套支持,比如風險投資在資金方面的支撐,要鼓勵企業在研發生產方面的投入,注意平衡企業在研發過程中可能出現的短視行為。

  總的來說,發展集成電路產業,要有長期的思想準備和投入,不能指望短短幾年就獲得回報,真正把集成電路產業發展起來,恐怕還要一二十年的時間,我們要有決心,也要有定力,要把行業“短板”補齊,踏踏實實堅持做下去。

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