浅析国产芯片的突围之路_风闻

一、引言。

前些日，华为Mate60突然未发先售，多项技术如平地惊雷，剑指昔日“卡脖子”的外国友商：卫星通话，让苹果三星黯然失色；7nm芯片，引光刻巨头拆机鉴赏。而其中的芯片，不仅是华为曾经的痛，更如一片阴霾笼罩于我国每个涉足高端制造的企业之上。长久以来，国外芯片大厂凭借起步较早的优势，牢牢垄断着高端制芯上游专利。国内对芯片需求大的企业一旦发展过快，对方便会借此扼住关键命脉，阻止中方企业对其实现超越。

我国从上世纪便对芯片产业进行了布局，成立于21世纪之初的中芯国际更是在芯片制造上取得了一定成绩，可实现14nm芯片量产，及7nm芯片制造。但若想实现进一步突破，光刻机成了最大难题，特别是高精度的EUV光刻机（极紫外光刻），遭到了美国严格的进口禁令。

而华为Mate60所搭载的7nm芯片，正代表了我国突破封锁、实现高端芯片量产的里程碑式突破，网络上更是出现了国家用“光刻厂”代替EUV光刻机的传闻。实际上，这个“光刻厂”是由清华相关团队提出的SSMB-EUV光源技术（高能加速器产生极紫外光源），目前尚在建设，还未至量产芯片阶段。华为的7nm芯片大概率是由DUV光刻机（深紫外光刻，比EUV次一级）结合多重曝光等技术刻出的，这种方法虽然能造出7nm芯片，但会使良品率下降，且极难再向更小制程的5nm、3nm突破。掌握EUV光刻技术或替代方案SSMB-EUV光源技术，仍是我国芯片迈向高端化的最关键难题之一。

那么，当前国内外芯片市场格局如何？EUV光刻机为何是高端芯片制造的关键？SSMB-EUV能否带领国芯突破重重封锁？本文将主要围绕这三点来进行解读。

二、国内外芯片市场格局。

 （数据来源：美国半导体协会）

从2022世界各国/地区芯片生产价值占比来看，美国独占48%，接近全球总量一半，拥有英特尔、高通、博通等诸多顶尖芯片制造厂商，覆盖微处理器、计算机、移动通信等领域；韩国位居第二，拥有19%份额，其三星、海力士在手机、存储芯片领域位于世界前列；日本和欧盟同为9%，分别拥有瑞萨、索尼，意法半导体、荷兰ASML等老牌芯片领域厂商；此后为中国台湾，占比8%，拥有台积电、联发科两大知名芯片制造商；中国大陆生产芯片价值占比最少，仅7%。一方面是由于生产量不高，受众多外国品牌压制，2022年占全球总量约16%；另一方面是国内芯片产业整体起步晚，偏向于生产低端芯片，单品价值低。但值得肯定的是，近年来本土芯片品牌如中芯国际、紫光展锐、华为海思等正呈加速发展之势，为我国实现弯道超车积累技术基础。

（数据来源：TechInsights）

2022年总计5286亿美元的国际芯片市场中，我国拥有1644亿美元市场规模，占比超31%，在全球地位举足轻重，更是各大芯片厂商的重要收入来源。然而，国内市场份额，却多数流向了外来品牌，本土企业所生产的芯片在国内市场占比偏低。

（数据来源：TechInsights）

2022年，我国所生产的芯片价值约300亿美元。其中，接近一半（148亿美元）是由在中国大陆设厂的外资企业生产的，本土企业生产芯片的价值为152亿美元，仅占国内市场总价值的9.2%。

国内外市场的不利现状，表明国产芯片的高端化量产迫在眉睫，这对于夺回市场主导权、解决卡脖子难题、乃至国家战略性发展都具有重大意义。

华为Mate60所使用的国产7nm芯片，便是提振行业信心、反制国外垄断的“第一枪”。全球权威半导体行业观察机构TechInsights的副主席评价称：“令人叹服的质量水平，是我们始料未及的，它肯定是世界一流的。”“距离最先进的技术仅在2-2.5节点范围内。”而要实现进一步的突破，在芯片领域做到遥遥领先，便绕不过EUV光刻机这一关键技术。

三、EUV为何是高端芯片制造的关键？

 芯片制造主要有八个基本步骤：晶圆加工、氧化、光刻、刻蚀、薄膜沉积、互连、测试和封装。一套完整工序下来，原材料（石英沙）便脱胎换骨，成为人类智慧的结晶--芯片。

以上各个工序，我国其实皆有涉足，且部分工序已在国际上具有一定竞争力。如刻蚀领域，中微公司制造出成熟的5nm刻蚀机；测试、封装领域，本土企业更是在2022年全球前十强中占据9席，技术实力跻身前列。其他领域，虽或多或少与欧美发达国家有一定差距，但也都有可投入使用的国产品牌。

这么一看，我国芯片产业也并不是毫无战力，那又为什么会被“卡脖子”呢？这主要就是因为芯片制造工序中的“光刻”技术壁垒高、研发周期长，尤其是EUV光刻机。这里简单解释下相关名词：EUV（极深紫外光）波长为13.5nm，次一级的DUV（深紫外光）波长为193nm。波长越短的光，可以刻出越小的晶体管。晶体管即是芯片上的电子元件，它的体积越小，在同面积下芯片所能刻出的数量就越多，芯片的性能也就越强。想要生产更先进制程的芯片，就需要EUV光刻机，或同波长水平的替代技术。

目前，我国只能制造DUV光刻机，能制造EUV光刻机的在国际上仅有荷兰ASML一家。而ASML更像是一个外包商，EUV光刻机的零件仅有15%是其自主生产，核心专利也大多来自美国能源部。同时，还有韩国三星、中国台湾台积电、德国蔡司等企业也提供着不可或缺的技术支持，任何一家退出就造不出EUV光刻机。所以，我们说的“卡脖子”其实是众多国家卡ASML，再由ASML卡我们。

那么，正题来了，为什么EUV光刻机这么难造？因为其技术之精密繁杂，达到了难以想象的程度。这里仅描述最为核心的两点，一是光源，二是光学系统。

光源，也就是上文频繁提到的极深紫外光。ASML的做法是用高功率的激光轰击锡元素来产生极深紫外光源。听起来平平无奇，展开讲讲就很夸张了：首先要让一束激光准确击中处于高速运动状态、且直径只有7.5-13um（约三千万分之一米）的锡滴，使其形状变为近似饼状；在饼状形态维持的一瞬间，立即用第二束激光轰击它，便可将锡滴瞬间加热至50 万度+，使其释放波长 13.5 纳米的极深紫外光。而要持续稳定产生这种紫外光，需要以每秒钟大约 5 万次的频率准确轰击锡滴。

有了稳定的光源后，还需要用一套难度不遑多让的光学系统来收集、控制光源，才能使光源“指哪打哪”。目前可为EUV提供配套光学系统的只有德国的蔡司，其中所用的镜片可称得上是目前人类所生产出的最光滑的物品，镜面起伏仅约1个原子的直径，接近物理意义上的绝对平整。通过11枚镜片组成的光学系统，对极深紫外光进行收集、反射，最终将光源变成一把可控的“刻刀”。

当然，以上只是EUV光刻机中的一部分，从上个世纪到2019年，历经20余年，欧美等国才联合生产出了第一台可进行商业生产的机器。面对这样的技术壁垒，我国要实现从0到1可谓难于上青天。

然而，SSMB-EUV的出现让事情出现了转机。既然美国用制造难度高的EUV卡我们，那我们何不用制造难度低、且能达到同级别波长的新技术，来个轻舟越过万重山？

四、SSMB-EUV能否突破封锁？

答案是肯定的！

首先，从客观上看，SSMB-EUV自身拥有无可比拟的优势。它不仅能产生与EUV同波长的极深紫外光，且能够从两方面对EUV进行巨大优化。

其一，光源功率遥遥领先。目前EUV光刻机的功率偏低（250W），虽然可进行3nm芯片加工，但成本偏高，难以将成果广泛应用于各行各业。而SSMB-EUV的稳态微聚束方式理论上可达（10KW），是EUV的40倍，可以合理成本进行3nm、2nm、乃至更小制程的芯片制造。

其二，光学系统难度大幅降低。由于SSMB-EUV光源的纯净度高，理论上只要3块反射镜，且镜片面积仅需EUV的十分之一，就可完成对光源的收集、控制。值得一提的是，面积仅需十分之一并不代表难度只减少了10倍，这类尖端科技每进一小步都会有几何式的难度上升，十分之一带来的很可能是近百倍的优化。

而从主观上来看，SSMB-EUV的研发环境极具紧迫性。美国的技术封锁一方面暂时限制了我国迈入更高端芯片制造领域，另一方面也倒逼国内企业全力攻向技术研发。从2020年美国禁止代工厂芯片供给华为至今，3年时间，我们成功实现了7nm芯片的国产化量产。在亿万国民、及众多业界先驱的热切关注下，研发SSMB-EUV已不单单是某个机构、某个企业的任务，而被赋予了民族振兴的希望。下一个3年，国产芯片又会有怎样的新突破？7nm量产成熟化？更高端芯片领域？这些我们尚未可知，但可以相信的是，集中华之力，必能创国芯辉煌。当那一天到来时，曾被“卡脖子”的我们也能在芯片领域自豪地喊出“遥遥领先”！