1977 年 8 月，30 位科技界代表受邀參加在人民大會(huì)堂召開的科教工作者座談會(huì)。
在這場(chǎng)大會(huì)上，中國半導(dǎo)體的奠基人王守武發(fā)言說：“全國共有 600 多家半導(dǎo)體生產(chǎn)工廠，其一年生產(chǎn)的集成電路總量，只等于日本一家大型工廠月產(chǎn)量的十分之ー。”
這句話，把改革開放之前中國半導(dǎo)體行業(yè)的成就和家底概括得八九不離十。
實(shí)際上，中國芯片行業(yè)的起步堪稱“夢(mèng)幻開局”。
一 中國半導(dǎo)體 50 年：從激蕩到沉寂
1955 年 2 月，也就是“一五”期間，北京大學(xué)就開設(shè)了中國最早的半導(dǎo)體課程，負(fù)責(zé)人是楊振寧的大學(xué)好友、享譽(yù)世界的頂尖物理學(xué)家黃昆，以及后來中國半導(dǎo)體之母謝希德。
1957 年，京東方的前身——北京電子管廠拉出了中國第一根鍺單晶，同年，王守武、王守覺這對(duì)兄弟科學(xué)家研制出了中國最早的半導(dǎo)體器件 — 鍺合金晶體管。
這距離美國人發(fā)明世界上第一個(gè)晶體管剛好過去了 10 年�？紤]到當(dāng)時(shí)新中國僅僅成立了 8 年，不管是物質(zhì)基礎(chǔ)還是理論研究都極為薄弱，所以這個(gè)成績(jī)已屬難得。
1965 年 9 月，在上海冶金研究所和上海元件五廠共同努力下，研制成功了中國第一塊集成電路。這個(gè)成績(jī)比美國晚了 7 年，和日本相當(dāng)，甚至比韓國還要早了 10 年。
進(jìn)入 70 年代，中國半導(dǎo)體也取得了不俗的成就，例如 1975 年，北京大學(xué)的王陽元等科學(xué)家，設(shè)計(jì)出我國第一批三種類型的 1K DRAM。比美國晚五年，比韓國、中國臺(tái)灣早五年。
1978 年，中國又研制成功了 4K DRAM，次年量產(chǎn)，達(dá)到了世界先進(jìn)水平。直至 1980 年后，韓國、中國臺(tái)灣地區(qū)才在美國技術(shù)轉(zhuǎn)移下，獲得了 DRAM 技術(shù)突破，這才實(shí)現(xiàn)了反超中國大陸。
甚至上海冶金研究所制造的離子注入機(jī)由于性能優(yōu)異，還出口到了日本等國家和地區(qū)。
而現(xiàn)在被“卡脖子”的光刻機(jī)，中國也曾經(jīng)走在世界前列。
1972 年，武漢無線電元件三廠編寫的《光刻掩模版的制造》，這個(gè) 66 頁的小冊(cè)子標(biāo)志著中國芯片光刻工藝研究正式起步。這個(gè)時(shí)間比美國稍晚，跟日本差不多同時(shí)，比韓國、臺(tái)灣要早了 10 年。
而在 1965 年，中國科學(xué)院研制出 65 型接觸式光刻機(jī)。1970 年代，中國科學(xué)院開始研制計(jì)算機(jī)輔助光刻掩模工藝。
清華大學(xué)研制第四代分步式投影光刻機(jī)，并在 1980 年獲得成功，光刻精度達(dá)到 3 微米，已經(jīng)接近國際主流水平。
這個(gè)時(shí)候，未來的光刻機(jī)巨頭 ASML 還沒誕生，光刻機(jī)行業(yè)的領(lǐng)頭羊還是還是日本尼康和美國的 GCA。
然而，隨著改革開放，中國半導(dǎo)體行業(yè)反而進(jìn)入了低谷期。
舉個(gè)例子，上海無線電十四廠在 70 年代末是國內(nèi)主要的計(jì)算器集成電路廠家，其設(shè)計(jì)的 1024 位移位存儲(chǔ)器，集成度達(dá) 8820 個(gè)元器件，和國外幾乎沒有技術(shù)代差。但是 80 年代初，由于國外計(jì)算器進(jìn)入國內(nèi)霸占了市場(chǎng)，十四廠從連年盈利陷入虧損的境地。
而制作了中國第一塊集成電路的上海元件五廠，1980 年利潤高達(dá) 2070 萬元，職工人均利潤 1.5 萬元。即使是 1985 年，上海元件五廠的產(chǎn)值仍然高達(dá) 6713.1 萬元，利潤達(dá) 1261.4 萬元。
然而到了 1990 年，上海元件五廠產(chǎn)值下降至 1496 萬元，利潤竟然僅有 2.47 萬元，全廠 1439 人，人均利潤僅有區(qū)區(qū) 17.16 元。
熬了沒幾年，這家中國半導(dǎo)體曾經(jīng)風(fēng)光無限的的龍頭企業(yè)，就破產(chǎn)倒閉了。
而中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)在當(dāng)時(shí)的“敗走麥城”，普遍認(rèn)為有三個(gè)原因。
首先，國外產(chǎn)品的進(jìn)入，大幅度擠壓了中國自主設(shè)備和自主研發(fā)的生存空間。
生產(chǎn)企業(yè)只顧引進(jìn)外國設(shè)備，以期盡快投產(chǎn)盈利，缺少科研資金對(duì)外國技術(shù)進(jìn)行消化吸收。
在六十年代，中國科研投入占 GDP 的 2.32%，然而到了 1984 年，科研經(jīng)費(fèi)占 GDP 比值驟然降到 0.6% 以下，半導(dǎo)體研發(fā)逐漸開始走下坡路。
其次，生產(chǎn)端出現(xiàn)了引進(jìn)即落后、重復(fù)投產(chǎn)等問題。
例如在六五 - 七五期間， 全國有 33 個(gè)單位不同程度引進(jìn)了各種生產(chǎn)設(shè)備 ，差不多引進(jìn) 24 條線的設(shè)備 。但其中大部分是國外淘汰下來的二手生產(chǎn)線，生產(chǎn)出來的產(chǎn)品遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后同期海外競(jìng)品。
最后，國產(chǎn)半導(dǎo)體科研雖強(qiáng)，但是商業(yè)化程度不足，生產(chǎn)出來的產(chǎn)品難以和國外產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)。
1970 年 - 1980 年期間，我國相關(guān)工廠每月只能生產(chǎn)幾百片 CPU 芯片，而合格的芯片僅有個(gè)位數(shù)，換言之良品率還不足 1%。而同時(shí)期美日每月產(chǎn)量接近百萬，而且良品率達(dá)到 80%-90% 以上。即使國產(chǎn)半導(dǎo)體性能能夠追上海外產(chǎn)品，但生產(chǎn)成本也要大大高于海外競(jìng)品。
在此前，國內(nèi)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)主要為軍隊(duì)、航天等部門提供芯片，因此產(chǎn)量和良率要求并不高，但是進(jìn)入市場(chǎng)化競(jìng)爭(zhēng)后，良率不足就大大拖累了國產(chǎn)半導(dǎo)體的銷路。
而國家高層也并不是沒有意識(shí)到中國在半導(dǎo)體芯片行業(yè)上的落后，展開了 1986 年的“531 戰(zhàn)略”，1990 年的“908 工程”，1995 年的“909 工程”三次技術(shù)攻堅(jiān)戰(zhàn)役。
不過，這三次戰(zhàn)役，并沒有產(chǎn)出太多的戰(zhàn)果。
從 1986 年到 1995 年，陸續(xù)誕生了無錫華晶、紹興華越、上海貝嶺、上海飛利浦和首鋼 NEC 等多家集成電路和半導(dǎo)體公司，其中首鋼還是從鋼鐵行業(yè)跨界到芯片行業(yè)的。
然而，除了無錫華晶在臺(tái)灣技術(shù)大拿張汝京的支持下成功投產(chǎn)并實(shí)現(xiàn)盈虧平衡外，其他幾家無一例外失敗了。
之所以屢戰(zhàn)屢敗，從首鋼 NEC 的發(fā)展歷程中或許可以窺見一二。
1991 年，首鋼喊出“首鋼未來不姓鋼”的口號(hào)，跨界進(jìn)軍芯片行業(yè)，與日本 NEC 成立合資公司首鋼 NEC。采用 6 英寸 1.2 微米工藝，生產(chǎn) 4M DRAM，后來升級(jí)到 16M。
但是，首鋼 NEC 自立項(xiàng)開始就存在一個(gè)嚴(yán)重問題 —— 技術(shù)完全由 NEC 掌控，主要客戶也是 NEC，首鋼 NEC 只是對(duì)著日本圖紙生產(chǎn)，不管是技術(shù)還是銷售都嚴(yán)重受限。
而技術(shù)被掌握在外資手上的代價(jià)，就是利益被侵蝕。
首鋼 NEC 建立時(shí)，首鋼占總股本的 60%，但之后為換取 NEC 的技術(shù)，首鋼占股由 60% 降到 49%，喪失了控股權(quán)，首鋼 NEC 淪落為了 NEC 全球業(yè)務(wù)中的一顆棋子。
而在 2001 年的半導(dǎo)體危機(jī)重創(chuàng) NEC 時(shí)，首鋼 NEC 也立刻陷入了銷量困境。
這還不算完，當(dāng)時(shí)首鋼和 NEC 合資時(shí)，雙方入資總額只有總投資額的 30% 左右，其他資金基本來源于銀行貸款。
背著沉重利息負(fù)擔(dān)的同時(shí)又遭到了嚴(yán)酷的市場(chǎng)打擊，沒幾年首鋼就宣布徹底退出芯片行業(yè)，首鋼 NEC 也成了 NEC 的代工廠，最終被關(guān)停。
連續(xù)數(shù)十年的失敗，再次揭示的亙古不破的真理：技術(shù)，要掌握在自己手上才安全。
二 危中有機(jī)，時(shí)代變化帶來的國產(chǎn)替換潮
雖然中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)在過去的幾十年間里屢戰(zhàn)屢敗，但是最近五年，卻反而絕處逢生。
早些年，不管是國內(nèi)企業(yè)還是政府單位，都不愿意使用國產(chǎn)的電子設(shè)備，因?yàn)檐浻布呐涮妆绕饑飧?jìng)品差距不是一點(diǎn)半點(diǎn)。
舉個(gè)例子，本世紀(jì)初的國產(chǎn)操作系統(tǒng)，有的連打印機(jī)驅(qū)動(dòng)都沒有，運(yùn)行辦公軟件都時(shí)不時(shí)崩潰，讓工作人員苦不堪言。
此前國家曾主導(dǎo)推動(dòng)操作系統(tǒng)自主化，很多單位檢查時(shí)用國產(chǎn)，檢查完就又把 Windows 請(qǐng)回來了。有些單位甚至為了用上 Office 等軟件，特意托關(guān)系說情。
這就導(dǎo)致了一個(gè)“死亡螺旋”—— 國產(chǎn)半導(dǎo)體、軟件因?yàn)槠鸩酵�，問題多，沒有多少人愿意用；而沒人買沒人用又進(jìn)一步導(dǎo)致國產(chǎn)產(chǎn)業(yè)鏈沒有后續(xù)資金來做技術(shù)升級(jí)，也難以發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品中的問題。之后就是一步落后步步落后了。
然而，從 2018 年美國制裁華為后，大家驚訝的發(fā)現(xiàn)，手上的電腦、手機(jī)和軟件貌似也不是那么靠譜了。
在全方位的封鎖下，華為連畫芯片圖紙的 EDA 軟件都沒法用了，更不用提有美國技術(shù)的海外代工廠了，整個(gè)企業(yè)的生產(chǎn)都到了岌岌可危的境地。
而美國的技術(shù)封鎖在幾年的時(shí)間里不斷升級(jí)，這就導(dǎo)致沒有被制裁的企業(yè)，也有了“早晚被制裁”的擔(dān)憂。各家企業(yè)都開始尋求備用方案，國產(chǎn)芯片和軟硬件也獲得了“備胎轉(zhuǎn)正”的機(jī)會(huì)。
這對(duì)國內(nèi)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)公司而言是千載難逢的機(jī)遇，自家的產(chǎn)品雖然羸弱，但也得到了進(jìn)場(chǎng)搏殺的入場(chǎng)券。
而中國又是半導(dǎo)體設(shè)備最大單一市場(chǎng)，哪怕國產(chǎn)企業(yè)能搶到一點(diǎn)點(diǎn)市場(chǎng)份額，也能讓企業(yè)有足夠的資金來完成之后的產(chǎn)品迭代。
而另一大機(jī)遇，就是全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)陷入了“技術(shù)瓶頸期”。
英特爾公司聯(lián)合創(chuàng)始人戈登 摩爾曾經(jīng)提出了一個(gè)著名的“摩爾定律”：當(dāng)價(jià)格不變時(shí)，集成電路上可容納的晶體管數(shù)目每隔 18-24 個(gè)月增加一倍，性能也將提升一倍。
然而，隨著晶體管數(shù)量的增加，芯片的功耗和熱量也大幅度增加，這對(duì)芯片設(shè)計(jì)和制造提出了更高的要求。
目前，晶體管數(shù)量的增長(zhǎng)速度已經(jīng)接近當(dāng)前工藝的物理極限，在過去的幾年中，晶體管數(shù)量的翻倍速度已經(jīng)從每 18-24 個(gè)月變成了每 2-3 年。
由于全球半導(dǎo)體行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步放緩，這給了國產(chǎn)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)追上來的機(jī)會(huì)。
三 彎道超車，不一定需要光刻機(jī)
對(duì)于芯片生產(chǎn)，光刻機(jī)是目前產(chǎn)業(yè)中不可缺少的設(shè)備。
光刻機(jī)是芯片制造中最龐大、最精密復(fù)雜、難度最大、價(jià)格最昂貴的設(shè)備，光刻成本占芯片總制造成本的三分之一，耗費(fèi)時(shí)間約占整個(gè)硅片生產(chǎn)時(shí)間的 40%~60%，而它也決定了芯片上晶體管能做多小。
光刻機(jī)最主要的作用，就是在晶圓上“蝕刻”出來晶體管。
芯片生產(chǎn)的流程，首先就是用等離子體物理沖擊或者化學(xué)藥水浸泡之類的辦法，在 wafer（硅晶圓）上制造溝溝槽槽，然后通過“掩膜板”進(jìn)行規(guī)劃，用光線把把晶體管的形狀“挖”出來。
芯片代工廠加工晶圓的步驟極為復(fù)雜，僅光刻這一步就要反復(fù)幾十次甚至上百次，一般需要多個(gè)光刻機(jī)配合操作。一個(gè)復(fù)雜的先進(jìn)制程芯片，用于光刻的一套光罩有數(shù)十個(gè)之多。
除此之外，EUV 反射鏡的制作也極其復(fù)雜，因?yàn)樗鼈兊谋砻嫘枰獛缀跬昝拦饣透蓛�，每個(gè)納米層都需要具有精確定義的厚度。每個(gè)原子都需要在正確的位置，否則可能會(huì)丟失光或圖像可能會(huì)變形。
這也導(dǎo)致 EUV 光刻機(jī)技術(shù)難度極大，目前全世界也僅有 ASML 這一家能生產(chǎn) EUV 光刻機(jī)，而 ASML 也是集合了歐美幾十家科技企業(yè)共同進(jìn)行了二十年的技術(shù)攻關(guān)才搞成功的。
不過，清華大學(xué)在幾年前嘗試一條從未設(shè)想過的道路 —— 穩(wěn)態(tài)微聚束（SSMB）：
相較于 ASML 極其復(fù)雜的“錫滴轟擊法”方案，SSMB 方案非常簡(jiǎn)單粗暴 —— 只需要一個(gè)直線加速器，讓電子束在其中以近光速的方式飛行，然后為它施加一個(gè)電磁場(chǎng)使其轉(zhuǎn)向減速，此時(shí)電子束會(huì)損失一定的能量，并且這個(gè)能量會(huì)以電磁波的方式傳出去。
而光也是一種電磁波，所以想要得到怎樣波長(zhǎng)的光，就只需要控制電子束的能量即可。
別說 EUV 光刻機(jī)使用的波長(zhǎng) 13.5nm 極紫外線了，5nm 波長(zhǎng)的軟 X 射線也不在話下，想切多少切多少，主打一個(gè)隨心所欲。
除此之外，EUV 光刻機(jī)僅支持最大 500W 的輻射功率，而 SSMB 方案可以做到理論 4000W，性能更強(qiáng)生產(chǎn)效率更高。
但是可能有人要問了，這么好的技術(shù)方案，為啥國外的科研企業(yè)不做呢？
實(shí)際上，SSMB 方案早在十多年前就被提出了，當(dāng)時(shí)是斯坦福大學(xué)的趙午團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了初步的研究，而趙午教授也是楊振寧的徒弟，主攻加速器方向，對(duì)光線加速可以說是輕車熟路。
然而很快各家科研機(jī)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，這個(gè)方案對(duì)土地面積的要求實(shí)在太大了，甚至連實(shí)驗(yàn)室都搭建不起來，這才作罷。
另外從經(jīng)濟(jì)的角度上而言，這種“光刻廠”幾乎無法搬遷，而 ASML 的光刻機(jī)可以做到小型化，通過卡車即可運(yùn)輸。買家買回去后用幾年落伍了，還可以轉(zhuǎn)賣給其他芯片生產(chǎn)企業(yè)，降低了營運(yùn)成本。因此業(yè)界也對(duì) SSMB 方案興致缺缺。
不過，自從美國開始全面限制中國獲得先進(jìn)芯片的能力后，“光刻廠”這個(gè)思路又被科學(xué)家們拿到臺(tái)前討論了起來。
2021 年，清華的唐傳祥教授團(tuán)隊(duì)跟德國的團(tuán)隊(duì)合作，在 Nature 上發(fā)表了文章，完成了原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了 SSMB 技術(shù)方案的可行性。
而在去年，清華也派人考察了 SSMB 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)室的落地事宜：
不過，SSMB 依然有大量的技術(shù)難點(diǎn)需要解決，比如目前 SSMB 裝置使用直線加速，電子束單次通過，這對(duì)穩(wěn)定性提出了極高要求。
同時(shí)目前的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證僅僅論證到了跑一圈能穩(wěn)住，更多圈數(shù)更長(zhǎng)時(shí)間都還沒有完成實(shí)驗(yàn)論證。
因此，現(xiàn)在就說突破歐美“卡脖子”還為時(shí)尚早，不過未來可期。
在巨大的人力、物力、財(cái)力投入下，或許很多年后，我們可以挺起胸膛驕傲的說一聲：工業(yè)皇冠上的明珠，我們又拿下了一顆！
參考資料：
手抄報(bào) - 40 年前電腦、芯片、光刻機(jī)，美國第一，中國第二
飯統(tǒng)戴老板 - 中國芯酸往事
陳芳、董瑞豐 -“芯”想事成：中國芯片產(chǎn)業(yè)的博弈與突圍
遠(yuǎn)川科技評(píng)論 - 國產(chǎn)半導(dǎo)體設(shè)備，絕處逢生
果殼硬科技、付斌 - 一文看懂：芯片的一生
劉易安 - 對(duì)于我國投入基于 SSMB 的 EUV 技術(shù)，大家怎么看？
壹零社 - 國產(chǎn) EUV，光刻廠的方案可行么？
風(fēng)云之聲 - EUV 光刻廠？芯片制造與光刻的工程技術(shù)與科學(xué)原理介紹 | 陳經(jīng) 
