中國芯片飄搖60年：從一無所有到燎原星火

1977 年 8 月，30 位科技界代表受邀參加在人民大會堂召開的科教工作者座談會。

在這場大會上，中國半導(dǎo)體的奠基人王守武發(fā)言說：“全國共有 600 多家半導(dǎo)體生產(chǎn)工廠，其一年生產(chǎn)的集成電路總量，只等于日本一家大型工廠月產(chǎn)量的十分之ー?！?/span>

這句話，把改革開放之前中國半導(dǎo)體行業(yè)的成就和家底概括得八九不離十。

實際上，中國芯片行業(yè)的起步堪稱“夢幻開局”。

一、中國半導(dǎo)體 50 年：從激蕩到沉寂

1955 年 2 月，也就是“一五”期間，北京大學(xué)就開設(shè)了中國最早的半導(dǎo)體課程，負(fù)責(zé)人是楊振寧的大學(xué)好友、享譽(yù)世界的頂尖物理學(xué)家黃昆，以及后來中國半導(dǎo)體之母謝希德。

1957 年，京東方的前身——北京電子管廠拉出了中國第一根鍺單晶，同年，王守武、王守覺這對兄弟科學(xué)家研制出了中國最早的半導(dǎo)體器件 —鍺合金晶體管。

這距離美國人發(fā)明世界上第一個晶體管剛好過去了 10 年?？紤]到當(dāng)時新中國僅僅成立了 8 年，不管是物質(zhì)基礎(chǔ)還是理論研究都極為薄弱，所以這個成績已屬難得。

1965 年 9 月，在上海冶金研究所和上海元件五廠共同努力下，研制成功了中國第一塊集成電路。這個成績比美國晚了 7 年，和日本相當(dāng)，甚至比韓國還要早了 10 年。

進(jìn)入 70 年代，中國半導(dǎo)體也取得了不俗的成就，例如 1975 年，北京大學(xué)的王陽元等科學(xué)家，設(shè)計出我國第一批三種類型的 1K DRAM。比美國晚五年，比韓國、中國臺灣早五年。

1978 年，中國又研制成功了 4K DRAM，次年量產(chǎn)，達(dá)到了世界先進(jìn)水平。直至 1980 年后，韓國、中國臺灣地區(qū)才在美國技術(shù)轉(zhuǎn)移下，獲得了 DRAM 技術(shù)突破，這才實現(xiàn)了反超中國大陸。

甚至上海冶金研究所制造的離子注入機(jī)由于性能優(yōu)異，還出口到了日本等國家和地區(qū)。

而現(xiàn)在被“卡脖子”的光刻機(jī)，中國也曾經(jīng)走在世界前列。

1972 年，武漢無線電元件三廠編寫的《光刻掩模版的制造》，這個 66 頁的小冊子標(biāo)志著中國芯片光刻工藝研究正式起步。這個時間比美國稍晚，跟日本差不多同時，比韓國、臺灣要早了 10 年。

而在 1965 年，中國科學(xué)院研制出 65 型接觸式光刻機(jī)。1970 年代，中國科學(xué)院開始研制計算機(jī)輔助光刻掩模工藝。

清華大學(xué)研制第四代分步式投影光刻機(jī)，并在 1980 年獲得成功，光刻精度達(dá)到 3 微米，已經(jīng)接近國際主流水平。

這個時候，未來的光刻機(jī)巨頭 ASML 還沒誕生，光刻機(jī)行業(yè)的領(lǐng)頭羊還是還是日本尼康和美國的 GCA。

然而，隨著改革開放，中國半導(dǎo)體行業(yè)反而進(jìn)入了低谷期。

舉個例子，上海無線電十四廠在 70 年代末是國內(nèi)主要的計算器集成電路廠家，其設(shè)計的 1024 位移位存儲器，集成度達(dá) 8820 個元器件，和國外幾乎沒有技術(shù)代差。但是 80 年代初，由于國外計算器進(jìn)入國內(nèi)霸占了市場，十四廠從連年盈利陷入虧損的境地。

而制作了中國第一塊集成電路的上海元件五廠，1980 年利潤高達(dá) 2070 萬元，職工人均利潤 1.5 萬元。即使是 1985 年，上海元件五廠的產(chǎn)值仍然高達(dá) 6713.1 萬元，利潤達(dá) 1261.4 萬元。

然而到了 1990 年，上海元件五廠產(chǎn)值下降至 1496 萬元，利潤竟然僅有 2.47 萬元，全廠 1439 人，人均利潤僅有區(qū)區(qū) 17.16 元。

熬了沒幾年，這家中國半導(dǎo)體曾經(jīng)風(fēng)光無限的的龍頭企業(yè)，就破產(chǎn)倒閉了。

而中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)在當(dāng)時的“敗走麥城”，普遍認(rèn)為有三個原因。

首先，國外產(chǎn)品的進(jìn)入，大幅度擠壓了中國自主設(shè)備和自主研發(fā)的生存空間。

生產(chǎn)企業(yè)只顧引進(jìn)外國設(shè)備，以期盡快投產(chǎn)盈利，缺少科研資金對外國技術(shù)進(jìn)行消化吸收。

在六十年代，中國科研投入占 GDP 的 2.32%，然而到了 1984 年，科研經(jīng)費(fèi)占 GDP 比值驟然降到 0.6% 以下，半導(dǎo)體研發(fā)逐漸開始走下坡路。

其次，生產(chǎn)端出現(xiàn)了引進(jìn)即落后、重復(fù)投產(chǎn)等問題。

例如在六五 - 七五期間，全國有 33 個單位不同程度引進(jìn)了各種生產(chǎn)設(shè)備 ，差不多引進(jìn) 24 條線的設(shè)備 。但其中大部分是國外淘汰下來的二手生產(chǎn)線，生產(chǎn)出來的產(chǎn)品遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后同期海外競品。

最后，國產(chǎn)半導(dǎo)體科研雖強(qiáng)，但是商業(yè)化程度不足，生產(chǎn)出來的產(chǎn)品難以和國外產(chǎn)品競爭。

1970 年 - 1980 年期間，我國相關(guān)工廠每月只能生產(chǎn)幾百片 CPU 芯片，而合格的芯片僅有個位數(shù)，換言之良品率還不足 1%。而同時期美日每月產(chǎn)量接近百萬，而且良品率達(dá)到 80%-90% 以上。即使國產(chǎn)半導(dǎo)體性能能夠追上海外產(chǎn)品，但生產(chǎn)成本也要大大高于海外競品。

在此前，國內(nèi)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)主要為軍隊、航天等部門提供芯片，因此產(chǎn)量和良率要求并不高，但是進(jìn)入市場化競爭后，良率不足就大大拖累了國產(chǎn)半導(dǎo)體的銷路。

而國家高層也并不是沒有意識到中國在半導(dǎo)體芯片行業(yè)上的落后，展開了 1986 年的“531 戰(zhàn)略”，1990 年的“908 工程”，1995 年的“909 工程”三次技術(shù)攻堅戰(zhàn)役。

不過，這三次戰(zhàn)役，并沒有產(chǎn)出太多的戰(zhàn)果。

從 1986 年到 1995 年，陸續(xù)誕生了無錫華晶、紹興華越、上海貝嶺、上海飛利浦和首鋼 NEC 等多家集成電路和半導(dǎo)體公司，其中首鋼還是從鋼鐵行業(yè)跨界到芯片行業(yè)的。

然而，除了無錫華晶在臺灣技術(shù)大拿張汝京的支持下成功投產(chǎn)并實現(xiàn)盈虧平衡外，其他幾家無一例外失敗了。

之所以屢戰(zhàn)屢敗，從首鋼 NEC 的發(fā)展歷程中或許可以窺見一二。

1991 年，首鋼喊出“首鋼未來不姓鋼”的口號，跨界進(jìn)軍芯片行業(yè)，與日本 NEC 成立合資公司首鋼 NEC。采用 6 英寸 1.2 微米工藝，生產(chǎn) 4M DRAM，后來升級到 16M。

但是，首鋼 NEC 自立項開始就存在一個嚴(yán)重問題 ——技術(shù)完全由 NEC 掌控，主要客戶也是 NEC，首鋼 NEC 只是對著日本圖紙生產(chǎn)，不管是技術(shù)還是銷售都嚴(yán)重受限。

而技術(shù)被掌握在外資手上的代價，就是利益被侵蝕。

首鋼 NEC 建立時，首鋼占總股本的 60%，但之后為換取 NEC 的技術(shù)，首鋼占股由 60% 降到 49%，喪失了控股權(quán)，首鋼 NEC 淪落為了 NEC 全球業(yè)務(wù)中的一顆棋子。

而在 2001 年的半導(dǎo)體危機(jī)重創(chuàng) NEC 時，首鋼 NEC 也立刻陷入了銷量困境。

這還不算完，當(dāng)時首鋼和 NEC 合資時，雙方入資總額只有總投資額的 30% 左右，其他資金基本來源于銀行貸款。

背著沉重利息負(fù)擔(dān)的同時又遭到了嚴(yán)酷的市場打擊，沒幾年首鋼就宣布徹底退出芯片行業(yè)，首鋼 NEC 也成了 NEC 的代工廠，最終被關(guān)停。

連續(xù)數(shù)十年的失敗，再次揭示的亙古不破的真理：技術(shù)，要掌握在自己手上才安全。

二、危中有機(jī)，時代變化帶來的國產(chǎn)替換潮

雖然中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)在過去的幾十年間里屢戰(zhàn)屢敗，但是最近五年，卻反而絕處逢生。

早些年，不管是國內(nèi)企業(yè)還是政府單位，都不愿意使用國產(chǎn)的電子設(shè)備，因為軟硬件的配套比起國外競品差距不是一點(diǎn)半點(diǎn)。

舉個例子，本世紀(jì)初的國產(chǎn)操作系統(tǒng)，有的連打印機(jī)驅(qū)動都沒有，運(yùn)行辦公軟件都時不時崩潰，讓工作人員苦不堪言。

此前國家曾主導(dǎo)推動操作系統(tǒng)自主化，很多單位檢查時用國產(chǎn)，檢查完就又把 Windows 請回來了。有些單位甚至為了用上 Office 等軟件，特意托關(guān)系說情。

這就導(dǎo)致了一個“死亡螺旋”—— 國產(chǎn)半導(dǎo)體、軟件因為起步晚，問題多，沒有多少人愿意用；而沒人買沒人用又進(jìn)一步導(dǎo)致國產(chǎn)產(chǎn)業(yè)鏈沒有后續(xù)資金來做技術(shù)升級，也難以發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品中的問題。之后就是一步落后步步落后了。

然而，從 2018 年美國制裁華為后，大家驚訝的發(fā)現(xiàn)，手上的電腦、手機(jī)和軟件貌似也不是那么靠譜了。

在全方位的封鎖下，華為連畫芯片圖紙的 EDA 軟件都沒法用了，更不用提有美國技術(shù)的海外代工廠了，整個企業(yè)的生產(chǎn)都到了岌岌可危的境地。

而美國的技術(shù)封鎖在幾年的時間里不斷升級，這就導(dǎo)致沒有被制裁的企業(yè)，也有了“早晚被制裁”的擔(dān)憂。各家企業(yè)都開始尋求備用方案，國產(chǎn)芯片和軟硬件也獲得了“備胎轉(zhuǎn)正”的機(jī)會。

這對國內(nèi)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)公司而言是千載難逢的機(jī)遇，自家的產(chǎn)品雖然羸弱，但也得到了進(jìn)場搏殺的入場券。

而中國又是半導(dǎo)體設(shè)備最大單一市場，哪怕國產(chǎn)企業(yè)能搶到一點(diǎn)點(diǎn)市場份額，也能讓企業(yè)有足夠的資金來完成之后的產(chǎn)品迭代。

而另一大機(jī)遇，就是全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)陷入了“技術(shù)瓶頸期”。

英特爾公司聯(lián)合創(chuàng)始人戈登?摩爾曾經(jīng)提出了一個著名的“摩爾定律”：當(dāng)價格不變時，集成電路上可容納的晶體管數(shù)目每隔 18-24 個月增加一倍，性能也將提升一倍。

然而，隨著晶體管數(shù)量的增加，芯片的功耗和熱量也大幅度增加，這對芯片設(shè)計和制造提出了更高的要求。

目前，晶體管數(shù)量的增長速度已經(jīng)接近當(dāng)前工藝的物理極限，在過去的幾年中，晶體管數(shù)量的翻倍速度已經(jīng)從每 18-24 個月變成了每 2-3 年。

由于全球半導(dǎo)體行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步放緩，這給了國產(chǎn)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)追上來的機(jī)會。

三、彎道超車，不一定需要光刻機(jī)

對于芯片生產(chǎn)，光刻機(jī)是目前產(chǎn)業(yè)中不可缺少的設(shè)備。

光刻機(jī)是芯片制造中最龐大、最精密復(fù)雜、難度最大、價格最昂貴的設(shè)備，光刻成本占芯片總制造成本的三分之一，耗費(fèi)時間約占整個硅片生產(chǎn)時間的 40%~60%，而它也決定了芯片上晶體管能做多小。

光刻機(jī)最主要的作用，就是在晶圓上“蝕刻”出來晶體管。

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