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刘亚东:造芯片不光靠顶级人才,还要有产业工人大军

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采访|章剑锋

文稿|张颖琳

出品|网易科技《why星人》

史无前例的全球性芯片短缺已波及手机、汽车、游戏等各个产业,业界有观点称,缺芯持续的时间已从此前预估的持续至2021年下半年,延长到2-3年。中国在这场缺芯潮中也面临着不少的机会与挑战。

中国海关数据显示,2020年芯片进口量激增20%(984亿个),达到创纪录的5435亿个,进口总额3500亿美元,创历史最高水准。今年以来,中国晶片进口量仍大幅增长,第一季、上半年和1-9月的芯片进口年增率分别达33.6%、29% 和23.7%。

芯片需求长期处于增长状态,中国本土的芯片产业短板在全球缺芯的背景下暴露愈加明显。受短期的市场供需失衡和长期的技术卡脖子双重制约,加剧了芯片荒的现状,尤其对于中国产业链主体而言。

“不要指望短期内能够解决技术‘卡脖子’的问题。以为我们国家重视了,大家的爱国热情空前高涨,我们很快就能把‘卡脖子’的问题解决,这样的想法是非常荒谬愚蠢的。它是一个寂寞的长跑,在科学领域是这样,在技术领域也是这样。”

南开大学新闻与传播学院院长、《科技日报》原总编辑刘亚东对网易科技说。2018年,刘亚东任总编辑的《科技日报》开设“亟待攻克的核心技术”栏目,报道了35项卡脖子技术而引发业界热议。华为创始人任正非2021年9月将《刘亚东:我提出卡脖子问题三年了,许多人还不明白,除了那些核心技术,我们还缺什么》一文转发给华为内部论坛传阅。

刘亚东对网易科技说,芯片制造之难,难过造原子弹,这中间有诸多问题需要引起重视和解决。在本次访谈中,他对此进行了详细解答。

刘亚东:造芯片不光靠顶级人才,还要有产业工人大军

一,芯片短缺是暂时的,

但解决卡脖子问题需长年累月努力

网易科技:目前芯片短缺、供不应求的原因是什么?

刘亚东:目前全球性的芯片短缺,我觉得是暂时的供需失调。

有比较重要的有几个因素导致,一个是疫情影响到材料来源、生产供应等,不仅是中国,国外也受到影响,可能国外受到的影响更大一些。第二个原因,我想是由于美国制裁华为等中国企业引起的这种恐慌,造成一些企业囤积芯片。第三个就是一些新兴领域发展比较迅速,比如像5G、人工智能居家产品等产业增长比较快,也在客观上造成了芯片需求的增加。

但我认为现在的芯片供应链上不存在结构性矛盾。在整个供应链上,它是一时的失调,也可以说是市场经济中的一种供需常态,在产能增加以后,供需关系会缓解。目前全球芯片短缺也是一样,它不会持续太久,估计半年一年的时间就会得到解决。

网易科技:当前全球芯片产业发展的现状是什么样的?怎么看我们国家芯片产业上的短板?

刘亚东:一枚小小的芯片,是迄今为止人类工业文明的集大成者。它不是大家理解的一个产品或者一项技术,而是一个有众多产品的产品群或含有众多技术的技术群。芯片的产业链很长,大致可以分成芯片的设计、制造以及封装测试这三大块。

从事芯片设计的企业有很多,我们国内做得最好是华为海思。他们现在可以设计5纳米制程的芯片,跟国际先进水平相比差距不大,粗略估计也就是三五年的差距。

但是大家要搞清楚,华为海思仅仅是做芯片设计,他们也不完全是国产化、本地化的设计,比如说他还要用到英国阿姆公司的ARM架构,另外所用的开发平台也是美国的EDA。总的来讲我们虽然取得一些进展,这也是一个全球合作、国际分工的产物。

在芯片整个产业链中,现在中国做得最好的是中低端的封测环节。芯片封测相对来说属于劳动密集型产业,由于我国布局早(从上个世纪80年代开始),我们现在封测产业发展比较好。全球整个封测的市场规模大概是五六百亿美元,我们中国大陆加上台湾,可能要占到一半左右市场份额(50%),但是最高端的封测技术,依然在美国。

困难最大的是制造环节,我想也是我们差距最大的一个环节。这方面我们要追赶起来,可不是短期能做到的。

网易科技:封测和制造相比,可能技术含量比较低,所以我们发展很好,可以这么理解吗?

刘亚东:是这样,半导体芯片的封测,相对来说是一个劳动力密集型的产业,相对更容易做,而且我们国家布局比较早。虽说最尖端的最高级的封测技术我们还没有掌握,但是大量的一般应用的这种中低端技术完全能够做,而且做得很好,这是在半导体产业链里面,我们做得最好的一块。

网易科技:您说到华为海思在做的芯片设计,与国外相比还有3、5年的差距,怎么理解?

刘亚东:设计领域像华为海思应该说这些年做得不错。但从设计的角度讲,几大块,比如在随机存储器这种芯片领域里,我们的差距是比较大的。

随机存储器世界上主要的几大厂商,美国、韩国和日本都占了,我们也在做,但在市场上非常边缘化。比如紫光集团旗下的长江存储,据说有望打破国外的垄断,究竟能不能实现还得看。

第二个微处理器,我们通常讲的像CPU、 GPU,还有像FPGA这种可编程的逻辑处理器等方面我们也是很落后。这些通用的芯片都是被美国和其他西方发达国家长期垄断,这方面的厂商我们也有,比如紫光展锐也是做微处理器,已经成功地作为手机芯片被应用,但是总的来讲,我们国产的处理器芯片还是属于中低端的一些产品,技术含量不高、利润不大。我们有的时候做一个芯片利润只有几毛钱,跟卖白菜差不多。我们的芯片主要集中在各种小家电产品的控制器方面。

在中低端的应用中,比如龙芯三号处理器也用在北斗导航卫星上,但是跟国外产品比起来,缺点就在于功耗大、块头大。这些东西如果用在军事用途或者一些特殊的领域,可能问题不大,只要性能保持稳定就可以,但是在民用商业领域不可以,因为你没有市场竞争力,一定是物美价廉的东西才能赢得市场,赢得消费者。

网易科技:也就是短期的芯片荒可能容易解决,但是技术短板导致的供需不平衡,就不是短期能够解决的?

刘亚东:当然了,不要指望短期内能够解决技术卡脖子的问题。以为我们国家重视了,大家的爱国热情空前高涨,我们很快就能把卡脖子的问题解决,这样的想法是非常荒谬愚蠢的。它是一个寂寞的长跑,在科学领域是这样,在技术领域也是这样。我曾经讲过,不存在弯道超车的可能,它是一个持续的、一步一个脚印的、踏踏实实不断积累的过程,这样才能保证产业和技术的持续发展。

二,芯片制造太难了,

难度系数超过造原子弹

网易科技:除了前面讲的芯片设计和封测,在芯片制造这一块,核心的难点在哪里?

刘亚东:光刻机毫无疑问是最难的,但除了光刻机,在制造环节还有很多难点,比如说做半导体晶圆,也是非常难的。

半导体芯片实际上它的材料很简单,二氧化硅,其实就是沙子。但在实际生产中要使用硅矿石,因为它的纯度更高。做硅晶圆首先要把硅矿做脱氧提纯,之后要纯化。然后拉晶,再进入拉伸、切割等环节。 就纯化而言,硅纯度至少要到99.9999999%。这里一共是9个9,我们把这种纯度称作9N。一般电子级的硅材料的纯度要达到9N,而做半导体芯片要达到11N。11N意味着,它的杂质含量要低于10的9次方分之一。这是一个匪夷所思的天文数字,我来翻译一下:如果有250辆载重4吨的大卡车满载着经过纯化的硅材料,那么这些硅材料中的杂质加起来不能超过1克!我这么一说,你就明白了这样的纯度要求有多高,有多难。

网易科技:那为什么说光刻机技术是最难做的?

刘亚东:实际上光刻机的原理很简单,做起来也并不难,难点在于精度,尤其是顶级的光刻机的精度。现在光刻机市场中,主流产品是DUV,就是深紫外光刻机。顶级的光刻机是EUV极紫外光刻机。 在光刻机市场上,荷兰的ASML公司占了89%的份额,日本的佳能占了8%,尼康占了3%,整个市场基本被他们三家瓜分。而在极紫外光刻机市场上,就只有荷兰的ASML一家,市场占有率100%。这种极紫外光刻机可能制造大家所说的7nm和5nm制程的芯片。

这种顶级的光刻机,一个机器上大概有10万个零部件,由世界各国2000多家厂商来提供。这2000多家厂商全都是行业翘楚,或者叫隐型冠军。比如说光源用的是美国的,镜片用的是德国的、阀件用的是法国的,轴承用的是瑞典的等等,都是世界各国最优秀的企业。

极紫外线光刻机,难度之一在于它的光源,因为极紫外线光的一个特点就是非常容易被吸收,不容易被收集。它连空气都穿不透,更不用说玻璃了,所以对极紫外线光源一个要求是功率非常大,第二是要非常稳定,只有这样,它才能通过各种反射镜片,让光最后反射到硅衬底上。

再比如说,由于极紫外光不能通过透镜,只能通过反射镜面。这种镜面上有硅和钼制造的特殊反射镀膜,每反射一次,光的能量损失30%。经过多次反射,从光源引导到硅衬底上的光线最终剩下不到2%,其它都损失了。由此可见,这种光刻机对于光源的强度和稳定性要求有多高。

另外,对反射镜面的平整度要求也极高,在皮米级。皮米是纳米的1/1000,这种光洁度的平整度意味着什么?巴掌大小的一个镜片,如果把它放大成整个德国国土的面积,大概相当于我们的山东省加河南省两个省的面积,中间凸起的部分不能高于一个厘米。

所以它对各种工艺的要求实在是太高了,太难做了。

网易科技:您曾说造芯片比造原子弹难,是这样么?

刘亚东:有一次一个领导打电话问我,说造原子弹难还是造芯片难,为什么在上个世纪五六十年代,我们国家在那么困难的情况下,还能造出原子弹来,现在我们经济体量已经是世界第二,国家发展得这么好,为什么造不出一个小小的芯片?

我给他打了一个并不精确的比方,如果造原子弹的难度系数是1的话,那么载人航天难度系数可以说是10,航空发动机可以说是50,造半导体芯片难度系数就是100。这只是一个很粗略的比方,事实上没有方法做精确的定量比较。

大致上大家就可以知道,从难度上来讲,造原子弹和造芯片完全不可同日而语。朝鲜、巴基斯坦、伊朗这些国家都可以有原子弹,不管是自己做的还是别人帮他做的,总之是可以造出来的。原子弹的技术门槛并不是很高,造原子弹拼的是资源、资金和意志,不是拼技术,跟半导体芯片完全是两回事。

网易科技:那为什么这么难的技术,国外能做到,而我们却做不到?

刘亚东:说来话长,这是整个国家的工业基础的问题,它绝不是我们凭着一腔热情、凭着有爱国情怀,或赌一口气,就能做出来的。外行人总喜欢说,今天我们一定能用举国体制来造出芯片。讲这种话说明他对相关产业和技术缺乏了解。

我们的工业制造能力短板,不仅体现在高端领军人才,还体现在底层产业工人的结构上。大家现在都关注的是高端人才,高端人才、领军人物当然需要,但与高端人才同样重要的是,我们也缺乏熟练的产业工人大军。

我们的产业工人很多干三年两年就转岗了,产业工人队伍很不稳定。而国外的很多产业工人都是世世代代去做一件事情,祖传父、父传子。不仅是做半导体芯片,其他很多领域都是这样。你到欧洲的工厂里看看,很多都是家族式的传承,把技术或诀窍世世代代传下去,这种情况很普遍。

我们中国这种情形比较罕见。普通老百姓不了解这些,不知道造芯片为什么这么难,所以我讲,芯片的制造能力是由整个国家的工业基础决定的。

网易科技:怎样才能建立起您说的这种熟练的产业工人大军?

刘亚东:建立一支稳定的产业工人大军,培养千千万万个熟练工人,涉及到国家政策的方方面面,不是短期内能解决的。但是,我希望这个问题提出,能够引起决策层和普通公众的高度关注,引起企业的高度关注。不要只把眼睛盯在那种高精尖的人才上,也要关注操作层面的普通工人,他们是一个国家工业基础的最重要的组成部分。

说到工匠精神,不仅日本人德国人可以有,中国人也可以有。关键是我们要认识到这个事情的重要性。工匠精神意味着不仅仅把所从事的劳动当作赚钱的手段,而是以对职业敬畏、对工作执着、对产品负责的态度,极度注重细节,不断追求完美,从而给客户带来无可挑剔的体验。

3, 任何国家都不能

完全垄断芯片产业链

一定要靠全世界分工合作

网易科技:华为一度是靠和台积电合作实现芯片获得,为什么只有台积电具有给华为供应芯片的能力?

刘亚东:术业有专攻,他提早布局,在这方面招揽人才,所以做的比较成功。

另外要说明一点,台积电代工做得好,但不是所有代工的设备和技术材料都是台湾本土的。比如最重要的光刻机,就是用荷兰ASML的,台积电也是集成世界各国的最先进的东西来生产,不是说他自己一个企业就什么都能做出来。任何一个国家都不可能建立起一个完全本地化的半导体产业链。

芯片制造分几种,一种是叫IDM模式,就是从半导体的设计到制造到封测以及到投向消费市场一条龙服务,一个企业全都包了。这样企业也是有的,美国英特尔公司、韩国的三星,是全球仅有的两家。但即使这样,它生产线上很多设备材料也都来源于世界各地。

还有一种叫Fabless,只做设计,没有制造。越来越多的企业,比如说像摩托罗拉、德州仪器等都是以前有制造环节的,但后来舍弃该环节专注于设计。另外还有一种只做制造代工的生产模式叫Foundry,台积电就是这样的一个企业。

网易科技:也就是说制造半导体芯片不是说你拥有一台光刻机就完事了,也不是你光大笔投钱进去就可以的?

刘亚东:半导体芯片制造中,在硬件方面光刻机是我们国家半导体技术的最短板。我们现在是处在什么发展水平?中国现在市场上的光刻机,上海微电子装备有限公司做的光刻机能做90纳米制程的芯片。这是一个什么概念?在2004年2月1日,美国英特尔公司就已经发布当时最先进的90纳米光刻机支撑的微处理器Prescott。

你要说芯片产品完全做到本地化,所有东西都是我们中国自己造的话,那么跟国外的差距我想还不止3代,可能4代、5代都有了。你从90纳米到45纳米,然后到28纳米,到14纳米再到7纳米、5纳米、2纳米,这个差距是非常之大的。

所以我说不可能追求完全本地化的生产,是要集合世界各国的优势资源才能做成。

网易科技:我们常说要自主创新,是否意味着实际上不能太过于情绪化?

刘亚东:自主创新绝不是闭门造车。自主创新是要体现自己的意图和意志,但同时也要积极地参与国际分工与合作,融入全球价值链。以前国际环境好的时候,我们那种造不如买、买不如租的想法是不对的。现在国际环境不好了,我们走到另一个极端,什么东西都要自己造,同样不行,同样是死路一条。这两个极端都不可取。

对于企业来讲,事实上半导体芯片它是寂寞的长跑,不是那种赚快钱的产业,它需要长时间的积累、人才的培养。2020年,据说国内有1万多家新成立的公司或者转型的公司搞半导体芯片,用这种运动式的突击方法来搞芯片是非常不可取的,半导体芯片根本不是这样一个造法。

我劝那些投资者,如果你没有足够的耐心,没有忍耐力,就不要搞这个产业。就像我们常说的:没有金刚钻,不揽瓷器活。你要是想赚快钱,想2年3年收回成本,我想你不要碰半导体产业,肯定会让你失望。

四,只有局部技术取得突破

才能出奇制胜

网易科技:2018年中兴事件发生时您讲到我们的基础科学不行,就容易被卡脖子。时至今日,这个情况是好转了还是更加恶化了?

刘亚东:我们也有进步,但这里面还有好多问题,特别是思想认识上的一些问题可能还没有解决。

根本之道在于加强我们的基础科学研究。另外我们科研体制改革还不到位,在科技资源分配、科技成果奖励等方面,恐怕还有很多的问题亟待解决,这里也有更深层的原因。

另外我特别想强调的一点,就是说能造得出来和能卖得出去,是两回事。

很多情况下,人们只是说那个东西能造出来,但你能不能卖得出去,才是问题的核心。造,反映的是技术;卖,反映的是市场。很多东西,技术上解决,能造出来,但没有市场前景,那基本上它就是一个废物。

所以,对于一些技术进展,网上一片叫好声。其实,听到这些消息的时候,你要多问几个问题:成本是多少?能不能规模化生产?生产周期是多长?和同类产品相比,是否有市场竞争力?如果这几个问题回答不好,你造出来的东西没有用。

道理很简单,因为卡脖子的技术对我们国家来说太多了。要想生存,不可能都靠国家扶持。所以,如果没有市场竞争力,就没有生命力,你依然还是会被卡脖子。离开了市场来谈论解决卡脖子问题,都是胡说八道。

网易科技:要攻克芯片领域的难题,怎么样做才是科学的?

刘亚东:我觉得在芯片领域,包括其他领域的卡脖子技术,正确的做法应该是把有限的资源集中用于实现有限的目标,在局部领域取得突破,做到世界最好。我说的世界最好包括两方面,一是从技术上来讲做到最好,二是要有市场前景。

当我们在局部领域取得这些突破以后,可以拿这些东西和别人平等地交换,并形成有效的制衡能力。只有这样,我们芯片产业包括其他方面的产业才能健康发展。这样很难,但是再难也得做,因为这是唯一的出路,其他都是此路不通。

网易科技:这种局部上的突破应该怎么做?

刘亚东:在整个半导体产业链上,中国现在虽然整体上落后,但在个别的领域我们也有做得不错的地方。

比如说在半导体芯片的制造环节,最重要的是光刻机。但除了光刻机以外,还有一种设备叫刻蚀机。光刻机和刻蚀机,简单的讲就相当于一个是画匠,一个是雕工,光刻机负责画,刻蚀机负责雕。当然从半导体芯片的制造来讲,画像要比雕工技术含量高得多、难得多。

但刻蚀机也是一种重要的设备,我们国家在刻蚀机上做的还是不错的。比如上海中微半导体尹志尧教授的团队,他们这方面的工作在国际上属于第一梯队。现在的问题是说在绝大多数的领域,我们对国外是一种单方面的技术依赖,没有任何反制能力,所以才造成今天这样的被动局面。

把有限的力量集中用于实现有限的目标,在局部领域取得突破。永远不要追求搞一个完全本地化的半导体产业链,那样的话到最后一定是以失败告终。

我现在提出一个问题。如果我们投入了大量的人力物力财力,把半导体芯片搞出一些初步成果,这个时候美国或者其他西方国家突然对中国开放市场,我们怎么办?

经常出现这样的情况,我们国内的某个产品和某种技术取得突破,致使国外同类产品大幅降价。大家齐声欢呼,认为是一件好事,为国家节约了外汇。但这是只知其一不知其二。国外同类产品降价是一把双刃剑。国外产品降价以后,国内生产同类产品的企业就没有利润空间了,这意味着这些企业会被搞死。这个问题是非常现实,而且极有可能发生,我们应该防范。

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