中国芯片：手上有剑，和有剑不用，不是一回事

来源/信风智库

作者/胡二伙

有些产品，我们买不到才是更大的悲剧。

在市场经济中，顾客并不一定都是上帝。很多像华为一样的中国公司，拿着钱去买美国、德国、日本等国家的高技术产品时，往往并不容易。即便买到了，也必须签署非常多的附加条件。

有时候，中国公司花很高的价钱去收购国外一家负资产的公司，可能就是为了这家公司拥有的某一台先进的设备，或者某个有研发能力的团队。

芯片正是如此，虽然它的原料就是一把沙子，但却成为了卡住脖子的关键技术。

近日，美国针对华为的“全球芯片供应链”采取进一步限制措施，其中最核心的影响，来自于芯片代工厂台积电的断供。

台积电是目前全球最大的芯片代工厂商，可以说，台积电的产能供应是芯片厂商最为核心的竞争力之一。华为没有了台积电的输血，正如科幻小说《三体》中，三体人用智子锁死人类的基础科学一样。

面对美国的层层逼近，华为并没有坐以待毙，而是积极寻找以及培养新的合作伙伴。据业内人士曝料，华为工程师已经入驻中芯国际，共同开发N+1工艺（替代7纳米芯片），以解燃眉之急。

我的“中国芯”

对中芯国际来说，其发展离不开一个关键人物，来自中国台湾的张汝京。

　　中芯国际创始人张汝京

1948年，在解放战争即将全面胜利之时，张汝京出生在江苏省南京市，还在襁褓之中的张汝京随父母来到了台湾。

张汝京的父张锡纶，是中国著名的冶金专家，曾在中国第一所矿业高等学府焦作工学院就读，毕业后进入上海的一家炼钢厂工作。

淮海战役结束后，张锡纶因为历史原因举家迁往台湾高雄。但是在张锡纶心里，大陆才是他魂牵梦绕的故乡。1997年，当次子张汝京从德州仪器离开准备自主创业时，张锡纶就曾建议张汝京回到中国大陆来建厂。

巧合的是，张汝京在德州仪器二十年，曾是张忠谋下属的下属，不过两人当时的交集并不算多。

后来，由于台湾当局的原因，张汝京在内地建厂创业的计划受阻，只得在台湾创办了世大半导体。未曾想到3年后，一片向好的世大半导体“中道崩阻”，被“老上级”一招拿下。

台积电的创始人张忠谋是一个野心勃勃的企业家，势要把一切威胁扼杀于摇篮之中。他绕开张汝京，与世大半导体的股东谈判，成功以50亿美金收购世大。

根据张汝京的介绍，世大和台积电合并时，他曾提议合并后将第三厂建到中国大陆去，台积电当时并没有否认。但合并之后，台积电却开始对到大陆建厂的提议表示反对，这让张汝京很是失落。

芯片代工巨头台积电

再三权衡，张汝京决定离开台积电，自己到大陆筹钱建厂。而台积电也对张汝京的选择进一步表态：“离开台积电到大陆建厂，可以，但你在台积电里的股票不能拿走。”

失望透顶的张汝京选择了出走，他的第一站是上海。

2000年，张汝京只身来到上海，提着一个公文包，在北京和上海之间来回奔波，最终在浦东张江园区内的一片农田中，奠基开建中国第一座芯片厂，中芯国际也宣告成立。

凭借自己业内强大的号召力，张汝京号召到了300个台湾工程师来到上海。依靠过去的人脉，找了美国5家教会做担保，成功进口了美国从来不肯出口到中国的顶级半导体设备。

再加上上海政府的强力支持，仅仅13个月，中芯国际就建成了第一座0.25微米线宽以下制程技术的8英寸晶圆代工厂，将制程工艺提升到了纳米级。

来自同胞的打压

2004年，中芯国际在美国和香港同时上市，仅仅3年时间他们就建立了4条8英寸生产线，以及1条12英寸生产线，一跃成为全球第三的半导体代工厂。

中芯国际向前一路飞驰，隐患也在逐渐积累。

也许是过于关注怎样快速地往前奔跑，他们忽视了对知识产权方面的关注，最终成为张汝京第二次创业生涯溃堤的蚁穴。

大陆建厂的中芯国际

2003年8月，台积电再次出手，在中芯国际即将上市的关口，一纸诉讼递交到了美国加州法院，起诉中芯国际侵犯专利权、窃取商业秘密、不正当竞争和干扰经营关系，要求其赔偿10亿美金。

对此，张汝京曾表示，其实双方官司的关键不是专利，而是“商业机密”。

“台积电的工程师加入我们，他们来的时候，有些人是不小心或者没注意，人家用的制造过程里的菜单什么，他们照抄了，所以我就变成很被动了。”多年后张汝京在回忆这件事时，苦笑着说。

2005年2月，在中芯国际和台积电的交涉下，双方达成庭外和解协议，不过中芯国际需向台积电支付大约1.75亿美元的金额，按照6年分期支付。

然而，这件事并没有划上句号。就在和解协议达成的19个月后，台积电再次状告中芯国际，称中芯国际违反了和解协议。张汝京在随后的声明中，直指台积电此举为恶性竞争。

不仅如此，更大的压力来自政治打压。眼见大陆半导体事业在张汝京的引领下开始腾飞，当时台湾省的领导人陈水扁坐不住了。

张汝京是台湾户籍，中芯国际的核心工程师也大多是台湾户籍。陈水扁以“罚款”和“取消户籍”等政治手段，威胁张汝京从大陆撤资和撤离人员。

张汝京因此对台湾当局心灰意冷，甚至做出了一个令人出乎意料的举动：要放弃“台湾户籍”，并发布声明：

我是美国公民，但在台湾长大，受教育，服兵役，对台湾有深厚的感情。1990年自美返台至2000年，总共在台湾参与和建造了4座晶圆厂。2000年时在大陆建芯片晶圆厂，为两岸的半导体产业同样地尽力。

台湾当局的某些人士，对我们在大陆的发展一再打压和迫害，我深表不解与遗憾，已委托律师妥善处理此事，依合法、合情合理的管道据理力争。

我深信两岸的同胞本来就是同根而生，一脉相承，互助、合作和产业上的互补都是顺应自然的和双赢的，绝对不应该加以人为的设限。我非常希望能回台湾看些老朋友，也很想念高雄的一切，希望这个愿望能尽早实现。

然而，现实永是残酷。

2009年9月，台积电获得最后的胜利，而中芯国际除了要向台积电支付2亿美元现金，更要拱手让给台积电总计10%的股份。不得不以“巨额现金+股权赔偿”这种略带“屈辱”的方式，与台积电达成和解。

张忠谋和张汝京

最终张汝京扛不住了，他宣布从中芯国际引咎辞职。并发誓“永远不再踏足半导体领域”。在张汝京宣布离职的那天，台湾媒体得意洋洋地宣布：台湾从此控制了大陆半导体的大半江山。

这件事后，中芯国际元气大伤，2009年直接创下了公司成立以来的最大亏损。更要命的是，本来在制程工艺上和台积电相差1代左右，差距也越拉越大。

战斗还没有结束

尽管张汝京黯然离场，但是中国芯片的故事并没有结束。

多年之后，中芯国际经历了走马灯似的管理层更迭，一直到当初跟随张汝京一同从台湾赴上海创业，曾经任职台积电高管的邱慈云上任。

在邱慈云6年任期内，中芯国际进入了稳定增长期，40纳米产能放量，中芯国际扭亏为盈并逐渐扩大盈利规模，同时也获得了越来越多的国内订单。

邱慈云上任

一直到邱慈云离职的2017年，中芯国际已经牢牢占据大陆晶圆代工产业市场份额的第二把交椅，一方面不断蚕食台积电的中低端市场，另一方面将其余竞争对手遥遥甩在身后。

虽然中芯国际的盈利情况与产能持续向好，但在芯片制程方面的差距却与台积电、三星等全球竞争对手越拉越大。

2017年，台积电10nm制程芯片收入已经达到行业第一时，中芯国际依然在150纳米/180纳米、55纳米/65纳米这些中低端制程上，赚着不高的利润，28纳米制程才刚刚能实现量产。

直到另一位台积电前猛将梁孟松，成为中芯国际联席总裁，中芯国际的发展速度才再次提速。

当年芯片技术是如何拱手相让的？如今有中国公司想完整拿回来

动态随机存取存储器（DRAM）是一种半导体存储器，用于计算机处理器中以实现最佳功能。随着云计算的应用场景越来越多，市场对于DRAM的需求正在扩大。 这个市场，向来不是中国企业的舞台，很长的一段时间里，三星电子，SK海力士和美光科技（MU）三家公司占据着9

其实，台积电和三星曾经因为梁孟松，还打了好几年的官司。对于台积电至关重要的梁孟松，因为对职位变动上的不满，于2009年加入三星，在台积电还在研究16纳米制程时，帮助三星搞定14纳米制程芯片生产，抢走了一部分苹果手机芯片和高通的代工订单。

这可惹恼了台积电，台积电认为梁孟松把台积电的技术泄露给三星，于是乎状告三星，双方打了长达4年的官司，最后台积电胜诉，判决梁孟松不能给三星提供任何技术上的指导。

这样一个技术大佬，加入中芯国际有点类似“降维打击”，毕竟对于梁孟松来说，中芯国际最先进的28纳米制程只是人家多年前玩的东西。于是梁孟松的加入，让中芯国际迅速实现了14纳米的量产。

芯片技术狂人梁孟松

但是，目前中芯国际与全球竞争对手的差距依然很大很大。营收方面，中芯国际在国内领先地位牢不可撼，营收高于国内第二华虹半导体4倍以上，但仅仅是台积电的零头。但是对于这么一家成立时间不算太久的企业来说，能做到全球第5，已经难能可贵。

国产化为什么这么难

中芯国际只是中国芯片的一个缩影，对于中国而言，芯片国产化依然道阻且长。

每年，中国要花3000多亿美元之巨进口芯片，芯片已经超过石油成为中国第一大进口产品。既然芯片那种重要，为什么还没有实现国产化呢？

原因很简单，芯片这个领域不仅投入大、周期长、风险高，并且市场竞争还很激烈。

特别是在芯片产业的前期，离不开大量的研发费用，这可不是一笔小钱。据估算，建造一个芯片制造厂，需要花费150亿美元，等同于一个美国尼米兹级核动力航空母舰编队的造价，而这还是只是芯片厂的前期投资。

芯片制造是人类历史上最复杂的工艺，加工精度为头发丝的几千分之一，需要上千个步骤才能完成。其难度，堪比两弹一星。

从芯片的技术原理来看，首先你需要把沙子液化成高纯度的硅，接着将硅棒切成片状的晶圆，再在晶圆上涂一层感光材料，接着用光刻机按照设计图刻出图案，然后如此反复，把导线和器件一层层装进去。　　

具体来说，你至少需要把18000只电子管、6000个开关、7000只电阻、10000只电容和50万条导线，组成一个超级复杂的电路，然后将这些超过30吨重的东西，集成到一个指甲那么大的地方上。

设计、封测和芯片制造是芯片产品的三驾马车。设计相当于作家写书，制造相当于印刷，而封测则相当于装订。其中芯片的设计异常重要，一个路口红绿灯设置不合理，就可能导致大片堵车，电子在芯片上同样如此。

作为核心技术，芯片设计被欧美企业死死把持，其中以高通、博通和AMD为代表。高通在芯片届可谓大名鼎鼎，世界上一半手机装的是高通芯片；博通是苹果手机的芯片供应商，手机芯片排第二毫无悬念；而AMD和英特尔，也基本把电脑芯片包场了。

高通芯片

而中国企业更多停留在封测和芯片制造，特别是以日月光与台积电为代表，市场份额最高。早在2017年，台积电包下了全世界晶圆代工业务的56%，规模和技术均列全球第一，市值甚至超过了英特尔，成为全球第一半导体企业。

另外，芯片的良品率取决于晶圆厂整体水平，但加工精度又取决于核心设备，这个核心设备就是光刻机。在这个领域，来自荷兰的阿斯麦公司可谓横扫天下，几乎占据着行业垄断位置，其中高端光刻机市场份额超过90%。

由于技术难度很高，阿斯麦在2019年只生产了26台EUV高端光刻机，由于具备生产7纳米制程的芯片工艺，被誉为“超精密制造技术皇冠上的明珠”，尽管每台机器售价超过1亿美金，却依然收到台积电、三星和英特尔等公司的哄抢。

阿斯麦的光刻机

在晶圆上注入硼磷等元素，需要用到“离子注入机”，目前这一领域70%的市场份额由美国应用材料公司把持。

此外，涂感光材料得用到“涂胶显影机”，来自日本的东京电子公司拿走了90%的市场份额。

即便是光刻胶这些辅助材料，也几乎被日本信越与美国陶氏等公司垄断。

不过，重要性仅次于光刻机的刻蚀机，中国的状况要好很多，16纳米刻蚀机已经实现国产运行。

除了技术难度之外，制约芯片发展的，还有一个摩尔定律。英特尔的创始人之一戈登·摩尔有个著名的预测：当价格不变时，集成电路上可容纳的元器件的数目，约每隔18到24个月便会增加一倍，性能也将提升40%。

摩尔定律的不断得到验证，导致了另一个结果，那就是芯片行业天然会随着技术进步发生自我贬值。什么意思呢？依照摩尔定律的说法，每过两年企业创造的价值就会减半，比如iPhone 11出来后你手中的iPhone X就会贬值。

因此，芯片的迭代速度很快，行业追赶者只要一个节拍没追上，就会被杀死在半路中，上百亿美元的投资说打水漂就打水漂，这样的市场竞争不是每个玩家都能玩得起。

从倪光南的“方舟一号”，到邓中翰的“星光一号”，再到展讯的第一颗手机芯片，在全国产业竞争快速迭代的赛道上，中国选手都没有跑赢摩尔定律，最终先后被市场拉下马来。

高通创始人艾文·雅各布斯，早在20世纪60年代就提前布局CDMA的研发，这才成就了几十年后的智能手机芯片霸主。芯片行业没有捷径，国产芯片产业贫血是综合性发育不良的结果，这需要我们几十年甚至几代人的不懈投入，而不是像互联网经济一样，通过在“各种会议上放卫星”来发展。

与未来赛跑

欧美芯片产业发展已经迈向新的高度，呈现出“精细化跨越”的发展趋势。

“精”指的是越来越智能。

多年前，谷歌大脑为了学会识别猫脸，使用了1.6万个CPU核单元，跑了一个星期，机器才学会识别。可见，传统CPU芯片在进行人工智能处理时，速度实在太慢了。直到后来以GPU为核心的人工智能芯片问世，才解决了这个问题。

一般来说，人工智能芯片被称为人工智能加速器或计算卡，也就是人工智能应用中的大量计算任务的模块，目前主要有GPU、FPGA和ASIC三种技术路线。

其中GPU在人工智能训练方面，已经发展到较为成熟的阶段，谷歌、脸书、微软和百度等公司都在使用GPU分析图片、视频和音频文件，以实现深度学习等功能。

也许很多人会纳闷，作为显示芯片的GPU，怎么应用于人工智能呢？

其实这个道理很简单，擅长处理图形数据的GPU，拥有大体量的逻辑运算单元，对于密集型数据可以进行并行处理。人工智能的神经网络架构有个特征，刚算出来的数据往往会再投入结算，这种计算不需要太多数据缓存单元，也不需要复杂的逻辑控制，只要计算单元够多就行。相比注重逻辑判断的CPU ，GPU芯片显然更加适用于人工智能计算。

提及人工智能芯片，就不得不提占据70%市场份额的美国英伟达公司。之所以如此成功，是因为在人工智能兴起之初，英伟达就与斯坦福大学教授吴恩达合作，开发了一种使用大规模GPU计算系统训练网络的方法。

与此同时，英伟达还与谷歌的人工智能团队一起，建造了当时最大的人工神经网络。之后，各个深度学习团队开始广泛大批量使用英伟达的GPU芯片，如今全球一半以上的人工智能创业公司，都是在英伟达的平台上构建的。

在这一新兴赛道上，中国企业同样不甘示弱面。

2016年，中国公司寒武纪通过将硬件神经元虚拟化、打造智能的指令集，以及对高能耗算法的稀疏化处理，推出了世界首款商用深度学习处理器。现在，每年全球有数千万的手机和摄像头，以及联想、曙光和阿里巴巴的服务器，都在使用寒武纪的深度学习芯片。

“精”是智能化。那什么又是“细”呢？

这里我们不得不提到纳米制程。在数学上，1纳米等于0.000000001公尺，而人体的指甲厚度约为0.0001公尺，如果我们把指甲的侧面切成10万条线，那么每条线就约等同于1纳米，可以想象1纳米是何等微小。

以14纳米为例，其制程是指在芯片中，线最小可以做到14纳米的尺寸。我们之所以追求缩小制程，首要目的就是可以在更小的芯片中塞入更多的电晶体，让芯片不会因技术提升而变得更大；其次，缩小制程可以减少体积也可以降低耗电量，增加处理器的运算效率。

全球首款7纳米芯片

今天的芯片量产工艺，已经能微缩到7纳米大小。这究竟有多小呢？我们人类的红血球直径有8000纳米，这样一个红血球的表面上就能放下400多万个芯片，包含4000兆个晶体管，集成了大量的信息。

芯片微缩，让人体植入芯片，从科幻走进了现实。在瑞典，就有超过4000人在体内植入了芯片，这些体内芯片可以作为门禁卡和支付工具使用，甚至能将色彩信号转化为声音信号。

不过值得注意的是，芯片的制程并不能无限制的缩小，当我们将电晶体缩小到20纳米左右时，其实就会遇到量子物理中难以稳定的问题，让电晶体有漏电的现象，抵销芯片缩小时获得的效益。

另外，作为芯片理论基础的能带理论，只是一个近似理论，电子的行为仍然没法精确计算，这为芯片的未来发展埋下了巨大隐患。所以，人类也在寻找其他更前沿的替代方案。

功耗问题是芯片发展的另一个麻烦。目前市面上普通的芯片，其功率密度每平方厘米达到了几十瓦，所以在芯片上往往要背一个风力散热器，当芯片功率密度达到每平方厘米100瓦以上时，就要把风换成水了，一个超级计算机往往会把凉水烧温。这种热效应非常厉害，如果不加控制，我们所有芯片的温度加起来可以达到核反应堆的温度。

芯片发热感应图

芯片是人类最伟大的发明之一。现在一个普通家庭的生活设备中，仅仅是集成电路这种芯片就多达300块，它给我们的生活带来了巨大的变化。

2019年，全球芯片市场的产值高达4900多亿美元，中国不仅是全球芯片最重要的消费市场之一，同时也正在竭尽全力，向全球芯片产业的第一梯队进发。