做芯片的不如做项链的？国内高端IC芯片破局已刻不容缓|专访中科大副院长、浙大教授

这里有一个显而易见的恶性循环：因为工艺落后——客户到国外流片——国内工艺缺乏流片验证提升——工艺更加落后。

芯片，这么个微末之间的小玩意，在眼下的智能化、信息化时代，从来没有像现在这么重要，更是撑起了一个庞大的市场。

数据显示，2016全球芯片市场达到3397亿美元，同比增长1.5%。而2017年预计将超过4000亿美元，涨幅高达10%以上。

不过令人窘迫的是，在这么大的蛋糕面前，尽管我国已消化了近1/3市场需求而成为全球最大的芯片消费国，但繁荣背后却有一个残酷的事实：我国国产芯片的自给率不到30%，产值不足全球的7%，市场份额更是不到10%，也就是说中国“芯”90%以上依赖进口。截至2016年底，中国芯片的进口金额达到1.3万亿人民币左右，而同期的原油进口不到0.7万亿。中国在芯片进口上的花费已经接近原油的两倍。

做芯片的不如做项链的？

上周一（2017年10月23日），工业和信息化部人才交流中心（MIITEC）和比利时微电子研究中心（IMEC）联合主办的“名家芯思维”——2017年设计方法学国际研讨会在南京举办。

本次活动邀请到IEEE fellow Giovanni De Micheli、中国科学技术大学林福江教授、浙江大学韩雁教授、南京大学王中风教授、香港科技大学教授Patrick Yue 和Synopsys亚太区产品总监谢仲辉先生，围绕主题“IC设计方法学”的进行主题分享，圆桌论坛环节探讨了IC设计技术革新、发展趋势，以及发展中遇到的一些问题。

会议期间我们听到了两个小故事。

不过却是两个很无奈的故事。

故事一：做4G芯片差点破产

这是一家做芯片FIB失效修改的厂商讲的故事。说有一个客户原来是做2G/3G基础设备的，后来听说4G是个大趋势且很快就会到来，就转头开了一个厂，雄心勃勃的进军4G芯片产业，准备抢占桥头堡。

为了做好，他前后投入了80%的身家来研发4G芯片。结果，快把家底赔进去了也没搞出来。最后实在撑不住，只好回头又做起了3G设备，终于挽回了差点破财破家的惨淡结局。

听说，他媳妇也总算同意他睡床上了。

故事二：做芯片的不如做项链的

这个故事是韩雁教授讲的。说有一个朋友，原来开了一家首饰加工厂，生意不错。后来，在政府的要求和鼓励下就办了个芯片封装厂。

然而，这个封装厂利润简直寥寥，一直在惨淡经营中不可自拔。

据他说：“我加工一件首饰能赚几块甚至十几块钱，但是我封装一个芯片才赚几分钱甚至几厘钱！你说，高科技体现在哪里？”

对啊，既然做芯片的不如做项链的，那为什么还有人坚持做下去呢？（文末将有答案）

国内高端芯片领域的困境

众所周知，高端IC芯片复杂程度高，国内目前连4G芯片都做不了，绝大多数都还是2G/3G计算级别。

芯片市场的恶性循环

浙江大学教授/博导、浙江大学—美国UCF大学ESD联合实验室常务副主任韩雁说：“我国高端射频芯片的开发面临困境，这里有一个显而易见的恶性循环：因为工艺落后——客户到国外流片——国内工艺缺乏流片验证提升——工艺更加落后。”

具体来说，这个循环就是：由于国内芯片加工制造工艺落后，导致很多设计公司纷纷选择到国外流片，因此造成国内相关厂商严重缺乏流片验证而无法升级，最终又会让国内的芯片工艺迟迟得不到提高。

目前，芯片产业的流片费用动辄几百万元甚至上千万元，这样的费用对任何一家公司来说都是难以企及的高价，由不得不慎重（一般来说，普通芯片最多半年流片一次，而高端芯片如10nm或像麒麟970一样的AI芯片等，由于研发过程漫长，从研发到流片需要数年时间）。因此，国内很多芯片设计公司为提高成功率，纷纷选择去国外或合资企业流片。英特尔、富士通、Tower Jazz、GlobalFoundries、三星、台积电、MagnaChip等等，往往是业内的首选，从而造成内地厂家很难有生意。

既然国内晶圆代工厂没有生意，自然就生存艰难。尽管近年来有紫光、中芯国际、华力微等重点企业异军突起，但无论从工艺还是经验来看，距离国际一线厂商还有很长的路要走。

如此的循环，长此以往，将对我们的芯片制造产业带来极大的限制和阻碍。

国内芯片加工工艺粗糙不稳定

从1971年开始，芯片制造工艺经历了10微米、6微米、3微米、1.5微米、1微米、800纳米、600纳米、350纳米、250纳米、180纳米、130纳米、90纳米、65纳米、45纳米、32纳米、22纳米、14纳米，一直到目前主流的10纳米高端工艺。而更高一级的 7nm（GlobalFoundries公司）近期也传出进展顺利。

尽管10nm工艺已经成为高端芯片加工的标志，但国内工艺大多还依然停留在微米级别（0.18um、0.35um等），也使得大部分硬件设备用的也都还是微米级芯片。这也是我们所说的第一个故事背后的真实场景，令人无奈。

光刻技术是芯片制造产业的核心，决定着芯片的元件特征尺寸。伴随半导体产业“摩尔定律”的延续，极紫外光刻（Extreme Ultraviolet Lithography, EUVL）被公认为是最具潜力的下一代光刻技术。不过技术最先进、性能最稳定的光刻机设备100%被欧美国家垄断，且严禁技术转让。

目前国内光刻机最多可做到28nm，另外13nm技术正在研发中。但是，国际上已经实现了10nm，而7nm技术也即将研发成功。这就是差距。

由于缺乏精密的国产加工设备，国内芯片制造设备都需要从美国进口，这就要受到他们“出口限制令”的制约，比如不能用于军事产品的生产、不能研发指标非常先进的芯片。

专用芯片才是未来新的增长点

一直以来，关于通用芯片和专用芯片的争论就从来没有停止过。虽然从通用性和可修改性来说，通用芯片具有很大优势，但从针对性和功耗等方面考虑，专用芯片才是未来新的增长点。

国家“千人计划”特聘专家、中国科学技术大学微电子学院副院长林福江说：“功耗是（芯片产业）现在最大的问题，哪一款芯片能把功耗降下来，它的寿命就能延长，竞争力自然就上来了，功耗是所有芯片现在最大的瓶颈。

“通用芯片要考虑到通用性和修改的灵活性，在设计的时候需要加入很多预留的模块，所以功耗会很高，同时卖的也贵。但专用芯片因为是有明确目的和用途，所以才设计之初就把很多东西直接加进去。

“虽然专用芯片的灵活性不高，但因为是专门设的，很多东西已经硬化、块化，所以它的速度快、功耗低，相应的价格也低，卖的便宜。

“也就是说，在达到相同的性能下通用芯片势必要消耗更多资源，而专用芯片就不需要，因此未来发展专用芯片将是必然趋势。”

浙江大学教授韩雁也持同样观点，她说：“专用芯片比通用芯片体积（面积）小、功耗低，大批量生产时成本低。尤其是面向数字模拟混合电路的话，只能做专用芯片，不能用通用芯片。”

就业形势下的硬件之殇

“现在大多数学生都不太愿意做硬件，而更愿意转行去做软件！”

这恐怕是很多高校、科研院所的普遍现象，原因很简单：做硬件赚钱少，工资低！

摩根士丹利在年初的一份调查中宣称，一家成功的半导体企业往往能够获得40%甚至更高的利润率，而电脑、电子产品和其他硬件行业的利润率往往甚至不足20%。

显然，这一数据在国内并不准确，因为国内的利润率远远达不到40%。毕竟高端芯片设计、架构等握在英特尔、ARM、高通这些巨头手里，而加工制造工艺在三星、英特尔、台积电等大厂手上，缺乏核心技术和精密工艺的国内芯片企业，利润率可想而知。

韩雁教授一直致力于做基础硬件，自嘲自己是“做砖头”而别人是盖楼。虽然工作成绩斐然，不过她也有自己的担忧。

韩雁说：“因为做软件的成本低（有时候甚至可以在家办公而不需要租办公室），因此相对的利润就大，开出的工资也高。

“而做硬件的恰恰相反，受制于硬件设备巨大的购置成本和测试、流片等工序的巨额支出，在过高的成本压力下，工资自然高不到哪去。”

林福江教授对此也深有感触：“虽然说现在是智能硬件的时代，毕竟IOT物联网、手机/通讯、自动驾驶、消费电子等对传感器、芯片的依赖性极大，但现在很多人不愿做IC设计、不愿意学微电子，也不愿意做设备硬件，转而学那些时髦的、能赚快钱的专业领域，让人痛心疾首。

“只能说有些学生眼光不够长远，心态略显浮躁吧！”林福江表示无奈。

不过，从就业形势上看，很多学生不愿意做硬件，也能被软件业接纳。这说明软件业仍然没有饱和，作为社会需要，也可以理解，无需勉强。

芯片产业很多人不愿意动手，这是不对的

总的来说，核心芯片技术由五大元素组成，这五元素分别包括：系统（ASIC）、通讯（RFIC）、建模（MDL）、微波（MMIC）和模拟（AMS），其中建模是核心元素。

在这五大元素中，实测分析建模是射频芯片设计基础中的基础。任何芯片在设计环节之后、进入批量化和商业化生产之前，必须要经过数次甚至数十次的实测分析，尽量找出设计中的BUG，找出不合理之处，才能有效的降低成本和提高流片成功率。

但目前的情况是，跟理论知识相比，国内很多人的动手能力不强，甚至可以说很弱。

林福江说：“（在射频芯片的设计中），国内很多人不愿意动手，这是不对的。只有理论不行，还要多学技能多动手，我们的动手能力需要不断增强。”

对未来芯片发展走向，林福江教授认为，“芯片单位面积上可以容纳元器件数量的极限值”将是一个很关键的突破口。

“这个极限值是和芯片最小尺寸相关的，现在器件的最小尺寸已经到三纳米了，已经是极限了。尺寸小，器件也小了，最小尺寸已经到了极限，从分子往上就是单电子、单原子。”林福江说，“在达到极限值之后，未来的芯片技术将要朝着哪个方向发展，现在还不好说。”

总结：全情投入、加强团结，芯片产业才有前途

让我们再看一下文章开头第二个故事的疑问：既然做芯片的不如做项链的，那为什么还有人坚持做下去呢？

浙江大学教授韩雁的答案是：为了国家的芯片产业不再受制于人，我们需要奉献！

韩雁说：“我想这也算是IT人对社会、对人类的贡献吧！正是有了我们的努力，才能让大家用上越来越好、越来越便宜的各种电子产品，让大家的生活质量越来越高。”

据我国2014年宣布的一项政策计划表明，政府将拿出1000亿~1500亿美元来推动我国在2030年之前从技术上赶超世界领先企业。其中，从事各类芯片设计、装配以及封装的企业都能够得到政府扶持。不仅如此，2015年我国政府又进一步提出了新的目标：要在10年之内，把芯片自制率提升到70%。

芯片产业从垂直整合（比如英特尔一个厂什么都做），到现在分工越来越细，规模也必将会越来越大。因此，只有全社会各个领域、各个环节之间共同团结努力，国内的芯片产业才能有前途。

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