换挡加速，中国芯何以切中巨头“软肋”?

文 | 小象冒冒

有朝一日,回顾中国芯片发展的历史,2020年一定会被圈成高亮:这一年,波澜壮阔。这一年,浓墨重彩。

开年,阴霾从2019年吹来。华为是故事的主角。故事的基调是一个字:“痛”。

2019年起,美方对华为前后进行了数轮封杀,华为凭借自身过硬的技术勉强应对,但是其手机市场皆受到了不同程度的冲击。

尤其是2020年5月,美国宣布“芯片断供”,对华为造成致命一击。尽管任正非说“华为已经做好了准备”,但是特朗普政府层层加码的“华为禁令”,让这位勇者,看起来也老了几分。

在这一年的6月,中国芯片市场涌现起资本的力量。中芯国际无意中站在了聚光灯下。

关键词:“迷”。

6月1日,中芯国际申请科创板上市获得受理。7月16日,在万众瞩目中,登陆科创板首日刷新纪录:募资532亿,一跃成为A股近十年来募资额最大的公司。

但是,在联合CEO梁孟松提出辞职的“内讧”风波后,紧接着就迎来美国商务部的管制——中芯国际,依旧任重道远。

年末,一场中国芯片领域的“世纪握手”,为这一年的行业传奇划上了一个分量十足的句号。

关键词:“和”。

2020年12月16日,在台湾省新竹科学工业园40周年院庆上,两位鬓发如霜的台湾“晶圆双雄”代表人物:89岁的台积电领头人张忠谋和73岁的联电曹兴诚,向彼此伸出双臂。

过去25年间,台积电与联电在芯片代工领域的缠斗,似乎都随着两位传奇人物脸上的笑容,就此消散。

如果说张忠谋创立台积电,踏出了台湾半导体称霸全球晶圆代工产业的第一步;那么被视作联电灵魂人物的联电荣誉董事长曹兴诚,可以说是帮助台湾半导体产业迅速茁壮的幕后功臣。

关于曹张二人谁先提出晶圆代工模式,业界至今都没有确切的定论。唯一能够确定的是,两位在上个世纪70年代飞往大洋彼岸,又将晶圆代工产业打造成为中国台湾省名片的老者,共同创造了一个时代。

历史不会就此湮没,备受国人关注的芯片产业,将会在这一个又一个片段中,反复汲取经验与力量。

而在从业者的眼中,大势已明,浪潮已成——2021年,中国芯片产业必将进入奔腾年代。其中最重要的信念已经形成:振兴技术,国替超车。

工艺比拼带来 “芯片焦虑”

近两年,因为美国商务部“实体清单”管制的新闻效应,缺“芯”之痛,让国人印象深刻。而中国的“芯”伤,主要在于“工艺之困”。

其一,是其突发性。

具有高工艺精度的芯片代工,的确是产业链上下游最重要的环节之一。中国有近4成的芯片依靠进口,确实也是亚太地区最大的芯片进口国。因此,外界有人认为,随着美国对于国内企业的芯片“断供”,国内相关企业会因技术不够先进而处于“卡脖子”状态,一跌不起。

其二,是工艺带来的市场壁垒。

“断供”对市场有没有影响?有。一个代表性的例子就是华为新款手机芯片的短缺。

在整个芯片行业,几乎所有环节,都存在市场壁垒,在半导体制造设备环节,拿业内壁垒最高的光刻机为例。目前世界上仅有荷兰的ASML能生产制造7nm制程芯片的EUV光刻机。迫于美国的压力,国内代工龙头始终未能拿到这一先进设备。美国AMAT独占8成PVD设备市场,应用材料公司的CVD设备在市场中占据三分之一。

除工艺制约,还有传统架构下的性能受限。

当下,计算机等都是采用传统冯·诺依曼架构,计算和存储是分离的。过去二十年,处理器性能以每年大约55%的速度提升,内存性能的提升速度每年只有10%左右。长期下来,存储速度严重滞后于处理器的计算速度,芯片设计遇到“存储墙”瓶颈,大量的功耗浪费在“计算”和“存储”单元之间的数据搬运,从而导致芯片性能受限,难以满足当下智能计算需求。

面对这些问题,中国的芯片产业路在何方?

不是没有思考。中国工程院院士、浙江大学微纳电子学院院长吴汉明就认为,当芯片制程推进至20nm以下,就进入了“后摩尔时代”,经典的摩尔定律在材料、器件物理、光刻工艺三大方面面临挑战。对于中国集成电路产业来说,发展向新架构、新工艺演进,将是突破壁垒的关键。

他同时指出,“研究是方法,产业才是目的”,应积极推动先进研究成果落地。

去年,中国制定“十四五规划”,明确点出了人工智能、量子信息、集成电路等8大前沿科技领域,新基建将成为芯片应用无比辽阔的土壤。

对于跃跃欲试的中国芯片企业而言,未来已经到来。据德勤报告分析,到2024年,中国在全球半导体消费中的占比将达到57%。预计中国将继续保持世界第一大半导体消费市场的地位。这也将给未来中国发展芯片产业带来不可多得的良好机遇。

换挡加速,“中国芯”何以切中巨头“软肋”?

“价格不变时,集成电路上可容纳元器件的数目,约每隔18-24个月便会增加一倍,性能也将提升一倍”——这是半导体行业中著名的摩尔定律。

1965年首次被提出后,摩尔定律始终指引着芯片产业不断向前发展,业内公司为保持领先优势而不惜重金投入。

但随着工艺制程不断向前推进,进一步发展的成本和技术壁垒都在飙升。

专业人士表示,28nm是一个关键节点,制程进入28nm之后成本便快速攀升。有数据表明,28nm的平均设计成本为3000万美元,16nm/14nm芯片的平均设计成本约为8000万美元,而7nm芯片平均设计成本逼近3亿美元。

这还没有考虑到日渐逼仄的芯片应用管道——行业正在进入后摩尔定律时代。从现实角度出发,芯片行业如果一直按照摩尔定律演进,那么中国只能一直跟在后面疲于追赶,而摩尔定律的逐渐失效给了中国企业一个迎头赶上的重要战略窗口期。

如何“换一个思路跳出巨头对摩尔定律的竞逐”、弯道超车是他们共同的命题。

并不是没有突破——在一些应用芯片领域,来自中国企业的努力开始得到回报。比如华为海思的麒麟芯片已跻身手机芯片行业第一梯队,比如高德红外探测器芯片,在技术水平上已经超过欧洲,比肩美国企业。中国也成为全球五个掌握军用红外探测器核心技术的国家之一。

在工艺的突破上,清华大学最近宣布,其物工系发现了一种波长可以覆盖从太赫兹到极紫外波段的新粒子加速器光源,这种光源最直接的应用就是EUV光刻机,这一发现将极大地缩短我国EUV光刻机的研发历程。

而江苏南大光电也在最近宣布,其自主研发的ArF(193nm)最高可用作于7nm芯片制造材料,各项测试性能和芯片良品率均达到了世界领先水平,该产品是国内首款自主研发的可用于7nm芯片的光刻胶,填补了国内在该领域的技术空白,打破了日企对高端光刻胶的垄断。

除了这些之外,成立于2020年的“后摩智能”,则试图从另一个维度去突破,他们打破传统的冯氏架构,提出了“后摩尔时代”解决方案。

后摩智能创始人、美国普林斯顿大学博士吴强,曾以专家工程师的角色从业于AMD、Facebook,后又以CTO身份归国供职于地平线,尝试刷新中国芯片的核心竞争力。

从目前的趋势来看,以Intel、AMD为代表的大企业总是习惯专注自己跑通的领域,优化制造工艺,而像后摩智能这样的创新公司,则尝试在计算范式上予以突破。

存算一体被认为是最适合解决当下芯片性能瓶颈的计算范式。在存算一体技术领域,后摩智能作为一家学术和工业兼备的全栈团队,正在打造出大算力又低功耗的高能效比芯片——这将催生出更多的应用场景,AI算力也将变得无处不在。

百川东流,谓于其道。吴强博士曾有Facebook 8年的从业经历。令他难忘的,是还处于创始期的Facebook团队的工作状态,公司创始人常常和工程师们互动,解答所有的问题。他眼中的扎克伯格“永远低调”,而团队则充满才华和担当,热情高涨。

在创建后摩智能后,自然而然,这也成为了他打造团队的认知。业界的经验显示,一枚芯片的背后,需要的是50-100个行业牛人的共同努力。目前后摩智能已招募了几十位“技术大拿”,这些核心成员或是来自AMD、英伟达、华为海思等一流芯片企业从业,又或在先进存算一体技术方向有深厚的研究积累。这样的核心团队给了吴强“加速超车”的底气。

最新的消息是,后摩智能已完成数千万美元天使轮融资。本轮融资由红杉资本中国基金领投,经纬中国、联想创投、弘毅创投、IMO创投等资本跟投。

中国芯片产业正处于没有前例的历史机遇中,如今我们所经历的时间,就是互联网行业在上个世纪90年代末所经历的黄金时代。在后摩智能崭露头角的故事中,伴随着一批深度参与世界一流企业芯片研发的海归人才回国,中国芯片正式向“高端”起跑。

未来十年间,中国芯片一定也会成长出芯片界的“阿里和腾讯”。

后记

有人说,一个10年,就是一个产业的发展刻度,如此看,中国的芯片正进入“第三个十年”。从上个世纪90年代末到2000年初,“中国工厂”以低技术含量的应用芯片,小心翼翼地推开了产业的大门。

2006年,“汉芯”让中国人的芯片梦一夜回到解放前。2010年前后,AMD尝试将部分核心技术转移到中国,同时以华为海思为代表的国内企业开始发力。中国芯片研发,开始追逐丢失岁月。

这片芯片技术开拓的星辰大海,正给予非凡的怀抱和机会。中国的远航者,驶于“芯”河,自有罗盘。