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各种“卡脖子”,芯片制造为什么难?

2020-09-18 14:21
紫金财经
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关于芯片、操作系统和生态,你需要这样的理性认知

众所周知,10年前中国人的生活水平和10年后的生活水平完全是两个概念,这种反差让我们一边感叹科技发展的日新月异,一边也更加深刻理解什么叫做“科技才是第一生产力”。

随着中国科技的高速进步,逐渐引起美国的关注,而美国人一担忧,事情就会起变化。目前,中美之间的贸易战已经逐渐演化成成科技战、网络战,甚至金融战,中美关系正在焦灼中复杂前行。

在这个过程中,乐观者有之,悲观者有之。而对于科技领域,特别是大家关注的芯片、操作系统、生态的认知,大多数公众仅仅停留在催促行业快马加鞭的状态。而普通公众对这个领域多一些了解和认知,对于在风口浪尖上前行的IT和通信领域,是非常有益的。

我们在分享中,给出来很多不一样的思路和看法,而这些思路和看法,对于我们正确理解芯片以及相关的产业,或许有所帮助。换句话说,我们希望国产芯片业尽快崛起,但如果我们有更加成熟和理性的认知,则是行业之幸,也是公众之幸。

芯片制造为什么难?

芯片,简单说就是一片集成电路,用半导体元件实现一些功能,最常见的就是电脑、手机的CPU。

同其他行业不同,芯片制造行业并不比芯片设计行业轻松,或者比芯片设计要更难。比如华为,是具备芯片设计能力的,但芯片的制造,他一般也是给到诸如台积电、中芯国际等芯片代工厂来加工。

在芯片制造领域,芯片制造的难,关键是不断地向物理极限发起挑战,而且不知道这个物理极限到底在哪里?

我们普通人关注的,逻辑芯片在器件上要解决的首要问题就是,随着摩尔定律的推进以及尺寸的缩小,CMOS器件在某些电性能方面出现了衰退,这就需要新的器件设计。

但逻辑芯片不仅仅要解决微电子器件的问题,当尺寸缩小之后,工艺难度也会进一步加大。

比如,为了让尺寸缩小,分辨率更高,光刻工艺会采用浸没式光刻。所谓的浸没式,就是让光源与光刻胶之间使用水来充当光路介质,这就对光刻机以及工艺提出更高的挑战。

尺寸的缩小不仅仅体现在图案的尺寸上,垂直方向上的薄膜高度的要求也越来越高。在这样的背景下,原子层沉积(ALD)技术被发明出来,这样在薄膜厚度上可以精确地控制到只有几层原子的厚度。

但是,工艺越先进,工艺缺陷与失败的几率就会大幅增加,用业界术语来说,就是工艺的window在缩小。所谓的window,就是允许的工艺参数浮动的范围。在关键的步骤里,一旦工艺指标跑出了limit,芯片制造失败的风险就会大大增加。因此,越是先进的工艺,就越要保证工艺的稳定性。

另外,芯片在制造上是一个成百上千步的过程,前后步之间相互影响非常大。

很多时候,前步出现了工艺调整,后步就要相应地做出调整,而调整多少,怎么调整,带来的是正面影响还是负面影响,往往都是未知的。这就需要不断地进行工艺验证以及新工艺的开发,也会让芯片研发的周期延长。

而消费者那边,还在苦苦盼望着更先进芯片的上市。殊不知,芯片厂里面的研发工程师,用尽了他们学到的所有科学知识,消耗了本已残存不多的脑细胞,辛苦搬砖。其实工程师比消费者还想让芯片尽快面市。

大国的竞争在于科技,高科技的竞争在于芯片,它是顶级科技的结晶。

而在中美摩擦的这个阶段,更多人把目光聚焦到芯片这个领域。代表高科技的芯片产业,中国一路走来并不容易。如今面对国外有些国家恶意发起的科技战,我们一定需要定力,只要我们通过人才的累积就可以突破这道坎,着急也没什么用。

民用操作系统难在生态

现在说说操作系统,我们认为,目前这个阶段,但凡在民用操作系统领域说国产化的,都要打个问号。

操作系统是一组主管并控制计算机操作、运用和运行硬件、软件资源和提供公共服务来组织用户交互的相互关联的系统软件程序,同时也是计算机系统的内核与基石。

如果是在国防设备上,比如飞机、坦克,那么操作系统是需要国产化。在这个场景下,成本、性能、生态与自主控制相比,都不那么重要,它也不需要与外国产品在国内市场上竞争,只要在国内军队发展生态即可。

但是做一个商用操作系统就要难很多。如果一个操作系统推出之后,市场上缺少兼容它的软件,又缺少兼容它的硬件,那么它造出来,哪怕质量再高,也是难用的,因为它会不支持现有的芯片,也不支持现有的应用程序,用户要如何使用它?

而生态,可能正是操作系统厂家最大的商业壁垒。这也是一种网络效应:软件开发者和硬件开发者越愿意开发兼容这个操作系统的产品,这个操作系统的市场地位就越稳固;而操作系统的市场表现越好,软件开发者和硬件开发者就越愿意开发兼容它的产品。Windows、iOS、Android都是这样的道理。

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