中国芯能否登顶？从芯片产业发展史找答案（下）_风闻
跟陶叔一起学-IT专家-听陶叔聊各种知识与学习感受，解决一些问题2020-06-07 08:44
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四、三条经验与两条规律
在解释为什么我们能赢之前，我们先把六场芯片行业战争给我们的历史经验做一个总结：
1. 芯片行业战争是技术路线之争。技术路线涵盖广泛，包括材料、工艺、结构、设备等，任何一个选择错误，都会给企业带来灭顶之灾。而行业的特点又决定了，每隔18-24个月，芯片企业的决策者们都要像拆弹专家一样，面临剪红线还是剪蓝线的抉择。做出正确抉择的背后需要深厚的理论与技术储备，也需要对市场规律的深刻体悟。因此芯片行业是高度知识密集型行业，对人才永远处于饥渴状态。
2. 芯片行业战争是经济体制之争。在美国芯片企业发展过程中，自由市场发挥了重要的作用。在市场繁荣的环境里，在风险资本的支持下，人才、技术充分流动，优化组合，加快了新技术、新产品的形成，加速了企业的生长周期。但是这样的经济体制并不是完美的，更不是无懈可击的。在遭遇东亚三国的竞争时，有政府参与的经济行为表现出来的组织性与战斗力，让美国芯片企业吃了大亏。中国、日本不用说了，政府作用是在明面上的。韩国虽然看似是三星这家企业在参与战斗，但别忘了韩国的别称是“三星共和国”。三星能够调动的资源不是仅仅一家企业能够相比的。就连台湾地区的台积电背后也不缺少台湾当局的影子。你可知道台湾当局曾经抄日本的作业，推出一模一样的VLSI计划？你可又知道台积电新增晶圆厂会消耗台湾新增电力的1/3？你可还知道台湾平均每1000平方公里，就有一座大型晶圆厂，是全世界晶圆厂最密集的地区？东亚三国虽然是芯片产业的后发者，但是经济体制的优势使得其芯片企业成长极快，竞争力惊人。这说明东亚三国采取的经济体制是行之有效的。这个结论纵览芯片产业发展史是不难得出的。再反过来看美国政府在芯片产业发展过程中所起的作用，它采取的是放任自流的态度，说是自由市场的忠实信徒也好，说是小政府缺乏经济引导能力也罢，它并没有对美国芯企提供足够的发展保障与有效约束。而当美国芯企在竞争中落败时，它又“自由去踏马，盟友算几把”以国家安全为借口横加制裁。但就算当年那一战，美国凭借霸权把日本干趴了，但是失去的市场份额并没有回到美国。后续又有韩国、中国台湾、中国大陆的不断崛起与挑战。美国芯企无论再如何努力创新，却始终是在不断失血，这个现状是非常明显的。虽然当前美国国势还处于强盛之中，虽然美国社会还有丰厚的家底与充沛的创新源泉，但如果美国政府不改变经济体制，改变粗放的经济管理方法，协调经济社会力量，认真解决一些根本性问题，那么下滑的趋势是确定无疑的。美国政府在经济竞争中所起的作用就像是一个混社会的家长，家里很豪横除了给钱平常也不管孩子，好在孩子自己努力上进。但突然有一天发现孩子被欺负了，他能做的是找上人家去把对方揍一顿出气。如果哪天他碰上一个揍不动的呢？
3. 芯片行业战争是综合国力之争。芯片产业代表了当前人类科技的最高水平，也是人类社会重要的基础设施。芯片技术的产生与发展源自国家的科技、经济与社会积累，芯片企业的发展壮大离不开政府的保驾护航。日本芯企挑战美国芯企失败，根本原因不是技术不行，而是综合国力差得太远。技术上打不过，美国就用国力来压死。日本的科技力量源自美国、经济运行绑定美国、安全保障依靠美国、产品市场也在美国，拿什么跟人家斗？韩国与台湾地区则自愿服低做小，换来美国的不杀之恩。不就是跪着挣钱嘛，不丢人。而当历史的舞台上出现中美相争时，过去的经验与做法都不具备参考价值了，因为国力不一样，双方能打的牌不一样了。至于该怎么打，我们还是放在后面再说。
从芯片产业发展史中，我们还可以发现两条规律始终在起作用：
第一条是市场规律。市场是芯片产业发展的决定力量。市场是技术演进的原动力。市场需求逼迫着企业以更高效、更低成本的方式提供更好的产品，适应这种要求的企业才能长久。无论是从电子管到晶体管的升级换代，还是集成电路与微处理器创造新的产业，都是适应市场需求的结果。市场是旧有格局的破坏力。在市场需要面前，专利、产业联盟、高昂成本等壁垒都不是不可逾越的天堑。所有造成创新停滞的壁垒最后要么摧枯拉朽般攻克，要么弃之敝履般绕过。Wintel联盟建再高的堡垒又有何用呢？移动互联网的新战场它俩连下场的份都没有。市场是后发国家的支撑力。后发国家的芯片产业需要一个足够大的市场支撑发展，中国的芯片产业因为依靠一个庞大且充满活力的市场才能快速而又持续的发展，这是日、韩、台湾地区的芯企无法相比的优势。
第二条是行业规律。芯片产业一直处于技术扩散、产业分化的趋势中。芯片产业的技术与技术人才都是在不断地从一家企业扩散到另一家企业，从一个国家扩散到另一个国家，这种趋势一直没有停止。有没有一直牢牢攥在一家企业中的技术呢？可能有，但在摩尔定律的裹挟下，技术的保鲜期非常短。保守技术不如在有价值的时候卖个好价钱，这个账企业是能算清的。行业的特点又决定了企业成本越来越高，只有通过集中化、专业化才能保证行业的正常发展，这是行内企业不得不做出的选择。而在这个分化过程中，向哪里集中，又是由市场规律所决定。
有了芯片产业发展史的三条经验与两条规律，我们就可以回答两个问题：
五、为什么我们能赢？我们怎样能赢？
其实这两个问题属于两个不同层面。第一个问题是战略层面，综合判断给出定性的答案。第二个问题是战术层面，具体分析给出对策性方案。
对第一个问题，我们从历史可以知道，美国这次打中国华为和三十年前打日本芯企，所用的理由与思路是一脉相承的。但中国不同于站起来又跪下的日本，也不同于一直就跪着的韩国与台湾地区，中国可以动用的力量完全不一样。
首先，中国可以依靠自身市场的力量。当年日本芯片企业能够崛起，政府参与的经济体制起了关键的作用。而其失败除了政治上的原因，自身市场小依赖美国市场是一个重要的因素。美国一旦对日本关闭市场，日本的产品根本就无处消化，与其被迫削减产能还不如主动投降留一线生机。而中国经济体制的优势只会比日本强，这不用多说。更重要的是中国市场足够大。当今世界电子产品三大市场：中国、美国、欧洲。中国是其中最大的单一市场。这个市场除了足够广阔能消费海量的产品，更重要的是它高度繁荣，而且需求最鲜活多变激励着企业不断的创新。中国消费类电子产品以及对应的芯片产品创新已经是世界上最活跃的，这点从中国拥有最多的手机国际大品牌，每年发布最多的新款就可以看出。许多新颖的手机功能往往都是中国厂商抢先一步发布。虽然中国厂商现阶段的创新多是应用层面创新，但从历史的角度来看，中国现在所处的阶段与美国二战之前非常类似。中国的市场持续提供能量，使中国企业始终保持旺盛活力，可能某个历史机遇就可以完成最重要的蜕变。“好风凭借力，送我上青云”！而那时就是中国企业包括芯企登顶之时。
其次，中国可以团结世界的力量。这个世界分为美国的盟友与非盟友。非美国盟友的国家不用多说，中国企业与中国产品不会受到什么阻碍，更多考虑如何进一步深化开拓。而美国所谓的盟友，有的是友有的是狗。如果是狗就要打狗，如果是友就要撬走。美国要求盟友对华为统一行动，但实际上响应的并不多，说明并不是铁板一块，中间存在着裂隙。这次美国对疫情的处理，对美国黑人抗议的镇压，许多盟友已经明确表达失望。美国与盟友之间的裂隙会越来越明显，存在很大操作空间。
通过团结世界，我们就可以击破美国的妄想：让中国脱钩。美国现在对华为的禁令其实是对中国完全脱钩的预演。让华为不能使用美国的技术，是对市场与行业规律的双重违背。当今世界的芯片产业链是很多国家很多企业共同打造的技术生态，早已不再是美国一家的贡献。例如在最先进的代工生产线上，美国技术占比不到10%，这就行业规律作用的结果。芯片产业极其依赖规模效应，如果销售额下降，资金收不回来，企业将有非常大的经营风险。美国用蛮横的政治手段不让芯片企业赚华为的钱，又没有相应的补偿措施，在市场规律的驱使下，资本家自然要下决心尽量规避美国技术。违背规律的蛮干，等于美国自己把市场机会让给了别人，最后结果不是中国脱钩，一定是世界脱美！当中国与世界进一步整合，实现市场与技术的完全顺畅交流，就是我们胜利之时。
最后，中国可以发动企业的力量。中国在发展的过程中，以美国为首的西方国家一直是制裁、封锁声不断，因此中国患上了“产业链条缺失恐惧症”。几十年下来，弄成了世界上最完整的产业链。而在发展芯片产业的过程中，对企业门类的选择根本与日、韩、台湾地区不一样，不是搞什么单点突破、打造局部优势，而是我全都要！
经过多年的发展，通过培育本土半导体企业和国外招商引进国际跨国公司，国内逐渐建成了覆盖设计、制造、封测以及配套的设备和材料等各个环节的全产业链半导体生态。大陆涌现了一批优质的企业，包括华为海思、紫光展锐、兆易创新、汇顶科技等芯片设计公司，以中芯国际、华虹半导体、华力微电子为代表的晶圆制造企业，以及长电科技、华天科技、通富微电、晶方科技等芯片封测企业。
国内半导体产业链相关公司
虽然每个领域目前都不拔尖，但是内部联动共渡难关已经完全没有问题。去年华为没有被列入实体清单前，很多人还在鼓吹美国的自由市场理念。等到不断有企业进实体清单，杂音马上就没有了，企业家集中注意力在如何少用美国技术与产品，避免陷入被动。今年美国禁令再加码时，行业内其实并没有引起太多议论，因为早就料到了。美国一次教育行动，效果比领导喊话十几年都好。少用或不用美国技术，结果只有两个，改用其它国家技术或自研。
中国芯片行业的企业，如果不想倒在美国的制裁下，还想在市场中存活下来，必将对技术加大重视与投入，产业也将在压力下进行重塑，这将会蓄积起难以预料的力量。而当我们的企业摆脱外部的依赖，以创新能力形成自主的技术体系，并最终成为世界新的科技源头时，那就是我们胜利之时。
这三个方面，是依据历史规律做出的定性分析，只能判断出什么会是符合规律的发展方向。至于要花多长时间能够实现中国芯片行业登顶？五年？十年？二十年？这是无法预测的。历史的发展有必然性，也有偶然性。我们只能判断历史的大方向，偶发的大事件谁也做不到未卜先知。谁又能知道2020年会以一场疫情开始？谁又能知道强大如美国居然成了世界上疫情最严重的国家，何时结束都无法判断？谁又能知道一个黑人的枉死能让美国陷入全国性的混乱？我们不能预知偶然，我们只有信心我们自己能越来越好！
对第二个问题，我们需要把它细化为三个更具体的问题，分别是：
1. 华为怎么办？
2. 芯片产业差距太大怎么办？
3. 缺乏技术能力、没有理论储备怎么办？
华为怎么办？这个问题其实已经有很多文章讨论过了，华为对各种情况也早已做过预判，不用过多担心。华为与中芯国际是中国芯片企业的两只领头羊，无论如何也要保住。如果华为真地撑不住了，中国政府早就会出手了，但现在还没有，这就说明新的禁令并不能置华为于死地。突破封锁的办法有的是，小招与大招都有，这里就不一一列举。
芯片产业差距太大怎么办？实事求是地说，除了华为的芯片设计水平已经跻身世界领先水平，中国芯片产业在各环节都有较大的差距，要正视差距。要解决则有两条策略：
一是紧追现有先进技术。对于我们来说，现在是重要的历史机遇：摩尔定律的极限在逐渐逼近。硅原子的直径为0.1纳米，再缩小晶体管制程，沟道的构成将从几十个原子变为十几个原子，这中间每一步的技术难度都将以几何方式增加。因此现在先进制程的发展速度在减慢。领先者在减速，而追赶者在加速。中芯国际在新的联席CEO梁孟松到任以后，已经跳过22纳米、16纳米，直奔14纳米。中芯国际第一代14纳米FinFET技术在2019年进入量产，在第四季度达到了晶圆收入的1%。预计在2020年，14纳米工艺将会稳健上量。而第二代FinFET技术平台也会持续迎来客户导入。相信中国队伍与世界先头部队胜利会师的那天应该不远了。
二是抓住下一次技术革命的机会。摩尔定律逐渐失效不一定是其本身的问题，市场对更高性能的芯片的需求依然如故。如果有人嫌芯片速度太快，就和说5G无用是一样的无知。我们还有多少能想象出来的未来世界产品用现在的芯片无法实现。市场的需求并未满足，技术进步脚步是不会停下来的。那么就有一种可能，不是摩尔定律走到尽头，而是现有技术路线山穷水尽，要由新的结构、新的材料甚至新的器件来代替。试着给大家列举几项未来可能采用的技术：
环绕式栅极晶体管（GAAFET，Gate-All-Around FET）。GAAFET是对FinFET技术路线的进一步延展。FinFET是将晶体管从平面改为立体，已经历16纳米/14纳米、10纳米/7纳米、5纳米三个工艺节点。在衡量技术成熟度、性能和成本等因素后，台积电的3纳米制程首发也将沿用FinFET晶体管方案。而3纳米以下，FinFET逼近物理极限，GAAFET将成为新的技术选择。比FinFET的立体结构更进一步，GAAFET的沟道被栅极四面包围，沟道电流比三面包裹的FinFET更加顺畅，能进一步改善对电流的控制。三星、台积电、英特尔均引入GAA技术的研究，其中三星已经先一步将GAA用于3纳米芯片。三星采用的GAA技术名为多桥通道FET（MBCFET，Multi-Bridge Channel FET），这是一种纳米片FET（nanosheet FET）。不过纳米片FET现在并不成熟，还有许多难题需要攻关。
从平面场效应管到FinFET再到GAAFET的演变
碳纳米管。自从1954年硅晶体管取代锗晶体管以后，半导体技术所用材料绝大多数是硅或硅的化合物。但硅材料的使用眼看就要到极限，有没有新材料代替？在元素周期表上，锗、硅、碳属于同一主族，所以很自然的问题就是，碳能不能用？以前人们知道的碳材料有石墨、金刚石和无定形碳，但它们都不适合作为半导体材料。但后来人们发现了碳纳米管，在原理上它可以使用，而且在不少方面还优于硅。真正的困难是加工工艺，要制造出粗细一致并且排列均匀的碳纳米管现在还有挑战。其它还在研究的新材料包括过渡金属硫化物（Transition-Metal Sulfdes， TMDC）。
各种材料性能对比
光子芯片。电子芯片技术越来越难有突破，重要原因是热量。这是由于电子穿过芯片上的铜导线时遇到电阻而产生的。与电子不同，光子没有电阻概念。由于它们没有质量或电荷，它们在经过的材料中的散射较少，因此不会产生热量，从而减少能量消耗。此外，通过用光通信代替芯片内的电通信，可以将芯片内部和芯片间的通信速度提高1000倍。光子芯片或许将会是未来最适合用作AI计算的硬件架构，这是因为光的特性先天适合AI计算里最重要的线性计算部分，也就是高维度的并行计算。自从晶体管1947年发明，已经有70多年没有革命性的器件发明了，光子芯片会不会就是下一个？
量子芯片。量子计算并不是对现有电子计算的全面取代，而是一种全新的计算模式，服务于特定的问题。量子计算的处理器，即量子芯片集成有大量的量子逻辑单元，可以执行量子信息处理过程，在诸如量子化学模拟、量子人工智能等诸多领域具有巨大的潜力，有望突破传统计算机的算力极限。目前，超导系统、半导体系统、离子阱系统等，都有相应的量子芯片研究，并正在往大规模集成的方向摸索。目前，基于超导约瑟夫森结（Josephson junction）体系的技术路线在当前阶段走在了前面，但近年来基于半导体量子点的技术也发展迅速，未来的量子计算机究竟采取哪种技术路线尚未有定论。
以上这些研究方向中未来可能成为现实，从而颠覆现有的芯片产业格局，这样的事件在芯片产业发展史上一再出现。对于新的技术革命，所有参赛者可能又回到同一起跑线，从而给后来者超越的机会。
缺乏技术能力、没有理论储备怎么办？我们还是要从历史中找到答案。美国科技从世界边缘走向中心，是从应用研究向理论研究逐步提升的，这是一个必然的过程。日本、韩国、台湾地区技术与人才初期都是从美国引进，后续才培养出自己的人才队伍，创造出自己的技术。这条路我们需要同样走一遍。技术转移、吸收、消化再创新要毫不动摇地走下去。以中芯国际为例，台积电最早的六名技术骨干中蒋尚义、梁孟松、杨光磊先后任职，为中芯技术提升做出了重要贡献。相信我们自己的工程师不会比任何人差，能在学习追赶的过程中快速成长。而理论及科学家的储备需要时间。一方面如华为全球重金招募科学家，这是在全球化时代非常聪明的做法，为企业发展节省时间，同时也能极大促进中外的科技交流。另一方面，在理论研究方面国内也已经开展多年有了许多重大的成果。如不久前报道的北京大学电子系教授、中科院彭练矛院士在碳米管研究上取得的突破，中国科学技术大学郭国平教授也在量子芯片研究上取得重要进展。这些成果都是厚积薄发才取得的，类似的理论研究还有许多，相信我们会不断收获惊喜。
说了这么多，就是希望大家能从芯片产业发展历史中得到启示，历史的车轮受规律的约束，历史往哪里走，不是由某个强权说了算。阻挡历史的前进或强行改变历史发展的方向，其结果不过是粉身碎骨。倒行逆施正说明对手日暮途穷。对那些还怀着帝国春梦的美帝老打手们，就需要用事实让他们明白，时移世易，换了人间！身处历史大变局的我们，可能正在感受着巨大的压力。但是如果再过十年、二十年或者更长的时间，回顾这段历史的进程，我们是否又该庆幸曾经参与历史创造历史，骄傲地反复回味这一过程中的点点滴滴呢？坚定信心去迎接胜利吧！
最后再给大家提一个新闻。美国国会提出了《无尽前沿法案》（Endless Frontier Act）将向国家科学基金会（National Science Foundation）分5年注入1000亿美元，用于高科技领域研究以对抗中国。这说明美国人有了进步，政府开始主动作为推动科技发展。但另一方面，这个法案又受到了科技界人士的批评，认为其内容私心太重急功近利。不管其对错如何，中美在科技领域的竞逐都将加速推动人类科技的进步，我们还是以积极的眼光去看待。同时法案中列出的十大科技领域也是给了我们方便，这就是个寻宝图嘛：
人工智能和机器学习
高性能计算、半导体和先进计算机硬件
量子计算和信息系统。
机器人、自动化和先进制造
预防自然或人为灾害
先进的通信技术
生物技术、基因组学和合成生物学。
先进的能源技术
网络安全、数据存储和数据管理技术
与其他重点领域相关的材料科学、工程和勘探
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