中国希望2025年70%的芯片依赖自主生产,目前大约90%的芯片依赖进口。8月22日,在西湖大学工学院主办的“思享汇”上,西湖大学讲席教授、副校长仇旻就芯片制造工艺、中国“芯”痛进行了深入浅出地剖析。在仇旻看来,中国芯片的未来需要用两条腿走路:一条腿是继续追赶现有技术,另一条腿是把下一代芯片技术的突破口做好。
因为“如果只追现在的芯片技术,可能永远落后别人,当我们把下一代芯片的话语权掌握在自己手上,未来才有希望”。
芯片我们每天都在用,口袋里只要有电子设备就有芯片,如手机、相机等。手机里面有多少个芯片?大概是20多个,包括电源管理、屏幕控制、存储数据,也包括人脸识别芯片,核心是运算处理芯片。芯片制造对材料要求非常高,芯片是用什么材料做的?我们现在说的芯片大多是硅芯片,硅芯片从哪里来?
为什么用硅,有个很根本的原因,因为硅便宜。硅是地壳和土壤中含量仅次于氧的大量元素。沙子的主要成分是二氧化硅,把硅提纯出来就可以用来做芯片。但实际上制作芯片需要六千多道工序,里面牵涉材料开发、图案加工、测试表征等过程。
芯片制造工艺为什么这么难?芯片的地基有了之后,接下来怎么做?我们可以想象一下在玻璃上雕花。芯片制作工艺简易图,芯片制造的过程其实是类似的,也就是人们经常提起的“光刻”。先在硅晶圆上匀一层胶,再用波长很短的紫外光曝光,就可以形成一个图案化的模板。我们所说的光刻机,主要作用就是把微纳米尺度的图案印到晶片上。另外,模板做好后还要刻出来。
芯片制造为什么难?主要难在我们要在一片硅晶圆片上做出几百个芯片,而每个芯片又是由上百亿个晶体管构成。芯片进化的过程就是晶体管不断变小的过程,这就是摩尔定律:芯片可容纳的晶体管数目大约每两年便会增加一倍,性能也将提升一倍。我们通常所说的5纳米、7纳米、14纳米、28纳米,这个数字就代表了晶体管的工艺水平。
中国“芯痛”,到底痛在哪里?为什么我们现在天天在讨论芯片,因为它对于中国太重要了。每年全世界芯片市场产值约4688亿美元,这还是2018年的数据。中国的需求占了全球市场的1/3,我们自己的产能差了很多,需要(大量)进口。那么,这么大的市场为什么没人做,为什么不投资这个领域?因为做这个事情太贵了,不是投资几个亿就可以了,是按照百亿美元的级别来说的,而且投进去后短期很少有产出,投资回报率非常低。
中国“芯”要想赶超,更应该布局未来。所以中国要做自己的东西。虽然我们具备了原材料、晶圆加工、芯片设计等方面的能力,但在核心的光刻机领域我们依然落后。高端的只有ASML一家,市场占有率达到百分之百。对于未来,我们还是要持续资源投入并且重视人才培养。从另外一个角度来说,足够多的时间和资金投入后,台积电的5纳米,我们再过10年也可能做到,那么再往下到了1纳米,量子效应怎么应对?
这个时候就更加突显人才的重要性。