芯片，這么個(gè)微末之間的小玩意，在眼下的智能化、信息化時(shí)代，從來沒有像現(xiàn)在這么重要，更是撐起了一個(gè)龐大的市場(chǎng)。

數(shù)據(jù)顯示，2016全球芯片市場(chǎng)達(dá)到3397億美元，同比增長(zhǎng)1．5％。而2017年預(yù)計(jì)將超過4000億美元，漲幅高達(dá)10％以上。

不過令人窘迫的是，在這么大的蛋糕面前，盡管我國已消化了近1／3市場(chǎng)需求而成為全球最大的芯片消費(fèi)國，但繁榮背后卻有一個(gè)殘酷的事實(shí)：我國國產(chǎn)芯片的自給率不到30％，產(chǎn)值不足全球的7％，市場(chǎng)份額更是不到10％，也就是說中國“芯”90％以上依賴進(jìn)口。截至2016年底，中國芯片的進(jìn)口金額達(dá)到1．3萬億人民幣左右，而同期的原油進(jìn)口不到0．7萬億。中國在芯片進(jìn)口上的花費(fèi)已經(jīng)接近原油的兩倍。

做芯片的不如做項(xiàng)鏈的？

上周一（2017年10月23日），工業(yè)和信息化部人才交流中心（MIITEC）和比利時(shí)微電子研究中心（IMEC）聯(lián)合主辦的“名家芯思維”——2017年設(shè)計(jì)方法學(xué)國際研討會(huì)在南京舉辦。

本次活動(dòng)邀請(qǐng)到IEEEfellowGiovanniDeMicheli、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)林福江教授、浙江大學(xué)韓雁教授、南京大學(xué)王中風(fēng)教授、香港科技大學(xué)教授PatrickYue和Synopsys亞太區(qū)產(chǎn)品總監(jiān)謝仲輝先生，圍繞主題“IC設(shè)計(jì)方法學(xué)”的進(jìn)行主題分享，圓桌論壇環(huán)節(jié)探討了IC設(shè)計(jì)技術(shù)革新、發(fā)展趨勢(shì)，以及發(fā)展中遇到的一些問題。

會(huì)議期間我們聽到了兩個(gè)小故事。

不過卻是兩個(gè)很無奈的故事。

故事一：做4G芯片差點(diǎn)破產(chǎn)

這是一家做芯片F(xiàn)IB失效修改的廠商講的故事。說有一個(gè)客戶原來是做2G／3G基礎(chǔ)設(shè)備的，后來聽說4G是個(gè)大趨勢(shì)且很快就會(huì)到來，就轉(zhuǎn)頭開了一個(gè)廠，雄心勃勃的進(jìn)軍4G芯片產(chǎn)業(yè)，準(zhǔn)備搶占橋頭堡。

為了做好，他前后投入了80％的身家來研發(fā)4G芯片。結(jié)果，快把家底賠進(jìn)去了也沒搞出來。最后實(shí)在撐不住，只好回頭又做起了3G設(shè)備，終于挽回了差點(diǎn)破財(cái)破家的慘淡結(jié)局。

聽說，他媳婦也總算同意他睡床上了。

故事二：做芯片的不如做項(xiàng)鏈的

這個(gè)故事是韓雁教授講的。說有一個(gè)朋友，原來開了一家首飾加工廠，生意不錯(cuò)。后來，在政府的要求和鼓勵(lì)下就辦了個(gè)芯片封裝廠。

然而，這個(gè)封裝廠利潤簡(jiǎn)直寥寥，一直在慘淡經(jīng)營中不可自拔。

據(jù)他說：“我加工一件首飾能賺幾塊甚至十幾塊錢，但是我封裝一個(gè)芯片才賺幾分錢甚至幾厘錢！你說，高科技體現(xiàn)在哪里？”

對(duì)啊，既然做芯片的不如做項(xiàng)鏈的，那為什么還有人堅(jiān)持做下去呢？（文末將有答案）

國內(nèi)高端芯片領(lǐng)域的困境

眾所周知，高端IC芯片復(fù)雜程度高，國內(nèi)目前連4G芯片都做不了，絕大多數(shù)都還是2G／3G計(jì)算級(jí)別。

芯片市場(chǎng)的惡性循環(huán)

浙江大學(xué)教授／博導(dǎo)、浙江大學(xué)—美國UCF大學(xué)ESD聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室常務(wù)副主任韓雁說：“我國高端射頻芯片的開發(fā)面臨困境，這里有一個(gè)顯而易見的惡性循環(huán)：因?yàn)楣に嚶浜蟆蛻舻絿饬髌獓鴥?nèi)工藝缺乏流片驗(yàn)證提升——工藝更加落后?！?/p>

具體來說，這個(gè)循環(huán)就是：由于國內(nèi)芯片加工制造工藝落后，導(dǎo)致很多設(shè)計(jì)公司紛紛選擇到國外流片，因此造成國內(nèi)相關(guān)廠商嚴(yán)重缺乏流片驗(yàn)證而無法升級(jí)，最終又會(huì)讓國內(nèi)的芯片工藝遲遲得不到提高。

目前，芯片產(chǎn)業(yè)的流片費(fèi)用動(dòng)輒幾百萬元甚至上千萬元，這樣的費(fèi)用對(duì)任何一家公司來說都是難以企及的高價(jià)，由不得不慎重（一般來說，普通芯片最多半年流片一次，而高端芯片如10nm或像麒麟970一樣的AI芯片等，由于研發(fā)過程漫長(zhǎng)，從研發(fā)到流片需要數(shù)年時(shí)間）。因此，國內(nèi)很多芯片設(shè)計(jì)公司為提高成功率，紛紛選擇去國外或合資企業(yè)流片。英特爾、富士通、TowerJazz、GlobalFoundries、三星、臺(tái)積電、MagnaChip等等，往往是業(yè)內(nèi)的首選，從而造成內(nèi)地廠家很難有生意。

既然國內(nèi)晶圓代工廠沒有生意，自然就生存艱難。盡管近年來有紫光、中芯國際、華力微等重點(diǎn)企業(yè)異軍突起，但無論從工藝還是經(jīng)驗(yàn)來看，距離國際一線廠商還有很長(zhǎng)的路要走。

如此的循環(huán)，長(zhǎng)此以往，將對(duì)我們的芯片制造產(chǎn)業(yè)帶來極大的限制和阻礙。

國內(nèi)芯片加工工藝粗糙不穩(wěn)定

從1971年開始，芯片制造工藝經(jīng)歷了10微米、6微米、3微米、1．5微米、1微米、800納米、600納米、350納米、250納米、180納米、130納米、90納米、65納米、45納米、32納米、22納米、14納米，一直到目前主流的10納米高端工藝。而更高一級(jí)的7nm（GlobalFoundries公司）近期也傳出進(jìn)展順利。

盡管10nm工藝已經(jīng)成為高端芯片加工的標(biāo)志，但國內(nèi)工藝大多還依然停留在微米級(jí)別（0．18um、0．35um等），也使得大部分硬件設(shè)備用的也都還是微米級(jí)芯片。這也是我們所說的第一個(gè)故事背后的真實(shí)場(chǎng)景，令人無奈。

光刻技術(shù)是芯片制造產(chǎn)業(yè)的核心，決定著芯片的元件特征尺寸。伴隨半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)“摩爾定律”的延續(xù)，極紫外光刻（ExtremeUltravioletLithography，EUVL）被公認(rèn)為是最具潛力的下一代光刻技術(shù)。不過技術(shù)最先進(jìn)、性能最穩(wěn)定的光刻機(jī)設(shè)備100％被歐美國家壟斷，且嚴(yán)禁技術(shù)轉(zhuǎn)讓。

目前國內(nèi)光刻機(jī)最多可做到28nm，另外13nm技術(shù)正在研發(fā)中。但是，國際上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了10nm，而7nm技術(shù)也即將研發(fā)成功。這就是差距。

由于缺乏精密的國產(chǎn)加工設(shè)備，國內(nèi)芯片制造設(shè)備都需要從美國進(jìn)口，這就要受到他們“出口限制令”的制約，比如不能用于軍事產(chǎn)品的生產(chǎn)、不能研發(fā)指標(biāo)非常先進(jìn)的芯片。

專用芯片才是未來新的增長(zhǎng)點(diǎn)

一直以來，關(guān)于通用芯片和專用芯片的爭(zhēng)論就從來沒有停止過。雖然從通用性和可修改性來說，通用芯片具有很大優(yōu)勢(shì)，但從針對(duì)性和功耗等方面考慮，專用芯片才是未來新的增長(zhǎng)點(diǎn)。

國家“千人計(jì)劃”特聘專家、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)微電子學(xué)院副院長(zhǎng)林福江說：“功耗是（芯片產(chǎn)業(yè)）現(xiàn)在最大的問題，哪一款芯片能把功耗降下來，它的壽命就能延長(zhǎng)，競(jìng)爭(zhēng)力自然就上來了，功耗是所有芯片現(xiàn)在最大的瓶頸。

“通用芯片要考慮到通用性和修改的靈活性，在設(shè)計(jì)的時(shí)候需要加入很多預(yù)留的模塊，所以功耗會(huì)很高，同時(shí)賣的也貴。但專用芯片因?yàn)槭怯忻鞔_目的和用途，所以才設(shè)計(jì)之初就把很多東西直接加進(jìn)去。

“雖然專用芯片的靈活性不高，但因?yàn)槭菍ｉT設(shè)的，很多東西已經(jīng)硬化、塊化，所以它的速度快、功耗低，相應(yīng)的價(jià)格也低，賣的便宜。

“也就是說，在達(dá)到相同的性能下通用芯片勢(shì)必要消耗更多資源，而專用芯片就不需要，因此未來發(fā)展專用芯片將是必然趨勢(shì)?！?/p>

浙江大學(xué)教授韓雁也持同樣觀點(diǎn)，她說：“專用芯片比通用芯片體積（面積）小、功耗低，大批量生產(chǎn)時(shí)成本低。尤其是面向數(shù)字模擬混合電路的話，只能做專用芯片，不能用通用芯片?！?/p>

就業(yè)形勢(shì)下的硬件之殤

“現(xiàn)在大多數(shù)學(xué)生都不太愿意做硬件，而更愿意轉(zhuǎn)行去做軟件！”

這恐怕是很多高校、科研院所的普遍現(xiàn)象，原因很簡(jiǎn)單：做硬件賺錢少，工資低！

摩根士丹利在年初的一份調(diào)查中宣稱，一家成功的半導(dǎo)體企業(yè)往往能夠獲得40％甚至更高的利潤率，而電腦、電子產(chǎn)品和其他硬件行業(yè)的利潤率往往甚至不足20％。

顯然，這一數(shù)據(jù)在國內(nèi)并不準(zhǔn)確，因?yàn)閲鴥?nèi)的利潤率遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到40％。畢竟高端芯片設(shè)計(jì)、架構(gòu)等握在英特爾、ARM、高通這些巨頭手里，而加工制造工藝在三星、英特爾、臺(tái)積電等大廠手上，缺乏核心技術(shù)和精密工藝的國內(nèi)芯片企業(yè)，利潤率可想而知。

韓雁教授一直致力于做基礎(chǔ)硬件，自嘲自己是“做磚頭”而別人是蓋樓。雖然工作成績(jī)斐然，不過她也有自己的擔(dān)憂。

韓雁說：“因?yàn)樽鲕浖某杀镜停ㄓ袝r(shí)候甚至可以在家辦公而不需要租辦公室），因此相對(duì)的利潤就大，開出的工資也高。

“而做硬件的恰恰相反，受制于硬件設(shè)備巨大的購置成本和測(cè)試、流片等工序的巨額支出，在過高的成本壓力下，工資自然高不到哪去?！?/p>

林福江教授對(duì)此也深有感觸：“雖然說現(xiàn)在是智能硬件的時(shí)代，畢竟IOT物聯(lián)網(wǎng)、手機(jī)／通訊、自動(dòng)駕駛、消費(fèi)電子等對(duì)傳感器、芯片的依賴性極大，但現(xiàn)在很多人不愿做IC設(shè)計(jì)、不愿意學(xué)微電子，也不愿意做設(shè)備硬件，轉(zhuǎn)而學(xué)那些時(shí)髦的、能賺快錢的專業(yè)領(lǐng)域，讓人痛心疾首。

“只能說有些學(xué)生眼光不夠長(zhǎng)遠(yuǎn)，心態(tài)略顯浮躁吧！”林福江表示無奈。

不過，從就業(yè)形勢(shì)上看，很多學(xué)生不愿意做硬件，也能被軟件業(yè)接納。這說明軟件業(yè)仍然沒有飽和，作為社會(huì)需要，也可以理解，無需勉強(qiáng)。

芯片產(chǎn)業(yè)很多人不愿意動(dòng)手，這是不對(duì)的

總的來說，核心芯片技術(shù)由五大元素組成，這五元素分別包括：系統(tǒng)（ASIC）、通訊（RFIC）、建模（MDL）、微波（MMIC）和模擬（AMS），其中建模是核心元素。

在這五大元素中，實(shí)測(cè)分析建模是射頻芯片設(shè)計(jì)基礎(chǔ)中的基礎(chǔ)。任何芯片在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)之后、進(jìn)入批量化和商業(yè)化生產(chǎn)之前，必須要經(jīng)過數(shù)次甚至數(shù)十次的實(shí)測(cè)分析，盡量找出設(shè)計(jì)中的BUG，找出不合理之處，才能有效的降低成本和提高流片成功率。

但目前的情況是，跟理論知識(shí)相比，國內(nèi)很多人的動(dòng)手能力不強(qiáng)，甚至可以說很弱。

林福江說：“（在射頻芯片的設(shè)計(jì)中），國內(nèi)很多人不愿意動(dòng)手，這是不對(duì)的。只有理論不行，還要多學(xué)技能多動(dòng)手，我們的動(dòng)手能力需要不斷增強(qiáng)?！?/p>

對(duì)未來芯片發(fā)展走向，林福江教授認(rèn)為，“芯片單位面積上可以容納元器件數(shù)量的極限值”將是一個(gè)很關(guān)鍵的突破口。

“這個(gè)極限值是和芯片最小尺寸相關(guān)的，現(xiàn)在器件的最小尺寸已經(jīng)到三納米了，已經(jīng)是極限了。尺寸小，器件也小了，最小尺寸已經(jīng)到了極限，從分子往上就是單電子、單原子?！绷指＝f，“在達(dá)到極限值之后，未來的芯片技術(shù)將要朝著哪個(gè)方向發(fā)展，現(xiàn)在還不好說。”

總結(jié)：全情投入、加強(qiáng)團(tuán)結(jié)，芯片產(chǎn)業(yè)才有前途

讓我們?cè)倏匆幌挛恼麻_頭第二個(gè)故事的疑問：既然做芯片的不如做項(xiàng)鏈的，那為什么還有人堅(jiān)持做下去呢？

浙江大學(xué)教授韓雁的答案是：為了國家的芯片產(chǎn)業(yè)不再受制于人，我們需要奉獻(xiàn)！

韓雁說：“我想這也算是IT人對(duì)社會(huì)、對(duì)人類的貢獻(xiàn)吧！正是有了我們的努力，才能讓大家用上越來越好、越來越便宜的各種電子產(chǎn)品，讓大家的生活質(zhì)量越來越高。”

據(jù)我國2014年宣布的一項(xiàng)政策計(jì)劃表明，政府將拿出1000億～1500億美元來推動(dòng)我國在2030年之前從技術(shù)上趕超世界領(lǐng)先企業(yè)。其中，從事各類芯片設(shè)計(jì)、裝配以及封裝的企業(yè)都能夠得到政府扶持。不僅如此，2015年我國政府又進(jìn)一步提出了新的目標(biāo)：要在10年之內(nèi)，把芯片自制率提升到70％。

芯片產(chǎn)業(yè)從垂直整合（比如英特爾一個(gè)廠什么都做），到現(xiàn)在分工越來越細(xì)，規(guī)模也必將會(huì)越來越大。因此，只有全社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域、各個(gè)環(huán)節(jié)之間共同團(tuán)結(jié)努力，國內(nèi)的芯片產(chǎn)業(yè)才能有前途。