简单介绍新时代的中美芯片大战

文︱关品方

根据最新的统计信息，2024年全球芯片制造设备销售额大幅增长，创历史新高。中国市场销售额暴增，连续五年成为全球最大芯片设备市场。中国台湾地区市场的销售额则大减。根据日本半导体制造装置协会（SEAJ）上月10日公布的统计数据，去年全球销售额高达1171.4亿（美元，下同）。其中，中国市场销售额暴增35％至495.5亿，韩国204.7亿，中国台湾地区165.6亿，北美136.9亿，日本78.3亿，欧洲48.5亿。芯片市场需求涵盖全部未来产业，并不单是通讯设备、电动车和人工智能。有关未来产业，笔者早前已经介绍过，可以翻查点新闻。

中美之间现时的关税贸易战，关键问题不在大宗商品和一般消费品（例如圣诞装饰、礼品玩具、衣服鞋袜）而是芯片，因为关联到高端科技战。特朗普现时主动求和、希望对话，中国的反应是“正在评估”。关税贸易战牵连甚广，笔者估计起码会拖到11月，届时美国明年的中期选举开始热身。时间在中国这边，现正扩大先手，运子取势，在将要展开的谈判中布局（何时？未知。早晚会有），先取得较大的主导权。这离不开芯片产业。

笔者有好朋友、港理大荣休教授李博士，在芯片产业方面的观察堪称专家。最近留意到有报道，北大已开发出“无硅晶片”，由彭海琳教授团队领导，用一种新材料做出了不用硅的芯片，性能起飞，速度快40％，功耗降10％，达到1.2nm。中国的无硅芯一出，全球芯片产业将要重写。无硅芯片现在仍只在实验室阶段，只能做出极少样本，价钱10倍于硅芯片，据说局部应用还未能全面取代硅芯片。李教授告知，华为现在想要攻克的仍然是硅芯片，正努力解决以极短的紫外光光源进行刻光，寻找新的高阶刻光方法。美国或会首先开发出3nm，但当中国的7nm量产到成为白菜价之后，和早前成熟芯片（28nm，14nm）市场被中国攻克一样，世界芯片市场将会出现颠覆性改变。

欧洲的芯片法规挨批，原来漏洞百出，还没想清楚已经匆匆推出。现时欧洲大约30％的成熟芯片（14、28nm）需求依靠从中国进口，是因为美国近年对中国芯片技术的出口管制，促使中国将战略重心转向成熟芯片市场，进而改变全球供应链格局。李教授认为，中国的芯片创新技术如喷泉涌现，再有10年和平发展环境，有望阻吓美国对华发动战争。中美各自拥有核武，正常情况下，战争不考虑热战。因此，无核武的战争将更不择手段。

美国国会现时无力阻止特朗普的行为和言论，被他以个人情绪和幻想妄图管治全球。笔者认为，高端科技战争谁胜谁负将有决定性的影响，现时的关键是芯片战。

究竟纳米芯片有多小？一纳米（nm）等于头发直径的大约6至12万分之一。头发直径存在个体差异，不同类型头发的直径各有不同。头发可分为粗发、普通发和细发。细发直径是 60 毫米（mm），1 纳米是 6 万分之一。普通发直径是90 微米，1 纳米是9万分之一。粗发直径是120 微米，1 纳米是12 万分之一。

纳米芯片的厚度视乎芯片类型、应用场景和制造工艺，各有不同、因此存在差异。二维（2D）半导体微处理器芯片的厚度不到1纳米。用于破坏癌细胞繁殖的硅纳米芯片的厚度，50到500纳米不等。超薄带芯片（一般使用）的厚度达到1.4万至1.8万纳米。石墨烯纳米芯片（电子应用）的厚度在1至5纳米之间。

在芯片产业经常提及的例如3、5、14、28nm芯片，并非芯片的厚度，而是芯片的制程工艺，代表晶体管等元件的特征尺寸大小。随着技术开发，研究人员正尝试使用超薄二维材料《只有三个原子（atom）堆叠起来的厚度》来制造更强大的芯片。

纳米级芯片制程工艺的术语 : 纳米是指晶体管栅极的最小线宽。这一数值越小，代表晶体管的尺寸越小，单位面积可集成的晶体管的数量越多。例如，10nm工艺的芯片每平方微米（μm）可容纳大约1亿个晶体管，5nm工艺的芯片可达3亿个，并非简单的正比例，也不是一般的指数函数比例。

芯片制程从早期的微米级（例如0.5μm）逐步发展到纳米级（例如28nm），再到当前主流的5nm，以至前沿的3nm芯片工艺，这些飞跃性的进步推动了计算性能以指数函数级快速提升。

纳米芯片的技术竞争优势究竟在哪里？主要是三方面 : 性能、功耗和集成度。为了达到更高性能，更小的晶体管间距可以缩短电子传输路径，从而提升运算速度。例如5nm芯片比7nm芯片的性能可以提升大约15%。为了达到更低功耗，纳米级晶体管的开关速度越快，越能够降低功耗（5nm比7nm降低30%以上），可以显著地延长移动设备的续航时间。为了达到

更强集成度，通过纳米光刻技术和自动组装工艺，可以在芯片上实现复杂的三维结构，支持AI计算的高性能需求。

纳米芯片的应用领域涵盖智能手机、数据中心、自动驾驶及 AI医疗等领域，关键是依赖纳米芯片的高能效特性。现时的前沿发展方向是探索 1nm以下的芯片制程工艺，结合新型非硅材料（例如本文上面提及的二维半导体）突破物理的“三维极限”，催生量子芯片的新一代技术。一旦中国最早研发出来并量产应用，将会把竞争者远远抛在脑后（包括台积电）。

最后要提到的是，纳米数（从1nm到28nm）并不是芯片的唯一性能指标，芯片架构（如ARM与x86之间的差异）和材料创新（如硅基与碳基之间的应用）同样关键。本文已太长，其他有关中美芯片战争的情况，下周如有时间，笔者继续分析。

总而言之，现时中美之间的关税贸易战并不简单，牵连甚广。别的不说，除了芯片技术管制之外，或会影响国际航道港口运营权的竞争，中欧相互开放市场的安排，甚至台积电迁美的前途命运；值得高度关注。