“華為今天遇到的困難，不是依托全球化平臺，在戰略方向上壓上重兵產生突破有什么錯誤，而是我們設計的先進芯片，國內的基礎工業還造不出來，我們不可能又做產品，又去制造芯片。”10 月 27 日，華為內部網站 “心聲社區” 刊發出華為創始人任正非于 9 月中旬的一段講話。

兩天后的 10 月 29 日，英國《金融時報》透露，美國商務部表示，他們將允許更多的芯片公司向華為供貨，前提是不用于華為的 5G 業務。

芯片已經成為中國高技術產業的心頭之痛。盡管數十年來中國在這個領域傾注了幾輩人的努力，但最終依然面臨被卡脖子的威脅。

國人普遍關心的一個問題是：中國在芯片研究上究竟走到了怎樣一個水平？本文從微觀角度，為你解讀芯片制造各環節與國際的差距。

芯片設計之母：EDA 軟件

中國在這一方面與國際前沿差距最大。

芯片設計環節中，EDA（Electronic Design Automation）軟件是集成電路設計必需、也是最重要的軟件工具。利用 EDA 工具，芯片的電路設計、性能分析、設計 IC 版圖的整個過程都可以由計算機自動處理完成，當前在超大規模集成電路的設計過程中，EDA 工具不可或缺。如果沒有 EDA 軟件，面對今天數十億上百億的晶體管集成電路，光靠手工電路設計、繪圖簡直無法想象；沒有 EDA 工具，再先進的芯片設計公司都將無法順利設計出高端芯片。高通、英特爾、AMD、三星等芯片巨頭都需要采購 EDA 軟件和服務，華為當然也不例外。此次華為海思被斷供就包括 EDA 工具，雖然華為購買了 EDA 的授權，但是最新的版本已經無法提供服務。

做出先進 EDA 工具的難度極大，主要有以下兩方面的原因。首先是技術方面，EDA 工具可以將復雜物理問題用數學模型高度精確化表述，在虛擬軟件中重現芯片制造過程中的各種物理效應和問題；其次，利用數學工具解決多目標多約束的最優化問題，可以求得特定半導體工藝條件下，性能、功耗、面積、電氣特性、成本等的最優解，最后驗證模型一致性問題，確保芯片在多個設計環節的迭代中邏輯功能一致。

EDA 工具不可以獨立于半導體工業單獨開發。芯片廠家想開發出性能優越的 EDA 工具，一方面自身要有好的算法，另一方面還需要和半導體制造工藝相結合，上下游經過不斷磨合才能改良迭代到最佳狀態。僅有很好的軟件工程師，在算法方面有可能取得一定的技術突破；但 EDA 設計的后端工具要和先進工藝相結合，工程師不僅要懂軟件，還要懂數學物理等基礎科學，以及微電子工藝，沒有自主研發的先進工藝，要做出先進優越的 EDA 就不可能。

從商業角度來看，EDA 行業存在高度壟斷，美國的 Synopsys、Cadence 以及 2016 年被德國西門子收購的明導國際（Mentor），壟斷了全球 90% 的市場份額。這三家公司各自經過長期的產業鏈上下游磨合，已經形成了完整的生態體系。可以說全球幾乎所有的芯片設計公司都是他們的客戶。站在商業的角度，芯片公司如果是自己開發 EDA 自己用，建立一個封閉生態，需要花費大量的人力物力財力，在沒有用戶的情況下，商業意義會大打折扣。

在 EDA 環節，2018 年中國現存 10 余家 EDA 公司的銷售額累計僅有 3.5 億元，占全球份額不足 1%，與世界先進水平的差距巨大。這一方面是因為國內 EDA 公司起步晚，本身不具備先進的算法；另一方面則是缺乏上下游協同整合的生態體系。國內華大九天是一家從事 EDA 工具開發的公司，被產業界寄予厚望；但與 Synopsys、Cadence、Mentor 相比，實力過于懸殊，國內芯片設計公司因此幾乎 100% 采用國外的 EDA 工具。這樣就造成惡性循環，短時間內看不到縮小和 Synopsys、Cadence、Mentor 技術差距的可能性。

這一塊要想趕上前沿水平，還需要國內產業上下游眾多參與者的長期努力。當然，EDA 畢竟是軟件產品，在被限制使用后，面臨斷頭風險的公司也可以用盜版產品勉強生存，涉及到的法律問題不在本文探討范圍。

IP 核技術：手機 IP 核處于空白狀態

IP 核（Intellectual Property Core）是指在芯片設計中可以重復使用的、具有自主知識產權功能的設計模塊。設計公司無需對芯片每個細節進行設計，通過購買成熟可靠的 IP 方案，實現某個特定功能，這種類似搭積木的開發模式，可以大大減輕工程師的負擔；調用 IP 核能避免重復勞動，縮短芯片的開發時間。

提到 IP 核就不得不說下 ARM，該公司成立于 1990 年，總部位于英國劍橋。2016 年 7 月 18 日，ARM 公司被日本軟銀以 234 億英鎊的價格收購，目前，英偉達又向該公司拋出橄欖枝。ARM 公司通過出售芯片技術授權，建立起新型的微處理器設計、生產和銷售商業模式。作為這種模式的發明者，ARM 公司將各種設計庫虛擬化，然后授權給其它企業使用，產品交付的形式可以不再是具體的實物，而是一種數字化 IP 模塊，其他企業也可以在這種架構上根據自身的需求繼續自由開發。

ARM 這種半定制化的模式對整個半導體行業產生了重大的影響，芯片從物理實體變成了軟件定義，還能滿足各個廠商的不同需求，因此很多芯片設計公司紛紛與 ARM 合作。

目前全球主要 IP 核供應商主要包括 ARM、synopsys（美國，沒錯，就是上文的 EDA 公司）、Cadence（美國，同時提供 EDA）、Imagination Technologies（英國）、Lattice Semiconductor（美國）、CEVA（美國）、Rambus（美國）、Mentor Graphics（美國）、eMemory（中國臺灣）和 Sonics（美國）。

可以看到在 IP 核領域也是國外公司占主導地位，其中 ARM 公司更是壟斷著全球手機處理器和平板電腦處理器市場，無論是蘋果 A 系列芯片，還是高通驍龍芯片，華為麒麟芯片等，都需要用到 ARM 芯片 IP 核。中國集成電路設計公司進步較快也離不開 ARM 這種模式的支持，可以說，沒有 ARM，中國整個數字 IC 產業不會有如此快的進步。

IP 核方面，中國的芯原微電子在 2019 年占到了市場銷售份額的 1.8%，全球排名第七，不過芯原微并不提供手機處理器的 IP 核，該公司主要是專業領域的半導體 IP 核供應商，應用范圍包括智能穿戴設備、智能家居、汽車電子、數據中心，目前涵蓋的產品包括 GPU、NPU、ISP、射頻 IP 等。該公司目前在 A 股科創板上市，收入為 16 億元，凈利潤還處于虧損狀態，卻有接近 500 億元的市值，反映了國內市場對上游 IP 核環節的渴求和期望。

中國芯片設計公司在手機處理器的 IP 核上處于空白狀態，廠商自己從頭開始投入研發，短期內不現實；現在可以做的是在已經授權的 IP 核上優化開發，例如華為海思采購的 IP 核就是在 ARM 公司授權的 v8 架構的基礎上再進行芯片設計。如果華為海思自行設計 IP 核，首先面臨專利問題；其次需要投入大量人力物力，試錯率還不能太高；做出來的芯片是否有競爭力、能否和高通等同行競爭，都是要面對的問題。不過，在不考慮商業因素的極端情況下，此環節對芯片設計業有影響，但并不致命。

芯片設計環節：中國占據了中低端

這一塊，中國的現狀是中低端領先，高端差距大，但有望逐步趕上。

在討論設計之前，讓我們先粗略了解一下半導體行業的模式。半導體公司按業務可以分為三類模式，一類是 IDM 模式，即芯片上游設計、中游制造、下游封裝測試都由自己完成，代表公司有英特爾、德州儀器、三星等；另一類是輕資產的 fabless 模式，即只設計芯片，制造交給晶圓廠，代表公司有高通、博通、華為海思、聯發科等；還有一類是 foundry，不設計只代工的重資產模式，代表公司有臺積電、聯電、中芯國際、格羅方德等。

芯片按照晶體管柵級線寬的工藝類別又有亞微米及以上、128nm、64nm、32nm、28nm、14nm、7nm、5nm 等，這種按照摩爾定律演進的規律反映出納米數越小，技術和工藝難度越大。

先看看關注度最高的芯片設計環節。芯片設計是將系統、邏輯與性能的設計要求轉化為具體的物理版圖的過程，類似于建筑設計，是一個把產品從抽象過程一步步具體化、直至最終物理實現的過程。

芯片設計產業的現狀是歐美占據高端，中國占據了中低端。當前主要的芯片設計公司有美國的高通（通信芯片）、博通（通信芯片）、英偉達（GPU、AI 芯片）、AMD（CPU、GPU）、賽靈思（無線芯片、FPGA），中國臺灣的聯發科（通信芯片、消費電子芯片）、聯詠科技和瑞昱，中國內地的海思（通信芯片、手機處理器、安防芯片、桌面 CPU 等）。

從地區分布來看，2018 年美國在全球芯片設計領域擁有 68% 的市場占有率，居世界第一；中國臺灣地區市場占有率約 16%，居全球第二；中國大陸則擁有 13% 的市場占有率，位居世界第三（不同統計模式數據略有出入）。

傳統上認為設計業是上游，技術含量最高，進入門檻也高，但從實際發展情況看，因為是輕資產的 Fabless 模式，主要以人才為主，和芯片制造業相比無需上百億的巨額資金投入，憑借龐大的下游應用市場，近幾年中國的芯片設計公司進步最快。

高端方面，華為海思已經成為全球前十大的芯片設計公司。海思不僅在工藝上處于全球第一梯隊，其最新款的麒麟 9000 手機 CPU 是世界上首個基于 5nm 工藝的 5G SoC，相對于近期剛發布的 iPhone 12 手機處理器 A14 加外掛高通基帶實現 5G 已經處于領先地位，而且海思在手機應用的其它芯片也基本實現了自給自足。

華為之所以在手機領域能成功，除了投入大量的人力物力以外，華為本身廣泛的手機產品矩陣給芯片提供了用武之地，通過在自己的手機上進行應用和反復優化，逐漸迭代出如今的高性能手機芯片。

中低端方面，中國芯片設計企業主要產品涵蓋了射頻芯片、觸控芯片、閃存芯片、存儲芯片、藍牙芯片、顯示芯片等多個種類，在部分領域已經處于全球領先狀態，但還沒有徹底解決中國 “無芯之痛” 的問題 —— 需要明確的是，國人常說的 “缺芯少魂” 的 “芯” 指的是高端的計算機通用芯片，主要是電腦主流 CPU。沒錯，就是英特爾幾十年如一日耕耘的領域。

談到通用 CPU 芯片，這里再做個簡單普及。CPU 有指令架構，分別是 CICS（復雜指令集）和 RISC（精簡指令集）兩類。CISC 就是以英特爾和 AMD 為代表的 X86 架構，而 RISC 則包括 ARM、MIPS 等架構。CISC 在并行處理方面具有明顯優勢，穩定性較好，RISC 在硬件層面制造工藝相對簡單，產品功耗低。但從性能上看，CISC 和 RISC 卻沒有絕對的優劣之分。現實應用場景中，X86 架構主要用于臺式機和服務器（可以插電，優先考慮并行運算能力，功耗次之），ARM 架構主要用于手機和其它便攜式電子產品（不插電，優先考慮低功耗）。

英特爾不外賣 X86 架構，憑借多年的積累，在臺式機領域，英特爾聯合微軟形成了牢固的 Wintel 體系，全球數據中心絕大多數都是采用英特爾的 X86 架構服務器芯片，有了完整的生態體系。這種體系除有較高的技術門檻外，其多年形成的生態壁壘更是將新進入者擋在門外，其他 ARM 架構服務器芯片廠商要打破英特爾的壟斷困難重重。也就是說，通過技術做出一款 CPU 并不難，難的是如何通過與成千上萬款軟件適配，以迭代出性能最好的芯片生態體系。

華為海思基于 ARM 架構在桌面通用 CPU 也做了布局，并且研發出擁有 7nm 工藝的桌面和服務器 CPU 鯤鵬。由于起步晚，加上 Wintel 聯盟堅不可摧，沒有廣泛的下游應用，芯片無法迭代優化，在性能上與英特爾、AMD 的最新 CPU 相比有很大差距，業內人士初步估算是 5 年。

有人也許會問，鯤鵬的 CPU 不是可以做到 7nm 了嗎，為何還落后于英特爾這么多？回答這個問題比較復雜，簡單理解就是芯片是一項系統工程，除工藝以外，還有芯片架構、微結構，指令集等眾多因素影響，其中很多都是多年積累的原創成果，所以先進的工藝并不代表先進的性能，例如英特爾用 0.13 微米工藝能做出 2GHz，而我們要用 45nm 才能實現，這就是差距。在桌面 CPU 領域，中國還有龍芯（MIPS 架構）和飛騰（ARM 架構在桌面端生態欠缺），但在生態的構建上還有很大差距，也就是說做出來芯片后，用的人不多，進而芯片性能無法優化提升，性能不提升導致用的人更少，生態體系更殘缺，這樣就會陷入惡性循環，久而久之失去競爭力而消逝于市場。

盡管高端芯片方面有差距，但相比 EDA 和 IP 核，芯片設計方面的現狀要好很多，因為中國有巨大的應用場景，只要給這些企業應用機會，解決從能用再到好用，在 EDA 和 IP 核有保障的情況下，高端芯片設計趕上國際先進水平只是時間問題。

芯片制造環節：高端缺失

芯片制造是集技術、工藝、資金為一體的產業，在整個過程中扮演最重要的角色，是目前中國被美國禁令卡得最難受的環節，也是中國目前和世界領先技術水平差距最大的環節。美國脅迫臺積電斷供華為海思，起到了 “絕殺” 的作用，致使華為未來面臨無芯可用的危機。

芯片制造是上下游最協同的產業。上游是芯片的原材料硅片制造廠商，中游是芯片設計公司，下游就是基于上游生產的硅片，將中游的芯片設計實現出來的晶圓加工廠商。整個過程需要在硅片上反復循環數百至數千道前道工藝，包括氧化、掩膜、光刻、清洗、刻蝕、離子注入、薄膜沉積等，在硅片的表面構建數億乃至幾十億的晶體管結構。

芯片制造過程中包括眾多原材料和設備，其中最重要的材料當屬高純度大硅片，最重要的設備則是高精度光刻機。

生產高純度大硅片技術難度很大，需要從沙子中冶煉出純度高達 99.99999999999% 的硅片，冶煉過程對潔凈度要求極高，任何一個原子級雜質污染都會導致電學性能的變化，通俗描述，就是在北京城這么大的空間中不能有芝麻大的顆粒雜質。

大硅片也是高度壟斷競爭的行業，全球前五大廠商市場占有率達到 93%，包括日本信越半導體（份額 28%）、日本勝高科技（24%）、中國臺灣環球晶圓（16%）、德國 Silitronic（14%）、韓國 LG（10%）。目前中國 12 英寸大硅片的國產化率低，半導體大硅片的供應缺口較大。為了滿足持續增長的半導體大硅片需求，國內各廠商積極布局大硅片生產。

在這方面，中國與世界先進水平差距較大，但有成品替代性。其它輔助材料主要包括光刻膠、掩膜版、靶材、封裝基板等，這些材料國內仍是瓶頸，不過很多材料也在陸續突破中。

半導體制造設備方面，主要有清洗、外延、氧化、鍍膜、光刻、濺射、離子注入、刻蝕等設備。其中光刻機是芯片制造中最核心的機器，整個光刻過程也是芯片生產過程中耗時最長、成本最高、最關鍵的一步。

光刻機被譽為半導體產業 “皇冠上的明珠”，制造難度極大，它不僅是復雜的系統工程，也是工程師智慧和經驗的結晶。目前最頂尖的 ASML 的 7nm 精度 EUV 光刻機整體有 13 個子系統，數十萬個零部件組成，核心部件如德國蔡司的鏡頭，美國的光源系統，瑞典和日本的軸承，幾乎都是全球最頂尖的技術產品，組裝后重量將近 200 噸。生產這種光刻機的難度在于如何將如此多的零部件按照需求校準到 2nm 以下的精度，EUV 光學透鏡、反射鏡系統的精度以皮米計（萬億分之一米）。ASML 的總裁曾介紹，如果把反射鏡面積同比擴大到德國國土那么大，最高的凸起也不能超過 1 公分。

光刻機供應商主要有三家公司，分別是荷蘭的 ASML、日本的尼康和佳能，但能生產 7 納米精度的光刻機只有 ASML。日本的尼康和佳能過度拘泥所有零件的內制化，唯一外購的光源在與自己的鏡頭匹配時，也優先考慮突出鏡頭的性能，與外界協作沒有積累新的設計思路。這就導致了他們無法建立起設計通用性光刻機的平臺，2002 年后被 ASML 反超，此后佳能和尼康的光刻機大都賣給了精度要求不高的國內半導體公司，ASML 也拿下了光刻機 75% 以上的市場份額，高端光刻機則一家獨占。

半導體是一個最講究國際產業上下游協作的行業，沒有國際協作，就算美國也很難生產出最先進的芯片。但是因為 2011 年的瓦森納協定將中國列為禁運國，當時的全球半導體前 15 大設備供應商均不能對中國出售先進設備，導致半導體工業的全面落后，進而衍生出后面無奈的自力更生境況。

如今，中國的半導體設備產業也取得快速發展，上海微電子、北方華創、中微半導體、盛美、中國電科、中科院等在相應的領域都有相應的產品推出，部分設備已經進入全球先進水平。

半導體制造業是人力技術資金密集型行業，隨著晶圓尺寸的增加，投資一條生產線已經增加到上百億美金，一般的公司已經很難再進入并對龍頭企業造成威脅。從產量看，臺積電處于絕對領先優勢，市占率超過 50%；中芯國際市占率不足 5%。

從工藝水平看，臺積電在 2014 年就量產了 16nm，2017 年量產了 7nm，目前 5nm 接近量產；英特爾、三星在 2014 年就量產了 14nm；由于技術限制和專利因素，中芯國際 2019 年量產 14nm 工藝，落后臺積電、三星、格羅方德五年。

真正意義上的現代中國半導體制造業始于上世紀 90 年代的 908 工程，彼時中國第一次對微電子產業制定國家規劃，并成立無錫華晶，直到 7 年后，華晶 6 英寸線才投產，但已遠遠落后于世界先進水平。1995 年，江澤民參觀了韓國三星集成電路生產線后，他用了 “觸目驚心” 四個字來形容差距，要求不惜代價也要將半導體產業搞上去。

經過 20 年的努力和追趕，中國半導體產能（包括外資在中國投入的產能）已經位居全球第一，本土企業也發展迅速，這也是國外擔心的地方，因為中國企業的模仿和追趕能力太強了，再加上政府支持，大有趕超之勢。中國芯片制造業雖然仍落后于臺積電和三星，但隨著中芯國際 14nm 工藝的量產，加上其它本土晶圓廠，目前已經可以生產滿足大部分行業中低端應用的產品。事實上，只有手機和電腦 CPU、存儲器芯片才需要最先進的線寬工藝，其它應用領域的芯片則無需過度強調線寬的先進性。例如，模擬電路很多還停留在亞微米級別，就是因為應用過程中的需求與數字電路不同。

2019 年中芯國際已經突破 14nm 工藝量產，成為中國最先進的晶圓廠，這引起了美國的擔憂，也導致繼華為后成為被制裁的對象。

2019 年的數據顯示，中國大陸地區的芯片制造也已經成為全球第一，對應著中國是全球半導體設備和材料采購量最大的地區。對中國的 “卡脖子” 舉動會導致歐美設備供應商付出 “餓肚子” 的代價，當然站在西方國家科技戰略的角度來看，餓肚子的代價顯然小于卡脖子。

芯片生產的最后一環是封裝測試。半導體封測領域技術含量相對較低，因為中國貼近下游整機市場，承接了大量產能轉移，不僅在規模上，在技術上也不輸于先進水平。這方面國內形勢是高中低端全面發展，處于全球先進行列。

芯片產業是全球化最徹底的產業，也是全球最高級別的創新協作體系。目前，世界上沒有一個國家可以獨立完成最先進的芯片。即便是美國，生產 7 納米及以下工藝的芯片，也需要購買荷蘭 ASML 最先進的光刻機，也需要去臺積電做代工。正因如此，對于整上還處在落后位置的中國來說，更要警惕閉門造車的狹隘想法，而必須要融入國際體系。

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原文標題：解構芯片：中國在產業鏈各環節與國際距離究竟有多大？

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責任編輯：haq