在日常生活中，人们会用得手机、电视机、电脑、汽车等产品，芯片便是这些产品的“大脑”。今年9月3日，美国商务部长在接管美国媒体采访时称，会连续每年向中国出售数十亿美元的芯片，但“不会向中国出售最顶尖的芯片”。实在早在2022年10月，美国就已公开宣告对中国芯片行业履行制裁方法，禁止其他地区向中国出口半导体和芯片制造设备。
针对中国的一系列芯片出口牵制方法，使得中美两国在芯片领域的交手逐渐白热化。一个小小的芯片为何会在国际上引起轩然大波？芯片的设计制造到底难在哪儿？本日我们就请中国科学院大学教授、博士生导师沈海华和中国科学院大学研究生彭聪昊来说说这小小芯片的故事。
（1）当代信息技能的基石
芯片是由半导体材料制成的集成电路，是当代信息技能的基石。根据芯片种类用场的不同，芯片中可以包含海量的眇小晶体管、电阻和电容等元器件。
芯片的起源可以追溯到20世纪中叶，业界普遍认为是美国德州仪器公司的工程师杰克·基尔比发明了天下上第一个集成电路。1958年，基尔比在一块硅片上成功制造了几个晶体管，并将它们连接在一起，实现了信息的处理和存储功能。这个里程碑式的发明引发了集成电路技能的革命。2000年，杰克·基尔比因发明集成电路的造诣被付与诺贝尔物理学奖。
随着集成电路的发明和发展，芯片技能经历了数十年的持续进步，新的设计制造方法和材料不断推出，集成电路单位面积上容纳的晶体管数量越来越多，芯片设计生产的自动化程度也越来越高。这意味着科学家和工程师能用更多的元器件，更方便地设计出高性能的繁芜芯片产品，有了更聪明的芯片“大脑”，电子设备的性能也随之大幅提升。
1971年，英特尔公司设计并生产了天下上第一款商用微处理器4004，集成电路迈入处理器时期。处理器是一种将掌握单元、打算单元和存储单元集成在一起的芯片，通过运行指令序列来实行繁芜的打算掌握任务。处理器是当代打算机的核心，因此又被称为“中心处理器”，它的涌现使得打算机制造本钱大幅降落，打算机开始走向小型化，走入千家万户，为当代信息技能的遍及和发展创造了条件。
随后的几十年，芯片技能和工艺不断进步，元器件的尺寸越来越小、性能越来越高。到20世纪末，芯片制造工艺进入纳米时期，运算处理能力飞速增长，为移动通信、互联网、人工智能等领域的跃变式创新奠定了坚实的根本。从5G通信网络到ChatGPT等人工智能大模型，芯片技能的发展带动了信息家当的全面高速发展，彻底改变了人们的生活办法。
日常利用的芯片可以按照处理旗子暗记的不同办法分为两大类：数字芯片和仿照芯片。数字芯片基于数字逻辑设计和运行，用于处理离散的数字旗子暗记。在数字芯片中，单位旗子暗记常日只有0和1两种状态，而0和1的不同组合就构成了数字芯片中处理的各种信息。手机、家电、智能设备中的处理器芯片以及现在非常火的人工智能加速器芯片，都属于数字芯片的范畴。而仿照芯片用于处理连续的仿照旗子暗记，种类繁多，在生活中同样随处可见。以手机为例，个中的电源管理芯片、射频芯片、滤波器、音频放大器等都是仿照芯片。
芯片还可以按照用场分为处理器芯片、数字旗子暗记处理（DSP）芯片、AI加速器芯片、存储芯片等。处理器芯片是各种电子产品的核心，从数据中央的做事器得手机、平板设备，再到智能家电，它们的“大脑”都是处理器芯片。DSP芯片一样平常用于特定领域的旗子暗记处理和打算，从北斗卫星到合成孔径雷达，都有DSP芯片在大显技艺。就在不久前，ChatGPT大模型的出身掀起了又一轮人工智能热潮，大模型打算须要花费大量的打算资源和能源，AI加速器芯片便是专门为人工智能运算设计的芯片，它能够用较低的耗电实现人工智能运算性能的大幅提升。存储芯片则用于各种电子设备存储数据，内存条两面排列整洁的一颗颗玄色的芯片颗粒就属于存储芯片。
总之，不同种类的芯片，从架构设计到底层晶体管实现的差别极大，但它们共同构筑了这个千姿百态的信息社会的基石。
（2）设计制造家当链已环球化
作为当代信息技能的基石，芯片看起来很小，内部却非常繁芜。以是，芯片设计制造的家当链极长，覆盖了包括芯片架构设计、逻辑设计、物理设计、EDA工具开拓、芯片制造、封装测试等多个环节，如果再算上源头设备光刻机的制造，芯片设计制造家当链横跨环球几大洲，涉及数千家高下游企业。
客不雅观地说，在过去50年间得益于芯片家当链的环球化，不同国家和地区可以充分发挥各自的上风，共同推动全流程芯片技能的快速发展。
芯片设计是芯片家当链的第一环，包括芯片的架构设计、逻辑设计、物理设计、验证测试等环节。在设计领域，以美国为代表的西方发达国家有先发上风，拥有一些环球有名的芯片公司，如英特尔、AMD、高通、英伟达、ARM等。
进入21世纪后，我国芯片家当进入高速发展期，芯片设计能力突飞年夜进，在处理器设计领域，以龙芯、华为、飞腾、申威、兆芯、海光等为代表的芯片设计公司在处理器设计能力上已基本追遇上国际前辈水平；在AI加速器设计领域，寒武纪等公司的设计技能已处于国际领先水平。
然而，当前芯片设计从仿真、电路综合、布局布线到验证测试，险些全流程都须要EDA工具，即电子设计自动化软件的支持。缘故原由是当代芯片设计动辄包含上亿晶体管，过于繁芜的构造使得芯片无法像几十年前那样，仅靠工程师手工设计就能搞定，EDA工具变得必不可少。
目前，环球EDA市场基本被3家欧美公司垄断：Synopsys、Cadence和西门子EDA（原为美国公司Mentor，后被西门子收购）。近年来，我国科研职员也一贯致力于国产EDA工具的研发，现已能够在小规模芯片设计中实现替代，从技能发展趋势来看，实现EDA工具完备的国产替代只是韶光问题。
（3）芯片制造有3种主流模式
芯片设计完成后会得到版图，并送到芯片制造工厂。制造工厂根据版图进行芯片制造，首先须要制造出一个大圆盘，叫作晶圆，再经由掩膜、光刻、刻蚀、掺杂、薄膜沉积、洗濯、切割等一系列制造工艺流程，形成裸芯片。从商业角度看，目前芯片制造有很多种模式，比较主流的有IDM模式、OEM模式、ODM模式等，普通地说，便是“自给自足”“代工”“贴牌”3种模式。
详细来说，IDM模式是指芯片制造企业自身是一个从芯片设计、晶圆制造到封装测试等百口当链自给自足的半导体公司，大家比较熟习的英特尔、三星、海力士、英飞凌、美光等都属于这一类，其制造生产线常日只用于知足自身的需求，基本不供应对外代工。
要知道，培植和掩护一条芯片生产线的本钱是极高的，常日是数十亿美元起步，而且这种投资并非一劳永逸，后期持续不断投入的制造工艺研发和生产线运营花费也极为昂贵。以是，选择这种芯片制造模式的一样平常都是国际芯片家傍边的巨子，通过一定程度的芯片市场垄断来担保芯片出货量，以对冲生产线闲置可能带来的巨大本钱摧残浪费蹂躏。普通芯片企业受终端市场需求变动以及企业自身经营状况影响较大，如果采取IDM模式，仅依赖自身产能需求想光复临盆线投资非常困难，这也是目前我国IDM企业不多的缘故原由。
事实上，随着制造工艺的快速迭代和优化，面对昂贵的制造工艺研发和生产线运营花费，纵然是老牌IDM国际芯片巨子也面临着巨大的运营本钱压力——2019年10月，AMD宣告完成旗下制造工厂的分拆，将制造厂的控股权卖给了阿联酋的Mubadala公司；英特尔则选择与头部代工企业台积电等联合开拓新的工艺生产线；三星等企业乃至开始考试测验对外代工，以对冲本钱。
另一种芯片制造的主流模式OEM俗称“代工”模式，即上游设计企业完玉成套设计后，将产品版图发给芯片制造企业，由制造企业进行制造生产，生产出的芯片原始设计企业仍拥有完备的知识产权。比较IDM企业，代工企业采取彻底开放制造平台的模式，面向环球芯片设计企业供应制造做事，既坚持了生产线的多样化，也担保了生产线的满负荷运转，消减了空置风险。代工模式运用非常广泛，目前AMD、ARM等许多国际有名芯片企业都选择代工模式生产。在环球代工领域，中国台湾地区、韩国和中国大陆等霸占较为头部的市场地位。
随着信息家当的迅猛发展，芯片的需求量越来越大，许多代工企业也逐渐参与到芯片设计中来，为客户供应委托设计到制造一条龙的做事，即所谓的ODM模式。上游企业只须要大略描述功能需求，就可以当“甩手掌柜”了，芯片的研发设计、生产，乃至后期掩护都交由代工企业来完成，代工企业也相应地拥有了芯片的知识产权，因此这种模式也俗称“贴牌”模式。
裸芯片制造完成后，还须要经由封装和测试，才能成为芯片成品。封装是把裸芯片用各种分外的材料包裹起来，再安上引脚，变成大家熟习的芯片产品的样子容貌；测试则是在从晶圆到裸芯片的各个环节进行检测，筛选出符合规格的优质可靠的芯片成品。
封装和测试也是芯片家当链中的主要环节，目前亚太地区的企业占环球集成电路封装测试市场80%以上的份额。我国在芯片封装测试技能领域基本达到天下前辈水平，封装技能和材料大部分能做到自给自足，仅在基板材料等个别领域入口比例稍高，仍有进步空间。
（4）“卡脖子”的光刻机为什么厉害
从芯片百口当链的角度来看，只有设计、制造到封装测试的流程是不完全的，由于芯片制造设备本身的制造也属于芯片百口当链的一环，个中最主要的部分便是鼎鼎大名的光刻机。
在芯片制造过程中，光刻机利用光刻技能将设计企业提交的电路图案（也便是版图）精确地投射到硅片上形成电路，这个过程有点儿类似胶卷时期的照片冲印。光刻机是芯片制造生产线上的核心设备，环球范围内只有少数几家公司能生产，目前荷兰ASML公司在这个领域处于绝对垄断地位。
光刻机紧张包括深紫外光刻机（DUV）和极紫外光刻机（EUV）两种类型，ASML霸占高端DUV光刻机市场的90%，也是唯一节制目前环球最前辈的极紫外光刻机技能的企业。光刻机的制造技能非常繁芜，须要精密的光学系统、高精度的机器系统、精确的掌握系统以及高端材料技能的支撑。以EUV为例，虽然光刻机产品贴着ASML的品牌，但组成光刻机的10万余个零部件中，光源来自美国企业、光学系统来自德国企业、真空系统来自英国企业、高端材料来自日本企业……从某种意义上说，光刻机是50年来工业环球化的顶峰和代表，环球有超过5000家供应商在为光刻机家当链供应支持。
与其他商品不同，光刻机家当本钱高、利润高、风险高、市场小，因此家当链环球化有利于整合天下各国的上风技能，分散家当风险。但近年来，美国公然毁坏信息家当的环球化进程，联合日本、荷兰等国在高端DUV光刻机领域对我国实施出口牵制，意图以此阻碍中国芯片家当发展的进程。对此，我国一方面尽力寻求与国际上其他光刻机制造商互助，一方面也在布局光刻机的自主研发，目前已在一些关键技能上取得较好进展。考虑到光刻机家当链生态的建立尚需时日，近期可先依托我国芯片封装行业的上风，大力推动以“封”匆匆“造”，通过芯粒（chiplet）等前辈封装技能的研发和运用，填补制造环节的不敷，快速实现相似性能芯片产品的替代。
（5）构建自主家当链势在必行
要搞明白芯片设计制造的痛点，还得从高度环球化的芯片家当链构造剖析入手。
得益于过去几十年成本环球化进程，芯片家当链也高度环球化，遍布美欧亚的浩瀚企业共同支撑起了芯片家当从高端光刻机研发到芯片设计、制造、封装测试的全流程。在市场化大背景下，天下各国的技能和资源进行了自动整合，实现了上风互补，降落了家当本钱。与此同时，那些在经济和技能上处于领先地位的国家也逐步筑起了森严的知识产权壁垒和生态高墙，在家当链中霸占了绝对的主导和支配地位。
来看下面一组数据：在环球十大芯片设计企业中，美国企业常年霸占6-7席；在环球芯片制造业中，美国的英特尔公司是IDM模式企业的范例代表，代工企业中我国台湾地区处于领先地位，韩国、欧美、中国大陆也霸占一席之地；环球EDA行业市场则长期被美国厂商垄断；在环球十大芯片封装测试企业中，除了1家来自美国，别的9家都是中国企业；在环球光刻机制造领域，荷兰ASML居绝对垄断地位，日本、德国、英国企业也在光刻机制造流程中把持了部分关键技能；在环球集成电路材料行业中，日本和美国企业基本处于寡头垄断局势。
我国芯片家当起步较晚，以处理器为例，美国在20世纪70年代就研制成功了第一款处理器芯片，而我国在2001年才研发了自己的第一款处理器。时至今日，伴随着国民经济的高速发展和政府的大力支持，我们用大约20年韶光走过了发达国家50年的芯片发展道路。面对中国在芯片领域的迅速崛起，美国作为环球芯片家当的掌控者感想熏染到了威胁，开始不断在芯片环球家当链的各个环节和关键技能上给中国制造麻烦。随着数字经济和人工智能的发达发展，芯片作为信息技能的基石更加成为天下关注的焦点，各国对付芯片供应链安全的关注达到前所未有的程度。众目睽睽之下，美国却走上一条逆环球化发展的道路，在芯片领域公然毁坏贸易环球化，为打压中国，强制台积电迁居美国本土、威逼荷兰禁售高端DUV光刻机、限定美国EDA和芯片干系企业的发卖策略……在环球科技领域搞霸权主义。
为了不在科技发展和国家安全上受制于人，我国构建独立自主的芯片家当链势在必行。当前，我国在芯片家当核心技能上已取得长足进步，在光刻机等“卡脖子”领域也取得了主要技能打破。只有坚持走独立自主、独立重生的发展道路，逐步提升我国芯片行业的根本科技和工业水平，才能彻底冲破芯片封锁的现状，正所谓：道阻且长，行则将至。
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