我国芯片自主化道路的卡脖子问题，到底卡在哪？

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简介

进入5G时代，国家大力推进产业信息化和数字化，这其中芯片至关重要，是信息产业的基石，也是保障国家信息安全的最后一道防线。

在数字经济的大背景下，唯有掌握这项技术才能在大国竞争中立于不败之地。但目前受制于核心技术，高端芯片长期被国外厂商垄断，我国高端芯片的自给率非常低，目前芯片主要还是依赖外国进口。

我国是全球最大的芯片进口国，2020年芯片进口总额创下历史新高，超过3500亿美金，占全国进口商品总额的17%，与2019年相比，进口总金额提升了14.6%，这些数据都证明我国的芯片发展对外依赖度较高，自主性仍然欠缺。

图一 2015年~2020年我国芯片进口总额变化图

近年来，华为、中兴等科技巨头相继被列入到“实体清单”，遭受到一系列“断供”裁制。在通讯、电子科技发展的推动下，我国的芯片受到“卡脖子”威胁日渐凸显。因此实现我国芯片自主化迫在眉睫。

而要想从根本上解决我国芯片自主化道路，首先我们得对芯片有一个较为彻底、清晰的认知。

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芯片的生产流程

1.设计电路图

设计电路图是芯片制造的第一个环节，也是其中非常重要的一个环节。根据芯片所需要满足的具体功能和性能要求，设计的芯片具有很强的针对性以及专业性。

而在芯片的设计过程中，需要用到工艺版图库文件，这个是由芯片制造公司提供的，目前国际上主要有台积电、英特尔以及三星等主要半导体制造商，国内主要有中芯国际、华润上华、深圳方正等公司。

因此要想获得工艺版图库文件的使用权，前提是需要与这类公司进行合作，因为这类工艺性文件均属于机密性文件。这就造成了芯片设计的起点非常高。

然后芯片的电路图的设计需要明确芯片的需求目的，依据工艺版图文件制定芯片规格，然后在电脑中完成细节设计。

即使对于实力强大的芯片大企业，一张芯片的电路设计图也需要众多工艺工程师的共同参与。

2. 打造“地基”硅晶圆

经过设计、模拟以及优化的芯片电路图，最终需要叠加在硅晶圆上，因此硅晶圆被称为芯片的“地基”。硅晶圆的原材料是石英砂。在高温环境下，加入了碳的石英砂能转化为纯度99.9%的硅。

将硅融化后从中拉出铅笔状的硅晶柱，就是硅锭。之后钻石刀会将硅锭切成圆片，圆片经过打磨抛光后便成为了硅晶圆，芯片的“地基”就完成了。

硅晶圆常见的直径有4英寸（100 mm）、6英寸（150 mm）、8英寸（200 mm）和12英寸（300 mm）等，其中12英寸硅片占有市场份额在65%~70%之间，主要用于CPU/GPU等逻辑芯片和存储芯片等高端电子产品；

8英寸占有市场份额在25%左右，主要用于电源管理IC、LCD/LED驱动IC、功率半导体MOSFE以及汽车半导体等中低端产品；6英寸占有市场份额约5%左右，主要用于汽车电子等。

硅晶圆的直径越大，同一圆片上可生产的芯片就多，可以降低成本，但是这也要求需要更高的材料技术和生产技术。

图二 硅晶圆的发展历程

硅晶圆对纯度的要求非常高，这导致其行业壁垒极高、呈现高度垄断的格局。

一直以来，硅晶圆也是我国半导体产业链的一大短板，目前国内企业还只能生产6英寸和8英寸的硅片，至于12英寸，基本依赖进口，处于技术空白窗口。

而随着科技产品电子化程度的逐年提升，存储器、CPU/GPU等产品需求随之高涨，这使得12英寸的晶圆需求也大幅上涨。现今在科技的发展下，18英寸的晶圆也正在发展中。

3.光刻技术

光刻是芯片制造过程中的一个重要环节，正因为有了它，我们才能在微小的芯片上实现功能。简而言之，光刻就是在硅晶圆上刻出图案。

在进行光刻前要在硅晶圆上依次涂上氧化硅、氮化硅、光刻胶三层材料。紫外线透过印着电路图的掩膜照射到硅晶圆的光刻胶上，在光刻的过程中，暴露在紫外线照射下的光刻胶被溶解掉，清除后留下与掩膜一致的电路图。

接下来，用化学物质溶解暴露出来的晶圆部分，剩下的光刻胶保护着不应该蚀刻的部分。蚀刻完成后，清除全部光刻胶，露出一个个凹槽，然后重新涂上光刻胶为下一个步骤做准备。

光刻工艺的核心在于光刻机，目前实现7 nm加工工艺制程的EUV光刻机供应严重短缺。

图三 光刻工艺

4. 蚀刻与离子注入

蚀刻与离子注入相当于对芯片的“地基”进行装修并加入功能区，使整个芯片上的晶体管具备信息流通的能力，换言之就是让制备好的芯片能够以某种特定功能正常工作。

蚀刻与离子注入主要包括以下步骤：首先，将暴露在光刻胶外的氧化硅和氮化硅腐蚀掉，并沉淀一层二氧化硅，使晶体管之间绝缘；

然后，利用蚀刻技术将最底层的硅暴露出来；最后，将硼或磷注入到硅结构中，并填充铜以便和其他晶体管互连。完成后，需要再涂一层胶重复以上步骤。一般情况下，一个芯片需要重复做几十层结构。

5.封装测试

最后，用精细的切割器将制作好的芯片从硅晶圆上面切下来，焊接到基片上，装壳密封。经过测试后就可以包装销售。

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中国芯片自主化面临的“卡脖子”问题

1.光刻机

光刻机是芯片制造过程中用到的核心设备，与半导体制造精度直接相关。它就像是一套驱动系统在催促着发动机进行操作，决定了芯片的最先进制程。

目前只有日本和荷兰有尖端光刻机设备，尤其是荷兰的ASML光刻机更是全球集大成的产品。光源波长为13.5nm的EUV光刻机是突破7 nm及以下芯片制程节点中必不可少的设备，因此三星、台积电等芯片公司每年都要争抢ASML的EUV光刻机产能。

然而对于光刻机的研发与制备，并不是一朝一夕就能研制赶超的，生产一台光刻机需要全球多个方面进行技术合作，以EUV光刻机为例，生产一台EUV光刻机，需要用到十多万个零部件，全球5000多家供应商的支撑。

而我国目前的“卡脖子”问题在于并不是造不出光刻机，而在于目前暂时造不出高端光刻机。目前国内的光刻机的工艺制程停留在90 nm、28 nm，这个国际目前的先进工艺制程的7 nm还有相当大的差距。

要想实现我国芯片自主化，必须解决高端光刻机这个卡脖子问题，因此发展到7 nm、5 nm，我们可能还需要很长的路要走，一旦我们突破这个工艺制程，我国半导体光刻技术也必将跻身全球顶级范畴。

2.半导体材料

芯片生产过程中需要用到很多的半导体材料，而这些材料大部分都被其他国家掌握，而这其中的大部分半导体材料掌握在日本企业手中，呈现出高度垄断性。

以光刻胶材料为例，光刻胶质量的好坏直接影响到芯片的性能，拥有极高的技术门槛，因此光刻胶也被称为“半导体材料皇冠上的明珠”。

从全球光刻胶的产业分布来看，日本一家独大，占据了全球大部分的市场份额，比例高达72%。

美国尚能自足。而中国的市场占有率不足13%，处在被垄断之中。特别是对于高端的EUV光刻胶和ArF光刻胶，日本更是牢牢占据霸主地位。

近年来，中国也有不少企业增加了光刻胶领域的研发投资，但与国际巨头相比仍有较大差距。

3.芯片设计软件

工业软件是工业制造的命脉。EDA软件被称为“芯片之母”，位于芯片产业链的最上端，能轻易地卡住全球芯片产业的脖子。EDA软件技术门槛很高，是最难研发的工业软件之一。

目前我国的EDA软件主要来自美国Candence、Synopsys、Mentor Graphics三家企业，占据了我国95%的市场。华为、中兴和联想等大企业都是采用以上三家企业的EDA软件。

图四 设计芯片电路图

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中国芯片自主化发展路径

在南京举办的2021年世界半导体大会上，上海交通大学副校长、中国科学院院士毛军发提出，目前芯片主要有摩尔定律和绕道摩尔定律两条发展路线。

当下摩尔定律正面临着物理极限挑战、经济成本挑战和技术手段挑战等问题。而绕道摩尔定律或许更有利于中国实现芯片自主化。

绕道摩尔定律有很多途径，异构集成电路就是其中之一。异构集成电路具有很多优质的特性：一是可以融合不同半导体材料、结构元器件、工艺、和芯片的优点；二是可以采用系统设计理念；

三是可以应用小芯片（Chiplet）、集成无源器件等新技术；四是具有2.5维或3维高密度结构。

由于存在这些特性，异质集成电路具备自身独特的优势：一是可靠性高、灵活性大、研发周期短、成本低；二是综合性能优异，可实现强大复杂的功能；三是不受EUV光刻机限制；四是可以实现小型化轻质化。

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当前中国芯片自主化取得的突破

经过这几年的努力,中国在芯片领域取得了巨大的进展，合肥长鑫、长江存储等中国企业打破了美日韩企业垄断的局面。

华为自主研发的手机芯片在技术上与美国芯片巨头高通相当，其中最为大家熟知的华为海思的麒麟芯片系列。同时，作为国内最大的芯片制造厂，中芯国际目前也正在全力推动7nm芯片工艺的量产。

图五 麒麟990 5G 芯片

在光刻机领域，为克服光刻机这个芯片制造的核心设备难题，目前全国芯片制造产业链都在全力推进光刻机的研发，据悉上海微电子已经研发出28 nm工艺制程的光刻机，并且可以实现量产。

在半导体材料领域，飞凯材料所研发的应用于集成电路的光刻胶产品已经进入到客户验证状态。不出意外的话，未来光刻胶产品将帮助中国芯片产业成功攻克芯片生产难题。

在芯片设计软件领域，为了实现中国工业软件自主化，广州联合了11家企业，成立了我国首个工业软件联盟。华大九天已经在EDA软件领域取得了不错的成绩，目前已经向市场推出了数十款EDA工具软件，拥有华为、紫光展锐等400多个客户。

讲到最后，芯片产业目前是一个非常成熟的全球竞争性产业，目前台积电、三星等芯片制造商已经开始投产3 nm的光刻工艺。

虽然中国芯片的自主化道路已经取得了一些进展，但是相对比国际水平，中国仍旧是追赶者，这也再一次向我们传达“中国芯片自主化”道路的艰难坎坷，仍有很长的路要走。但是我们有理由相信，只要坚持目前的投入，在未来中国的半导体产业能够解决被国外卡脖子的局面，也将在未来的半导体产业链中拥有一席之地。

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参考文献

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[4] 张鹏禹.国产芯片，再难也要走自主化之路[J].广西质量监督导报,2019(10):2.

[5] 攻关自研能力，国产芯片喜讯连连[J].信息化建设, 2021(04):8-11.