2025年中国将实现芯片自给自足？德媒绝无可能

　　近日，德国之声宣称，＂中国的芯片工业在过去几年取得了长足进步，但在2025年实现自主目标是绝无可能的。
　　同时，市场调研机构IC Insights预测，到2026年，中国半导体本土化比例将提升4.5%，达到21.2%，但距离自给自足还相差甚远。＂
　　那么国产芯片究竟是什么水平？距离自给自足还差多少？芯片需要哪些关键技术？
　　一款芯片从砂子变成成品，都需要哪些关键技术呢？
　　一、EDA软件：
　　EDA即电子设计自动化，是英文 Electronic Design Automation 的缩写， 指利用计算机软件完成大规模集成电路的设计、仿真、验证等流程的设计方式。
　　EDA软件主要分为： 芯片设计辅助软件、可编程芯片辅助设计软件、系统设计辅助软件 等三类。
　　EDA被称为＂工业之母＂，是连接设计与制造的桥梁，是工业设计不可或缺的设计工具。
　　在芯片设计中，从系统机构到功能实现，再到整体验证等都是极其复杂的系统工程，如果没有EDA的辅助，实在无法想象会是怎样一番场景。
　　试想一下，一款集成100多亿个晶体管的手机处理器，如果没有EDA的辅助，能够保证良品率和功能吗？
　　由此可见，EDA工具软件极大的赋能了芯片设计与制造，促进了芯片的更新迭代，当之无愧的站在产业链的顶端。
　　二、芯片架构：
　　芯片架构是对芯片的类型、属性的一种描述，它并没有一个特别标准的定义。当我们提到Soc时，它就指嵌入式处理器核心的类型；而提到CPU时，又指的是指令集；当提起芯片设计时，它指的又是电路实现的微架构。
　　简单来说，芯片就像一个解释器，而架构则是一种算法。
　　理论上，只要计算结果正确，步骤也没问题。但实际操作上，首先要把指令集写在芯片上，那么不同的指令集对应的电路、寄存器、带宽也不同，因此制造出来的芯片也就不同。这些不同的设计和安排就是架构。
　　我们通常所说的CPU架构主要有，一个是以英特尔为代表的X86复杂指令集CPU，另一个是以ARM为代表的精简指令集CPU。
　　不夸张的说，英特尔领导的复杂指令集统治了个人电脑和服务器，而ARM主导的精简指令集则引领着移动设备。
　　三、EUV光刻机：
　　光刻机被称为＂工业皇冠上的明珠＂，是制造芯片的核心设备，它采用类似照片冲印的技术，把掩膜版上的精细图形通过光线的曝光印制到硅片上。
　　光刻机分为：前道光刻机、后道光刻机、面板光刻机。
　　前道光刻机主要用于芯片制造过程，即在空白的硅片完成电路的加工。其工艺包括光刻、刻蚀、薄膜生长、离子注入、清洗、CMP、量测等。
　　后道光刻机主要用于芯片的封装过程，也就是把制造好的芯片进行减薄、划片、装片、键合等。
　　面板光刻机即蒸镀机，它就是用在制造面板上的一款设备，它的最大功能就是可以将有机发光体材料均匀地蒸镀到基板上。
　　我们常说的芯片制造，使用的光刻机就是前道光刻机，其中最先进的就是ASML制造的EUV光刻机。
　　EUV光刻机的光源为13.5nm，是制造7nm及以下制程的必需设备，也是实现摩尔定律的关键设备。
　　四、光刻胶：
　　光刻胶是一种感光试剂，在紫外光、离子束、X射线等照射后，其溶解度会发生变化，这种特性可以用于半导体制造。
　　光刻胶主要由感光树脂、增感剂和溶剂组成，按照用途分为PCB光刻胶、面板光刻胶、半导体光刻胶。
　　这里主要讲半导体光刻胶。
　　在芯片光刻时，将光刻胶均匀地涂在硅片上，在紫外光通过掩膜板照射后，曝光部分的光刻胶发生反应变软，未曝光部分则保留下来。
　　用特定的溶剂消掉软化的部分，然后再用腐蚀剂腐蚀暴露的晶圆，就会形成纳米级别的坑道， 这就是我们想要的电路图。
　　光刻胶的具体成分极为复杂，通常需要感光剂、增感剂、致酸剂、稀释剂、溶剂、助剂等材料，配方都是保密的。
　　此外，根据精确度不同，光刻胶又分为g线光刻胶、KrF光刻胶、ArF光刻胶、EUV光刻胶。它们分别对应着0.35μm、0.15μm、7nm以上、7nm以下的工艺制程。
　　其中EUV光刻胶是最难突破的。它限制了众多芯片公司的发展和迭代，其中就包括国内的华为、中芯国际、上海微电子等。我国的EDA软件差距多少？
　　随着芯片工艺的迭代，EDA软件也快速的发展，最终形成了Synopsys（新思科技）、Cadence（铿腾电子 ）、Mentor Graphics（明导国际，现被西门子收购）为主的＂EDA三巨头＂。
　　目前三巨头的EDA产品已涵盖了芯片设计所有环节，并且拥有完整的、有总体优势的全流程产品，并且在部分领域拥有绝对的优势。
　　总的来说：三巨头各具优势，又全面布局，并且拿下了EDA行业85%的市场份额，高端复杂的芯片设计基本被三巨头垄断。
　　国内也有EDA软件公司，例如：华大九天、概伦电子、广立微电子、芯禾电子、蓝海微、珂晶达、创联智软、九同方微电子等。
　　以华大九天为例，公司成立于2009年，在EDA领域属于＂老牌企业＂，也是国内规模最大、员工最多的EDA企业，共有600名员工，研发人员不足500人。
　　而国内全部EDA从业人员也不足2000人，仅为三巨头的1/20。
　　技术方面，华大九天就是国内的标杆，除电路仿真工具支持5nm工艺制程，其余尚未支持16nm及以下先进工艺制程。而三巨头已经支持3nm工艺了。
　　EDA涉及DFM、工艺仿真、接口、库、IP以及良品率等，国内EDA企业在这些领域做的都很一般，甚至是不好，与三巨头差距巨大。
　　就拿良品率来说，这需要设计与制造相互结合，共同提高良品率，中芯国际的制造水平刚刚突破14nm，7nm及以下根本不能量产，又何来与设计结合提高良品率一说呢？
　　而人才方面又是巨大的差距，培养一个EDA人才需要5-10年时间，要经过理论基础、实践检验、项目开发、反思提升，哪怕是同时进行，最少也要5年时间。
　　因此，从技术、人才、制造端等多个方面来看，国内EDA软件与三巨头的差距在5-10年之间。
　　但最可怕的是，我们在追赶，三巨头也没闲着。芯片架构方面的差距
　　国内芯片架构方面如何呢？一句话＂惨不忍睹＂。
　　移动端很惨
　　＂国产之光＂华为海思基本都采用的是ARM架构，其中包括： 麒麟系列（手机芯片）、昇腾系列（AI芯片）、 鲲鹏系列（服务器芯片）、 巴龙系列（5G基带芯片）、天罡系列（5G基站）、 凌霄系列（路由器芯片）。
　　最近阿里平头哥发布的号称＂性能第一＂的云端芯片倚天710，同样采用了ARM的架构。
　　那么华为有没有自研的架构呢？有！那就是达芬奇NPU架构。
　　达芬奇NPU 是一种神经元网络架构，也就是AI处理单元，我们常说的AI算法就是该架构提供的功能。
　　除此之外，华为自研的电视芯片Hi373V110，采用了RISC-V架构，这是 一个基于 精简指令集的 开源架构，其可以自由地用于任何目的，允许任何人 设计、制造和销售。
　　PC和服务器端同样不乐观
　　兆芯、海光、采用的是X86架构；
　　飞腾CPU、华为鲲鹏CPU采用的是ARM架构；
　　申威CPU采用Alpha 架构，而 Alpha 架构由美国DEC公司研发；
　　龙芯最初采用的是MIPS架构，后期采用了自主研发的LoogArch 架构。其中最强的3A5000 系列已经达到了12nm制程。
　　可以说在PC、服务器端，除了龙芯外，其他厂商均采用了第三方的架构。
　　总之，国内的芯片尚未形成自己的架构系列，未来能够切换到RISC-V架构，已经算成功了，至于自研架构，巨大的差距尚未看到任何希望。 光刻机领域的差距
　　国产光刻机与ASML EUV光刻机差距有多大呢？
　　ASML的EUV光刻机精度可达13.5nm，可以量产3nm芯片。
　　自主光刻机的代表就是上海微电子，目前已经量产90nm光刻机，90nm光刻机在经过三次曝光后，可以制造28nm芯片。但距离最先进的3nm还差4代。
　　那么跨越这4代，需要哪些条件呢？
　　1、光源
　　极紫外光源的波长为13.5nm，要想获得这种光源，需要一台30KW的激光发射器，发射出频率为5万次/秒的激光束，轰击下落的锡珠才能获得。
　　并且产生的极紫外光非常容易被干扰，哪怕是空气都会吸收极紫外光，因此光路必须是真空。
　　2、透镜
　　透镜的精度要求极高，要求平整度达到皮米级别。
　　什么意思呢？相当于手电照到月球光斑偏差不超过一枚硬币大小，或者从北京到上海的铁轨起伏不超过1毫米。
　　这种打磨技术只有德国蔡司能够做到。
　　3、安装调试
　　能够把10个零部件、4万多个螺栓、3000多条线路，2公里软管、180吨重的EUV光刻机组装起来绝非易事，即便是训练有素的ASML工程师也要3个月，甚至半年才能够完成组装。
　　普通人更是想到不要想。
　　除此之外还有精密轴承、精密数控机床等同样难以制造。
　　早在2007年，上海微电子就研制成功了90nm光刻机，但是直到2018年才量产成功，中间这11年经历了什么？
　　当时的90nm光刻机采用了德国蔡司的镜片，数值孔径为0.93NA，分辨率为90nm，但随后在＂特殊照顾＂下，蔡司停止了供货，我们唯有自主研发。
　　国内缺少技术人才、高端设备，整整用了11年，长春国科精密光学才成功研发出了数值孔径0.75NA，分辨率为90nm的镜片。
　　2018年，上海微电子才宣布量产90nm光刻机，可见核心零部件攻关有多难。
　　如果要将EUV光刻机的核心零部件全部攻关，抹除4代差距，所消耗的人力、物力、财力、时间将会十分庞大，因此没有5-10年时间，是无法达到EUV光刻机的水准的。光刻胶差距
　　光刻胶是芯片制造环节中最重要的化学原料之一。
　　目前芯片领域的光刻胶主要掌握在日、美企业手中，国内光刻胶尽管有了许多突破但差距仍然明显。
　　JSR占比28%，TOK占比21%，美国杜邦15%，信越化学13%，富士电子10%。除了美国杜邦，其余四家均为日本企业。
　　其中JSR、TOK的产品可以覆盖所有半导体光刻胶品种，是绝对的龙头，尤其在高端EUV市场高度垄断。
　　芯片制造中的KrF、ArF作为高端光刻胶，我国的市占率仅1%，而更高端的EUV光刻胶目前处于研发阶段。
　　如此巨大的差距需要多少年才能够追上呢？这似乎很难猜测。写到最后
　　近几年，我国在芯片领域快速发展，相继攻克了多个科学难题，在设计、制造、封测环节取得了不错的成绩，但深入下去发现差距仍然很大，尤其在高端领域。
　　如果说2025年，满足28nm以上成熟工艺的自给自足，我相信是能够做到的，甚至14nm都有可能做到。
　　但是7nm及以下制程，差距实在太大了。EDA软件、架构、EUV光刻机、光刻胶，其中任何一项，都需要下大力气才能攻克。
　　因此，高端芯片自给自足是一场旷日持久的战争，需要做好长期的研发投入、更多的技术积累、良好的人才培养机制。
　　我是科技铭程，欢迎共同讨论！