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。
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。
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。
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,CPU和GPU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。
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CPU、GPU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。
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。
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。