外媒报道,当前中国芯片制造水平仅落后国际先进制程5年左右,但是国产光刻机技术却落后国际竞争对手15年。由于美对华出口限制,如中国不能突破技术封锁,这一差距很可能会被拉大。
中国芯
华为麒麟9010芯片和麒麟9000芯片对比国外半导体行业分析师们研究以下2款旗舰手机处芯片:一款麒麟9010芯片,来自华为技术今年4 月份发布的 Pura 70 Pro;一款麒麟9000芯片来自2021 年的华为智能手机Mate 40pro。
2024年发布的麒麟9010是华为最新的手机芯片,由华为子公司海思设计,由中国主要芯片制造商中芯国际 (SMIC) 批量生产。2021年Mate 40手机的麒麟 9000 芯片也由海思设计,但由台积电TSMC大规模生产。
中芯国际受到美国限制无法取得EUV光刻机,受到先进芯片技术措施的约束,能够生产 7 纳米芯片。 台积电为华为提供了 2021 年手机的 5nm 处理器。
一般来说,纳米尺寸越小,性能越高,芯片越小。 然而,中芯国际的 7nm 大批量生产芯片尺寸为 118.4 平方毫米,而台积电的 5nm 芯片尺寸为 107.8 平方毫米。 这两种芯片具有相似的领域和性能水平。可以看出中芯国际的能力正接近台积电三年前的水平,这纯粹基于所出货芯片的性能。 海思的设计能力也有所提高,这体现在其生产与台积电 5nm 产品具有可比性能的芯片的能力上,尽管其电路宽度更宽。
华为的 Pura 70 Pro 总共配备了 37 个半导体,支持内存,传感器,相机,电源和显示功能。 其中 14 家来自海思,18 家来自其他中国制造商,只有 5 家来自外国制造商,包括韩国的 SK 海力士用于 DRAM 和德国的博世用于运动传感器,大约 86% 的手机芯片是中国制造的。总结一下,中芯国际使用荷兰ASML生产的DUV光刻机设备通过多重曝光技术可以做到7nm制程9010芯片,并实现5nm制程的9000芯片基本相同的性能,但这是基于使用进口的DUV深紫外光刻机设备,如国产光刻机还达不到7nm。台积电和三星可以通过使用ASML EUV极紫外光刻机可以量产3nm芯片,明年很可能实现2nm工艺。
国产光刻机发展情况2022 年 10 月,美国政府引入了出口管制,以限制中国获得先进的美国半导体和技术,旨在保持美国的技术优势。 这些针对先进芯片和超级计算机组件等领域的控制措施于 2023 年收紧。自出口管制推出以来,中国半导体行业受到了严重打击。 2023年初,中国半导体产量暴跌17%。此外,美国限制中国使用英伟达的A100和H100芯片以及荷兰公司ASML的高科技光刻机-EUV极紫外光刻机,EUV光刻机凭借其高精度、极紫外光技术、提升芯片性能以及推动技术进步等优势,成为了7nm及以下芯片制造的关键技术。这对制造先进芯片至关重要,严重损害了中国的芯片制造能力。 专家估计,中国的半导体技术落后5到10年。
在光刻系统中的主导地位也使 ASML成为计算机芯片制造商最大的设备供应商。虽然 ASML 在 DUV 领域有一些竞争对手 - 日本的佳能和尼康 - 但它在 EUV 市场几乎垄断,没有重要的直接竞争对手。
幸运的是,9月9日我国工业和信息化部 (MIIT) 发布了一份促进使用国内主要技术设备的指南。工信部指南特别提到了两种光刻机模型,并建议与国家相关的组织使用它们。
国产光刻机公司上海微电子设备 (SMEE) 在内的企业一直在积极发展国内光刻能力。然而,进展有限,突显出我国在这一领域面临的技术挑战。
根据公示列表中提到的两台光刻机中更先进的设备,氟化氩光刻机其分辨率为65nm或者更高,氟化克则分辨率为110nm。如果牺牲良率,通过多重曝光能达到的最高精度为28nm工艺的芯片。28nm虽不是先进支持,但可量产28nm芯片已经迈入中端芯片门槛,可以实现普通芯片国产替代。但对于高端芯片来说,65nm光刻机远远达不到精度要求。
制程分辨率决定了半导体芯片上的特征可以制造多小。更小的分辨率允许更先进,功能强大的芯片。相比之下,ASML 最先进的光刻机目前实现 8 纳米及以下的分辨率。
咨询公司RHCC首席执行官Leslie Wu 表示,工信部名单中提到的65纳米分辨率机器至少落后于国际竞争对手 15 年。
中国反制措施美国可能在尖端半导体技术方面处于领先地位,但中国在半导体供应链的其他关键领域拥有影响力 - 主要是制造芯片必备的稀土元素。 中国开采了世界60%的稀土矿物,处理了85%以上的加工。 为了回应美国的出口管制,中国限制镓和锗的出口,以通过合法途径捍卫自身利益。 虽然我国尚未将其稀土资源完全武器化,但未来可以这样做。
智能手机包含 20 到 40 个芯片,主要是处理内存和充电等基本功能的较旧的 “成熟节点” 类型。 虽然尖端处理器提供主要性能,但这些不那么新进的芯片对设备性能同样重要。
展望未来,半导体出口管制可能会对美国和中国产生重大的意外后果。 首先,由于中国市场的流失,美国芯片公司面临巨大的财务风险。 美国中国商会预计,这可能导致每年损失830亿美元的销售额和12.4万个工作岗位。 美国半导体设备公司尤其容易受到影响,因为它们依赖中国的销售,估计有30%-40%的销售流向中国。 这种转变在中国主要芯片制造商中芯国际等公司中显而易见,中芯国际目前已从五年前的60%外国客户生产转变为80%国内生产。 潜在的收入损失可能会引发一个不利的循环,即研发预算的减少会损害美国公司的全球竞争力。
中国新进光刻机技术发展趋势虽然中国在先进芯片技术方面仍然落后,但中国“将加倍努力,全面解决高端芯片生产的技术问题”。中国拥有庞大的内需市场,国家已经在组织力科研量攻克难关,培养半导体产业人才, 完善半导体产业链, 才能突破技术封锁解决卡脖子问题,扫清光刻机技术障碍,来铺平高端芯片发展道路,实现中华民族伟大复兴。