汉唐归来
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陈经: 这个领域是中美技术斗争的主战场 |2020-8-2

台积电在2020年9月后将不再为华为代工芯片,中芯国际也发公告称不能代工。传华为自建芯片产线应对,中国最顶尖的技术公司与美国的斗争进入高潮。
华为是不是在自建芯片生产线、能不能搞出光刻机、芯片产线什么时候能用上,这方面的信息目前不多,还在很早的阶段。除了华为与相关公司的消息,还需要去了解芯片生产各个环节,要有深入的研究。这正说明,美国对中国发起的技术战争,双方的斗争进入了深层次的实操阶段
另一方面,美国会不会在其它领域也发起攻击,同样值得关注即使不深入细节,起码要对美国攻击的总体态势有个把握。芯片是一个显然的斗争领域,那其它行业又是什么情况?

芯片之外的领域威胁小得多

我们发现,美国的主力部队,其实就是在情况很特殊的芯片领域,其它领域的威胁明显要小得多。可以认为,芯片就是中美技术战争的主战场。
以《科技日报》2018年总结的35项卡脖子技术为例,这35项技术分别是:
科技日报的信息来源不太可能覆盖所有产业,各类技术层级也很不相同,但是也算是尽力去寻找各种技术短板。
芯片相关的技术在其中最为突出。芯片产业影响大、技术难度高、美国主导,目前在中美技术斗争中处于核心地位。35个技术中,光刻机、光刻胶、射频芯片、超精密抛光工艺、工业软件,都是与芯片制造相关的,加上芯片本身,一共占了六项。如果往下细分,还能加几十上百项进来。
另一个突出的领域是飞机制造相关的,航空发动机舱室、适航标准、航空设计软件、航空钢材,占了四项。这也是美国可能动手的领域,会拖慢中国大飞机研发进度。飞机制造领域很大很重要,但不象芯片还要供应其它行业,影响扩散没那么大。这个领域也同样能加进多项技术。
操作系统、数据库管理系统,这些是美国主导的软件核心技术,但威胁就不像芯片断供这么直接。中国觉得卡脖子,是觉得这些软件被美国垄断,希望自己能有市场份额。这些公开发售的软件,能复制多份,组成共生的技术系统,是软件生态环境的范畴,不是单纯的技术问题,和硬件相关的技术逻辑很不相同。个人认为不适宜用“卡脖子”的概念,更多是信息安全、行业生态的范畴。

其它基本都是单个领域里的单项技术。触觉传感器、真空蒸镀机、iCLIP技术、重型燃气轮机、激光雷达、ITO靶材、机器人核心算法、特种铣刀、高压柱塞泵、高压共轨系统、透射式电镜、掘进机主轴承、微球、水下连接器、燃料电池关键材料、高端焊接电源、锂电池隔膜、医学影像设备元器件、环氧树脂、高强度不锈钢、扫描电镜,这20项如果被卡了,相关领域就有麻烦。但是这些技术,美国技术与产品占优的不多,只有激光雷达、医学影像设备等少数领域。不知为何,科技日报列了不少日本的单项技术,可能有“日吹”宣传的影响,也列了一些德国、瑞典的技术,欧洲英国、法国的却几乎没有。
还有两项是高端电阻电容、高端轴承钢,算是能用在多个领域的部件。高端轴承钢其实中国已经攻克,高铁轴承是“洛阳造”了,国产高端轴承钢还出口到日本、欧洲。
高端电阻电容也是日本占优的领域,这很难说是一个卡脖子技术,中国也能造。中国生产工艺还有问题,批次质量不整齐,在大批量供应的消费电子领域竞争力不足,手机制造商采购日本质量整齐的产品方便做品控。但如果日本断供了,国产的供应没有问题。
肯定还有不少单项卡脖子技术科技日报由于信息来源不足没列,但列进来的也有一些没两年就被国产化突破了。
如2020年5月10日,国产掘进机主轴承通过验收测试,取得了重大突破。2019年苏州纳微生产的微球打破了日本技术垄断,每年节省上百亿。锂电池隔膜领域,上市公司恩捷股份占全球市场份额50%,成为宁德时代的供应商,并不是被卡脖子的状态。水下连接器领域,2019年4月蓝梭科技研发的水密橡塑千兆传输组件通过验收,填补了技术空白。2019年5月,富士康深圳子公司ST刀具领导看到国产高铁铣刀不堪重任的新闻,布置任务5个月突击生产出了国产钢轨智能修复铣刀,成为“大潮起珠江-广东改革开放40周年展览”的展品。碳纤维环氧树脂领域,上市公司光威复材取得巨大突破,从做钓鱼竿发展到做军用碳纤维,创造了不可思议的技术发展奇迹。高压共轨系统方面,潍柴动力做的国产系统2012年就研发出来上市了,虽然说还不是太强,但也没到卡脖子的程度。
总体而言,像科技日报这样列单项技术,是能列出不少卡脖子的,值得重视。但对中国的威胁没那么大,一是随时被突破,二是单项技术影响的领域小,三是主要的单项技术掌握在日本、德国等国企业手中,和美国无关。即使找出更多细分领域的卡脖子技术,性质上也差不多,不会忽然发现一个让人冒冷汗的东西。
这些单项技术,中国产业链齐全,基本没有空白,都有对标的中低端技术。有实际在运作的生产线,有研发基础,随时取得突破是符合规律的。单项技术有时就是攻关一下,找到生产工艺窍门就突破了。如果大面积突破,各种配套齐全了,后面突破就更容易了,现在已经到了厚积薄发的阶段了。中国各种单项生产技术,可以说每天都有突破,一年年下来成果已经非常可观。
 
有时中国单项技术没有突破,是没注意去搞,因为相关企业既没有被卡脖子,研发出来经济价值也不大。直到新闻报导出来了,领导重视,才去突击搞出来。这类“圆珠笔头”式的任务研发不时发生,舆论也慢慢有感觉了,对技术的观察更为客观。
美国为什么单项技术感觉还不如日本、德国?并不是美国技术不行,而是和美国选择的产业技术发展路径有关。美国可以说是系统级控制的大师,对单项技术就没那么在意。美国会注意核心领域的控制力,一些单项技术由日本德国这些盟国来搞,只要美国控制力足够,不怕日德等国和美国对着干。

事实说明,用单项技术来控制产业很不现实,产品做得好受到市场欢迎,但要想控制产业,那还差远了。

美国对全球的控制有政治、军事、金融层面的,但是技术层面的控制也很重要。美国的技术控制路线主要有两个,一个是以软件为代表的应用生态控制,一个是以芯片业为代表的产业链控制。二者结合在一起,体现为美国对IT业的控制。
IT业正是美国相对日本欧洲最大的技术优势,也代表了国际产业技术潮流的先进方向,从美国60-70年代黄金发展时期一直延续到现在,仍然在蓬勃发展,是美国国力最大的技术支撑。
所以,科技日报去找卡脖子的项目,关于美国的就是系统级别的,芯片业、软件业、航空业,这种控制是真正厉害的,比日本德国那些单项技术对中国的威胁要大得多。

美国通过芯片业进行产业控制的技术背景

 

摩尔定律好的方面是,芯片的元器件数量与性能不断翻倍提升,价格还越来越便宜。从消费者角度看,芯片产业的技术进步好到和做梦一样,性价比的提升简直逆天,和其它行业完全不一样。几乎没有消费者直接买芯片来用,使用芯片开发要一定技术。但是芯片的间接消费者迅速扩展到所有地球人,人均芯片数量还在急剧上升。

芯片的直接消费者,是海量的电子产品商家。产品设计者将通用或专属芯片加入产品设计中,就能实现种类繁多的各种功能。如一度火爆的测温枪,其实能生产的厂家很多,核心器件就是测温芯片,行情好的时候能采购到芯片就发财了。

华为在90年代早期也在这个层面,将程控交换机的功能做进板子,把芯片用起来。当时没多少公司在琢磨这事,但现在已经成了白菜化的技术了,光深圳能做这类开发的公司就不计其数。绝大多数中国消费电子公司都在这个层面,也足够了,能把芯片用起来水平不低了。

这个层面的通用技术可能是PCB(printed circuit board)制板,把芯片、电阻等各种元器件在板上实现电气互连。虽然在中国是白菜化了,但能搞PCB设计的,就能算是高科技企业了,发展中国家不一定玩得起来。在这个层面搞开发,已经是潜力无穷,是中国科技主要的竞争力表现形式之一。

大多数中国搞技术的,搞来搞去就是在这个框架里。要么就是软件,要么就是这个软硬件架构。很多不是学计算机的,最后也转来这个框架里,变成搞IT或者软硬件开发的。

这个架构的意义非常大。日本以前就是靠一套架构发财的,电子产品横扫天下。但是后来芯片性能快速进步,软件越来越强大,开发技术大规模扩散。本来以为是大公司才能搞的,山寨小厂也能玩起来了,这事就变味了。

中国厂家随手能开发出来的东西,日本公司再拿出来主打就没有格调了,得去开发一些独家的核心器件与功能。有时日本公司会搞些奇奇怪怪的产品功能,算是技术上有难度,但就走歪了。

这涉及到计算机行业与其它产业的关系。比如汽车,在传统汽车里面加入一些计算机元素,搞搞汽车电子,是一个自然的思路。如果是在计算机体系架构里,加入汽车元素,就是另一种更激进的发展方向。总体来说,计算机体系架构有强大的扩展能力,标准化做得最好,软硬件天然就是全球分工合作,又能自由开发,技术扩散速度极快。

中国软硬件应用的开发人员数量世界最多,水平也不错。和各行业齐全的产业链结合,中国芯片应用持续火爆高增长。中国的主力出口产品就是机电产品,占了一半以上,占比还越来越高。

这个技术体系是美国主导搞出来的,一半的芯片,主要的系统软件、工具软件,是美国公司开发的。美国是通过芯片和软件,实现对这个技术体系的控制。美国人更大的兴趣是做芯片、做系统软件、工具软件,关注整个技术生态。

对于具体的计算机应用,美国人也做得很厉害,但就有些挑。例如美国公司对计算机特效应用到电影行业非常狂热,软硬件算法技术进步非常厉害,从90年代起依靠技术优势,一举将好莱坞推到了全球超级垄断的霸权地位,将美国文化推广到全球。

另一个美国非常热衷的应用是互联网,美国成为全球互联网霸主。这两个应用收益极大,中国日本德国在那辛苦搞软硬件开发的“小行业”,美国人不一定看得上,丢掉也不是太关键。但是有一个行业美国人认为丢得很可惜,就是移动通信,走错了技术路线,败给了中国与欧洲。

如果排除互联网这个赢家通吃的行业,在IT计算机应用这个领域,美国公司并没有特别占优,中国电子消费品之类的应用更为活跃。

芯片设计能力的全球分布

在IT与计算机应用的下一个层级,是芯片设计,也是受摩尔定律的支配的。芯片复杂度越来越高,芯片制程却越来越短,会受微观世界的一些特殊规律影响,芯片设计的难度是在上升的。

IT应用,写完代码经过不多几步就可以跑出结果进行调试,代价不大。芯片设计就难多了,整个流程高度依赖工具软件,要经过很多步才能出结果,复杂芯片的设计开发成本越来越高。有的公司只能赌博式开发一款芯片,失败了钱就烧完了。

在芯片设计这个层面,美国公司的优势就要大多了,2018年全球市场份额52%超过一半。这是因为芯片设计门槛高多了,美国芯片设计公司的先发优势很大。

芯片设计公司分两类,一类是自己设计自己生产的IDM模式,一类是设计出来让别人代工的Fabless模式。美国这两类都厉害,英特尔、德州仪器、美光是自己有工厂生产芯片,而且是从芯片产业发展之初就是如此,市场份额46%。美国Fabless模式的芯片设计大公司更多,苹果、高通、博通、AMD、英伟达等都是业界巨头,市场份额更是高达68%。

韩国公司占到了27%,但主要靠存储芯片单一类别产量大,三星、海力士自有芯片工厂,纯芯片设计公司份额不到1%。日本类似韩国,市场份额7%。欧洲也是有意法半岛体等芯片工厂支持,市场份额6%。台湾比较独特,有台积电联电这种芯片工厂,也有联发科这种纯设计公司,但没有统一到一个IDM公司,而是分成代工与设计。所以台湾是靠16%的纯设计份额实现6%的全球份额。

中国大陆虽然全球份额只有3%排第六,但其实已经算是值得一提的玩家,在纯设计领域13%的市场分额不算小能排第三,海思已经是全球排名靠前的芯片设计巨头。可以预计中国的纯设计市场份额会不断上升,已经有不少小有名气的芯片设计公司冒头。

从设计角度来看,芯片越来越复杂,对从业人员的要求在提升。但是有自动处理仿真软件,也有ARM这样的架构服务简化开发难度,同等性能芯片上手的难度其实降低了。国科大的五个本科生在几位指导老师带领下,四个月就设计出了基于RISC-V架构的CPU芯片,110nm制程,在中芯国际流片,成功跑起了linux操作系统。

中国芯片设计公司的数量近年来在快速增长,在高投入和人才数量积累到一定程度后,芯片设计能力可以跟上甚至超过全球行业的发展。

芯片制造的噩梦难度

但是,中国短板是芯片制造,自有工厂的芯片设计公司几乎没有,在前六里这个短板最严重。

芯片设计再向下的层级就是芯片制造。芯片设计受摩尔定律影响,难度越来越高,但还可以接受或者克服困难,对中国问题不算特别难。芯片制造的难度就象噩梦一般,正好与芯片消费者的美梦对应,摩尔定律的坏处集中体现在制造这一端。

芯片元器件越做越小,制程小到几十纳米,甚至几纳米,相当于头发丝的千分之一到万分之一的宽度。不仅容易出错,有时还会碰到旧路线绕不过去的障碍,需要新的技术原理。对研发人力、资金、时间的要求都越来越高,失败了就得重来。

花了极高的研发成本搞出来的设备,需要多生产芯片平摊成本。所以,晶圆要往大里做,8寸升12寸,一片做上千个晶圆,一炉子加工一堆晶圆,并行处理,单个芯片的成本才能降下去。这样,就需要扩大芯片厂规模,初始设备投资也非常高。

每一次升级,耗资就上一个台阶,搞到后来一个工厂需要上百亿美元。各种设备都有专属的公司来研发,光刻机、刻蚀机,工序上百道,非常讲究配合,光自己努力不行。

在针尖上玩花活的加工环节难度如同噩梦,是芯片制造的核心技术难点。在微观世界搞完了,回到宏观世界搞封装、测试,这也需要海量的自动机器,但难度一下就回到传统水平,可以忽略不计了。

总体来说,芯片制造是研发花钱多、技术路线越来越难、建产线花钱更多、花了钱也未必能成。这里没有一关是轻松的,都需要砸钱砸人花时间去克服。而且就算一关打过去了,下一关更深的地狱级别难度还在前面等着,如果要升级,这个苦难就一直没完没了。

芯片设计虽然难,但还是开放性的,只要努力就能加入,投钱有信心,越来越多的玩家会进入。芯片制造就不是了,制程越来越小以后,已经是个极端封闭的领域。从描述就能看出,这就是要求最高的制造业领域了。新玩家几乎不可能来加入,旧玩家都会受不了退出。

确实不断有芯片制造公司宣布“不玩了”。美国格罗方德是全球第二大代工厂商,2018年宣布7nm放弃了。台湾第二大代工厂商联电,在稍早就宣布放弃了。IBM为了扔包袱,2013年将芯片工厂倒贴15亿美元卖给了格罗方德。

英特尔近年来也在芯片制造上卡住了,7nm产线良率迟迟未能提升,被称为“牙膏厂”,芯片技术进步象挤牙膏一样。2020年7月下旬业界震动,英特尔让台积电代工18万片晶圆的6nm芯片,后面还可能有5nm、3nm等更短制程CPU芯片代工的需求。

只有台积电像开了挂一样,多次选对了技术发展方向,7nm、5nm量产,3nm、2nm也有消息了。

当然芯片制造厂不是说破产不干了,其实还是会有营运利润,只是用现有的制程能力来接单。大多数芯片逻辑芯片并不需要太高的制程能力,28nm就足够应付需求了。14nm就算是高精尖了,更高的只有高端手机芯片等少数需求了。

发展中国家作为芯片的间接消费者,没有问题。如果能作为厂商把芯片加入产品里,这就算是过得去的有些技术的国家了,也不算罕见,时间一长多少总能搞一点。芯片设计难度就更高些,需要特别的努力,但如果有决心还是有机会。可以断定,芯片制造是发展中国家绝对不会去做的,只会做一些封装测试的非核心环节。

在IT计算机产业链上,中国作为芯片消费者情况很不错,芯片设计也是上升势头。但是从技术原理就能看出,芯片制造会是最后最难的大关卡。

不仅如此,在整个全球技术体系里,芯片制造对中国的技术体系都有终极意义。可以说,再没有一个技术短板能与芯片制造有同等的战略意义如果把芯片制造这关也打过去了,那么就再没有任何技术能够阻挡住中国技术体系了,中国人的技术信心会得到根本性的提升。

因此,中国将会不计代价地投入芯片制造体系的攻关,克服任何可能出现的困难。而且,中国并不是从零开始,也有多年的持续投入和积累。

中芯国际14nm已经良率95%量产出货,进入了先进制程行列,10nm取得了突破,标准较低的7nm也有了进展。其实仅从单一的制程表现来看,差距并不很大。但是主要问题在于技术受制于美国,中芯国际也不能给华为代工。

中国发展芯片制造的任务已经升级,不仅要做出先进制程,还需要实现去美化。芯片制造是中国面对的最高难度的制造业任务,也成为了中美技术战争的核心环节。虽然极其困难,但中国仍然有条件有信心逐步完成这个终极任务。

中国发展芯片制造的有利条件是,资金实力雄厚,业界公司面对的最大难题对中国不是问题。中国发展芯片路线是明确的,业界已经走过来了,并不需要去试别的道路,路线确定就是对研发最大的帮助。

另外,芯片制造也不需要一次成功,可以逐步上难度,先完成一个去美化的芯片制造产业链就是极大的阶段性成功。全球芯片制造业进步速度也慢下来了,中国总体是追赶而不是被甩开。

最大的悬念只是时间,这么困难的制造业难题,中国各方一起发力,进展会有多快。也不需要最终胜利,见到胜利的曙光就可以了。到那时,我们就可以宣称,中美的斗争迎来了转折点。

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