芯片：掐不住华为，更掐不住中国

吴健

“曾几何时，美国可以泰然自若，因为没有哪个国家能达到其在技术能力和实际规模上的结合程度。但岁月已然过去，现在的中国具备这种能力。”对于“华为事件”，委内瑞拉外交官阿尔弗雷多·托罗·哈迪曾在《大国技术逐鹿》文章里做过解释，当美国到了“战略性而非策略性”切断对某国技术供应的地步，往往是这种差距缩小到“堪与比肩”的程度。过去一年多，美国相继对中兴通讯、福建晋华、华为等中国公司采取“芯片断供”的措施，其结果都是中国未被打垮，却加快了中国技术追赶。英国《经济学人》周刊明确提到，中美最核心的贸易问题是本世纪围绕技术的竞争，涵盖从人工智能到网络设备的一切，但最根本的竞技场是芯片半导体，“这是美国产业领导地位和中国大国雄心最直接碰撞的领域，无论有多少缓和语言出现在国际场合，较量都会持续更久”。

我们要能活下来

从2017年特朗普政府上台伊始，美国封杀华为的行动变得愈发露骨，与此同时，中美半导体芯片领域的博弈也愈发激烈。2017年2月，时任华为驻美国华盛顿办公室负责人、负责政府关系的副总裁威廉·普拉默（William Plummer）接到一通来自联邦调查局（FBI）的电话，之后他在距离白宫不远的一间高档酒店的咖啡厅与两名探员见面。FBI怀疑（华为）是否隐瞒相关信息：“如果华为不是受到中国政府的影响，那他们怎么可能在中国取得如此快速的发展？”同年12月，两党议员联合致信联邦通信委员会，对美国企业使用华为的产品表达了担忧，通信运营商AT&T公司随即在2018年1月决定不售卖华为手机（即便它采用美国高通公司提供的芯片）。此后，华为缩小了华盛顿办事处的规模，普拉默也选择离开。2018年8月，美国通过2019财年国防授权法案，事实上将华为排除在了美国市场之外。澳大利亚、新西兰、英国、日本等美国的盟国开始围绕5G对华为展开调查就是从那时开始的。普拉默告诉日本《朝日新闻》记者江渊崇和福田直之：“如果说美中在下一盘棋，那么华为问题不过是一枚棋子，棋局才刚刚开始。”

从技术制约华为乃至整个中国高科技产业，芯片似乎是最佳的“切口”。作为高速通信与人工智能技术的“心脏”，芯片长期是中国的软肋，在国际知名调查公司IC Insights在2018年最新发布的芯片销售排行榜上，前15位的分别是美国、韩国、中国台湾地区、欧洲和日本企业，高端芯片基本依赖进口，中国在这个领域花的钱比进口石油还要多。美国正是看准这一弱点，2018年4月，美国以中兴通讯公司违反对伊朗制裁禁令为由，禁止美国企业供货，中兴通讯被迫暂停智能手机生产，公司经营陷入危机。美国所握有的生杀予夺大权，令华为深感震撼，中兴事件后，華为内部曾召开座谈会。公司创始人任正非当时说：“我们还要继续使用大量美国产品。”不过会议纪要上还有这样一段话：“中国与美国的差距，估计未来二三十年，甚至五六十年还不能消除。但是，我们要将差距缩小到‘我们要能活下来。”

诺言很快化作行动。IFA2018柏林国际电子消费品展览会上，华为消费者业务CEO余承东发布面向智能手机的自主知识产权芯片——“麒麟980”，场上掌声雷动，它使用全球最先进的7纳米集成电路工艺，戏剧性地提升人工智能的机器学习和图像处理能力，同时大幅节省电力消耗。两个月后，华为轮值CEO徐直军在上海一间巨大的展示厅里告诉在场的2000名听众：“这是目前全世界性能最高的芯片。”屏幕上展示的是更高级的人工智能芯片——昇腾910，是目前全球已发布的单芯片计算密度最大的芯片，运算能力是美国英伟达公司同级别产品的两倍。

华为消费者业务CEO 余承东发布面向智能手机的自主知识产权芯片——“麒麟980”。

更给力的是，2019年5月17日，芯片企业海思公司总裁何庭波发布一封激情澎湃的员工内部信，提到自研芯片“从备胎转正”，成为华为最大的底气。美国半导体业内人士告诉日本《选择》月刊，“海思芯片设计能力已超越高通和英特尔，差距还可能在未来进一步扩大”。海思是华为的全资子公司，只向华为供货。“无论资金还是人才投入，（海思）都是没有后顾之忧的。”这位人士不忘解释一下，半导体行业存在模式差异，有像英特尔、三星电子这样从设计到制造全部一手包办的企业;也有像台积电这种按照其他公司设计图纸进行半导体加工的晶圆代工企业;再有就是只负责设计，制造工序则委托晶圆代工厂加工的企业，比如海思。换言之，海思实验室里的芯片样品，能否投入规模生产，仍然存在变数。

要害是光刻机

现代社会高度信息化，再厉害的“国之重器”，大部分所支撑的却是尺寸和重量都很小的芯片，没有它，就谈不上自动化，大部分设备就会失灵……芯片是半导体元器件的统称，是指内含集成电路的硅片。如果再具体点，芯片是集成电路的载体，是集成电路经过设计、制造、封装、测试后的成果，通常是一个可以立即使用的独立整体。正因如此，人们常常将“芯片”和“集成电路”混用。要注意的是，广义上，芯片和集成电路并不完全画等号，只要是使用微细加工手段制造的半导体片，都可以叫作芯片，里面并不一定有电路（如半导体光源芯片、机械芯片、生物芯片等）。只有在电子技术领域，当范围局限到硅集成电路时，芯片才和集成电路画等号。而在军用和民用领域，绝大部分芯片都含集成电路，所以“芯片”和“集成电路”名词混用没什么问题。

一系列相互关联的芯片组合后，还可以形成芯片组，它们相互依赖，发挥更大的作用，比如，计算机里面的处理器和南北桥芯片组，手机里面的射频、基带和电源管理芯片组等。芯片最难的是晶片制作环节。要想制造高端芯片，首先须有高端的加工设备。在这方面，世界上呈现出高度垄断的情况，例如，光刻机是生产集成电路的关键设备，但全球高端光刻机几乎被荷兰ASML垄断。全球14纳米的光刻机，都是ASML的产品，每年的产量只有24台，单价高达1.5亿美元。而英特尔、台积电、三星电子等芯片巨头，之所以能制作出高端芯片，就是获得ASML的高端光刻机，原因很简单，这三家都是ASML的股东。然而，其他国家和地区的芯片厂商就难以获得高端光刻机，甚至是万金难求，出多大价钱人家都不卖。即使购买比较过时的二手光刻机，还需要美国点头，因为美国是《关于常规武器和两用物品及技术出口控制的瓦森纳协定》（简称《瓦森纳协定》，目前共有包括美国、日本、英国、俄罗斯等40个成员国，目的是通过成员国间的信息通报制度，加强对常规武器和双用途物品及相关技术转让的监督和控制）的主导者，它通常都附加苛刻条件，就是不能用于生产军用级别的芯片和自主研发的芯片。

芯片制作的难度，还有设计布图，其试错成本高、排错难度大。超大规模集成电路的芯片，往往指甲盖大一片的面积就有上亿个晶体管，但最终能在电路板上测到的信号线却只有十几根到几百根。要想根据这些少得可怜的信息去判断哪个晶体管有问题，难度不言而喻。芯片从电路设计开始到投片，最少需要半年;投片送到工厂加工生产，需要三个月。一次投片的费用最少需要数十万元人民币，先进工艺高达一千万到几千万元，这么高的试错时间和资金成本，对一次成功率要求极高，设计团队中任何一个人出点错，都有可能在数月后制作出来的芯片只是废金属片。

三类芯片，中国不怕

严格来说，所谓“美国断芯，华为（或中国）闹心”的担忧，既有紧迫性，又有局限性，绝非某些自媒体宣扬的那么厉害。按照业内划分，芯片分为商业级、工业级、军品级和航天级。就重要性而言，每级芯片又可划分为一般、重要、关键、核心四个层级。消费级电子产品当然采用商业级芯片，与事关国家安全的军品级芯片区别极大，后者对性能、工艺要求并不高，但对稳定性、可靠性、抗电磁和复杂地磁环境干扰、抗冲击、使用环境温度等要求极高，例如，在工作温度上，军品级中央处理器（CPU）的工作温度范围是-55至125摄氏度之间，而商业级CPU的工作温度范围只有0至70摄氏度之间。

YLC-8B型機动式预警相控阵雷达。

即使是半导体技术领先的美国，军品级芯片的性能与商业级芯片也相差甚远，像美国空军不少现役F-16C/D战斗机上，还在使用已是古董的“486”或者“奔腾”芯片。工艺上，现在全球最先进的手机芯片已开始采用10纳米制作工艺，但美国很多军用芯片仍在采用老旧的65纳米的制作工艺。这样做的一个重要原因在于，老的制作工艺制作出来的芯片，具有更好的抗电磁干扰能力，而现在先进的制作工艺制作的芯片，抗电磁干扰能力较差。

由于军品级芯片对性能要求不高，所以中国虽然得不到高端加工设备，但用稍微低端一些的加工设备仍能满足生产军品级芯片的需要，无非是芯片尺寸大一点、能耗高一点、外观差一点。这种芯片如果放在民用市场上虽缺乏竞争力，但对于军用来说，不存在商业竞争的问题，因而能保障军用芯片的安全供应，实现自给自足。

据公开信息，军用芯片领域，中国大体实现国产化，这也是各类国产雷达在技术性能上达到世界顶尖水平的主要原因。例如，有源相控阵雷达就离不了发射/接收（T/R）模块，因为有源相控阵雷达的后端没有发射机，全靠数量众多的T/R模块发射和接收雷达波。如果不能生产先进的T/R模块，就谈不上发展有源相控阵雷达。而预警机里除了有源相控阵的T/R模块之外，还需要数字信号处理器（DSP）芯片，以实现数字加密通信。中国已有多款预警机，采用的都是国产DSP芯片，其性能也是世界一流的。CPU和GPU（图形处理器）在军用武器装备上应用极其广泛，所有的军用计算机都少不了CPU，各类军用显示设备、数字地图都少不了GPU。这两类芯片，国内也完全可以满足军用需求。既然核心层级的军用芯片不会被发达国家卡脖子，那么一般、重要、关键层级的军用芯片的自产就更不在话下。如一般层级的电阻电容器，国内生产没有任何问题，就是航天级的钽电容国内也能生产。之所以这些级别的芯片还要进口，主要是由于国外的同类产品生产量和销售量巨大、价格更低，又不属于被控制出口的敏感产品，而且电阻电容器也不存在CPU可能留有后门的隐患，因而这类采购既不存在断供风险，也不存在信息安全方面的风险。说到价格，军品级芯片对于价格并不敏感，因为其需求量远不如商业级那么大。而且，由于国防安全的重要性怎么强调都不为过，相对来说，成本就不是很重要的考虑因素，所以各国对于军品级芯片都是能自主尽量自主。然而，商业级芯片对于价格很敏感，在性能相近的情况下，拼的就是价格。

很显然，中国与芯片强国的真正差距，主要在商业级芯片上，它强调性能、工艺，还强调外观、价格，而这些正是中国目前的短板。美国在芯片技术上之所以占据领先地位，是因为其起步早、投入大而且持久、从研发到投入市场速度快、市场认同度高等原因。尤其在商业级芯片方面，美国芯片企业的服务器芯片、现场可编程门阵列（FPGA）芯片、模拟数字转换器（ADC）和数字模拟转换器（DAC）芯片、数字信号处理（DSP）芯片、射频芯片、控制芯片、有线传输领域的高速光模块等高端电子元器件，在全球市场几乎无可替代。

美国发展芯片的思路是：只要掌握核心和大部分关键层级的元器件设计生产能力，以及系统设计和整合的能力，就掌握了这一产品的命脉，并不追求100%国产化，客观上这也做不到。正因为如此，美国既是芯片出口大国，同时也从外国大量采购。所以，一个国家如果要发展自己的芯片产业，在坚持军品级芯片以我为主的基础上，在发展商业级芯片上也不能求全，无需要求所有芯片全都靠自己研发生产，其实，在某些领域拥有自己的核心技术或独门技术才是关键。

有希望的“苦难行军”

如前所述，中国芯片企业几乎在设计方面赶上世界水平，但在制造加工与检测方面仍需“苦难行军”。2019年1月，华为在深圳发布了最新研制的芯片组，但确切地说，他们在大陆只完成设计环节，代工却还是和以往一样，是交给台湾协作企业实施，反映了中国大陆企业与世界企业技术差距。不过与华为的谦逊态度形成鲜明对比的是，美国国际半导体技术咨询公司总裁简·瓦达曼觉得，中国引以为傲的国内一流芯片企业至多比海外对手企业落后十年，“这加剧了美国封锁与规制的冲动”。他指出，自2012年以来，中国积极收购半导体企业，获取技术，拉拢优秀人才，让美国感到警觉。半导体制造设备成本和制造最先进处理器所必需的研发成本日益增大（最先进处理器的用途包括高性能计算机、高端移动设备、游戏设备和人工智能等），这将导致“高端俱乐部”的座位越来越紧俏，“更多的选手将被排挤下去”。

美国晶片制造厂高通。

日本《日经商贸》周刊注意到，就世界范围而言，台积电是全球最大的半导体代工企业，合同数占整个市场的一半，但在2019年1月24日，它宣布今后也向华为“学习”，将年收益的8%至9%用作研发经费，而在2018年，它的研发经费达29亿美元之巨。由于智能手机需求急剧下降，公司短期收益预期恶化，但这些并没有阻碍台积电扩充研发费用。另一方面，中国内地最大的半导体企业——中芯国际集成电路制造公司在2018年投入约5.5亿美元研发经费，相当于销售额的16%。伦敦阿雷特研究公司高级分析师吉姆·丰塔内利指出，最尖端的芯片制造开始变得困难，“这里没有捷径可走，连美国英特尔公司都陷入苦战”。据称，首先需要的是巨额研发资金，然后是业绩首屈一指的工程师，由于研发经费上涨，美国半导体代工企业（销售额居世界第二的）格罗方德半导体公司与台湾联华电子已于2017-2018年相繼退出最尖端芯片的制造竞争，退而求其次，将重点放在现行生产工艺制造的芯片的更新上。

瓦达曼指出，撇开设计能力不谈，中国半导体企业的成功，取决于制造工艺与性能检测两大指标。以中芯国际为例，它正努力研制14纳米生产工艺，不断推进测试，目标是2019年内实现量产，可韩国三星电子已于2014年实现这一技术。贝恩公司驻上海合伙人韦吕·辛哈指出，中国在半导体科学和设计方面的能力已是最先进水平，但在利用部分重要技术方面面临课题。据分析，新一代半导体制造设备开发上，引领业界的制造设备供应商（全都不是中国大陆企业）正与一流的半导体企业合作，像制造基于7纳米工艺技术的处理器的台积电与阿斯麦控股公司实现“结盟”，后者提供的超紫外线生产设备（EUV）犹如金字塔般存在，能生产搭载于华为、苹果最新款智能手机的核心处理器。在这一方面，中国大陆企业被落下很多，《日本经济新闻》报道，中芯国际投入1.2亿美元购买EUV，但用于商业生产需要数年时间。

问题是“什么时候”

瑞士信贷银行驻台北分析师兰迪·艾布拉姆斯认为，在风靡半导体产业的新技术应用方面，有两个趋势：第一，通用芯片被重新设计和优化，用于特定任务;第二，原来相互独立的处理和内存等功能被集成到一块芯片上。他指出，这给半导体产业带来“根本性变革”，并将为中国半导体产业提高存在感创造新机会。几十年来，芯片产业一直是靠摩尔定律来推动的，根据该定律，特定尺寸的芯片性能每两年翻一番。但定律正在达到其物理极限，半导体企业花了数十年时间竞相促成晶体管数量实现翻番，极小面积内的设计布图与微细加工难度呈几何级上升，这就为包括量子计算在内的新概念、新技术的“新维度应用”开辟道路，而这恰恰是中国的强项。

全球顶级半导体厂商三星电子。

辛哈乐观地说，不能排除中国企业最终崛起为有竞争力的芯片制造商的可能性，“这不是‘会不会的问题，而是‘什么时候的问题。'但我们不是说中国企业一两年就会赶上，我们认为需要五到十年，（中国企业）技术才能迎头赶上”。另一方面，出于商业成本甚至“化敌为友”的考虑，中国电子设备企业需要进口芯片，“这一行业是全球化的赞歌，无论华为还是苹果，它们各自有超过一万家供应商，其中一半以上在国外。对许多公司来说，中美互为巨大市场。高通公司三分之二的芯片销售来自中国。任何试图将该行业一分为二的措施，将首先损害自己的生产商和消费者，这将是一种坦率的对抗行为，它将混淆不公平和真正的竞争”。

艾布拉姆斯推测，从长远看，美国对华芯片禁售是徒劳的，“这无疑可以放慢对手的速度，但中国的进步是无法阻止的。正如硅谷的崛起有赖于美国政府的支持一样，中国为了实现目标而将国家和企业的资源进行整合，它制定激励计划，从其他地方吸引工程人才，2015年美国阻止英特尔芯片出口反而刺激中国发展出更强大的超级计算产业，如今华为正成为新的‘倒逼创新刺激的案例”。他认为，美国终将转向“更聪明”的游戏规则：一方面，培育国内创新，更多政府资金进入芯片研究领域，加大对世界人才开放;另一方面，加快与盟国或伙伴国形成联盟，为“中国芯片更加普及的世界”做准备，这意味着美国必须提前拟定国际安全检测程序和数据处理标准，以“确保安全”的名义收紧中国芯片的生存空间。