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天然砂斷供對台積電無影響,但這個斷供問題大了

2022-08-05社會

圖片來源@視覺中國

文|雷科技leitech

近期一則新聞可謂是引爆了我的朋友圈,作為對台灣方面的懲戒措施之一,中國大陸禁止了向台灣出口天然砂產品。而就是「天然砂」這三個字讓我不少朋友產生了一些奇怪的聯想,紛紛跑來問我這個天然砂會不會是造芯片的原料,是否意味著台灣的芯片產業會因此受到巨大牽連。

這種聯想其實有一定的道理,因為矽是半導體行業的基石,而沙子是提取矽的重要原材料,但是他們的出發點其實是錯誤的,並不是所有的沙子都是生產芯片的原材料。且目前國內的半導體行業實力並不算強勁,大部份廠商仍需要依靠台積電才能完成相關芯片的補給,直接「斷供」台積電,不管從哪個方面來看都說不過去。

借著這個機會,我決定給大家詳細科普一下有關芯片的制作流程以及中國目前的半導體行業是何情況,希望大家在看完這篇文章後能夠對該行業有一個更深刻的認知。

天然砂是什麽,跟造芯片有關系嗎?

半導體產業的原材料的確屬於天然砂,也就是俗稱的沙子,這一點確實沒錯。但是沙子其實也分很多種,包括河沙、海沙、石英砂等等。而此次大陸斷供的天然砂指的是那些依靠自然風化、水流沖擊等自然條件所形成的非金屬礦石,具體可以分為河砂、湖砂、山砂以及海砂。

而它的用途也相對比較單一,主要套用於房屋建設、道路橋梁工程施工的建築計畫,說它是建築的基石也不為過。

而真正能用來制造芯片的原料是石英砂,而石英砂又分為不同的等級,純度較低的普通石英砂只能用來制造玻璃,只有高純度石英砂(四個9以上純度)才適合用來生產晶體矽,而在晶體矽中也分為三六九等,只有純度極高的晶體矽才有可能成為芯片的生產原料。

光有材料自然也不夠,還需要一位專業的廚師才有可能烹飪出可口的菜肴,在拿到高純度的石英砂後,相關專業人員首先需要將高純度的石英砂進行提煉得到多晶矽,再進行溶解並加入矽晶體晶種後,才能形成圓柱形的單晶矽(矽晶棒)。矽晶棒還要再次進行研磨、拋光、切片等流程後才能得到矽晶圓片,也就是我們熟知的晶圓。

另外大陸出口給台灣地區的天然砂主要為機制砂,為礦山開采所得,跟石英砂幾乎無任何關聯。順帶一提,目前與晶圓相關的高純度石英砂的主要產地來自美國的斯普魯斯派恩地區,當然我們大陸地區也存在不少可挖掘的石英礦,不過由於勘測技術方面的差距,很難從中挖出半導體行業所需的高純度石英砂。

因此可以認為此次對台灣地區的制裁對當地的半導體產業毫無影響。至於網路上那些表示台積電和全球芯片市場要因此遭受巨大損失的言論,大家當個玩笑看就好。

國內的半導體行業再遭重?

從前文已經能看出此次台積電不會受到波及,貌似跟國內的半導體行業也毫無關聯,但實際上並非如此。截止發稿前,美國再次擴大了對國外公司的芯片制造裝置的禁令範圍,這裏的國外是指哪一國,不言而明。

而此次被禁的技術,學術名為Electronic design automation,即電子設計自動化,簡稱為EDA。它可以說是芯片設計師們的紙和筆,就像我們修圖需要PhotoShop、Lightroom一樣,它能夠幫助設計師更加高效地去測試芯片的可用性及穩定性,一旦失去該技術支持,產業下遊的積體電路、電子資訊和數位經濟都會崩潰。

此前美國已經禁止向國內銷售10nm以及更先進芯片的EDA工具,而在今天,這個限制被擴大到了14nm,且此次禁令中不但包括中芯國際,還包括大陸地區所有的芯片生產商,甚至台積電也在該名單當中。毫不誇張地說,該法案的出台會進一步削弱國內的芯片制造能力,起碼在五年之內不可能成為芯片強國。

此話並非電洞來風,根據概倫電子招股說明書中披露的行業數據顯示,三大EDA巨頭——新思科技Synopsys、鏗騰電子Cadence、西門子EDA(原明導Mentor Graphics)的全球市占率超過77%。在國內的市場份額更是超過了90%,一旦失去了這三家企業的支持,不少芯片廠商都會因此受到巨大波及。

更讓人心寒的是,根據業內專業人士透露,在未來的十年內,三巨頭依舊會占據市場主流,而國產的EDA工具幾乎不可能實作替代。

雖然中國涉及EDA領域的時間算比較早,從1986年開始就已經在研發自己的EDA系統,但由於各方各面的原因(主要是行業生態環境較差),在技術研發最佳化和產品驗證叠代速度上相對緩慢,導致目前整體行業技術水平與國際EDA巨頭存在很大差距,自給率很低。

舉個例子,在工藝制程方面,目前國內領頭羊廠商華大九天的模擬電路設計EDA工具除了在電路仿真工具方面達到了5nm,其他方面還停留在28nm的工藝水平,與主流的5nm工藝存在9年左右的差距(2013年是28nm普及的一年),更別說在今年就會有3nm制程工藝問世,屆時雙方的差距還會被進一步拉開。

雖說市面上的大部份電子產品都沒必要用上5nm甚至是3nm工藝制程的芯片,用28nm制程就能滿足大部份需求,但對於一個渴望在芯片領域做出成績的國家來說,想要靠落後的工藝制程完成彎道超車還是相當之困難的。

難道說國內的芯片行業真的就會就此停滯了?倒也不完全是,國外的此次禁令確實會讓國內半導體行業元氣大傷,但也不會就此徹底墜入低谷。但想要讓國內的EDA行業取得突破,甚至是趕上業界的平均水平,首先需要解決三個難題。

第一,由於國內使用者的版權意識不強,很多商業性的軟體都會被一些開發者給破解,再低價賣給相關企業,這不但會使得國外的EDA工具在國內的市場份額越來越高,也會大大降低國內EDA工具廠商的收入,畢竟一款便宜又好用的產品,誰能拒絕呢?

第二,需要擁有一套屬於國內使用者的操作習慣,由於國內大部份相關設計師都已經習慣了國外EDA工具的操作流程,國內的EDA廠商為了使得自家的產品能夠「完美替代」競品,只能透過借鑒國外的方式來打造,不但極其不利於自己創新,也會讓更多使用者認為國內的工具軟體確實是不如國外的。

第三,對於國內的EDA公司來說,想要進一步增大自家的市場份額,就一定要提前進入到學校以及相關培訓機構當中,讓那些還未成為專業設計師的使用者優先使用自家產品,才有可能在之後的競爭中擁有一定優勢。

因此我們想要打破國外對國內半導體行業的限制,一方面需要加大人才的培養和引進。根據統計,目前國內芯片自給率約為16.7%,我們的計劃是到2025年實作70%的自給率。不過,清華大學教授王誌華表示,要實作這個自給率,人才數量必須翻4.5倍。我們在半導體人才上缺口很大,還是要加大力度培養,時間長點也沒關系。

另一方面還要重視技術的研發,對於芯片產業鏈要大力扶持,缺什麽就及時補上,為他們準備最好的研發環境。一項項來突破,相信一定可以造出更好的芯片。

雖然我們在芯片領域已經落後世界很多年了,在短時間內也很難達到業界水平,但相信在中國人民的努力拼搏下,在未來一定可以實作技術超越。