详解中美日三国芯片现状和差距

理解芯片

芯片按照不同的应用领域分为很多种类,比如手机上用的通信芯片,电脑上用的CPU芯片,电视遥控器上用的低端信号处理芯片等等。不同应用的芯片技术含量天差地别,最高端的如CPU芯片内,目前全球只有Intel和AMD能够设计制造,低端的如遥控器、VCD内的信号处理芯片,中国都有不少厂商能够设计制造。前段时间中兴、华为接连受到美国的打压,本文着重介绍中美日三国在这类通信芯片的现状和差距。

芯片---人类最强科技

什么是通信芯片

通信就是将信息进行收集、传输和解读,现在我们常用的是采取光纤进行传输。通信芯片只涉及两个物理量:光和电。以我们上网为例,通过键盘打字,在电脑内部是通过电信号进行传输的,然后经过网线通过路由器、调制解调器(光猫)再传输出去。一般来说,在电脑与光猫之间都是电信号传输,光猫将电信号转换成光信号之后通过光纤向外传输。小到家庭网络,大到数据中心,基本功能就是实现光信号与电信号之间的转换和处理,这里面使用到大量的各种通信芯片,比如Laser Diode Chip(激光二极管芯片)、Photodiode Chip(光电二极管芯片),Driver Chip(驱动芯片),TIA Chip(信号放大芯片)等等。

中美日芯片地位

美国和日本占领全球通信市场芯片的90%以上,其次是以色列、台湾等国家和地区,中国芯片占有量极低并且全部都是中低端芯片。美国作为全球的芯片龙头老大,是第一个开发出电子芯片的国家,拥有最顶尖的芯片设计能力,悠久的芯片制造和使用历史,拥有芯片全产业链开发、生产、销售能力和全球最多数量的芯片专利,站在芯片食物链的最顶端。日本凭借几十年如一日的工匠精神,在通信芯片的制造业中排全球第二,并且制造的芯片稳定性是最高的,在这方面甚至超过了美国。中国芯片起步较晚,资金投入和人员积累比较薄弱,目前为止还只开发出了中低端的芯片,并且主要是低端芯片,但芯片封装和测试能力全球第一。

美国芯片的优势

美国芯片三大巨头:英特尔,高通,博通,除此之外还有一大堆的小弟跟着后面。英特尔主攻PC、服务器芯片并且几乎形成了全球垄断地位。高通主攻手机及移动终端芯片,过去十几年一直是垄断,最近几年随着华为海思、联发科的起来才逐步有所松动。博通主攻通信系统芯片,各种光电转换芯片、通信信号处理芯片一直占据全球第一梯队。除了这三家,还有苹果、英伟达、赛灵思等一大堆实力很强的芯片公司在各行各业都占据强势地位。总而言之,美国的芯片厂商优势:专利数量、研发能力、市场占有率。说白了,美国靠芯片公司数量都能打遍天下无敌手。

日本芯片的优势

日本芯片优势只有一个:稳定的高质量制造能力。他的芯片设计比不上美国,甚至以色列,售后服务在世界强国中名列倒数,但是一力降十会,日本的芯片大批量制作时质量全球第一,稳定性全球第一。日本凭借着钉子一样的工匠精神以及几十年累积下来的技术高超的工人,可以秒杀其他任何国家。举个例子,前两年国内有一家芯片企业产品报废率特别高,尤其是在MOCVD这道工序,常常几十个wafer推进去,只有几个良率比较好的wafer出来,其他的基本上全部报废,这几个wafer不同区域的芯片性能相差还比较大,只有中间一小片区域能用,换句话说,光这道工序基本上90%以上的产品要报废,这样做产品是不可能盈利的,并且产品质量稳定性也非常差,根本就卖不出去。后来请了一个日本专家过来仔细研究了两三个月,找到原因了:MOCVD可以简单看成一个炉子,如何保证温度的均匀性很重要,因为会直接影响到产品良率,一直以来这个厂商的设备人员会量测32个不同点的温度来看是否合格,但日本专家要测量300多个不同区域的温度,然后做成一张立体的3D温度分布图,最后发现只有在MOCVD中间一小块区域温度分布是最均匀的,其他地方虽然温度差很小,但相对温差还是太大了。最后日本专家与企业的设备人员经过一年多的刻苦攻关才解决了这个问题,使得良率提升。

从这个例子可以看出,很多东西不是我们做不到,而是我们做事情太粗糙,不如日本人那么严谨。我曾经去过米思米(做导向轴为主)的工厂参观学习,同样的设备,国内企业做出来的产品就是不如米思米的好,其实关键点就在于是否有用心在制造上。

日本芯片目前以高端制造业为主,牢牢占据芯片制造业的最顶端。

中国芯片的优势

很多人一提到中国的芯片就嗤之以鼻,确实,中国芯片因为各种各样的原因还处于才起步的阶段,但并不代表我们没有优势。我们最大的优势有2点:1、制度优势,2、人多市场大

首先说制度优势。我们都知道,做芯片是需要巨额投入的,华为的芯片累积投入金额超过1000亿人民币才开发出了现在这个样子,并且回报期非常长,需要好几年甚至十几年才会看到回报的可能性。这种投入大,回报周期长,风险高的行业,国内的绝大部分企业是玩不了的,这时我国的制度优势就发挥出来了,国家层面出制度支持并且给与巨大的资金支持可以让有技术的人沉下心来做研发,做制造;给与市场支持,比如要求政府机构必须使用国产芯片,可以让国产芯片有初始的市场。这种典型的集中力量办大事的能力在西方国家是难以具备的,

再来说说市场优势。是个人都知道中国已经是全球最大的市场,我们14亿人口,每人一天使用10分钟电话,将会有多大的数据量?每人一天只上网10分钟,将会有多大的数据量?正因为有如此海量的市场,所以中国才有足够的牌来进行谈判。可以以市场换技术,实在换不来的就优先使用国内的芯片,虽然一开始因为质量问题,技术问题等等会造成一定的损失,但这个损失是可控的,可以小范围持续试运行,犯错了可以再来过嘛,一次一次地试错,一次一次地改进,东西就会越来越好。很多西方国家人口少,国土面积少,没有资源来提供这样规模的市场来做实验。

中美日芯片差距

经过以上的分析,可以看出,中国和美日在芯片上的差距是体现在全方位的。芯片从无到有分为设计、制造设备、验证三大块。

我国在设计上的差距是最小的,随着华为海思的崛起,包括跟在后面的紫光、中星微电子等企业,芯片设计上的差距大幅缩小了,但还是存在。芯片电路都是由最基本的门电路组成的,门与门之间相互搭配,组合就实现了一定的功能,说起来简单,但是你们知道英特尔一款CPU有多少个门电路吗?答案是几亿个!只要有一个设计出现问题,整个芯片只能报废!英特尔将CPU的整体设计分为很多的小的功能块再分发给不同的团队去研发,然后再一步步地拼起来实现整体功能,光进行电路设计的工程师就有上千人员。我国主要的芯片设计公司一般只敢在别人的芯片基础上微调很小的一部分功能,如果要更改底层设计,那将是一个浩瀚的工程,国内几乎没有企业敢这么做,除了华为海思。

芯片设计出来了,接下来怎么将图纸变为产品,这就是制造方面的事情了。根据设计复杂程度不同,芯片的制造工序也大不一样,一般的通信芯片至少也有几百道工序,更复杂的甚至上千道工序,只要有一道工序参数没有管控好,轻则良率降低,重则全部报废!这块差距体现在:1)制造设备。芯片最核心的制造设备是光刻机,用来在晶圆上画电路的。电路越细,芯片就会越小,目前已经商用的最先进工艺是7nm,华为的麒麟980是全球第一款用这个工艺做出的芯片。光刻机设备制造商最厉害的是荷兰ASML,号称已经在开发3nm工艺的光刻机了。国产光刻机还在二三十个纳米,差距非常大。2)制造工艺。国内会做芯片制造的人一大把,但是做得好的人凤毛麟角。有了好的设备,没有好的制造人才也做不出好的芯片,在这一点我们需要多学习日本的工匠精神,埋头苦干十年应该会看到一些成果。

芯片的验证是很多人忽略的问题,制造出了芯片,怎么验证它行还是不行呢,怎么保证我做1个芯片是好的,我做1亿个芯片也是好的呢?这里牵涉到芯片验证的问题。芯片出问题有可能是设计问题,也有可能是制造出了问题,如何验证我们大批量做的芯片是好的,方法只有一个:大量地用!不管是设计问题还是制造问题,只有用了才知道有没有问题。刚才说到,芯片的设计极其复杂,制造工艺都到了几个纳米的级别,如果出了点问题,一两个芯片是发现不了的,只有上万上万地不断使用才知道,出现了问题,找到原因,改正;改完后重新做又发现了问题,再找原因,改正.....持续不断地改进,芯片自然就越来越好用了。这也是为什么国内华为先杀出来了,其中一个重要原因是:芯片好不好,我自己用!所以我们看到华为才出来的手机芯片不太好用,总有这样那样的问题,但随着一年一年地改进,慢慢就会好用了。新的芯片厂商做出的产品一般来说是不会有人敢用的,因为不知道你的芯片有多大问题,没人用就发现不了问题,就没办法改进,技术也就无法进步,这是个死循环,所以很多芯片厂商就死在这上面了。

撸起袖子加油干

芯片不是做电商,不是做互联网,芯片是实实在在的高技术含量产品,是人类智慧的最高结晶,我国的芯片虽然起步晚,底子薄,但是如果一直不做就会一直做不起来,唯有撸起袖子加油干,锲而不舍,死磕到底才有可能杀出一条血路,才不会让别人用刀架在我们脖子上,时不时威胁我们:我要下刀了!

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