Hi，我是如舟。在上篇中我们聊了手机市场的现状和为什么要造芯这个问题，没看过的朋友可以点击下方的链接，这次跟大家聊聊国产厂商造芯，到底难在哪里。
世界上第一款商用计算机微处理器 Intel_4004
要搞清楚这个问题，首先得了解差距。纵观整个产业链，前端设计是第一部分。首先芯片架构师确定芯片的种类、用途、规格、性能水平等原始需求，并选出最合适的方案，确定好就不再修改。然后芯片设计工程师利用硬件描述语言（HDL）编写芯片功能和电路代码，并通过 EDA 工具进行功能和电路模拟、布线和验证，测试分析关键电路是否完备，功能是否可以实现。这就好比盖房子，先要画设计图纸确定结构和空间一样。再根据反馈结果不断优化调整，最后由 EDA 工具绘制出物理版图。在此过程中，无晶圆厂半导体公司和 EDA 工具是主体。
2020-2021 中国智能手机 SoC 市场份额占比变化
无晶圆厂半导体公司又称 IC 设计商，主要负责芯片设计、研发、应用和销售，而晶圆制造部分则外包给晶圆代工厂。我们来看市场调研机构 CINNO Research 发布的两张表格，分别是 2020 年 Q1 季度和 2021 年全年中国智能手机市场 SoC 出货量和市场份额占比，彼时华为旗下的海思麒麟以 43.9% 的市场份额位列第一，超过了高通和苹果的份额总和，紫光展锐还属于其它，联发科不到华为的三分之一，但到了 2021 年在美国的制裁和打压之下，华为市场份额暴跌 68.6%，高通和苹果加起来已占据半壁江山，联发科蹿到了第一的位置，展锐暴涨 100 倍，勉强跻身第五。
被称为“华为绝唱”的麒麟 9000 芯片
不难看出，中国目前的芯片设计能力绝非弱者，有海思麒麟这样能够与高通苹果扳手腕的公司，虽然在绝对的芯片性能上，我们不敢妄自尊大、无视差距，但至少消费者是用真金白银在投票。问题也很明显，受美国制裁的海思麒麟，一夕之间江山拱手让人，联发科虽上榜，但目前主打中低端产品，与高通、苹果尚有一定差距。给国产手机供货还得看美国脸色，谈不上芯片自由。紫光展锐虽然发展迅速，但面对龙头难以望其项背，装机量对市场无法构成威胁。更何况还有三星这样集芯片设计、制造和销售于一体的强大对手。
开源 EDA 工具 KiCad EDA 界面图
而 EDA 工具方面，半导体行业有个经典的摩尔定律效应，即每 18 个月左右，集成电路上可容纳的晶体管数量就会翻一倍。在芯片设计的最早期，电路图还比较简单，工程师甚至可以手工完成绘制。但现在，手机 SoC 芯片上的晶体管数量都是上亿级别，如果说人类的极限是在头发丝上微雕刻字的话，那现在要想手绘逻辑电路，无异于在头发丝上画世界地图，绘制精度的要求被无限放大，任何一个纰漏就会导致前功尽弃，显然目前无论能力还是效率，人工都不可能胜任。所以 EDA 工具变得非常必要。它能帮企业节省大量的时间成本，极大提高容错率，并且提供全流程的解决方案。
国内代表性 EDA 企业及覆盖业务
尴尬的是，EDA 软件 95% 的份额都被海外企业占领，等同垄断。EDA 行业从上个世纪八九十年代的百家争鸣发展至今，已形成新思科技、铿腾电子和西门子 EDA 三足鼎立之势，光是这三家的市场份额就达到了 70%。我国本土的 EDA 代表企业有华大九天、芯禾科技、广立微、概伦电子、创联智软等，它们虽然在局部流程上各有优势，但发展不全面，无法覆盖芯片设计全流程。EDA 是芯片设计中最上游、最高端的产业，被称为“芯片之母”，覆盖了集成电路设计与制造的全流程，功能十分全面，涉及领域极广。另一方面，EDA 行业入门门槛高，成本弹性大，性能依赖强，对芯片研发极为关键，一旦受制于人整个芯片产业发展都会阻滞和停摆。
中微公司总经理尹志尧接受采访时的感叹
还有个容易忽视的问题，我国的芯片人才缺口很大。根据《中国集成电路产业人才白皮书（2019~2020）》的数据显示，2022 年我国芯片专业人才缺口约 25 万，存在供给总量不足和结构性失衡问题。供给总量不足这事儿得从美国说起。美国半导体产业发展较早，成熟较快，人才培养体系完善，全球的优秀人才多数都被吸引过去了。比如英特尔中，几乎一半工程师都是技术移民身份的外国人。让人无语的是，中微半导体公司创始人尹志尧在接受采访时说道：“我在英特尔工作期间发现，公司内的芯片专家其实大部分都是中国人。”人才流失严重和技术霸权，撕开一条大大的口子。
三大芯片相关科技公司巨头均是美籍华人
一方面我们面临如何留住芯片人才的问题。1977 年，当时的中国刚刚恢复高考，国内多所大学开始重建半导体或微电子专业，向企业输送人才，然而国内的经济环境对集成电路人才待遇不足，很多毕业生找工作时，甚至根本没有对口岗位，于是他们纷纷跑去了外企或选择出国，欧美国家不仅科研环境优秀，薪资待遇丰厚，还会通过各种方式把人才截住，从硅谷科技公司大佬到名校终身教授，很多中国芯片专家没有归国报效国家，而是选择了技术移民和终身供职，这其实是很可悲的。
中国集成电路产业人才缺口现状
另一方面在芯片人才培养的问题上，国内的高校、学生和企业都走了很大一段弯路。按照每年高校毕业生进入芯片产业的人数来看，区区 3 万人本就难以满足需求，更别说教学质量参差不齐。一些高校的专业结构的不合理，跟风现象严重，比如某些高校认为“集成电路很热”就匆匆设置集成电路专业，没有充分考虑师资条件和办学资源，不能针对市场和企业需求做强针对性的培养，教出的学生产业适用性差，不会变通且缺乏经验，很可能出现毕业即失业的窘境。
还有就是工程实用性差，人才培养与产业需求脱节，毕业生无法直接满足企业的研发生产需求，入职后还要花费 2-3 年时间培训才能胜任岗位要求。不少企业将工作经验的门槛提高到 3-5 年，他们认为高校培养的学生“不好用”，接收实习生积极性也不高，生怕开设企业课程后，学生最终离开另择良栖。如此恶性循环，导致人才培养“最后一公里”脱节，毕业生就业困难。
中微公司总经理尹志尧接受采访时对现有集成电路人才培养的建议
一位正在攻读在职博士学位的资深业内人士对此感触颇深，他认为学校的体系是把学生都往科研方向塞，这是不对的。很多导师不懂外面行业竞争的压力，在学校别说做出一款可用的芯片，能带学生把芯片全流程打通的都很少。还不如找企业的工程师讲解实际应用中的产业知识，让学生快速了解、进入行业，带领学生参观生产线，实机操作，亲自感受研发环境和生产氛围有意义。微电子专业不能只侧重芯片物理结构的设计、科研课题的研究，应当让学生了解、参与流片，在芯片上运行操作系统等流程，最好带着自己设计的处理器芯片毕业。
中国集成电路产业人才现状
还有前面提到的结构性失衡问题，更为严重。集成电路领域是一个综合性很强的学科，从工具、IP 选择，再到不同模块设计、生产制造、封装测试，至少要经过 40 多个环节，如果粗略的将其分为设计和制造两个领域，那么设计领域除了集成电路产业知识，还设计大量计算机、无线电、软件工程等学科，而制造领域则是集物理、化学、机械、光学多门学科为一体。但现状是，复合型人才占比太少，无法推动行业快速发展，单一专业的人才按照企业要求培养，局限性太强。很多企业和学校合作开办的联合实验室，一个课题只有七八个人做专项研究，这不是普惠性的人才培养，而是单纯的定制人才。尖端人才的培养，我们做得还远远不够。
国家重点实验室 EDA 室主任，清华大学教授、博导周祖成教授
清华大学周祖成教授曾提到了一个科学体系的建设问题：“什么是科学？就是发现一个问题，解决一个问题，再提出一个问题。国内的高等教育只注重学生分析问题和解决问题能力的训练，却忽略学生提出问题和创新能力的培养。2020 年这场新冠疫情，暴露了我们在医学、生物相关的基础学科和研究上不少短板。”芯片行业也是同理，只有重新加强基础研究，回归科学的本质，找到那些善于提出问题，用创新型思路看待问题的人才，培养他们在芯片领域上的多学科整合能力，才有可能带出领军人物。道理很简单，这些学生毕业不是去写论文、也不是去做菜，而是去创造历史的。
全球晶圆代工厂市场份额现状
除了芯片设计，还有芯片制造这个老大难问题。造芯需要晶圆代工厂和制造设备。晶圆代工厂经过多年的市场竞争，版图基本上定了型。像英特尔、三星这样又设计、又制造、又封测的顶级学霸非常少，而且产能优先给自家产品。帮别人代工芯片的厂子里，台积电以 50% 以上的份额力压群雄，问鼎第一。
中国企业在晶圆代工市场 10 强中占据 3 席
幸运的是，中国大陆在前十中占据 3 席，分别是中芯国际、华虹半导体和上海微电子。其中，在先进制程工艺比如 7nm、5nm 上，台积电拥有领先优势。中国大陆代工厂最强的是中芯国际，可以生产 FinFET 14nm 的芯片，良品率已达到台积电 90% 以上，12nm 生产线也在筹备。华虹半导体可以生产 28nm 的芯片；上海微电子比较微妙，去年 6 月就传出计划年底推出首台国产 28nm IC 前道光刻机，但至今还没后续，目前可以实现 90nm 光刻机的生产。千万别小看这 28nm，如果真能下线，上海微电子将一跃成为世界第二，仅次于 ASML 的厂商。
上海微电子 90nm IC 前道光刻机
所以中国厂商在代工方面还是有底子的，追赶台积电也不是水中幻月。但是，在造芯最重要的设备之一光刻机上，中国依旧被牢牢卡着脖子。目前我国唯一的光刻机制造商只有上海微电子，其 90nm 的产品与全球光刻机巨头 ASML 的 7nm 和 5nm 相距甚远。光刻机集中了西方百年工业制造的结晶，一台 ASML 光刻机需要 10 万个零配件，由 13 个系统共同组成。这些零配件中有来自美国的光源控制器、德国的蔡司光学镜头、日本的光罩等等，全是最顶级的。它们将误差均摊到 13 个系统，以确保整体的制造精度和良品率。目前，基于 EUV 技术的先进工艺光刻机被 ASML 垄断，准确点说是被美国垄断。
光刻机巨头阿斯麦 CEO 对中国的断言
大家都知道，ASML 是一家荷兰公司，但实际上，EUV 技术却起源于英特尔与美国政府牵头成立的 EUV LLC 联盟。ASML 虽然成功入局，但做出了在美国建厂和研发基地等多项让步，因为美国政府担心尖端技术落入外国公司，直接不带另外两个光刻机大厂，日本的尼康和佳能玩。而且在 ASML 不断收购和整合相关技术企业的同时，美国也在技术和资本层面逐步渗透 ASML，所以 EUV 技术实际受控于美国，而且 ASML 当初加入 EUV 联盟的承诺之一，就是美国零部件需要占比 55% 以上，所以美国才是 ASML 背后实际的控制方。ASML 的 CEO 甚至自信放话：中国不可能独立造出顶尖光刻机。在技术、公司和设备零件都控制在美国的环境下，中国想要追上，几乎就是在做一件从无到有的事情。
除了光刻机，芯片制造所需的设备还有很多，比如 ICP 等离子体刻蚀系统、反应离子刻蚀系统、离子注入机、单晶炉、晶圆划片机、晶片减薄机、氧化炉、清洗机等等，这些设备中不少咱们都有办法替代，但是工艺方面与国外仍有差距，也有做到全球领先水平的，比如中微半导体公司的刻蚀机，在芯片介质刻蚀设备、硅通孔刻蚀设备、MOCVD 设备三大细分领域均处于世界三强水平，所以这部分阻力相对于光刻机要小不少。最后的芯片封测环节，中国在过去已经积累了一定的基础，整体差距不算大，在劳动力上也有优势，眼下要做的是尽快加固、强化优势环节，补足短板努力追赶。
任正非在清华、北大演讲时的担忧和无奈
当然，芯片制造和封测方面，我们同样存在人才短缺的问题，而且越是顶尖的创新型人才、复合型人才的缺乏，对我们的影响越大。总体来说，造芯主要差在 EDA 工具、光刻机制造设备、完整的配套产业链集群缺失以及芯片人才的巨大缺口上。可以肯定的是，这些差距我们必须一一击破，没有任何捷径可言。在美国的制裁大棒之下，华为的遭遇警醒了整个中国，特别是华为总裁任正非在清华、北大演讲上的那句话：“我们设计的芯片，国内的基础工业还造不出来”，听起来是那么的心酸和不甘。
江苏南京紫金山实验室成功突破 5G 毫米波芯片技术
然我泱泱大国巍巍华夏，尚有很多坚守在一线的科研人员艰苦奋斗，他们取得的成绩同样令人骄傲。紫金山实验室 5G 毫米波芯片研发成功，中兴通讯自研 7nm 主控芯片成功，中芯国际 FinFET N+1 先进工艺芯片流片成功，南大光电 ArF 光刻胶 28 纳米工艺节点突破，中国电科离子注入机全国产化，覆盖 28nm 工艺，盛美半导体清洗机进入产线 14 纳米验证，提前覆盖国内最新制程；从芯片生产环节和技术节点来看，中国大陆已经实现了 28nm 完整覆盖，纯国产化指日可待。所以我相信，凭借中国千千万万劳动人民的伟大智慧，一定能杀出重围，因为凡是不能毁灭我的，必使我更强大。
参考
中国半导体产业发展历史大事记【森国科】
对话周祖成教授：中国集成电路产业的两个时代【SupplyframeChina】
看一看国内芯片人才紧缺，芯片行业薪酬涨幅预计超 50%，应届生年薪高达 60 万【淘新币】
芯片人才培养难题亟待化解【中国青年报】
2020 年全球 EDA 软件行业市场竞争格局分析【前瞻经济学人】
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