谁扼住了华为：美日半导体霸权的三张牌_老虎社区_美港股上老虎

谁扼住了华为：美日半导体霸权的三张牌

远川研究所2020-08-10

文/陈帅刘芮 2020年8月7日，华为余承东公开表示海思麒麟高端芯片已经“绝版”，中国最强的芯片设计公司，就在我们眼皮子底下被锁死了未来。华为海思推出第一款麒麟（Kirin）芯片是在2009年，虽然当时反响一般，但奏响了麒麟腾飞的乐章，随后每一年都有不小的进步：麒麟925带领Mate7打入高端阵营；麒麟955助力华为P9销量过千万……自己研发的芯片，成为华为手机甩开国内友商的最大武器。然而到...

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FantasyBill
·2020-08-11
受教了，辛苦
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股海彦祖
·2020-08-10
看完了，绝对的好文。崛起不是喊几句口号，是要沉下心脚踏实地
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Materials）的研发支持人员当天就打包撤离，另外两家美商科磊和泛林也迅速召回了前来合作的工程师。更严重的是，由于设备中含有美国原件，欧洲的阿斯麦、日本东京电子也暂停了对晋华的设备供应。\n晋华员工回忆外资撤退场景时，总结说：“这些人根本不给我们时间道别。”\n福建晋华官网上的生产进度，停留在了2018年试投片日，迟迟没有更新，而产品页则直接显示“页面在建设”中。去年5月10日，英国《金融时报》称，晋华已经开始寻求出租或者出售自己的工厂。仅仅一个回合，担当中国存储突破的种子选手，就被打倒在了起跑线上。\n“实体名单”就像是一份死刑通知书，可以瞬间让企业坠入地狱。美国制裁的决心、打击的力度，令同样采用美国核心零部件和核心技术支撑的台积电不寒而栗。同样，本来兴致勃勃要来抢台积电蛋糕的三星没了下文；中芯也含蓄地表示，可能不能为“某些客户”代工。\n为什么这些公司不愿意去触碰美国“逆鳞”？半导体领域，美国真的就独霸天下吗？其实并不然。\n虽然美国半导体行业产值大约占全世界的47%，体量上处于绝对优势；但韩国、欧洲、日本、中国台湾、中国大陆等其他“豪强”也各有擅长，与美国的差距并不是无法越过的鸿沟。\n比如，韩国在产值1500亿美金的存储芯片领域，占据压倒性优势，双强（三星、海力士）占据65%市场；\n欧洲在模拟芯片领域有三驾马车（英飞凌、意法半导体、恩智浦），从80年代起就从未跌出全球二十强。\n日本不但有独步天下的图像识别芯片，以信越日立为首的几家公司，更是牢牢扼住了全世界半导体的上游材料。\n中国台湾在千亿美元级别的芯片代工领域，更胜美国一筹，台积电和联电占据60%的规模，以日月光为首的封测代工也能抢下50%的市场；\n中国大陆依托庞大的下游市场，近年芯片设计领域发展迅速，不但诞生了世界前十的芯片设计巨头华为海思，整体芯片设计规模也位居世界第二。\n\n这些企业从账面实力来看，甚至可以让芯片行业“去美国化”，合力搞出一部没有美国芯片的手机。但美国515禁令一下，各路豪强却莫敢不从。\n一超多强的局面似乎就像“纸老虎”，在美国霸权之下，众半导体商分封而治可能才是目前的“真相”。大家忌惮的，其实是美国手握的两把利剑：芯片设备和设计工具。这两把剑又和日本的材料一起，组成了威力极强的美日半导体霸权三张牌：设备、工具和材料。\n那么，美日手中握的这三把剑究竟可怕在何处？是如何能挟制各路科技巨头豪强？了解这些答案，才能了解华为们的突围之路。\n一、设备：芯片制造的外置大脑\n设备商对于一般行业而言，就是个卖铲子的，交钱拿货基本就完事儿了；但半导体设备商却不同，不仅提供设备卖铲子，还要全程服务卖脑子，可谓是芯片制造商的外置大脑。\n芯片制造成本高昂，只有将良品率控制在90%上下，才不会亏本。但要知道，芯片制造，工序一千起步，这就导致，哪怕每一步合格率都有99%，最终良率都会在0.9*0.9的多次累积下，趋近于0。因此，要想不亏本，每个步骤的合格率就得控制在99.99%乃至99.999%以上。\n\n要达到这个状况，就对设备的复杂度提出了超高要求。就目前最先进的EUV光刻机来说，单台设备里超过十万个零件、4万个螺栓，以及3000多条线路。仅仅软管加起来，就有两公里长。这么一台庞大的设备，重量足足有180吨，单次发货需要动用40个货柜、20辆卡车以及3架货机才能运完。\n而更为重要的是，即使设备买回来，也远不是像电视冰箱一样，放好、插电就能开动这么简单。一般来说，一台高精度光刻机的调试组装，需要一年时间。而零件的组装、参数的设置、模块的调试，甚至螺丝的松紧、外部气温都会影响生产效果。哪怕一里外的一辆地铁经过，都能导致多数设备集体失灵。\n这也是所有精密仪器的“通病”。比如，十年前，北京大学12个高精度实验室里价值4亿元的仪器突然失灵，而原因居然是位于地下13.5米深的北京4号线经过了北大东门产生了1Hz~10Hz的震动，为此北大高精度实验室不得不集体搬家。\n因此，半导体制造设备每开动一段时间，就必须联系专门原厂服务人员上门调校。荷兰光刻机巨头ASML阿斯麦曾有一个客户，要更换光器件；由于当时阿斯麦的工程师无法出国，便邀请客户优秀员工到公司学习，用了近2个月，才仅仅掌握了单个零部件更换的技能。\n因此，阿斯麦、应用材料等半导体巨头，不只是把设备卖掉就结束了，更是在中国建立了2000人左右的庞大支持团队。其中应用材料的第二大收入就是服务，营收占比超过25%，而且稳定增长，旱涝保收。\n\n而设备厂的可怕之处正在于，不但通过“一代设备，一代工艺，一代产品”决定了制造厂的工艺制程，更是通过售后服务将制造厂牢牢的拿捏在手中。随着工艺越来越越高精尖，设备商的话语权也正在进一步提升。\n设备商的强势，可以从利润上明确的反映出来。过去5年，芯片制造厂的头部效应越来越明显，但上游设备商的净利润率反而大幅提升：泛林利润率从12%提升到22%，应用材料从14%上升到18%。代工厂想要客大欺店，那是根本不存在。\n也正因如此，在长达六十年的时间里，美国一直都在以各种手段，来保证自己在设备领域的绝对主导地位。\n根据2019年全球顶级半导体设备厂商排名，全球前五大半导体设备商占据了全球58%行业营收。其中，美国独占三席；其余两席，一席是日本的东京电子，另一席荷兰的阿斯麦，恰巧，这两家又都是美国一手扶持起来的。\n\n具体来说，应用材料（AMAT）和泛林（LAM）、科磊（KLA），是根正苗红的美国企业。\n其中，泛林在刻蚀机的市场占有率高达50%以上。应用材料则不仅在刻蚀机领域与泛林平分秋色，在离子注入、化学抛光等等细分设备环节也都占据半壁江山，甚至高达70%。科磊则在半导体前道检测设备领域占据了50%以上的市场，并在镀膜测量设备的市占率达到了98%。\n而光刻机巨头阿斯麦，看似是一家荷兰企业，其实有一颗美国心。早在2000年前后，光刻机市场还停留在DUV（深紫外）光刻阶段，日本尼康才是真正的霸主，但到了EUV（极紫外）阶段，尼康却在美国的一手主导下被淘汰出局。\n原因很简单，EUV技术难度登峰造极：从传统DUV跨越到EUV，意味着光源从193nm剧烈缩短到13.5nm。这需要将20KW的激光，以每秒5万次的频率来轰击20微米的锡滴，将液态锡汽化成为等离子体。这相当于在飓风里以每秒五万次的频率，让乒乓球打中一只苍蝇两次。\n当年，全球最先进的EUV研发机构是英特尔与美国能源部带头组建的EUVLLC联盟，这里有摩托罗拉、AMD、IBM，以及能源部下属三大国家实验室，可谓是集美国科研精华于一身。可以说，只有进入EUVLLC联盟，才能获得一张EUV的门票。\n美国彼时正将日本半导体视为大敌，自然拒绝了日本尼康的入会请求，而阿斯麦则保证55%零部件会从美国供应商处采购，并接受定期审查。这才入了美国的局，从后起之秀变成了“帝花之秀”。\n美国不仅对阿斯麦开了门，还送了礼：允许阿斯麦先后收购了美国掩罩技术龙头Silicon Valley Group、美国光刻检测与解决方案玩家Brion、美国紫外光源龙头Cymer等公司。阿斯麦技术心、研发身，都打上了星条旗烙印。那还不是任凭美国使唤。\n而早年的东京电子，只是美国半导体始祖仙童半导体（Fairchild）的设备代理商，后来又与美国Thermco公司合资生产半导体设备，直到1988年才变成日本独资，但东京电子身上也已经流着美国公司的血。\n因此，在2019年六月，面对第一轮美国禁令，东京电子就表示：“那些被禁止与应用材料和泛林做生意的中国客户，我们也不会跟他们有业务往来”，义正词严表明了和美系设备商共进退。\n至此，美国靠着多年的“时间积累”和超高精密度“工艺技术”，在设备领域形成了牢牢的主动权。而时间和技术，都不是后进者可以一蹴而就的。\n二、EDA(设计软件）：生态网络效应下的“幌金绳”\n如果说设备是针对芯片生产的一把封喉剑，那么EDA无疑是芯片设计环节的“幌金绳”，虽不致命但可以令“孙悟空”束手束脚、无处施展。\nEDA这根“幌金绳”分三段：首先，它是芯片设计师的“PS软件+素材库”，可以让芯片设计从几十年前图纸上画线的体力活，变成了软件里“素材排列组合+敲敲代码”的脑力活。而且，现在仅指甲盖大小芯片，也有几十亿个晶体管，这种工程量，离开了EDA简直是天方夜谭。\n20年前的英特尔奔腾处理器的线路图一角，目前晶体管密度已经上升超过1000倍\n其次，EDA的奥秘，在于其丰富的IP库。即将经常使用的功能，标准化为可以直接调用的模块，而无需设计公司再重新设计。如果说芯片设计是厨师做菜的话，软件就是厨具，IP就是料包。\n而事实上，EDA巨头公司，往往是得益于其IP的独占。比如Cadence（楷登电子）拥有大量模拟电路IP，而其也是模拟及混合信号电路设计的王者；而Synopsys（新思科技）的IP库更偏向DC综合、PT时序分析，因而新思在数字芯片领域独占鳌头。\n而在全球前三的IP企业中，EDA公司就占了两个，合计市场份额高达24.1%。在Synopsys的历年营收中，IP授权是仅次于EDA授权的第二业务。\n\nEDA还有一项重要的功能是仿真，即帮设计好的芯片查漏补缺。毕竟一次流片（试产）的成本就高达数百万美金，顶得上一个小设计公司大半年的利润。业内广为流传一句话：设计不仿真，流片两行泪。\n加州大学教授有一个统计测算，2011年一片SoC的设计费用大概为4000万美元，而如果没有EDA，设计费用则会飙升至77亿美元，增加了近200倍。\n\n因此，EDA被誉为半导体里的最高杠杆，虽然全球产值不过一百多亿美元，但却可以影响全球五千多亿集成电路市场、几万亿电子产业的发展。\nEDA如此高效好用，那我国自主化状况如何呢？很可惜，比操作系统还尴尬。\n我国最大的EDA厂商华大九天在全球的份额差不多是1%，而美国三大厂商Synopsys（新思科技）、Cadence（楷登电子）以及Mentor Graphics（明导科技，2016年被西门子收购）则占据了80%以上的市场。\n这也就导致了虽然我国芯片设计位居世界第二，但美国一声令下，芯片设计就会面临“工具危机”，巧妇难为无米之炊。不过，既然软件已经交过钱了，用旧版本难道不行吗？\n很可惜，并不能。\n因为这背后有一张EDA商、IP商、代工厂们互相嵌合的生态网。EDA是不断更新的。新的版本对应更新的IP库和PDK文件。而PDK即工艺设计包，则又包含了芯片工艺中的电流、电压、材料、流程等参数，是代工厂生产时的必备数据。新EDA、新IP、新工艺，互相促进、互为一体。\n因此，用旧版的软件就会处处“脱节”：做设计时无法获得最新的设计IP库，找代工厂时又无法和工艺需要最新的EDA、PDK进行匹配。长此以往，技术越来越落后，合作伙伴也越来越少。不过既然EDA不过是0101的代码，从破解小组里找几个高手不就好了吗？\n很遗憾，也几乎不可能。\n每个EDA软件出厂时都会内嵌一个Flexlm加密软件，把EDA和安装的设备进行一一锁定，包括主机号、设备硬盘、网卡、使用日期等信息。而Flexlm的密钥长度达239位，暴力破解的难度非常大。如果用英特尔高性能的CPU来破解的话，需要4000左右的核年（core-year），也就是说用40核的CPU，需要100年。\n当然，也可以采用分布式的方式，继续增加CPU数量减少时间。然而，即使破解成功了，来到了全新的IP库门前时，也会被EDA厂商通过“修改时间、文件大小、确认IP来源”等方式，再次进行验证，然后被拒绝。油然而生一股挖了百年地下隧道、却撞到石头上的酸爽。\n破解并不有效，也不敞亮，还和我国知识产权保护的态度相违背。因此，依然还是要靠华大九天等公司自研崛起。那么，这条出路有多宽呢？其实单纯写出一套软件，难度并不大。关键还是要有海量丰富的IP、PDK，以及产业上下游的支持配合。单点突破未必有效，需要军团全面突围，而这并非一朝一夕之功。\n三、材料：工匠精神最后的堡垒\n2019年，日韩闹了矛盾，双方都很刚，但日本断供了韩国几款半导体材料后，没多久韩国三星掌门人李在镕就飞往日本恳请松口了，后来他更是跑到比利时、中国台湾，试图绕道购买或者收点存货过日。\n按理说，韩国也是半导体强国，三星在设计、制造领域更是主要玩家，但面对区区几亿美金的材料，却被闹得狼狈不堪。\n材料真的有这么难吗？讲真，半导体原始材料是非常丰富的，比如硅片用的就是满地球的沙子。但要实现半导体的“材料自由”，却并不容易，必须打通任督二脉：“纯度”、“配方”。\n纯度是一个无止境之路。我国已经实现自产的光伏硅片，一般纯度是6-8个9，即99.999999%，但半导体的硅片纯度却是11个9，而且还在不断提高。小数点后多3到5位，就意味着杂质含量相差了1000到10万倍。\n这个差距有多大呢？假设，光伏硅片里包含的杂质，相当于一桶沙子洒在了操场上；那么半导体硅片的要求则是在两个足球场大的面积里，只能容下一粒沙子。\n那么，为什么必须将杂质含量降到这么低呢？因为电子的大小只有1/10纳米，哪怕仅有几个原子大小的杂质出现在硅片上，也会彻底堵塞一条电路通道，导致芯片局部失灵。如果杂质含量更高的话，甚至会和硅原子混在一起，直接改变硅片的原子排列结构，让硅片的导电效率完全改变。\n经过刻蚀后的硅表面和锡颗粒，如同明月在金字塔后升起\n要达到如此纯度，需要科学和工艺的完美结合。\n一方面，需要大量基础科学仪器来辅助。比如在材料生产过程中，设备自身就会有金属原子渗透影响纯度，因此需要不断改良。而要确认纯度，也是高难度。就像特种气体，就需要专门的仪器来检测10亿分之一（PPB级）的杂质含量水平。实现这个难度，就不仅需要半导体企业，还需要奥林巴斯等光学企业出马助力。\n另一方面，从实验室到工厂车间也需要工艺积累。材料制造，不仅对生产设备要求高，就连工厂里的地垫、拖把，也都是高级别特供。而且，生产车间温度、湿度的不同，也会影响材料纯度，就不得不反复尝试后得出标准。\n而高纯度只是第一步，复合材料（比如光刻胶）的配置更是难以跨越的鸿沟。如果说“纯度”是个艺术科学的话，那么“配方”就是玄学科学。\n其实，无论提纯、还是配置，基本的理论原理、工艺技术都不是难事儿。但如何选材、配比，从而实现极致的效果，却需要高度依赖经验法则，即业内常说的“know-how”。\n同样的材料，不同的配比就会有不同的效果；就像我们用红黄蓝三色去搭配，不同的配比就能得到不同的颜色。而即使用同样的配方、采用同样的工艺，在不同的湿度、温度甚至光照下，也会有不同，甚至相差很远的效果。\n这些影响材料效果的参数，无法通过精密计算获得，只能是实验室、车间里一次次调配、实验、观察、记录、改良。有时候，为了得到10%的效果改良，可能需要花费几年。然而，这提升的10%，虽然抢占的只是几百亿规模的市场，但却影响着万亿半导体行业。\n因此，无论是提纯，还是配方，其实需要的都是超长的耐心待机、极致专注。这不禁令人会想到日本的寿司之神，一辈子只做寿司，而一个学徒仅拧毛巾就要练五年。虽然在生活中，这种执着看起来有些迂腐可笑，但事实上，材料领域做得最好的，正是日本企业。\n据SEMI推测，2019年日本企业在全球半导体材料市场，所占份额达到66%。19种主要材料中，日本有14种市占率超过50%。而在占据产值2/3的四大最核心的材料：硅片、光刻胶、电子特气和掩膜胶等领域，日本有三项都占据了70%的份额。最新一代EUV光刻胶领域，日本的3家企业申请了行业80%以上的专利。\n\n日本在材料产能上占据优势后，又用服务将客户捆绑得死死的。\n许多半导体材料都有极强的腐蚀性和毒性，曾有一位特种气体的供应商描述，一旦气体泄漏，只需一瓶，就可以把整个厦门市人口消灭。因此，芯片制造商只能把材料的运输、保存、检测等环节，都交给材料的“娘家”材料商。\n而另一方面，材料虽小、威力却大。半导体制造中几万美金的材料不达标，就能让耗资数十亿美金生产线的产品大半报废，因此制造商们只会选择经过认证的、长期合作的供应商。新进玩家，几乎没有上桌的机会。\n而对于材料公司而言，下游用得越多，得到的反馈就越多，就有更多的案例支持、更多的验证机会来提升工艺、改善配比，从而进一步拉大和追赶者的差距。对于后进者而言，商业处境用一句话来形容就是：一步赶不上、步步都白忙。\n日本能取得这个成就，其实离不开日本“经营之圣”稻盛和夫在上世纪80年代给日本规划的方向：欧美先进国家不愿再转让技术的条件下，日本人除了将自己固有的“改良改善特质”发扬光大之外，别无出路；各类企业都要在各自的专业领域内做彻底，把技术做到极致，在本专业内不亚于世界上任何国家的任何企业。\n这种匠人精神，令日本在规模不大的材料领域，顶住美国、成为领主。\n四、何处突围\n我们在做产业研究的时候，有个强烈的感受，中国似乎在美国的打压中，陷入一个被无限向上追溯的绝境：\n发现芯片被卡脖子后，我们在芯片设计领域有了崛起的华为海思，但随后就发现：还需要代工领域突破；当中芯国际攻坚芯片代工制造时，却又发现：需要设备环节突破；当中微公司、北方华创在逆袭设备、有所收获时，却又发现：设备核心零部件又仰人鼻息；当零部件也有所进展时，又发现：芯片材料还是被卡脖子。\n而当我们继续一步步向前溯源、“图穷匕见”时，才发现一切都回到了任正非此前无数次强调的基础科学。\n回顾来看，如果没有1703年建立的现代二进制，那么两百年后的机器语言就无从谈起；如果没有1874年布劳恩发现物理上的整流效应，那么就没有大半个世纪后晶体管的发明和应用；而等离子物理、气体化学，更是刻蚀机等关键设备的必备基础。\n而在美国大学中，有7所位列全球物理学科排名前十，有6所位列全球数学学科排名前十，有5所位列全球材料学科排名前十。基础科学强大的统治力，成为美国半导体公司汲取力量的源泉。\n在强势的基础学科背后，却又是1957年就已经埋下伏笔的美国基础学科支持体系——对大学基础学科进行财政支持；通过超级科技项目带领应用落地。\n当年美苏争霸，苏联的全球第一颗人造卫星升空刺激了美国执政者，这也成为美国科技发展的重要转折点：\n一方面，为了保持“美国领先”，政府开始直接对研究机构发钱。美国国家科学基金会（NSF）给大学的基础研究经费从1955年的700万美金，飙升到1968年的2亿美金。在2018年，NSF用于基础研究的经费，更是高达42亿美金。这长达50年的基础研究经费里，美国联邦政府出了一半。\n尤其值得一提的是，NSF每年为数以千计的基础学科研究生提供奖学金，这其中诞生了42位诺贝尔奖得主。\n另一方面，美国启动了超级工程来落地研发成果。1958年，NASA成立，挑战人类科技极限的阿波罗登月和航天飞机工程也就此启动。\n在研究需要250万个零件的航天飞机过程中（作为对比，光刻机零件大约是10万个，一辆汽车只有1万多个零件），大量尖端技术找到用武之地；而这些当时“冷门”的尖端技术，又在条件成熟时，相继转化为杀手级民用品（比如从航天飞机零件中诞生的人造心脏、红外照相机）。\n航天飞机的技术外溢，并不是孤例。医院核磁共振设备中采用的超导磁铁，也正是在美国粒子加速器“Tevatron”的研发中应用诞生。美国的超级科技工程，成为基础学科成果的试验田、练兵场和民用转化泉。\n事实上，通过基础研究掌握源头科技，随后一步步外溢建立产业霸权，这条路径并不只是美国的专利，也应该是各个产业强国的选择，更是面对美国打压时一条真正可行的道路。王侯将相，宁有种乎。避免无穷尽的“国产替代向上突破”的陷阱，实现和“基础研究向下溢出”的大会师。\n事实上，我们面临的困难、打压，日本也经历过。\n上世纪八十年代后期，美国对日本半导体产业发起突袭：政治封杀、商业打压、关税压迫无所不用其极，尤其是培养了“新小弟”韩国来挤压日本半导体产业。没几年，日本就从全球第一半导体强国宝座上跌落了。日本半导体引以为傲的三大楷模，松下、东芝、富士通的半导体部门先后被出售。\n面对美国的压制，日本选择进军高精尖材料，用时间换空间、用匠心换信心。\n1989年，韩国发力补贴存储芯片，而日本通产省制定了投资160亿日元的“硅类高分子材料研究开发基本计划”，重点补贴信越化学为首的有机硅企业。\n1995年，韩国发动第二轮存储价格战前夕，而日本东京应化（TOK）则实现了 KrF光刻胶商业化，打破了美国IBM长达10余年的垄断，并在随后第五年，其产品工艺成为行业标准，全球领先。\n2005年，三星坐上存储芯片老大的位置，而日本凸版印刷株式会社以710亿美金收购了美国杜邦公司的光掩膜业务，成为光罩龙头。\n在韩国全力扩张产能，和其他半导体下游厂搏杀的日子里，日本一步步走到了材料霸主的宝座前。从看似掌握着无解优势的美国人手里，硬生生抢下了一把霸权剑。\n但日本的成功仅仅是因为换了一个上游战场吗？显然不是。在过去30年，三大自然科学领域，日本共计收获了16个诺贝尔奖，其中有6个都属于是化学领域，而这些才是日本崛起的坚实地基。\n我国的基础研究怎么样呢？2018年，我国基础研究费用，在全年总研发支出中仅占5%，而这还是10年来占比最高的一年。而同期美国基础研究占比则是17%，日本是12%。在国内各个学校论坛上，劝师弟师妹们从基础学科转向金融计算机等应用学科的帖子，层出不穷。\n所以有人笑称，陆家嘴学集成电路的，比张江还多。\n今年7月份，更是爆出了中科院某所90多人集体离职的迷思。诚然，每个人都有择业的自由，但需要警示的，是大家做出选择的理由。基础学科研究的长周期、弱转化、低收入，令研究员们在日益上涨的房价、动则数百亿利润造假套现面前，相形见绌。\n\n任正非曾经感叹道：国家发展工业，过去的方针是砸钱，但钱砸下去不起作用。我们国家修桥、修路、修房子……已经习惯了只要砸钱就行。但是芯片砸钱不行，得砸数学家、物理学家、化学家……\n64年前，苏联率先发射的一颗卫星让美国惊醒。美国人一边加码“短期对抗”，一边酝酿“长期创新”，从而开启了多个领域的突破、领先；而今，一张张禁令也让我们惊醒，我国不少产业只是表面上的大，急需要的是骨子里的强。\n这些危机之痛，总是令人后悔不已。过去几十年，落后就要挨打的现实一次次提醒着我们，要实现基础技术能力的创新和突破，才能赢取下一个时代。\n全文完，感谢您的耐心阅读。\n参考文献：\n[1]. 美国联邦政府基础研究经费配置及对我国的启示-朱迎春.\n[2]. 美国一流大学黄金发展期的经验和启示-郭宝宇.\n[3]. 台积电：将摩尔定律进行到底-冀勇庆\n[4]. Cooperative Research andDevelopmentAgreements and Semiconductor Technology: Issues Involving the “DOE-IntelCRADA”, CRS Report for Congress\n[5]. U.S. gives ok to ASML on EUV effort-EETimes\n[6]. 日本半导体产业发展历程对我国电子化学品产业的启示-广发证券\n[7]. 设计一台光刻机，究竟有多难？-ASML阿斯麦光刻\n[8]. 北京地铁16号线为避开北大精密仪器楼取消海淀桥站-北京日报\n[9]. 东电电子:日本半导体设备国产化的见证者\n[10]. 失去的制造业:日本制造业的败北-汤之上隆\n[11]. 美国的EDA产业是如何走向辉煌的-知识自动化\n[12]. 那些年EDA三巨头的恩怨情仇-21ic电子网\n[13]. 一线工程师如何看待《没了美国的EDA软件，我们就不能做芯片了》-蜀山熊猫\n[14]. 硅集成电路工艺基础-关旭东\n[15]. 专题研究:美国301调查的历史回顾-浙商证券\n[16]. Materials Market Data Subscription,MMDS-SEMI\n[17]. IBM诱捕日本间谍-南风窗","kind":"news","is_publish_news":true,"is_publish_highlight":true,"is_publish_live":false,"is_publish_wemedia":null,"editions":null,"column":"","sentiment":"0","news_tag":"","news_rank":0,"symbols":[],"gpt_button":1,"need_auth":false,"code":"91000000","status":"200"},"commentList":[{"id":944480191,"gmtCreate":1597077553013,"gmtModify":1704214344589,"author":{"id":"139508735997213","authorId":"139508735997213","name":"FantasyBill","avatar":"https://static.tigerbbs.com/edb493722d730b5a098620f5afb1c0a8","vip":1,"crmLevel":5,"crmLevelSwitch":0,"idStr":"139508735997213","authorIdStr":"139508735997213"},"htmlText":"受教了，辛苦","listText":"受教了，辛苦","text":"受教了，辛苦","images":[],"top":1,"highlighted":1,"essential":1,"paper":1,"likeSize":0,"commentSize":0,"repostSize":0,"link":"https://laohu8.com/post/944480191","repostId":1106515531,"repostType":2,"repost":{"id":"1106515531","kind":"news","pubTimestamp":1597043655,"share":"https://www.laohu8.com/m/news/1106515531?lang=zh_CN&edition=full","pubTime":"2020-08-10 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href=\"https://laohu8.com/S/UMC\">联电</a>进行了技术合作。\n研发人员日夜奋战，成立一年多后，晋华就打造出了一座12寸的生产线，并准备投产，不料却迎来了资本主义的铁拳。\n2017年12月，美国镁光科技即刻以窃取知识产权为由开始狙击晋华，晋华也不甘示弱，双方在中国福州和美国加州互相起诉。就当局势焦灼之时，早就虎视眈眈的特朗普政府在2018年10月29日发起了闪电战：将福建晋华列入实体名单，严禁美国企业进行合作。\n<img src=\"https://static.tigerbbs.com/b583c487e99421808de7c8d13325d9cd\" tg-width=\"550\" tg-height=\"303\">\n禁令发出后，和晋华合作的美国<a href=\"https://laohu8.com/S/AMAT\">应用材料</a>公司（Applied Materials）的研发支持人员当天就打包撤离，另外两家美商<a href=\"https://laohu8.com/S/KLAC\">科磊</a>和泛林也迅速召回了前来合作的工程师。更严重的是，由于设备中含有美国原件，欧洲的<a href=\"https://laohu8.com/S/ASML\">阿斯麦</a>、日本东京电子也暂停了对晋华的设备供应。\n晋华员工回忆外资撤退场景时，总结说：“这些人根本不给我们时间道别。”\n福建晋华官网上的生产进度，停留在了2018年试投片日，迟迟没有更新，而产品页则直接显示“页面在建设”中。去年5月10日，英国《金融时报》称，晋华已经开始寻求出租或者出售自己的工厂。仅仅一个回合，担当中国存储突破的种子选手，就被打倒在了起跑线上。\n“实体名单”就像是一份死刑通知书，可以瞬间让企业坠入地狱。美国制裁的决心、打击的力度，令同样采用美国核心零部件和核心技术支撑的台积电不寒而栗。同样，本来兴致勃勃要来抢台积电蛋糕的<a href=\"https://laohu8.com/S/SMSN.UK\">三星</a>没了下文；中芯也含蓄地表示，可能不能为“某些客户”代工。\n为什么这些公司不愿意去触碰美国“逆鳞”？半导体领域，美国真的就独霸天下吗？其实并不然。\n虽然美国半导体行业产值大约占全世界的47%，体量上处于绝对优势；但韩国、欧洲、日本、中国台湾、中国大陆等其他“豪强”也各有擅长，与美国的差距并不是无法越过的鸿沟。\n比如，韩国在产值1500亿美金的存储芯片领域，占据压倒性优势，双强（三星、海力士）占据65%市场；\n欧洲在模拟芯片领域有三驾马车（英飞凌、<a href=\"https://laohu8.com/S/STM\">意法半导体</a>、<a href=\"https://laohu8.com/S/NXPI\">恩智浦</a>），从80年代起就从未跌出全球二十强。\n日本不但有独步天下的图像识别芯片，以信越日立为首的几家公司，更是牢牢扼住了全世界半导体的上游材料。\n中国台湾在千亿美元级别的芯片代工领域，更胜美国一筹，台积电和联电占据60%的规模，以日月光为首的封测代工也能抢下50%的市场；\n中国大陆依托庞大的下游市场，近年芯片设计领域发展迅速，不但诞生了世界前十的芯片设计巨头华为海思，整体芯片设计规模也位居世界第二。\n<img src=\"https://static.tigerbbs.com/af7951ed8b54621604828de27fb2d8b8\" tg-width=\"550\" tg-height=\"388\">\n这些企业从账面实力来看，甚至可以让芯片行业“去美国化”，合力搞出一部没有美国芯片的手机。但美国515禁令一下，各路豪强却莫敢不从。\n一超多强的局面似乎就像“纸老虎”，在美国霸权之下，众半导体商分封而治可能才是目前的“真相”。大家忌惮的，其实是美国手握的两把利剑：芯片设备和设计工具。这两把剑又和日本的材料一起，组成了威力极强的美日半导体霸权三张牌：设备、工具和材料。\n那么，美日手中握的这三把剑究竟可怕在何处？是如何能挟制各路科技巨头豪强？了解这些答案，才能了解华为们的突围之路。\n一、设备：芯片制造的外置大脑\n设备商对于一般行业而言，就是个卖铲子的，交钱拿货基本就完事儿了；但半导体设备商却不同，不仅提供设备卖铲子，还要全程服务卖脑子，可谓是芯片制造商的外置大脑。\n芯片制造成本高昂，只有将良品率控制在90%上下，才不会亏本。但要知道，芯片制造，工序一千起步，这就导致，哪怕每一步合格率都有99%，最终良率都会在0.9*0.9的多次累积下，趋近于0。因此，要想不亏本，每个步骤的合格率就得控制在99.99%乃至99.999%以上。\n<img src=\"https://static.tigerbbs.com/3242e1af4ca16f5c442a872388ba425c\" tg-width=\"550\" tg-height=\"348\">\n要达到这个状况，就对设备的复杂度提出了超高要求。就目前最先进的EUV光刻机来说，单台设备里超过十万个零件、4万个螺栓，以及3000多条线路。仅仅软管加起来，就有两公里长。这么一台庞大的设备，重量足足有180吨，单次发货需要动用40个货柜、20辆卡车以及3架货机才能运完。\n而更为重要的是，即使设备买回来，也远不是像电视冰箱一样，放好、插电就能开动这么简单。一般来说，一台高精度光刻机的调试组装，需要一年时间。而零件的组装、参数的设置、模块的调试，甚至螺丝的松紧、外部气温都会影响生产效果。哪怕一里外的一辆地铁经过，都能导致多数设备集体失灵。\n这也是所有精密仪器的“通病”。比如，十年前，北京大学12个高精度实验室里价值4亿元的仪器突然失灵，而原因居然是位于地下13.5米深的北京4号线经过了北大东门产生了1Hz~10Hz的震动，为此北大高精度实验室不得不集体搬家。\n因此，半导体制造设备每开动一段时间，就必须联系专门原厂服务人员上门调校。荷兰光刻机巨头ASML阿斯麦曾有一个客户，要更换光器件；由于当时阿斯麦的工程师无法出国，便邀请客户优秀员工到公司学习，用了近2个月，才仅仅掌握了单个零部件更换的技能。\n因此，阿斯麦、应用材料等半导体巨头，不只是把设备卖掉就结束了，更是在中国建立了2000人左右的庞大支持团队。其中应用材料的第二大收入就是服务，营收占比超过25%，而且稳定增长，旱涝保收。\n<img src=\"https://static.tigerbbs.com/e0cbf2bb6804bcc4f4a16c203155d458\" tg-width=\"639\" tg-height=\"359\">\n而设备厂的可怕之处正在于，不但通过“一代设备，一代工艺，一代产品”决定了制造厂的工艺制程，更是通过售后服务将制造厂牢牢的拿捏在手中。随着工艺越来越越高精尖，设备商的话语权也正在进一步提升。\n设备商的强势，可以从利润上明确的反映出来。过去5年，芯片制造厂的头部效应越来越明显，但上游设备商的净利润率反而大幅提升：泛林利润率从12%提升到22%，应用材料从14%上升到18%。代工厂想要客大欺店，那是根本不存在。\n也正因如此，在长达六十年的时间里，美国一直都在以各种手段，来保证自己在设备领域的绝对主导地位。\n根据2019年全球顶级半导体设备厂商排名，全球前五大半导体设备商占据了全球58%行业营收。其中，美国独占三席；其余两席，一席是日本的东京电子，另一席荷兰的阿斯麦，恰巧，这两家又都是美国一手扶持起来的。\n<img src=\"https://static.tigerbbs.com/52c9a056ba1db7a801fb63e762d0489b\" tg-width=\"550\" tg-height=\"272\">\n具体来说，应用材料（AMAT）和泛林（LAM）、科磊（KLA），是根正苗红的美国企业。\n其中，泛林在刻蚀机的市场占有率高达50%以上。应用材料则不仅在刻蚀机领域与泛林平分秋色，在离子注入、化学抛光等等细分设备环节也都占据半壁江山，甚至高达70%。科磊则在半导体前道检测设备领域占据了50%以上的市场，并在镀膜测量设备的市占率达到了98%。\n而光刻机巨头阿斯麦，看似是一家荷兰企业，其实有一颗美国心。早在2000年前后，光刻机市场还停留在DUV（深紫外）光刻阶段，日本尼康才是真正的霸主，但到了EUV（极紫外）阶段，尼康却在美国的一手主导下被淘汰出局。\n原因很简单，EUV技术难度登峰造极：从传统DUV跨越到EUV，意味着光源从193nm剧烈缩短到13.5nm。这需要将20KW的激光，以每秒5万次的频率来轰击20微米的锡滴，将液态锡汽化成为等离子体。这相当于在飓风里以每秒五万次的频率，让乒乓球打中一只苍蝇两次。\n当年，全球最先进的EUV研发机构是英特尔与<a href=\"https://laohu8.com/S/USEG\">美国能源</a>部带头组建的EUVLLC联盟，这里有摩托罗拉、<a href=\"https://laohu8.com/S/AMD\">AMD</a>、<a href=\"https://laohu8.com/S/IBM\">IBM</a>，以及能源部下属三大国家实验室，可谓是集美国科研精华于一身。可以说，只有进入EUVLLC联盟，才能获得一张EUV的门票。\n美国彼时正将日本半导体视为大敌，自然拒绝了日本尼康的入会请求，而阿斯麦则保证55%零部件会从美国供应商处采购，并接受定期审查。这才入了美国的局，从后起之秀变成了“帝花之秀”。\n美国不仅对阿斯麦开了门，还送了礼：允许阿斯麦先后收购了美国掩罩技术龙头Silicon Valley Group、美国光刻检测与解决方案玩家Brion、美国紫外光源龙头Cymer等公司。阿斯麦技术心、研发身，都打上了星条旗烙印。那还不是任凭美国使唤。\n而早年的东京电子，只是美国半导体始祖仙童半导体（Fairchild）的设备代理商，后来又与美国Thermco公司合资生产半导体设备，直到1988年才变成日本独资，但东京电子身上也已经流着美国公司的血。\n因此，在2019年六月，面对第一轮美国禁令，东京电子就表示：“那些被禁止与应用材料和泛林做生意的中国客户，我们也不会跟他们有业务往来”，义正词严表明了和美系设备商共进退。\n至此，美国靠着多年的“时间积累”和超高精密度“工艺技术”，在设备领域形成了牢牢的主动权。而时间和技术，都不是后进者可以一蹴而就的。\n二、EDA(设计软件）：生态网络效应下的“幌金绳”\n如果说设备是针对芯片生产的一把封喉剑，那么EDA无疑是芯片设计环节的“幌金绳”，虽不致命但可以令“孙悟空”束手束脚、无处施展。\nEDA这根“幌金绳”分三段：首先，它是芯片设计师的“PS软件+素材库”，可以让芯片设计从几十年前图纸上画线的体力活，变成了软件里“素材排列组合+敲敲代码”的脑力活。而且，现在仅指甲盖大小芯片，也有几十亿个晶体管，这种工程量，离开了EDA简直是天方夜谭。\n<img src=\"https://static.tigerbbs.com/7154dd4f385322ef72a0c00aff6db76f\" tg-width=\"550\" tg-height=\"440\"><img src=\"https://static.tigerbbs.com/28a1447d5c588f93f134350d0967e562\" tg-width=\"550\" tg-height=\"259\">20年前的英特尔奔腾处理器的线路图一角，目前晶体管密度已经上升超过1000倍\n其次，EDA的奥秘，在于其丰富的IP库。即将经常使用的功能，标准化为可以直接调用的模块，而无需设计公司再重新设计。如果说芯片设计是厨师做菜的话，软件就是厨具，IP就是料包。\n而事实上，EDA巨头公司，往往是得益于其IP的独占。比如Cadence（楷登电子）拥有大量模拟电路IP，而其也是模拟及混合信号电路设计的王者；而Synopsys（<a href=\"https://laohu8.com/S/SNPS\">新思科技</a>）的IP库更偏向DC综合、PT时序分析，因而新思在数字芯片领域独占鳌头。\n而在全球前三的IP企业中，EDA公司就占了两个，合计市场份额高达24.1%。在Synopsys的历年营收中，IP授权是仅次于EDA授权的第二业务。\n<img src=\"https://static.tigerbbs.com/392eff849ad71b6b8f7e6cbb82a1906f\" tg-width=\"550\" tg-height=\"258\">\nEDA还有一项重要的功能是仿真，即帮设计好的芯片查漏补缺。毕竟一次流片（试产）的成本就高达数百万美金，顶得上一个小设计公司大半年的利润。业内广为流传一句话：设计不仿真，流片两行泪。\n加州大学教授有一个统计测算，2011年一片SoC的设计费用大概为4000万美元，而如果没有EDA，设计费用则会飙升至77亿美元，增加了近200倍。\n<img src=\"https://static.tigerbbs.com/adb9767feadd0972fcb971bff92fed62\" tg-width=\"550\" tg-height=\"413\">\n因此，EDA被誉为半导体里的最高杠杆，虽然全球产值不过一百多亿美元，但却可以影响全球五千多亿集成电路市场、几万亿电子产业的发展。\nEDA如此高效好用，那我国自主化状况如何呢？很可惜，比操作系统还尴尬。\n我国最大的EDA厂商华大九天在全球的份额差不多是1%，而美国三大厂商Synopsys（新思科技）、Cadence（楷登电子）以及Mentor Graphics（明导科技，2016年被西门子收购）则占据了80%以上的市场。\n这也就导致了虽然我国芯片设计位居世界第二，但美国一声令下，芯片设计就会面临“工具危机”，巧妇难为无米之炊。不过，既然软件已经交过钱了，用旧版本难道不行吗？\n很可惜，并不能。\n因为这背后有一张EDA商、IP商、代工厂们互相嵌合的生态网。EDA是不断更新的。新的版本对应更新的IP库和PDK文件。而PDK即工艺设计包，则又包含了芯片工艺中的电流、电压、材料、流程等参数，是代工厂生产时的必备数据。新EDA、新IP、新工艺，互相促进、互为一体。\n因此，用旧版的软件就会处处“脱节”：做设计时无法获得最新的设计IP库，找代工厂时又无法和工艺需要最新的EDA、PDK进行匹配。长此以往，技术越来越落后，合作伙伴也越来越少。不过既然EDA不过是0101的代码，从破解小组里找几个高手不就好了吗？\n很遗憾，也几乎不可能。\n每个EDA软件出厂时都会内嵌一个Flexlm加密软件，把EDA和安装的设备进行一一锁定，包括主机号、设备硬盘、网卡、使用日期等信息。而Flexlm的密钥长度达239位，暴力破解的难度非常大。如果用英特尔高性能的CPU来破解的话，需要4000左右的核年（core-year），也就是说用40核的CPU，需要100年。\n当然，也可以采用分布式的方式，继续增加CPU数量减少时间。然而，即使破解成功了，来到了全新的IP库门前时，也会被EDA厂商通过“修改时间、文件大小、确认IP来源”等方式，再次进行验证，然后被拒绝。油然而生一股挖了百年地下隧道、却撞到石头上的酸爽。\n破解并不有效，也不敞亮，还和我国知识产权保护的态度相违背。因此，依然还是要靠华大九天等公司自研崛起。那么，这条出路有多宽呢？其实单纯写出一套软件，难度并不大。关键还是要有海量丰富的IP、PDK，以及产业上下游的支持配合。单点突破未必有效，需要军团全面突围，而这并非一朝一夕之功。\n三、材料：工匠精神最后的堡垒\n2019年，日韩闹了矛盾，双方都很刚，但日本断供了韩国几款半导体材料后，没多久韩国三星掌门人李在镕就飞往日本恳请松口了，后来他更是跑到比利时、中国台湾，试图绕道购买或者收点存货过日。\n按理说，韩国也是半导体强国，三星在设计、制造领域更是主要玩家，但面对区区几亿美金的材料，却被闹得狼狈不堪。\n材料真的有这么难吗？讲真，半导体原始材料是非常丰富的，比如硅片用的就是满地球的沙子。但要实现半导体的“材料自由”，却并不容易，必须打通任督二脉：“纯度”、“配方”。\n纯度是一个无止境之路。我国已经实现自产的光伏硅片，一般纯度是6-8个9，即99.999999%，但半导体的硅片纯度却是11个9，而且还在不断提高。小数点后多3到5位，就意味着杂质含量相差了1000到10万倍。\n这个差距有多大呢？假设，光伏硅片里包含的杂质，相当于一桶沙子洒在了操场上；那么半导体硅片的要求则是在两个足球场大的面积里，只能容下一粒沙子。\n那么，为什么必须将杂质含量降到这么低呢？因为电子的大小只有1/10纳米，哪怕仅有几个原子大小的杂质出现在硅片上，也会彻底堵塞一条电路通道，导致芯片局部失灵。如果杂质含量更高的话，甚至会和硅原子混在一起，直接改变硅片的原子排列结构，让硅片的导电效率完全改变。\n<img src=\"https://static.tigerbbs.com/11db36562961751875fac7a9eb88c728\" tg-width=\"550\" tg-height=\"316\">经过刻蚀后的硅表面和锡颗粒，如同明月在金字塔后升起\n要达到如此纯度，需要科学和工艺的完美结合。\n一方面，需要大量基础科学仪器来辅助。比如在材料生产过程中，设备自身就会有金属原子渗透影响纯度，因此需要不断改良。而要确认纯度，也是高难度。就像特种气体，就需要专门的仪器来检测10亿分之一（PPB级）的杂质含量水平。实现这个难度，就不仅需要半导体企业，还需要奥林巴斯等光学企业出马助力。\n另一方面，从实验室到工厂车间也需要工艺积累。材料制造，不仅对生产设备要求高，就连工厂里的地垫、拖把，也都是高级别特供。而且，生产车间温度、湿度的不同，也会影响材料纯度，就不得不反复尝试后得出标准。\n而高纯度只是第一步，复合材料（比如光刻胶）的配置更是难以跨越的鸿沟。如果说“纯度”是个艺术科学的话，那么“配方”就是玄学科学。\n其实，无论提纯、还是配置，基本的理论原理、工艺技术都不是难事儿。但如何选材、配比，从而实现极致的效果，却需要高度依赖经验法则，即业内常说的“know-how”。\n同样的材料，不同的配比就会有不同的效果；就像我们用<a href=\"https://laohu8.com/S/RYB\">红黄蓝</a>三色去搭配，不同的配比就能得到不同的颜色。而即使用同样的配方、采用同样的工艺，在不同的湿度、温度甚至光照下，也会有不同，甚至相差很远的效果。\n这些影响材料效果的参数，无法通过精密计算获得，只能是实验室、车间里一次次调配、实验、观察、记录、改良。有时候，为了得到10%的效果改良，可能需要花费几年。然而，这提升的10%，虽然抢占的只是几百亿规模的市场，但却影响着万亿半导体行业。\n因此，无论是提纯，还是配方，其实需要的都是超长的耐心待机、极致专注。这不禁令人会想到日本的寿司之神，一辈子只做寿司，而一个学徒仅拧毛巾就要练五年。虽然在生活中，这种执着看起来有些迂腐可笑，但事实上，材料领域做得最好的，正是日本企业。\n据SEMI推测，2019年日本企业在全球半导体材料市场，所占份额达到66%。19种主要材料中，日本有14种市占率超过50%。而在占据产值2/3的四大最核心的材料：硅片、光刻胶、电子特气和掩膜胶等领域，日本有三项都占据了70%的份额。最新一代EUV光刻胶领域，日本的3家企业申请了行业80%以上的专利。\n<img src=\"https://static.tigerbbs.com/3fba858ba683c240d74417da32d3ad86\" tg-width=\"550\" tg-height=\"392\">\n日本在材料产能上占据优势后，又用服务将客户捆绑得死死的。\n许多半导体材料都有极强的腐蚀性和毒性，曾有一位特种气体的供应商描述，一旦气体泄漏，只需一瓶，就可以把整个厦门市人口消灭。因此，芯片制造商只能把材料的运输、保存、检测等环节，都交给材料的“娘家”材料商。\n而另一方面，材料虽小、威力却大。半导体制造中几万美金的材料不达标，就能让耗资数十亿美金生产线的产品大半报废，因此制造商们只会选择经过认证的、长期合作的供应商。新进玩家，几乎没有上桌的机会。\n而对于材料公司而言，下游用得越多，得到的反馈就越多，就有更多的案例支持、更多的验证机会来提升工艺、改善配比，从而进一步拉大和追赶者的差距。对于后进者而言，商业处境用一句话来形容就是：一步赶不上、步步都白忙。\n日本能取得这个成就，其实离不开日本“经营之圣”稻盛和夫在上世纪80年代给日本规划的方向：欧美先进国家不愿再转让技术的条件下，日本人除了将自己固有的“改良改善特质”发扬光大之外，别无出路；各类企业都要在各自的专业领域内做彻底，把技术做到极致，在本专业内不亚于世界上任何国家的任何企业。\n这种匠人精神，令日本在规模不大的材料领域，顶住美国、成为领主。\n四、何处突围\n我们在做产业研究的时候，有个强烈的感受，中国似乎在美国的打压中，陷入一个被无限向上追溯的绝境：\n发现芯片被卡脖子后，我们在芯片设计领域有了崛起的华为海思，但随后就发现：还需要代工领域突破；当<a href=\"https://laohu8.com/S/688981\">中芯国际</a>攻坚芯片代工制造时，却又发现：需要设备环节突破；当<a href=\"https://laohu8.com/S/688012\">中微公司</a>、<a href=\"https://laohu8.com/S/002371\">北方华创</a>在逆袭设备、有所收获时，却又发现：设备核心零部件又仰人鼻息；当零部件也有所进展时，又发现：芯片材料还是被卡脖子。\n而当我们继续一步步向前溯源、“图穷匕见”时，才发现一切都回到了任正非此前无数次强调的基础科学。\n回顾来看，如果没有1703年建立的现代二进制，那么两百年后的机器语言就无从谈起；如果没有1874年布劳恩发现物理上的整流效应，那么就没有大半个世纪后晶体管的发明和应用；而等离子物理、气体化学，更是刻蚀机等关键设备的必备基础。\n而在美国大学中，有7所位列全球物理学科排名前十，有6所位列全球数学学科排名前十，有5所位列全球材料学科排名前十。基础科学强大的统治力，成为美国半导体公司汲取力量的源泉。\n在强势的基础学科背后，却又是1957年就已经埋下伏笔的美国基础学科支持体系——对大学基础学科进行财政支持；通过超级科技项目带领应用落地。\n当年美苏争霸，苏联的全球第一颗人造卫星升空刺激了美国执政者，这也成为美国科技发展的重要转折点：\n一方面，为了保持“美国领先”，政府开始直接对研究机构发钱。美国国家科学基金会（NSF）给大学的基础研究经费从1955年的700万美金，飙升到1968年的2亿美金。在2018年，NSF用于基础研究的经费，更是高达42亿美金。这长达50年的基础研究经费里，美国联邦政府出了一半。\n尤其值得一提的是，NSF每年为数以千计的基础学科研究生提供奖学金，这其中诞生了42位诺贝尔奖得主。\n另一方面，美国启动了超级工程来落地研发成果。1958年，NASA成立，挑战人类科技极限的<a href=\"https://laohu8.com/S/APOL\">阿波罗</a>登月和航天飞机工程也就此启动。\n在研究需要250万个零件的航天飞机过程中（作为对比，光刻机零件大约是10万个，一辆汽车只有1万多个零件），大量尖端技术找到用武之地；而这些当时“冷门”的尖端技术，又在条件成熟时，相继转化为杀手级民用品（比如从航天飞机零件中诞生的人造心脏、红外照相机）。\n航天飞机的技术外溢，并不是孤例。医院核磁共振设备中采用的超导磁铁，也正是在美国粒子加速器“Tevatron”的研发中应用诞生。美国的超级科技工程，成为基础学科成果的试验田、练兵场和民用转化泉。\n事实上，通过基础研究掌握源头科技，随后一步步外溢建立产业霸权，这条路径并不只是美国的专利，也应该是各个产业强国的选择，更是面对美国打压时一条真正可行的道路。王侯将相，宁有种乎。避免无穷尽的“国产替代向上突破”的陷阱，实现和“基础研究向下溢出”的大会师。\n事实上，我们面临的困难、打压，日本也经历过。\n上世纪八十年代后期，美国对日本半导体产业发起突袭：政治封杀、商业打压、关税压迫无所不用其极，尤其是培养了“新小弟”韩国来挤压日本半导体产业。没几年，日本就从全球第一半导体强国宝座上跌落了。日本半导体引以为傲的三大楷模，松下、东芝、富士通的半导体部门先后被出售。\n面对美国的压制，日本选择进军高精尖材料，用时间换空间、用匠心换信心。\n1989年，韩国发力补贴存储芯片，而日本通产省制定了投资160亿日元的“硅类高分子材料研究开发基本计划”，重点补贴信越化学为首的有机硅企业。\n1995年，韩国发动第二轮存储价格战前夕，而日本东京应化（TOK）则实现了 KrF光刻胶商业化，打破了美国IBM长达10余年的垄断，并在随后第五年，其产品工艺成为行业标准，全球领先。\n2005年，三星坐上存储芯片老大的位置，而日本凸版印刷株式会社以710亿美金收购了美国杜邦公司的光掩膜业务，成为光罩龙头。\n在韩国全力扩张产能，和其他半导体下游厂搏杀的日子里，日本一步步走到了材料霸主的宝座前。从看似掌握着无解优势的美国人手里，硬生生抢下了一把霸权剑。\n但日本的成功仅仅是因为换了一个上游战场吗？显然不是。在过去30年，三大自然科学领域，日本共计收获了16个诺贝尔奖，其中有6个都属于是化学领域，而这些才是日本崛起的坚实地基。\n我国的基础研究怎么样呢？2018年，我国基础研究费用，在全年总研发支出中仅占5%，而这还是10年来占比最高的一年。而同期美国基础研究占比则是17%，日本是12%。在国内各个学校论坛上，劝师弟师妹们从基础学科转向金融计算机等应用学科的帖子，层出不穷。\n所以有人笑称，<a href=\"https://laohu8.com/S/600663\">陆家嘴</a>学集成电路的，比张江还多。\n今年7月份，更是爆出了中科院某所90多人集体离职的迷思。诚然，每个人都有择业的自由，但需要警示的，是大家做出选择的理由。基础学科研究的长周期、弱转化、低收入，令研究员们在日益上涨的房价、动则数百亿利润造假套现面前，相形见绌。\n<img src=\"https://static.tigerbbs.com/172767f1f7f0d7fd6da7b0d4699d360e\" tg-width=\"550\" tg-height=\"420\">\n任正非曾经感叹道：国家发展工业，过去的方针是砸钱，但钱砸下去不起作用。我们国家修桥、修路、修房子……已经习惯了只要砸钱就行。但是芯片砸钱不行，得砸数学家、物理学家、化学家……\n64年前，苏联率先发射的一颗卫星让美国惊醒。美国人一边加码“短期对抗”，一边酝酿“长期创新”，从而开启了多个领域的突破、领先；而今，一张张禁令也让我们惊醒，我国不少产业只是表面上的大，急需要的是骨子里的强。\n这些危机之痛，总是令人后悔不已。过去几十年，落后就要挨打的现实一次次提醒着我们，要实现基础技术能力的创新和突破，才能赢取下一个时代。\n全文完，感谢您的耐心阅读。\n参考文献：\n[1]. 美国联邦政府基础研究经费配置及对我国的启示-朱迎春.\n[2]. 美国一流大学黄金发展期的经验和启示-郭宝宇.\n[3]. 台积电：将摩尔定律进行到底-冀勇庆\n[4]. Cooperative Research andDevelopmentAgreements and Semiconductor Technology: Issues Involving the “DOE-IntelCRADA”, CRS Report for Congress\n[5]. U.S. gives ok to ASML on EUV effort-EETimes\n[6]. 日本半导体产业发展历程对我国电子化学品产业的启示-<a href=\"https://laohu8.com/S/000776\">广发证券</a>\n[7]. 设计一台光刻机，究竟有多难？-ASML阿斯麦光刻\n[8]. 北京地铁16号线为避开北大精密仪器楼取消海淀桥站-北京日报\n[9]. 东电电子:日本半导体设备国产化的见证者\n[10]. 失去的制造业:日本制造业的败北-汤之上隆\n[11]. 美国的EDA产业是如何走向辉煌的-知识自动化\n[12]. 那些年EDA三巨头的恩怨情仇-21ic电子网\n[13]. 一线工程师如何看待《没了美国的EDA软件，我们就不能做芯片了》-蜀山熊猫\n[14]. 硅集成电路工艺基础-关旭东\n[15]. 专题研究:美国301调查的历史回顾-<a href=\"https://laohu8.com/S/601878\">浙商证券</a>\n[16]. Materials Market Data Subscription,MMDS-SEMI\n[17]. IBM诱捕日本间谍-南风窗","source":"lsy1585097861883","collect":0,"html":"<!DOCTYPE html>\n<html>\n<head>\n<meta http-equiv=\"Content-Type\" content=\"text/html; charset=utf-8\" />\n<meta name=\"viewport\" content=\"width=device-width,initial-scale=1.0,minimum-scale=1.0,maximum-scale=1.0,user-scalable=no\"/>\n<meta name=\"format-detection\" content=\"telephone=no,email=no,address=no\" />\n<title>谁扼住了华为：美日半导体霸权的三张牌</title>\n<style type=\"text/css\">\na,abbr,acronym,address,applet,article,aside,audio,b,big,blockquote,body,canvas,caption,center,cite,code,dd,del,details,dfn,div,dl,dt,\nem,embed,fieldset,figcaption,figure,footer,form,h1,h2,h3,h4,h5,h6,header,hgroup,html,i,iframe,img,ins,kbd,label,legend,li,mark,menu,nav,\nobject,ol,output,p,pre,q,ruby,s,samp,section,small,span,strike,strong,sub,summary,sup,table,tbody,td,tfoot,th,thead,time,tr,tt,u,ul,var,video{ font:inherit;margin:0;padding:0;vertical-align:baseline;border:0 }\nbody{ font-size:16px; line-height:1.5; color:#999; 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class=\"title\">\n谁扼住了华为：美日半导体霸权的三张牌\n</h2>\n\n<h4 class=\"meta\">\n\n\n2020-08-10 15:14 北京时间&nbsp;&nbsp;&nbsp;<a href=http://tech.sina.com.cn/csj/2020-08-10/doc-iivhuipn7797138.shtml>远川研究所</a>\n\n\n</h4>\n\n</header>\n<article>\n<div>\n文/陈帅 刘芮\n2020年8月7日，华为余承东公开表示海思麒麟高端芯片已经“绝版”，中国最强的芯片设计公司，就在我们眼皮子底下被锁死了未来。\n华为海思推出第一款麒麟（Kirin）芯片是在2009年，虽然当时反响一般，但奏响了麒麟腾飞的乐章，随后每一年都有不小的进步：麒麟925带领Mate7打入高端阵营；麒麟955助力华为P9销量过千万……自己研发的芯片，成为华为手机甩开国内友商的最大武器。\n然而到...\n\n<a 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刘芮\n2020年8月7日，华为余承东公开表示海思麒麟高端芯片已经“绝版”，中国最强的芯片设计公司，就在我们眼皮子底下被锁死了未来。\n华为海思推出第一款麒麟（Kirin）芯片是在2009年，虽然当时反响一般，但奏响了麒麟腾飞的乐章，随后每一年都有不小的进步：麒麟925带领Mate7打入高端阵营；麒麟955助力华为P9销量过千万……自己研发的芯片，成为华为手机甩开国内友商的最大武器。\n然而到了2020年8月7日，麒麟系列的高端芯片却被迫提前退休，余承东表示麒麟系列中最先进的Kirin990和Kirin1000系列，在9月15日之后将无法生产，华为Mate40将成为麒麟高端芯片的绝唱。绝版的原因很简单：受到美国禁令影响，台积电将不再为华为代工。\n台积电并非没有抗争。全球高制程工艺一线难求，台积电话语权其实很强，而且几周前刚刚超过英特尔成为世界第一大半导体公司。所以面对美国禁令，台积电也曾斡旋过，但只要美国提起一个公司的名字，就能让台积电高管们吓出冷汗。这个公司就是：福建晋华。\n福建晋华成立于2016年，目标是在存储芯片领域实现突破。福建晋华是IDM一体化工艺，即设计、制造、封装都要做，一旦产品落地，对大陆整个半导体工艺的都会有所带动和提升。晋华一期投资款高达370亿元，还和台湾第二大代工厂台联电进行了技术合作。\n研发人员日夜奋战，成立一年多后，晋华就打造出了一座12寸的生产线，并准备投产，不料却迎来了资本主义的铁拳。\n2017年12月，美国镁光科技即刻以窃取知识产权为由开始狙击晋华，晋华也不甘示弱，双方在中国福州和美国加州互相起诉。就当局势焦灼之时，早就虎视眈眈的特朗普政府在2018年10月29日发起了闪电战：将福建晋华列入实体名单，严禁美国企业进行合作。\n\n禁令发出后，和晋华合作的美国应用材料公司（Applied Materials）的研发支持人员当天就打包撤离，另外两家美商科磊和泛林也迅速召回了前来合作的工程师。更严重的是，由于设备中含有美国原件，欧洲的阿斯麦、日本东京电子也暂停了对晋华的设备供应。\n晋华员工回忆外资撤退场景时，总结说：“这些人根本不给我们时间道别。”\n福建晋华官网上的生产进度，停留在了2018年试投片日，迟迟没有更新，而产品页则直接显示“页面在建设”中。去年5月10日，英国《金融时报》称，晋华已经开始寻求出租或者出售自己的工厂。仅仅一个回合，担当中国存储突破的种子选手，就被打倒在了起跑线上。\n“实体名单”就像是一份死刑通知书，可以瞬间让企业坠入地狱。美国制裁的决心、打击的力度，令同样采用美国核心零部件和核心技术支撑的台积电不寒而栗。同样，本来兴致勃勃要来抢台积电蛋糕的三星没了下文；中芯也含蓄地表示，可能不能为“某些客户”代工。\n为什么这些公司不愿意去触碰美国“逆鳞”？半导体领域，美国真的就独霸天下吗？其实并不然。\n虽然美国半导体行业产值大约占全世界的47%，体量上处于绝对优势；但韩国、欧洲、日本、中国台湾、中国大陆等其他“豪强”也各有擅长，与美国的差距并不是无法越过的鸿沟。\n比如，韩国在产值1500亿美金的存储芯片领域，占据压倒性优势，双强（三星、海力士）占据65%市场；\n欧洲在模拟芯片领域有三驾马车（英飞凌、意法半导体、恩智浦），从80年代起就从未跌出全球二十强。\n日本不但有独步天下的图像识别芯片，以信越日立为首的几家公司，更是牢牢扼住了全世界半导体的上游材料。\n中国台湾在千亿美元级别的芯片代工领域，更胜美国一筹，台积电和联电占据60%的规模，以日月光为首的封测代工也能抢下50%的市场；\n中国大陆依托庞大的下游市场，近年芯片设计领域发展迅速，不但诞生了世界前十的芯片设计巨头华为海思，整体芯片设计规模也位居世界第二。\n\n这些企业从账面实力来看，甚至可以让芯片行业“去美国化”，合力搞出一部没有美国芯片的手机。但美国515禁令一下，各路豪强却莫敢不从。\n一超多强的局面似乎就像“纸老虎”，在美国霸权之下，众半导体商分封而治可能才是目前的“真相”。大家忌惮的，其实是美国手握的两把利剑：芯片设备和设计工具。这两把剑又和日本的材料一起，组成了威力极强的美日半导体霸权三张牌：设备、工具和材料。\n那么，美日手中握的这三把剑究竟可怕在何处？是如何能挟制各路科技巨头豪强？了解这些答案，才能了解华为们的突围之路。\n一、设备：芯片制造的外置大脑\n设备商对于一般行业而言，就是个卖铲子的，交钱拿货基本就完事儿了；但半导体设备商却不同，不仅提供设备卖铲子，还要全程服务卖脑子，可谓是芯片制造商的外置大脑。\n芯片制造成本高昂，只有将良品率控制在90%上下，才不会亏本。但要知道，芯片制造，工序一千起步，这就导致，哪怕每一步合格率都有99%，最终良率都会在0.9*0.9的多次累积下，趋近于0。因此，要想不亏本，每个步骤的合格率就得控制在99.99%乃至99.999%以上。\n\n要达到这个状况，就对设备的复杂度提出了超高要求。就目前最先进的EUV光刻机来说，单台设备里超过十万个零件、4万个螺栓，以及3000多条线路。仅仅软管加起来，就有两公里长。这么一台庞大的设备，重量足足有180吨，单次发货需要动用40个货柜、20辆卡车以及3架货机才能运完。\n而更为重要的是，即使设备买回来，也远不是像电视冰箱一样，放好、插电就能开动这么简单。一般来说，一台高精度光刻机的调试组装，需要一年时间。而零件的组装、参数的设置、模块的调试，甚至螺丝的松紧、外部气温都会影响生产效果。哪怕一里外的一辆地铁经过，都能导致多数设备集体失灵。\n这也是所有精密仪器的“通病”。比如，十年前，北京大学12个高精度实验室里价值4亿元的仪器突然失灵，而原因居然是位于地下13.5米深的北京4号线经过了北大东门产生了1Hz~10Hz的震动，为此北大高精度实验室不得不集体搬家。\n因此，半导体制造设备每开动一段时间，就必须联系专门原厂服务人员上门调校。荷兰光刻机巨头ASML阿斯麦曾有一个客户，要更换光器件；由于当时阿斯麦的工程师无法出国，便邀请客户优秀员工到公司学习，用了近2个月，才仅仅掌握了单个零部件更换的技能。\n因此，阿斯麦、应用材料等半导体巨头，不只是把设备卖掉就结束了，更是在中国建立了2000人左右的庞大支持团队。其中应用材料的第二大收入就是服务，营收占比超过25%，而且稳定增长，旱涝保收。\n\n而设备厂的可怕之处正在于，不但通过“一代设备，一代工艺，一代产品”决定了制造厂的工艺制程，更是通过售后服务将制造厂牢牢的拿捏在手中。随着工艺越来越越高精尖，设备商的话语权也正在进一步提升。\n设备商的强势，可以从利润上明确的反映出来。过去5年，芯片制造厂的头部效应越来越明显，但上游设备商的净利润率反而大幅提升：泛林利润率从12%提升到22%，应用材料从14%上升到18%。代工厂想要客大欺店，那是根本不存在。\n也正因如此，在长达六十年的时间里，美国一直都在以各种手段，来保证自己在设备领域的绝对主导地位。\n根据2019年全球顶级半导体设备厂商排名，全球前五大半导体设备商占据了全球58%行业营收。其中，美国独占三席；其余两席，一席是日本的东京电子，另一席荷兰的阿斯麦，恰巧，这两家又都是美国一手扶持起来的。\n\n具体来说，应用材料（AMAT）和泛林（LAM）、科磊（KLA），是根正苗红的美国企业。\n其中，泛林在刻蚀机的市场占有率高达50%以上。应用材料则不仅在刻蚀机领域与泛林平分秋色，在离子注入、化学抛光等等细分设备环节也都占据半壁江山，甚至高达70%。科磊则在半导体前道检测设备领域占据了50%以上的市场，并在镀膜测量设备的市占率达到了98%。\n而光刻机巨头阿斯麦，看似是一家荷兰企业，其实有一颗美国心。早在2000年前后，光刻机市场还停留在DUV（深紫外）光刻阶段，日本尼康才是真正的霸主，但到了EUV（极紫外）阶段，尼康却在美国的一手主导下被淘汰出局。\n原因很简单，EUV技术难度登峰造极：从传统DUV跨越到EUV，意味着光源从193nm剧烈缩短到13.5nm。这需要将20KW的激光，以每秒5万次的频率来轰击20微米的锡滴，将液态锡汽化成为等离子体。这相当于在飓风里以每秒五万次的频率，让乒乓球打中一只苍蝇两次。\n当年，全球最先进的EUV研发机构是英特尔与美国能源部带头组建的EUVLLC联盟，这里有摩托罗拉、AMD、IBM，以及能源部下属三大国家实验室，可谓是集美国科研精华于一身。可以说，只有进入EUVLLC联盟，才能获得一张EUV的门票。\n美国彼时正将日本半导体视为大敌，自然拒绝了日本尼康的入会请求，而阿斯麦则保证55%零部件会从美国供应商处采购，并接受定期审查。这才入了美国的局，从后起之秀变成了“帝花之秀”。\n美国不仅对阿斯麦开了门，还送了礼：允许阿斯麦先后收购了美国掩罩技术龙头Silicon Valley Group、美国光刻检测与解决方案玩家Brion、美国紫外光源龙头Cymer等公司。阿斯麦技术心、研发身，都打上了星条旗烙印。那还不是任凭美国使唤。\n而早年的东京电子，只是美国半导体始祖仙童半导体（Fairchild）的设备代理商，后来又与美国Thermco公司合资生产半导体设备，直到1988年才变成日本独资，但东京电子身上也已经流着美国公司的血。\n因此，在2019年六月，面对第一轮美国禁令，东京电子就表示：“那些被禁止与应用材料和泛林做生意的中国客户，我们也不会跟他们有业务往来”，义正词严表明了和美系设备商共进退。\n至此，美国靠着多年的“时间积累”和超高精密度“工艺技术”，在设备领域形成了牢牢的主动权。而时间和技术，都不是后进者可以一蹴而就的。\n二、EDA(设计软件）：生态网络效应下的“幌金绳”\n如果说设备是针对芯片生产的一把封喉剑，那么EDA无疑是芯片设计环节的“幌金绳”，虽不致命但可以令“孙悟空”束手束脚、无处施展。\nEDA这根“幌金绳”分三段：首先，它是芯片设计师的“PS软件+素材库”，可以让芯片设计从几十年前图纸上画线的体力活，变成了软件里“素材排列组合+敲敲代码”的脑力活。而且，现在仅指甲盖大小芯片，也有几十亿个晶体管，这种工程量，离开了EDA简直是天方夜谭。\n20年前的英特尔奔腾处理器的线路图一角，目前晶体管密度已经上升超过1000倍\n其次，EDA的奥秘，在于其丰富的IP库。即将经常使用的功能，标准化为可以直接调用的模块，而无需设计公司再重新设计。如果说芯片设计是厨师做菜的话，软件就是厨具，IP就是料包。\n而事实上，EDA巨头公司，往往是得益于其IP的独占。比如Cadence（楷登电子）拥有大量模拟电路IP，而其也是模拟及混合信号电路设计的王者；而Synopsys（新思科技）的IP库更偏向DC综合、PT时序分析，因而新思在数字芯片领域独占鳌头。\n而在全球前三的IP企业中，EDA公司就占了两个，合计市场份额高达24.1%。在Synopsys的历年营收中，IP授权是仅次于EDA授权的第二业务。\n\nEDA还有一项重要的功能是仿真，即帮设计好的芯片查漏补缺。毕竟一次流片（试产）的成本就高达数百万美金，顶得上一个小设计公司大半年的利润。业内广为流传一句话：设计不仿真，流片两行泪。\n加州大学教授有一个统计测算，2011年一片SoC的设计费用大概为4000万美元，而如果没有EDA，设计费用则会飙升至77亿美元，增加了近200倍。\n\n因此，EDA被誉为半导体里的最高杠杆，虽然全球产值不过一百多亿美元，但却可以影响全球五千多亿集成电路市场、几万亿电子产业的发展。\nEDA如此高效好用，那我国自主化状况如何呢？很可惜，比操作系统还尴尬。\n我国最大的EDA厂商华大九天在全球的份额差不多是1%，而美国三大厂商Synopsys（新思科技）、Cadence（楷登电子）以及Mentor Graphics（明导科技，2016年被西门子收购）则占据了80%以上的市场。\n这也就导致了虽然我国芯片设计位居世界第二，但美国一声令下，芯片设计就会面临“工具危机”，巧妇难为无米之炊。不过，既然软件已经交过钱了，用旧版本难道不行吗？\n很可惜，并不能。\n因为这背后有一张EDA商、IP商、代工厂们互相嵌合的生态网。EDA是不断更新的。新的版本对应更新的IP库和PDK文件。而PDK即工艺设计包，则又包含了芯片工艺中的电流、电压、材料、流程等参数，是代工厂生产时的必备数据。新EDA、新IP、新工艺，互相促进、互为一体。\n因此，用旧版的软件就会处处“脱节”：做设计时无法获得最新的设计IP库，找代工厂时又无法和工艺需要最新的EDA、PDK进行匹配。长此以往，技术越来越落后，合作伙伴也越来越少。不过既然EDA不过是0101的代码，从破解小组里找几个高手不就好了吗？\n很遗憾，也几乎不可能。\n每个EDA软件出厂时都会内嵌一个Flexlm加密软件，把EDA和安装的设备进行一一锁定，包括主机号、设备硬盘、网卡、使用日期等信息。而Flexlm的密钥长度达239位，暴力破解的难度非常大。如果用英特尔高性能的CPU来破解的话，需要4000左右的核年（core-year），也就是说用40核的CPU，需要100年。\n当然，也可以采用分布式的方式，继续增加CPU数量减少时间。然而，即使破解成功了，来到了全新的IP库门前时，也会被EDA厂商通过“修改时间、文件大小、确认IP来源”等方式，再次进行验证，然后被拒绝。油然而生一股挖了百年地下隧道、却撞到石头上的酸爽。\n破解并不有效，也不敞亮，还和我国知识产权保护的态度相违背。因此，依然还是要靠华大九天等公司自研崛起。那么，这条出路有多宽呢？其实单纯写出一套软件，难度并不大。关键还是要有海量丰富的IP、PDK，以及产业上下游的支持配合。单点突破未必有效，需要军团全面突围，而这并非一朝一夕之功。\n三、材料：工匠精神最后的堡垒\n2019年，日韩闹了矛盾，双方都很刚，但日本断供了韩国几款半导体材料后，没多久韩国三星掌门人李在镕就飞往日本恳请松口了，后来他更是跑到比利时、中国台湾，试图绕道购买或者收点存货过日。\n按理说，韩国也是半导体强国，三星在设计、制造领域更是主要玩家，但面对区区几亿美金的材料，却被闹得狼狈不堪。\n材料真的有这么难吗？讲真，半导体原始材料是非常丰富的，比如硅片用的就是满地球的沙子。但要实现半导体的“材料自由”，却并不容易，必须打通任督二脉：“纯度”、“配方”。\n纯度是一个无止境之路。我国已经实现自产的光伏硅片，一般纯度是6-8个9，即99.999999%，但半导体的硅片纯度却是11个9，而且还在不断提高。小数点后多3到5位，就意味着杂质含量相差了1000到10万倍。\n这个差距有多大呢？假设，光伏硅片里包含的杂质，相当于一桶沙子洒在了操场上；那么半导体硅片的要求则是在两个足球场大的面积里，只能容下一粒沙子。\n那么，为什么必须将杂质含量降到这么低呢？因为电子的大小只有1/10纳米，哪怕仅有几个原子大小的杂质出现在硅片上，也会彻底堵塞一条电路通道，导致芯片局部失灵。如果杂质含量更高的话，甚至会和硅原子混在一起，直接改变硅片的原子排列结构，让硅片的导电效率完全改变。\n经过刻蚀后的硅表面和锡颗粒，如同明月在金字塔后升起\n要达到如此纯度，需要科学和工艺的完美结合。\n一方面，需要大量基础科学仪器来辅助。比如在材料生产过程中，设备自身就会有金属原子渗透影响纯度，因此需要不断改良。而要确认纯度，也是高难度。就像特种气体，就需要专门的仪器来检测10亿分之一（PPB级）的杂质含量水平。实现这个难度，就不仅需要半导体企业，还需要奥林巴斯等光学企业出马助力。\n另一方面，从实验室到工厂车间也需要工艺积累。材料制造，不仅对生产设备要求高，就连工厂里的地垫、拖把，也都是高级别特供。而且，生产车间温度、湿度的不同，也会影响材料纯度，就不得不反复尝试后得出标准。\n而高纯度只是第一步，复合材料（比如光刻胶）的配置更是难以跨越的鸿沟。如果说“纯度”是个艺术科学的话，那么“配方”就是玄学科学。\n其实，无论提纯、还是配置，基本的理论原理、工艺技术都不是难事儿。但如何选材、配比，从而实现极致的效果，却需要高度依赖经验法则，即业内常说的“know-how”。\n同样的材料，不同的配比就会有不同的效果；就像我们用红黄蓝三色去搭配，不同的配比就能得到不同的颜色。而即使用同样的配方、采用同样的工艺，在不同的湿度、温度甚至光照下，也会有不同，甚至相差很远的效果。\n这些影响材料效果的参数，无法通过精密计算获得，只能是实验室、车间里一次次调配、实验、观察、记录、改良。有时候，为了得到10%的效果改良，可能需要花费几年。然而，这提升的10%，虽然抢占的只是几百亿规模的市场，但却影响着万亿半导体行业。\n因此，无论是提纯，还是配方，其实需要的都是超长的耐心待机、极致专注。这不禁令人会想到日本的寿司之神，一辈子只做寿司，而一个学徒仅拧毛巾就要练五年。虽然在生活中，这种执着看起来有些迂腐可笑，但事实上，材料领域做得最好的，正是日本企业。\n据SEMI推测，2019年日本企业在全球半导体材料市场，所占份额达到66%。19种主要材料中，日本有14种市占率超过50%。而在占据产值2/3的四大最核心的材料：硅片、光刻胶、电子特气和掩膜胶等领域，日本有三项都占据了70%的份额。最新一代EUV光刻胶领域，日本的3家企业申请了行业80%以上的专利。\n\n日本在材料产能上占据优势后，又用服务将客户捆绑得死死的。\n许多半导体材料都有极强的腐蚀性和毒性，曾有一位特种气体的供应商描述，一旦气体泄漏，只需一瓶，就可以把整个厦门市人口消灭。因此，芯片制造商只能把材料的运输、保存、检测等环节，都交给材料的“娘家”材料商。\n而另一方面，材料虽小、威力却大。半导体制造中几万美金的材料不达标，就能让耗资数十亿美金生产线的产品大半报废，因此制造商们只会选择经过认证的、长期合作的供应商。新进玩家，几乎没有上桌的机会。\n而对于材料公司而言，下游用得越多，得到的反馈就越多，就有更多的案例支持、更多的验证机会来提升工艺、改善配比，从而进一步拉大和追赶者的差距。对于后进者而言，商业处境用一句话来形容就是：一步赶不上、步步都白忙。\n日本能取得这个成就，其实离不开日本“经营之圣”稻盛和夫在上世纪80年代给日本规划的方向：欧美先进国家不愿再转让技术的条件下，日本人除了将自己固有的“改良改善特质”发扬光大之外，别无出路；各类企业都要在各自的专业领域内做彻底，把技术做到极致，在本专业内不亚于世界上任何国家的任何企业。\n这种匠人精神，令日本在规模不大的材料领域，顶住美国、成为领主。\n四、何处突围\n我们在做产业研究的时候，有个强烈的感受，中国似乎在美国的打压中，陷入一个被无限向上追溯的绝境：\n发现芯片被卡脖子后，我们在芯片设计领域有了崛起的华为海思，但随后就发现：还需要代工领域突破；当中芯国际攻坚芯片代工制造时，却又发现：需要设备环节突破；当中微公司、北方华创在逆袭设备、有所收获时，却又发现：设备核心零部件又仰人鼻息；当零部件也有所进展时，又发现：芯片材料还是被卡脖子。\n而当我们继续一步步向前溯源、“图穷匕见”时，才发现一切都回到了任正非此前无数次强调的基础科学。\n回顾来看，如果没有1703年建立的现代二进制，那么两百年后的机器语言就无从谈起；如果没有1874年布劳恩发现物理上的整流效应，那么就没有大半个世纪后晶体管的发明和应用；而等离子物理、气体化学，更是刻蚀机等关键设备的必备基础。\n而在美国大学中，有7所位列全球物理学科排名前十，有6所位列全球数学学科排名前十，有5所位列全球材料学科排名前十。基础科学强大的统治力，成为美国半导体公司汲取力量的源泉。\n在强势的基础学科背后，却又是1957年就已经埋下伏笔的美国基础学科支持体系——对大学基础学科进行财政支持；通过超级科技项目带领应用落地。\n当年美苏争霸，苏联的全球第一颗人造卫星升空刺激了美国执政者，这也成为美国科技发展的重要转折点：\n一方面，为了保持“美国领先”，政府开始直接对研究机构发钱。美国国家科学基金会（NSF）给大学的基础研究经费从1955年的700万美金，飙升到1968年的2亿美金。在2018年，NSF用于基础研究的经费，更是高达42亿美金。这长达50年的基础研究经费里，美国联邦政府出了一半。\n尤其值得一提的是，NSF每年为数以千计的基础学科研究生提供奖学金，这其中诞生了42位诺贝尔奖得主。\n另一方面，美国启动了超级工程来落地研发成果。1958年，NASA成立，挑战人类科技极限的阿波罗登月和航天飞机工程也就此启动。\n在研究需要250万个零件的航天飞机过程中（作为对比，光刻机零件大约是10万个，一辆汽车只有1万多个零件），大量尖端技术找到用武之地；而这些当时“冷门”的尖端技术，又在条件成熟时，相继转化为杀手级民用品（比如从航天飞机零件中诞生的人造心脏、红外照相机）。\n航天飞机的技术外溢，并不是孤例。医院核磁共振设备中采用的超导磁铁，也正是在美国粒子加速器“Tevatron”的研发中应用诞生。美国的超级科技工程，成为基础学科成果的试验田、练兵场和民用转化泉。\n事实上，通过基础研究掌握源头科技，随后一步步外溢建立产业霸权，这条路径并不只是美国的专利，也应该是各个产业强国的选择，更是面对美国打压时一条真正可行的道路。王侯将相，宁有种乎。避免无穷尽的“国产替代向上突破”的陷阱，实现和“基础研究向下溢出”的大会师。\n事实上，我们面临的困难、打压，日本也经历过。\n上世纪八十年代后期，美国对日本半导体产业发起突袭：政治封杀、商业打压、关税压迫无所不用其极，尤其是培养了“新小弟”韩国来挤压日本半导体产业。没几年，日本就从全球第一半导体强国宝座上跌落了。日本半导体引以为傲的三大楷模，松下、东芝、富士通的半导体部门先后被出售。\n面对美国的压制，日本选择进军高精尖材料，用时间换空间、用匠心换信心。\n1989年，韩国发力补贴存储芯片，而日本通产省制定了投资160亿日元的“硅类高分子材料研究开发基本计划”，重点补贴信越化学为首的有机硅企业。\n1995年，韩国发动第二轮存储价格战前夕，而日本东京应化（TOK）则实现了 KrF光刻胶商业化，打破了美国IBM长达10余年的垄断，并在随后第五年，其产品工艺成为行业标准，全球领先。\n2005年，三星坐上存储芯片老大的位置，而日本凸版印刷株式会社以710亿美金收购了美国杜邦公司的光掩膜业务，成为光罩龙头。\n在韩国全力扩张产能，和其他半导体下游厂搏杀的日子里，日本一步步走到了材料霸主的宝座前。从看似掌握着无解优势的美国人手里，硬生生抢下了一把霸权剑。\n但日本的成功仅仅是因为换了一个上游战场吗？显然不是。在过去30年，三大自然科学领域，日本共计收获了16个诺贝尔奖，其中有6个都属于是化学领域，而这些才是日本崛起的坚实地基。\n我国的基础研究怎么样呢？2018年，我国基础研究费用，在全年总研发支出中仅占5%，而这还是10年来占比最高的一年。而同期美国基础研究占比则是17%，日本是12%。在国内各个学校论坛上，劝师弟师妹们从基础学科转向金融计算机等应用学科的帖子，层出不穷。\n所以有人笑称，陆家嘴学集成电路的，比张江还多。\n今年7月份，更是爆出了中科院某所90多人集体离职的迷思。诚然，每个人都有择业的自由，但需要警示的，是大家做出选择的理由。基础学科研究的长周期、弱转化、低收入，令研究员们在日益上涨的房价、动则数百亿利润造假套现面前，相形见绌。\n\n任正非曾经感叹道：国家发展工业，过去的方针是砸钱，但钱砸下去不起作用。我们国家修桥、修路、修房子……已经习惯了只要砸钱就行。但是芯片砸钱不行，得砸数学家、物理学家、化学家……\n64年前，苏联率先发射的一颗卫星让美国惊醒。美国人一边加码“短期对抗”，一边酝酿“长期创新”，从而开启了多个领域的突破、领先；而今，一张张禁令也让我们惊醒，我国不少产业只是表面上的大，急需要的是骨子里的强。\n这些危机之痛，总是令人后悔不已。过去几十年，落后就要挨打的现实一次次提醒着我们，要实现基础技术能力的创新和突破，才能赢取下一个时代。\n全文完，感谢您的耐心阅读。\n参考文献：\n[1]. 美国联邦政府基础研究经费配置及对我国的启示-朱迎春.\n[2]. 美国一流大学黄金发展期的经验和启示-郭宝宇.\n[3]. 台积电：将摩尔定律进行到底-冀勇庆\n[4]. Cooperative Research andDevelopmentAgreements and Semiconductor Technology: Issues Involving the “DOE-IntelCRADA”, CRS Report for Congress\n[5]. U.S. gives ok to ASML on EUV effort-EETimes\n[6]. 日本半导体产业发展历程对我国电子化学品产业的启示-广发证券\n[7]. 设计一台光刻机，究竟有多难？-ASML阿斯麦光刻\n[8]. 北京地铁16号线为避开北大精密仪器楼取消海淀桥站-北京日报\n[9]. 东电电子:日本半导体设备国产化的见证者\n[10]. 失去的制造业:日本制造业的败北-汤之上隆\n[11]. 美国的EDA产业是如何走向辉煌的-知识自动化\n[12]. 那些年EDA三巨头的恩怨情仇-21ic电子网\n[13]. 一线工程师如何看待《没了美国的EDA软件，我们就不能做芯片了》-蜀山熊猫\n[14]. 硅集成电路工艺基础-关旭东\n[15]. 专题研究:美国301调查的历史回顾-浙商证券\n[16]. Materials Market Data Subscription,MMDS-SEMI\n[17]. IBM诱捕日本间谍-南风窗","news_type":1,"symbols_score_info":{"TSM":0.9,"SSNLF":0.9,"MU":0.9,"INTC":0.9,"UMC":0.9,"NVDA":0.9,"QCOM":0.9}},"isVote":1,"likeStatus":false,"favoriteStatus":false,"reportStatus":false,"tweetType":1,"langContent":"CN"},{"id":944251427,"gmtCreate":1597047305169,"gmtModify":1704214123465,"author":{"id":"3495188029450948","authorId":"3495188029450948","name":"股海彦祖","avatar":"https://static.tigerbbs.com/8fcb2d91d6b43235bf0f94d3c6e486a3","vip":2,"crmLevel":2,"crmLevelSwitch":0,"idStr":"3495188029450948","authorIdStr":"3495188029450948"},"htmlText":"看完了，绝对的好文。崛起不是喊几句口号，是要沉下心脚踏实地","listText":"看完了，绝对的好文。崛起不是喊几句口号，是要沉下心脚踏实地","text":"看完了，绝对的好文。崛起不是喊几句口号，是要沉下心脚踏实地","images":[],"top":1,"highlighted":1,"essential":1,"paper":1,"likeSize":1,"commentSize":0,"repostSize":0,"link":"https://laohu8.com/post/944251427","repostId":1106515531,"repostType":4,"repost":{"id":"1106515531","kind":"news","pubTimestamp":1597043655,"share":"https://www.laohu8.com/m/news/1106515531?lang=zh_CN&edition=full","pubTime":"2020-08-10 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href=\"https://laohu8.com/S/UMC\">联电</a>进行了技术合作。\n研发人员日夜奋战，成立一年多后，晋华就打造出了一座12寸的生产线，并准备投产，不料却迎来了资本主义的铁拳。\n2017年12月，美国镁光科技即刻以窃取知识产权为由开始狙击晋华，晋华也不甘示弱，双方在中国福州和美国加州互相起诉。就当局势焦灼之时，早就虎视眈眈的特朗普政府在2018年10月29日发起了闪电战：将福建晋华列入实体名单，严禁美国企业进行合作。\n<img src=\"https://static.tigerbbs.com/b583c487e99421808de7c8d13325d9cd\" tg-width=\"550\" tg-height=\"303\">\n禁令发出后，和晋华合作的美国<a href=\"https://laohu8.com/S/AMAT\">应用材料</a>公司（Applied Materials）的研发支持人员当天就打包撤离，另外两家美商<a href=\"https://laohu8.com/S/KLAC\">科磊</a>和泛林也迅速召回了前来合作的工程师。更严重的是，由于设备中含有美国原件，欧洲的<a href=\"https://laohu8.com/S/ASML\">阿斯麦</a>、日本东京电子也暂停了对晋华的设备供应。\n晋华员工回忆外资撤退场景时，总结说：“这些人根本不给我们时间道别。”\n福建晋华官网上的生产进度，停留在了2018年试投片日，迟迟没有更新，而产品页则直接显示“页面在建设”中。去年5月10日，英国《金融时报》称，晋华已经开始寻求出租或者出售自己的工厂。仅仅一个回合，担当中国存储突破的种子选手，就被打倒在了起跑线上。\n“实体名单”就像是一份死刑通知书，可以瞬间让企业坠入地狱。美国制裁的决心、打击的力度，令同样采用美国核心零部件和核心技术支撑的台积电不寒而栗。同样，本来兴致勃勃要来抢台积电蛋糕的<a href=\"https://laohu8.com/S/SMSN.UK\">三星</a>没了下文；中芯也含蓄地表示，可能不能为“某些客户”代工。\n为什么这些公司不愿意去触碰美国“逆鳞”？半导体领域，美国真的就独霸天下吗？其实并不然。\n虽然美国半导体行业产值大约占全世界的47%，体量上处于绝对优势；但韩国、欧洲、日本、中国台湾、中国大陆等其他“豪强”也各有擅长，与美国的差距并不是无法越过的鸿沟。\n比如，韩国在产值1500亿美金的存储芯片领域，占据压倒性优势，双强（三星、海力士）占据65%市场；\n欧洲在模拟芯片领域有三驾马车（英飞凌、<a href=\"https://laohu8.com/S/STM\">意法半导体</a>、<a href=\"https://laohu8.com/S/NXPI\">恩智浦</a>），从80年代起就从未跌出全球二十强。\n日本不但有独步天下的图像识别芯片，以信越日立为首的几家公司，更是牢牢扼住了全世界半导体的上游材料。\n中国台湾在千亿美元级别的芯片代工领域，更胜美国一筹，台积电和联电占据60%的规模，以日月光为首的封测代工也能抢下50%的市场；\n中国大陆依托庞大的下游市场，近年芯片设计领域发展迅速，不但诞生了世界前十的芯片设计巨头华为海思，整体芯片设计规模也位居世界第二。\n<img src=\"https://static.tigerbbs.com/af7951ed8b54621604828de27fb2d8b8\" tg-width=\"550\" tg-height=\"388\">\n这些企业从账面实力来看，甚至可以让芯片行业“去美国化”，合力搞出一部没有美国芯片的手机。但美国515禁令一下，各路豪强却莫敢不从。\n一超多强的局面似乎就像“纸老虎”，在美国霸权之下，众半导体商分封而治可能才是目前的“真相”。大家忌惮的，其实是美国手握的两把利剑：芯片设备和设计工具。这两把剑又和日本的材料一起，组成了威力极强的美日半导体霸权三张牌：设备、工具和材料。\n那么，美日手中握的这三把剑究竟可怕在何处？是如何能挟制各路科技巨头豪强？了解这些答案，才能了解华为们的突围之路。\n一、设备：芯片制造的外置大脑\n设备商对于一般行业而言，就是个卖铲子的，交钱拿货基本就完事儿了；但半导体设备商却不同，不仅提供设备卖铲子，还要全程服务卖脑子，可谓是芯片制造商的外置大脑。\n芯片制造成本高昂，只有将良品率控制在90%上下，才不会亏本。但要知道，芯片制造，工序一千起步，这就导致，哪怕每一步合格率都有99%，最终良率都会在0.9*0.9的多次累积下，趋近于0。因此，要想不亏本，每个步骤的合格率就得控制在99.99%乃至99.999%以上。\n<img src=\"https://static.tigerbbs.com/3242e1af4ca16f5c442a872388ba425c\" tg-width=\"550\" tg-height=\"348\">\n要达到这个状况，就对设备的复杂度提出了超高要求。就目前最先进的EUV光刻机来说，单台设备里超过十万个零件、4万个螺栓，以及3000多条线路。仅仅软管加起来，就有两公里长。这么一台庞大的设备，重量足足有180吨，单次发货需要动用40个货柜、20辆卡车以及3架货机才能运完。\n而更为重要的是，即使设备买回来，也远不是像电视冰箱一样，放好、插电就能开动这么简单。一般来说，一台高精度光刻机的调试组装，需要一年时间。而零件的组装、参数的设置、模块的调试，甚至螺丝的松紧、外部气温都会影响生产效果。哪怕一里外的一辆地铁经过，都能导致多数设备集体失灵。\n这也是所有精密仪器的“通病”。比如，十年前，北京大学12个高精度实验室里价值4亿元的仪器突然失灵，而原因居然是位于地下13.5米深的北京4号线经过了北大东门产生了1Hz~10Hz的震动，为此北大高精度实验室不得不集体搬家。\n因此，半导体制造设备每开动一段时间，就必须联系专门原厂服务人员上门调校。荷兰光刻机巨头ASML阿斯麦曾有一个客户，要更换光器件；由于当时阿斯麦的工程师无法出国，便邀请客户优秀员工到公司学习，用了近2个月，才仅仅掌握了单个零部件更换的技能。\n因此，阿斯麦、应用材料等半导体巨头，不只是把设备卖掉就结束了，更是在中国建立了2000人左右的庞大支持团队。其中应用材料的第二大收入就是服务，营收占比超过25%，而且稳定增长，旱涝保收。\n<img src=\"https://static.tigerbbs.com/e0cbf2bb6804bcc4f4a16c203155d458\" tg-width=\"639\" tg-height=\"359\">\n而设备厂的可怕之处正在于，不但通过“一代设备，一代工艺，一代产品”决定了制造厂的工艺制程，更是通过售后服务将制造厂牢牢的拿捏在手中。随着工艺越来越越高精尖，设备商的话语权也正在进一步提升。\n设备商的强势，可以从利润上明确的反映出来。过去5年，芯片制造厂的头部效应越来越明显，但上游设备商的净利润率反而大幅提升：泛林利润率从12%提升到22%，应用材料从14%上升到18%。代工厂想要客大欺店，那是根本不存在。\n也正因如此，在长达六十年的时间里，美国一直都在以各种手段，来保证自己在设备领域的绝对主导地位。\n根据2019年全球顶级半导体设备厂商排名，全球前五大半导体设备商占据了全球58%行业营收。其中，美国独占三席；其余两席，一席是日本的东京电子，另一席荷兰的阿斯麦，恰巧，这两家又都是美国一手扶持起来的。\n<img src=\"https://static.tigerbbs.com/52c9a056ba1db7a801fb63e762d0489b\" tg-width=\"550\" tg-height=\"272\">\n具体来说，应用材料（AMAT）和泛林（LAM）、科磊（KLA），是根正苗红的美国企业。\n其中，泛林在刻蚀机的市场占有率高达50%以上。应用材料则不仅在刻蚀机领域与泛林平分秋色，在离子注入、化学抛光等等细分设备环节也都占据半壁江山，甚至高达70%。科磊则在半导体前道检测设备领域占据了50%以上的市场，并在镀膜测量设备的市占率达到了98%。\n而光刻机巨头阿斯麦，看似是一家荷兰企业，其实有一颗美国心。早在2000年前后，光刻机市场还停留在DUV（深紫外）光刻阶段，日本尼康才是真正的霸主，但到了EUV（极紫外）阶段，尼康却在美国的一手主导下被淘汰出局。\n原因很简单，EUV技术难度登峰造极：从传统DUV跨越到EUV，意味着光源从193nm剧烈缩短到13.5nm。这需要将20KW的激光，以每秒5万次的频率来轰击20微米的锡滴，将液态锡汽化成为等离子体。这相当于在飓风里以每秒五万次的频率，让乒乓球打中一只苍蝇两次。\n当年，全球最先进的EUV研发机构是英特尔与<a href=\"https://laohu8.com/S/USEG\">美国能源</a>部带头组建的EUVLLC联盟，这里有摩托罗拉、<a href=\"https://laohu8.com/S/AMD\">AMD</a>、<a href=\"https://laohu8.com/S/IBM\">IBM</a>，以及能源部下属三大国家实验室，可谓是集美国科研精华于一身。可以说，只有进入EUVLLC联盟，才能获得一张EUV的门票。\n美国彼时正将日本半导体视为大敌，自然拒绝了日本尼康的入会请求，而阿斯麦则保证55%零部件会从美国供应商处采购，并接受定期审查。这才入了美国的局，从后起之秀变成了“帝花之秀”。\n美国不仅对阿斯麦开了门，还送了礼：允许阿斯麦先后收购了美国掩罩技术龙头Silicon Valley Group、美国光刻检测与解决方案玩家Brion、美国紫外光源龙头Cymer等公司。阿斯麦技术心、研发身，都打上了星条旗烙印。那还不是任凭美国使唤。\n而早年的东京电子，只是美国半导体始祖仙童半导体（Fairchild）的设备代理商，后来又与美国Thermco公司合资生产半导体设备，直到1988年才变成日本独资，但东京电子身上也已经流着美国公司的血。\n因此，在2019年六月，面对第一轮美国禁令，东京电子就表示：“那些被禁止与应用材料和泛林做生意的中国客户，我们也不会跟他们有业务往来”，义正词严表明了和美系设备商共进退。\n至此，美国靠着多年的“时间积累”和超高精密度“工艺技术”，在设备领域形成了牢牢的主动权。而时间和技术，都不是后进者可以一蹴而就的。\n二、EDA(设计软件）：生态网络效应下的“幌金绳”\n如果说设备是针对芯片生产的一把封喉剑，那么EDA无疑是芯片设计环节的“幌金绳”，虽不致命但可以令“孙悟空”束手束脚、无处施展。\nEDA这根“幌金绳”分三段：首先，它是芯片设计师的“PS软件+素材库”，可以让芯片设计从几十年前图纸上画线的体力活，变成了软件里“素材排列组合+敲敲代码”的脑力活。而且，现在仅指甲盖大小芯片，也有几十亿个晶体管，这种工程量，离开了EDA简直是天方夜谭。\n<img src=\"https://static.tigerbbs.com/7154dd4f385322ef72a0c00aff6db76f\" tg-width=\"550\" tg-height=\"440\"><img src=\"https://static.tigerbbs.com/28a1447d5c588f93f134350d0967e562\" tg-width=\"550\" tg-height=\"259\">20年前的英特尔奔腾处理器的线路图一角，目前晶体管密度已经上升超过1000倍\n其次，EDA的奥秘，在于其丰富的IP库。即将经常使用的功能，标准化为可以直接调用的模块，而无需设计公司再重新设计。如果说芯片设计是厨师做菜的话，软件就是厨具，IP就是料包。\n而事实上，EDA巨头公司，往往是得益于其IP的独占。比如Cadence（楷登电子）拥有大量模拟电路IP，而其也是模拟及混合信号电路设计的王者；而Synopsys（<a href=\"https://laohu8.com/S/SNPS\">新思科技</a>）的IP库更偏向DC综合、PT时序分析，因而新思在数字芯片领域独占鳌头。\n而在全球前三的IP企业中，EDA公司就占了两个，合计市场份额高达24.1%。在Synopsys的历年营收中，IP授权是仅次于EDA授权的第二业务。\n<img src=\"https://static.tigerbbs.com/392eff849ad71b6b8f7e6cbb82a1906f\" tg-width=\"550\" tg-height=\"258\">\nEDA还有一项重要的功能是仿真，即帮设计好的芯片查漏补缺。毕竟一次流片（试产）的成本就高达数百万美金，顶得上一个小设计公司大半年的利润。业内广为流传一句话：设计不仿真，流片两行泪。\n加州大学教授有一个统计测算，2011年一片SoC的设计费用大概为4000万美元，而如果没有EDA，设计费用则会飙升至77亿美元，增加了近200倍。\n<img src=\"https://static.tigerbbs.com/adb9767feadd0972fcb971bff92fed62\" tg-width=\"550\" tg-height=\"413\">\n因此，EDA被誉为半导体里的最高杠杆，虽然全球产值不过一百多亿美元，但却可以影响全球五千多亿集成电路市场、几万亿电子产业的发展。\nEDA如此高效好用，那我国自主化状况如何呢？很可惜，比操作系统还尴尬。\n我国最大的EDA厂商华大九天在全球的份额差不多是1%，而美国三大厂商Synopsys（新思科技）、Cadence（楷登电子）以及Mentor Graphics（明导科技，2016年被西门子收购）则占据了80%以上的市场。\n这也就导致了虽然我国芯片设计位居世界第二，但美国一声令下，芯片设计就会面临“工具危机”，巧妇难为无米之炊。不过，既然软件已经交过钱了，用旧版本难道不行吗？\n很可惜，并不能。\n因为这背后有一张EDA商、IP商、代工厂们互相嵌合的生态网。EDA是不断更新的。新的版本对应更新的IP库和PDK文件。而PDK即工艺设计包，则又包含了芯片工艺中的电流、电压、材料、流程等参数，是代工厂生产时的必备数据。新EDA、新IP、新工艺，互相促进、互为一体。\n因此，用旧版的软件就会处处“脱节”：做设计时无法获得最新的设计IP库，找代工厂时又无法和工艺需要最新的EDA、PDK进行匹配。长此以往，技术越来越落后，合作伙伴也越来越少。不过既然EDA不过是0101的代码，从破解小组里找几个高手不就好了吗？\n很遗憾，也几乎不可能。\n每个EDA软件出厂时都会内嵌一个Flexlm加密软件，把EDA和安装的设备进行一一锁定，包括主机号、设备硬盘、网卡、使用日期等信息。而Flexlm的密钥长度达239位，暴力破解的难度非常大。如果用英特尔高性能的CPU来破解的话，需要4000左右的核年（core-year），也就是说用40核的CPU，需要100年。\n当然，也可以采用分布式的方式，继续增加CPU数量减少时间。然而，即使破解成功了，来到了全新的IP库门前时，也会被EDA厂商通过“修改时间、文件大小、确认IP来源”等方式，再次进行验证，然后被拒绝。油然而生一股挖了百年地下隧道、却撞到石头上的酸爽。\n破解并不有效，也不敞亮，还和我国知识产权保护的态度相违背。因此，依然还是要靠华大九天等公司自研崛起。那么，这条出路有多宽呢？其实单纯写出一套软件，难度并不大。关键还是要有海量丰富的IP、PDK，以及产业上下游的支持配合。单点突破未必有效，需要军团全面突围，而这并非一朝一夕之功。\n三、材料：工匠精神最后的堡垒\n2019年，日韩闹了矛盾，双方都很刚，但日本断供了韩国几款半导体材料后，没多久韩国三星掌门人李在镕就飞往日本恳请松口了，后来他更是跑到比利时、中国台湾，试图绕道购买或者收点存货过日。\n按理说，韩国也是半导体强国，三星在设计、制造领域更是主要玩家，但面对区区几亿美金的材料，却被闹得狼狈不堪。\n材料真的有这么难吗？讲真，半导体原始材料是非常丰富的，比如硅片用的就是满地球的沙子。但要实现半导体的“材料自由”，却并不容易，必须打通任督二脉：“纯度”、“配方”。\n纯度是一个无止境之路。我国已经实现自产的光伏硅片，一般纯度是6-8个9，即99.999999%，但半导体的硅片纯度却是11个9，而且还在不断提高。小数点后多3到5位，就意味着杂质含量相差了1000到10万倍。\n这个差距有多大呢？假设，光伏硅片里包含的杂质，相当于一桶沙子洒在了操场上；那么半导体硅片的要求则是在两个足球场大的面积里，只能容下一粒沙子。\n那么，为什么必须将杂质含量降到这么低呢？因为电子的大小只有1/10纳米，哪怕仅有几个原子大小的杂质出现在硅片上，也会彻底堵塞一条电路通道，导致芯片局部失灵。如果杂质含量更高的话，甚至会和硅原子混在一起，直接改变硅片的原子排列结构，让硅片的导电效率完全改变。\n<img src=\"https://static.tigerbbs.com/11db36562961751875fac7a9eb88c728\" tg-width=\"550\" tg-height=\"316\">经过刻蚀后的硅表面和锡颗粒，如同明月在金字塔后升起\n要达到如此纯度，需要科学和工艺的完美结合。\n一方面，需要大量基础科学仪器来辅助。比如在材料生产过程中，设备自身就会有金属原子渗透影响纯度，因此需要不断改良。而要确认纯度，也是高难度。就像特种气体，就需要专门的仪器来检测10亿分之一（PPB级）的杂质含量水平。实现这个难度，就不仅需要半导体企业，还需要奥林巴斯等光学企业出马助力。\n另一方面，从实验室到工厂车间也需要工艺积累。材料制造，不仅对生产设备要求高，就连工厂里的地垫、拖把，也都是高级别特供。而且，生产车间温度、湿度的不同，也会影响材料纯度，就不得不反复尝试后得出标准。\n而高纯度只是第一步，复合材料（比如光刻胶）的配置更是难以跨越的鸿沟。如果说“纯度”是个艺术科学的话，那么“配方”就是玄学科学。\n其实，无论提纯、还是配置，基本的理论原理、工艺技术都不是难事儿。但如何选材、配比，从而实现极致的效果，却需要高度依赖经验法则，即业内常说的“know-how”。\n同样的材料，不同的配比就会有不同的效果；就像我们用<a href=\"https://laohu8.com/S/RYB\">红黄蓝</a>三色去搭配，不同的配比就能得到不同的颜色。而即使用同样的配方、采用同样的工艺，在不同的湿度、温度甚至光照下，也会有不同，甚至相差很远的效果。\n这些影响材料效果的参数，无法通过精密计算获得，只能是实验室、车间里一次次调配、实验、观察、记录、改良。有时候，为了得到10%的效果改良，可能需要花费几年。然而，这提升的10%，虽然抢占的只是几百亿规模的市场，但却影响着万亿半导体行业。\n因此，无论是提纯，还是配方，其实需要的都是超长的耐心待机、极致专注。这不禁令人会想到日本的寿司之神，一辈子只做寿司，而一个学徒仅拧毛巾就要练五年。虽然在生活中，这种执着看起来有些迂腐可笑，但事实上，材料领域做得最好的，正是日本企业。\n据SEMI推测，2019年日本企业在全球半导体材料市场，所占份额达到66%。19种主要材料中，日本有14种市占率超过50%。而在占据产值2/3的四大最核心的材料：硅片、光刻胶、电子特气和掩膜胶等领域，日本有三项都占据了70%的份额。最新一代EUV光刻胶领域，日本的3家企业申请了行业80%以上的专利。\n<img src=\"https://static.tigerbbs.com/3fba858ba683c240d74417da32d3ad86\" tg-width=\"550\" tg-height=\"392\">\n日本在材料产能上占据优势后，又用服务将客户捆绑得死死的。\n许多半导体材料都有极强的腐蚀性和毒性，曾有一位特种气体的供应商描述，一旦气体泄漏，只需一瓶，就可以把整个厦门市人口消灭。因此，芯片制造商只能把材料的运输、保存、检测等环节，都交给材料的“娘家”材料商。\n而另一方面，材料虽小、威力却大。半导体制造中几万美金的材料不达标，就能让耗资数十亿美金生产线的产品大半报废，因此制造商们只会选择经过认证的、长期合作的供应商。新进玩家，几乎没有上桌的机会。\n而对于材料公司而言，下游用得越多，得到的反馈就越多，就有更多的案例支持、更多的验证机会来提升工艺、改善配比，从而进一步拉大和追赶者的差距。对于后进者而言，商业处境用一句话来形容就是：一步赶不上、步步都白忙。\n日本能取得这个成就，其实离不开日本“经营之圣”稻盛和夫在上世纪80年代给日本规划的方向：欧美先进国家不愿再转让技术的条件下，日本人除了将自己固有的“改良改善特质”发扬光大之外，别无出路；各类企业都要在各自的专业领域内做彻底，把技术做到极致，在本专业内不亚于世界上任何国家的任何企业。\n这种匠人精神，令日本在规模不大的材料领域，顶住美国、成为领主。\n四、何处突围\n我们在做产业研究的时候，有个强烈的感受，中国似乎在美国的打压中，陷入一个被无限向上追溯的绝境：\n发现芯片被卡脖子后，我们在芯片设计领域有了崛起的华为海思，但随后就发现：还需要代工领域突破；当<a href=\"https://laohu8.com/S/688981\">中芯国际</a>攻坚芯片代工制造时，却又发现：需要设备环节突破；当<a href=\"https://laohu8.com/S/688012\">中微公司</a>、<a href=\"https://laohu8.com/S/002371\">北方华创</a>在逆袭设备、有所收获时，却又发现：设备核心零部件又仰人鼻息；当零部件也有所进展时，又发现：芯片材料还是被卡脖子。\n而当我们继续一步步向前溯源、“图穷匕见”时，才发现一切都回到了任正非此前无数次强调的基础科学。\n回顾来看，如果没有1703年建立的现代二进制，那么两百年后的机器语言就无从谈起；如果没有1874年布劳恩发现物理上的整流效应，那么就没有大半个世纪后晶体管的发明和应用；而等离子物理、气体化学，更是刻蚀机等关键设备的必备基础。\n而在美国大学中，有7所位列全球物理学科排名前十，有6所位列全球数学学科排名前十，有5所位列全球材料学科排名前十。基础科学强大的统治力，成为美国半导体公司汲取力量的源泉。\n在强势的基础学科背后，却又是1957年就已经埋下伏笔的美国基础学科支持体系——对大学基础学科进行财政支持；通过超级科技项目带领应用落地。\n当年美苏争霸，苏联的全球第一颗人造卫星升空刺激了美国执政者，这也成为美国科技发展的重要转折点：\n一方面，为了保持“美国领先”，政府开始直接对研究机构发钱。美国国家科学基金会（NSF）给大学的基础研究经费从1955年的700万美金，飙升到1968年的2亿美金。在2018年，NSF用于基础研究的经费，更是高达42亿美金。这长达50年的基础研究经费里，美国联邦政府出了一半。\n尤其值得一提的是，NSF每年为数以千计的基础学科研究生提供奖学金，这其中诞生了42位诺贝尔奖得主。\n另一方面，美国启动了超级工程来落地研发成果。1958年，NASA成立，挑战人类科技极限的<a href=\"https://laohu8.com/S/APOL\">阿波罗</a>登月和航天飞机工程也就此启动。\n在研究需要250万个零件的航天飞机过程中（作为对比，光刻机零件大约是10万个，一辆汽车只有1万多个零件），大量尖端技术找到用武之地；而这些当时“冷门”的尖端技术，又在条件成熟时，相继转化为杀手级民用品（比如从航天飞机零件中诞生的人造心脏、红外照相机）。\n航天飞机的技术外溢，并不是孤例。医院核磁共振设备中采用的超导磁铁，也正是在美国粒子加速器“Tevatron”的研发中应用诞生。美国的超级科技工程，成为基础学科成果的试验田、练兵场和民用转化泉。\n事实上，通过基础研究掌握源头科技，随后一步步外溢建立产业霸权，这条路径并不只是美国的专利，也应该是各个产业强国的选择，更是面对美国打压时一条真正可行的道路。王侯将相，宁有种乎。避免无穷尽的“国产替代向上突破”的陷阱，实现和“基础研究向下溢出”的大会师。\n事实上，我们面临的困难、打压，日本也经历过。\n上世纪八十年代后期，美国对日本半导体产业发起突袭：政治封杀、商业打压、关税压迫无所不用其极，尤其是培养了“新小弟”韩国来挤压日本半导体产业。没几年，日本就从全球第一半导体强国宝座上跌落了。日本半导体引以为傲的三大楷模，松下、东芝、富士通的半导体部门先后被出售。\n面对美国的压制，日本选择进军高精尖材料，用时间换空间、用匠心换信心。\n1989年，韩国发力补贴存储芯片，而日本通产省制定了投资160亿日元的“硅类高分子材料研究开发基本计划”，重点补贴信越化学为首的有机硅企业。\n1995年，韩国发动第二轮存储价格战前夕，而日本东京应化（TOK）则实现了 KrF光刻胶商业化，打破了美国IBM长达10余年的垄断，并在随后第五年，其产品工艺成为行业标准，全球领先。\n2005年，三星坐上存储芯片老大的位置，而日本凸版印刷株式会社以710亿美金收购了美国杜邦公司的光掩膜业务，成为光罩龙头。\n在韩国全力扩张产能，和其他半导体下游厂搏杀的日子里，日本一步步走到了材料霸主的宝座前。从看似掌握着无解优势的美国人手里，硬生生抢下了一把霸权剑。\n但日本的成功仅仅是因为换了一个上游战场吗？显然不是。在过去30年，三大自然科学领域，日本共计收获了16个诺贝尔奖，其中有6个都属于是化学领域，而这些才是日本崛起的坚实地基。\n我国的基础研究怎么样呢？2018年，我国基础研究费用，在全年总研发支出中仅占5%，而这还是10年来占比最高的一年。而同期美国基础研究占比则是17%，日本是12%。在国内各个学校论坛上，劝师弟师妹们从基础学科转向金融计算机等应用学科的帖子，层出不穷。\n所以有人笑称，<a href=\"https://laohu8.com/S/600663\">陆家嘴</a>学集成电路的，比张江还多。\n今年7月份，更是爆出了中科院某所90多人集体离职的迷思。诚然，每个人都有择业的自由，但需要警示的，是大家做出选择的理由。基础学科研究的长周期、弱转化、低收入，令研究员们在日益上涨的房价、动则数百亿利润造假套现面前，相形见绌。\n<img src=\"https://static.tigerbbs.com/172767f1f7f0d7fd6da7b0d4699d360e\" tg-width=\"550\" tg-height=\"420\">\n任正非曾经感叹道：国家发展工业，过去的方针是砸钱，但钱砸下去不起作用。我们国家修桥、修路、修房子……已经习惯了只要砸钱就行。但是芯片砸钱不行，得砸数学家、物理学家、化学家……\n64年前，苏联率先发射的一颗卫星让美国惊醒。美国人一边加码“短期对抗”，一边酝酿“长期创新”，从而开启了多个领域的突破、领先；而今，一张张禁令也让我们惊醒，我国不少产业只是表面上的大，急需要的是骨子里的强。\n这些危机之痛，总是令人后悔不已。过去几十年，落后就要挨打的现实一次次提醒着我们，要实现基础技术能力的创新和突破，才能赢取下一个时代。\n全文完，感谢您的耐心阅读。\n参考文献：\n[1]. 美国联邦政府基础研究经费配置及对我国的启示-朱迎春.\n[2]. 美国一流大学黄金发展期的经验和启示-郭宝宇.\n[3]. 台积电：将摩尔定律进行到底-冀勇庆\n[4]. Cooperative Research andDevelopmentAgreements and Semiconductor Technology: Issues Involving the “DOE-IntelCRADA”, CRS Report for Congress\n[5]. U.S. gives ok to ASML on EUV effort-EETimes\n[6]. 日本半导体产业发展历程对我国电子化学品产业的启示-<a href=\"https://laohu8.com/S/000776\">广发证券</a>\n[7]. 设计一台光刻机，究竟有多难？-ASML阿斯麦光刻\n[8]. 北京地铁16号线为避开北大精密仪器楼取消海淀桥站-北京日报\n[9]. 东电电子:日本半导体设备国产化的见证者\n[10]. 失去的制造业:日本制造业的败北-汤之上隆\n[11]. 美国的EDA产业是如何走向辉煌的-知识自动化\n[12]. 那些年EDA三巨头的恩怨情仇-21ic电子网\n[13]. 一线工程师如何看待《没了美国的EDA软件，我们就不能做芯片了》-蜀山熊猫\n[14]. 硅集成电路工艺基础-关旭东\n[15]. 专题研究:美国301调查的历史回顾-<a href=\"https://laohu8.com/S/601878\">浙商证券</a>\n[16]. Materials Market Data Subscription,MMDS-SEMI\n[17]. IBM诱捕日本间谍-南风窗","source":"lsy1585097861883","collect":0,"html":"<!DOCTYPE html>\n<html>\n<head>\n<meta http-equiv=\"Content-Type\" content=\"text/html; charset=utf-8\" />\n<meta name=\"viewport\" content=\"width=device-width,initial-scale=1.0,minimum-scale=1.0,maximum-scale=1.0,user-scalable=no\"/>\n<meta name=\"format-detection\" content=\"telephone=no,email=no,address=no\" />\n<title>谁扼住了华为：美日半导体霸权的三张牌</title>\n<style type=\"text/css\">\na,abbr,acronym,address,applet,article,aside,audio,b,big,blockquote,body,canvas,caption,center,cite,code,dd,del,details,dfn,div,dl,dt,\nem,embed,fieldset,figcaption,figure,footer,form,h1,h2,h3,h4,h5,h6,header,hgroup,html,i,iframe,img,ins,kbd,label,legend,li,mark,menu,nav,\nobject,ol,output,p,pre,q,ruby,s,samp,section,small,span,strike,strong,sub,summary,sup,table,tbody,td,tfoot,th,thead,time,tr,tt,u,ul,var,video{ font:inherit;margin:0;padding:0;vertical-align:baseline;border:0 }\nbody{ font-size:16px; line-height:1.5; color:#999; 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class=\"title\">\n谁扼住了华为：美日半导体霸权的三张牌\n</h2>\n\n<h4 class=\"meta\">\n\n\n2020-08-10 15:14 北京时间&nbsp;&nbsp;&nbsp;<a href=http://tech.sina.com.cn/csj/2020-08-10/doc-iivhuipn7797138.shtml>远川研究所</a>\n\n\n</h4>\n\n</header>\n<article>\n<div>\n文/陈帅 刘芮\n2020年8月7日，华为余承东公开表示海思麒麟高端芯片已经“绝版”，中国最强的芯片设计公司，就在我们眼皮子底下被锁死了未来。\n华为海思推出第一款麒麟（Kirin）芯片是在2009年，虽然当时反响一般，但奏响了麒麟腾飞的乐章，随后每一年都有不小的进步：麒麟925带领Mate7打入高端阵营；麒麟955助力华为P9销量过千万……自己研发的芯片，成为华为手机甩开国内友商的最大武器。\n然而到...\n\n<a 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刘芮\n2020年8月7日，华为余承东公开表示海思麒麟高端芯片已经“绝版”，中国最强的芯片设计公司，就在我们眼皮子底下被锁死了未来。\n华为海思推出第一款麒麟（Kirin）芯片是在2009年，虽然当时反响一般，但奏响了麒麟腾飞的乐章，随后每一年都有不小的进步：麒麟925带领Mate7打入高端阵营；麒麟955助力华为P9销量过千万……自己研发的芯片，成为华为手机甩开国内友商的最大武器。\n然而到了2020年8月7日，麒麟系列的高端芯片却被迫提前退休，余承东表示麒麟系列中最先进的Kirin990和Kirin1000系列，在9月15日之后将无法生产，华为Mate40将成为麒麟高端芯片的绝唱。绝版的原因很简单：受到美国禁令影响，台积电将不再为华为代工。\n台积电并非没有抗争。全球高制程工艺一线难求，台积电话语权其实很强，而且几周前刚刚超过英特尔成为世界第一大半导体公司。所以面对美国禁令，台积电也曾斡旋过，但只要美国提起一个公司的名字，就能让台积电高管们吓出冷汗。这个公司就是：福建晋华。\n福建晋华成立于2016年，目标是在存储芯片领域实现突破。福建晋华是IDM一体化工艺，即设计、制造、封装都要做，一旦产品落地，对大陆整个半导体工艺的都会有所带动和提升。晋华一期投资款高达370亿元，还和台湾第二大代工厂台联电进行了技术合作。\n研发人员日夜奋战，成立一年多后，晋华就打造出了一座12寸的生产线，并准备投产，不料却迎来了资本主义的铁拳。\n2017年12月，美国镁光科技即刻以窃取知识产权为由开始狙击晋华，晋华也不甘示弱，双方在中国福州和美国加州互相起诉。就当局势焦灼之时，早就虎视眈眈的特朗普政府在2018年10月29日发起了闪电战：将福建晋华列入实体名单，严禁美国企业进行合作。\n\n禁令发出后，和晋华合作的美国应用材料公司（Applied Materials）的研发支持人员当天就打包撤离，另外两家美商科磊和泛林也迅速召回了前来合作的工程师。更严重的是，由于设备中含有美国原件，欧洲的阿斯麦、日本东京电子也暂停了对晋华的设备供应。\n晋华员工回忆外资撤退场景时，总结说：“这些人根本不给我们时间道别。”\n福建晋华官网上的生产进度，停留在了2018年试投片日，迟迟没有更新，而产品页则直接显示“页面在建设”中。去年5月10日，英国《金融时报》称，晋华已经开始寻求出租或者出售自己的工厂。仅仅一个回合，担当中国存储突破的种子选手，就被打倒在了起跑线上。\n“实体名单”就像是一份死刑通知书，可以瞬间让企业坠入地狱。美国制裁的决心、打击的力度，令同样采用美国核心零部件和核心技术支撑的台积电不寒而栗。同样，本来兴致勃勃要来抢台积电蛋糕的三星没了下文；中芯也含蓄地表示，可能不能为“某些客户”代工。\n为什么这些公司不愿意去触碰美国“逆鳞”？半导体领域，美国真的就独霸天下吗？其实并不然。\n虽然美国半导体行业产值大约占全世界的47%，体量上处于绝对优势；但韩国、欧洲、日本、中国台湾、中国大陆等其他“豪强”也各有擅长，与美国的差距并不是无法越过的鸿沟。\n比如，韩国在产值1500亿美金的存储芯片领域，占据压倒性优势，双强（三星、海力士）占据65%市场；\n欧洲在模拟芯片领域有三驾马车（英飞凌、意法半导体、恩智浦），从80年代起就从未跌出全球二十强。\n日本不但有独步天下的图像识别芯片，以信越日立为首的几家公司，更是牢牢扼住了全世界半导体的上游材料。\n中国台湾在千亿美元级别的芯片代工领域，更胜美国一筹，台积电和联电占据60%的规模，以日月光为首的封测代工也能抢下50%的市场；\n中国大陆依托庞大的下游市场，近年芯片设计领域发展迅速，不但诞生了世界前十的芯片设计巨头华为海思，整体芯片设计规模也位居世界第二。\n\n这些企业从账面实力来看，甚至可以让芯片行业“去美国化”，合力搞出一部没有美国芯片的手机。但美国515禁令一下，各路豪强却莫敢不从。\n一超多强的局面似乎就像“纸老虎”，在美国霸权之下，众半导体商分封而治可能才是目前的“真相”。大家忌惮的，其实是美国手握的两把利剑：芯片设备和设计工具。这两把剑又和日本的材料一起，组成了威力极强的美日半导体霸权三张牌：设备、工具和材料。\n那么，美日手中握的这三把剑究竟可怕在何处？是如何能挟制各路科技巨头豪强？了解这些答案，才能了解华为们的突围之路。\n一、设备：芯片制造的外置大脑\n设备商对于一般行业而言，就是个卖铲子的，交钱拿货基本就完事儿了；但半导体设备商却不同，不仅提供设备卖铲子，还要全程服务卖脑子，可谓是芯片制造商的外置大脑。\n芯片制造成本高昂，只有将良品率控制在90%上下，才不会亏本。但要知道，芯片制造，工序一千起步，这就导致，哪怕每一步合格率都有99%，最终良率都会在0.9*0.9的多次累积下，趋近于0。因此，要想不亏本，每个步骤的合格率就得控制在99.99%乃至99.999%以上。\n\n要达到这个状况，就对设备的复杂度提出了超高要求。就目前最先进的EUV光刻机来说，单台设备里超过十万个零件、4万个螺栓，以及3000多条线路。仅仅软管加起来，就有两公里长。这么一台庞大的设备，重量足足有180吨，单次发货需要动用40个货柜、20辆卡车以及3架货机才能运完。\n而更为重要的是，即使设备买回来，也远不是像电视冰箱一样，放好、插电就能开动这么简单。一般来说，一台高精度光刻机的调试组装，需要一年时间。而零件的组装、参数的设置、模块的调试，甚至螺丝的松紧、外部气温都会影响生产效果。哪怕一里外的一辆地铁经过，都能导致多数设备集体失灵。\n这也是所有精密仪器的“通病”。比如，十年前，北京大学12个高精度实验室里价值4亿元的仪器突然失灵，而原因居然是位于地下13.5米深的北京4号线经过了北大东门产生了1Hz~10Hz的震动，为此北大高精度实验室不得不集体搬家。\n因此，半导体制造设备每开动一段时间，就必须联系专门原厂服务人员上门调校。荷兰光刻机巨头ASML阿斯麦曾有一个客户，要更换光器件；由于当时阿斯麦的工程师无法出国，便邀请客户优秀员工到公司学习，用了近2个月，才仅仅掌握了单个零部件更换的技能。\n因此，阿斯麦、应用材料等半导体巨头，不只是把设备卖掉就结束了，更是在中国建立了2000人左右的庞大支持团队。其中应用材料的第二大收入就是服务，营收占比超过25%，而且稳定增长，旱涝保收。\n\n而设备厂的可怕之处正在于，不但通过“一代设备，一代工艺，一代产品”决定了制造厂的工艺制程，更是通过售后服务将制造厂牢牢的拿捏在手中。随着工艺越来越越高精尖，设备商的话语权也正在进一步提升。\n设备商的强势，可以从利润上明确的反映出来。过去5年，芯片制造厂的头部效应越来越明显，但上游设备商的净利润率反而大幅提升：泛林利润率从12%提升到22%，应用材料从14%上升到18%。代工厂想要客大欺店，那是根本不存在。\n也正因如此，在长达六十年的时间里，美国一直都在以各种手段，来保证自己在设备领域的绝对主导地位。\n根据2019年全球顶级半导体设备厂商排名，全球前五大半导体设备商占据了全球58%行业营收。其中，美国独占三席；其余两席，一席是日本的东京电子，另一席荷兰的阿斯麦，恰巧，这两家又都是美国一手扶持起来的。\n\n具体来说，应用材料（AMAT）和泛林（LAM）、科磊（KLA），是根正苗红的美国企业。\n其中，泛林在刻蚀机的市场占有率高达50%以上。应用材料则不仅在刻蚀机领域与泛林平分秋色，在离子注入、化学抛光等等细分设备环节也都占据半壁江山，甚至高达70%。科磊则在半导体前道检测设备领域占据了50%以上的市场，并在镀膜测量设备的市占率达到了98%。\n而光刻机巨头阿斯麦，看似是一家荷兰企业，其实有一颗美国心。早在2000年前后，光刻机市场还停留在DUV（深紫外）光刻阶段，日本尼康才是真正的霸主，但到了EUV（极紫外）阶段，尼康却在美国的一手主导下被淘汰出局。\n原因很简单，EUV技术难度登峰造极：从传统DUV跨越到EUV，意味着光源从193nm剧烈缩短到13.5nm。这需要将20KW的激光，以每秒5万次的频率来轰击20微米的锡滴，将液态锡汽化成为等离子体。这相当于在飓风里以每秒五万次的频率，让乒乓球打中一只苍蝇两次。\n当年，全球最先进的EUV研发机构是英特尔与美国能源部带头组建的EUVLLC联盟，这里有摩托罗拉、AMD、IBM，以及能源部下属三大国家实验室，可谓是集美国科研精华于一身。可以说，只有进入EUVLLC联盟，才能获得一张EUV的门票。\n美国彼时正将日本半导体视为大敌，自然拒绝了日本尼康的入会请求，而阿斯麦则保证55%零部件会从美国供应商处采购，并接受定期审查。这才入了美国的局，从后起之秀变成了“帝花之秀”。\n美国不仅对阿斯麦开了门，还送了礼：允许阿斯麦先后收购了美国掩罩技术龙头Silicon Valley Group、美国光刻检测与解决方案玩家Brion、美国紫外光源龙头Cymer等公司。阿斯麦技术心、研发身，都打上了星条旗烙印。那还不是任凭美国使唤。\n而早年的东京电子，只是美国半导体始祖仙童半导体（Fairchild）的设备代理商，后来又与美国Thermco公司合资生产半导体设备，直到1988年才变成日本独资，但东京电子身上也已经流着美国公司的血。\n因此，在2019年六月，面对第一轮美国禁令，东京电子就表示：“那些被禁止与应用材料和泛林做生意的中国客户，我们也不会跟他们有业务往来”，义正词严表明了和美系设备商共进退。\n至此，美国靠着多年的“时间积累”和超高精密度“工艺技术”，在设备领域形成了牢牢的主动权。而时间和技术，都不是后进者可以一蹴而就的。\n二、EDA(设计软件）：生态网络效应下的“幌金绳”\n如果说设备是针对芯片生产的一把封喉剑，那么EDA无疑是芯片设计环节的“幌金绳”，虽不致命但可以令“孙悟空”束手束脚、无处施展。\nEDA这根“幌金绳”分三段：首先，它是芯片设计师的“PS软件+素材库”，可以让芯片设计从几十年前图纸上画线的体力活，变成了软件里“素材排列组合+敲敲代码”的脑力活。而且，现在仅指甲盖大小芯片，也有几十亿个晶体管，这种工程量，离开了EDA简直是天方夜谭。\n20年前的英特尔奔腾处理器的线路图一角，目前晶体管密度已经上升超过1000倍\n其次，EDA的奥秘，在于其丰富的IP库。即将经常使用的功能，标准化为可以直接调用的模块，而无需设计公司再重新设计。如果说芯片设计是厨师做菜的话，软件就是厨具，IP就是料包。\n而事实上，EDA巨头公司，往往是得益于其IP的独占。比如Cadence（楷登电子）拥有大量模拟电路IP，而其也是模拟及混合信号电路设计的王者；而Synopsys（新思科技）的IP库更偏向DC综合、PT时序分析，因而新思在数字芯片领域独占鳌头。\n而在全球前三的IP企业中，EDA公司就占了两个，合计市场份额高达24.1%。在Synopsys的历年营收中，IP授权是仅次于EDA授权的第二业务。\n\nEDA还有一项重要的功能是仿真，即帮设计好的芯片查漏补缺。毕竟一次流片（试产）的成本就高达数百万美金，顶得上一个小设计公司大半年的利润。业内广为流传一句话：设计不仿真，流片两行泪。\n加州大学教授有一个统计测算，2011年一片SoC的设计费用大概为4000万美元，而如果没有EDA，设计费用则会飙升至77亿美元，增加了近200倍。\n\n因此，EDA被誉为半导体里的最高杠杆，虽然全球产值不过一百多亿美元，但却可以影响全球五千多亿集成电路市场、几万亿电子产业的发展。\nEDA如此高效好用，那我国自主化状况如何呢？很可惜，比操作系统还尴尬。\n我国最大的EDA厂商华大九天在全球的份额差不多是1%，而美国三大厂商Synopsys（新思科技）、Cadence（楷登电子）以及Mentor Graphics（明导科技，2016年被西门子收购）则占据了80%以上的市场。\n这也就导致了虽然我国芯片设计位居世界第二，但美国一声令下，芯片设计就会面临“工具危机”，巧妇难为无米之炊。不过，既然软件已经交过钱了，用旧版本难道不行吗？\n很可惜，并不能。\n因为这背后有一张EDA商、IP商、代工厂们互相嵌合的生态网。EDA是不断更新的。新的版本对应更新的IP库和PDK文件。而PDK即工艺设计包，则又包含了芯片工艺中的电流、电压、材料、流程等参数，是代工厂生产时的必备数据。新EDA、新IP、新工艺，互相促进、互为一体。\n因此，用旧版的软件就会处处“脱节”：做设计时无法获得最新的设计IP库，找代工厂时又无法和工艺需要最新的EDA、PDK进行匹配。长此以往，技术越来越落后，合作伙伴也越来越少。不过既然EDA不过是0101的代码，从破解小组里找几个高手不就好了吗？\n很遗憾，也几乎不可能。\n每个EDA软件出厂时都会内嵌一个Flexlm加密软件，把EDA和安装的设备进行一一锁定，包括主机号、设备硬盘、网卡、使用日期等信息。而Flexlm的密钥长度达239位，暴力破解的难度非常大。如果用英特尔高性能的CPU来破解的话，需要4000左右的核年（core-year），也就是说用40核的CPU，需要100年。\n当然，也可以采用分布式的方式，继续增加CPU数量减少时间。然而，即使破解成功了，来到了全新的IP库门前时，也会被EDA厂商通过“修改时间、文件大小、确认IP来源”等方式，再次进行验证，然后被拒绝。油然而生一股挖了百年地下隧道、却撞到石头上的酸爽。\n破解并不有效，也不敞亮，还和我国知识产权保护的态度相违背。因此，依然还是要靠华大九天等公司自研崛起。那么，这条出路有多宽呢？其实单纯写出一套软件，难度并不大。关键还是要有海量丰富的IP、PDK，以及产业上下游的支持配合。单点突破未必有效，需要军团全面突围，而这并非一朝一夕之功。\n三、材料：工匠精神最后的堡垒\n2019年，日韩闹了矛盾，双方都很刚，但日本断供了韩国几款半导体材料后，没多久韩国三星掌门人李在镕就飞往日本恳请松口了，后来他更是跑到比利时、中国台湾，试图绕道购买或者收点存货过日。\n按理说，韩国也是半导体强国，三星在设计、制造领域更是主要玩家，但面对区区几亿美金的材料，却被闹得狼狈不堪。\n材料真的有这么难吗？讲真，半导体原始材料是非常丰富的，比如硅片用的就是满地球的沙子。但要实现半导体的“材料自由”，却并不容易，必须打通任督二脉：“纯度”、“配方”。\n纯度是一个无止境之路。我国已经实现自产的光伏硅片，一般纯度是6-8个9，即99.999999%，但半导体的硅片纯度却是11个9，而且还在不断提高。小数点后多3到5位，就意味着杂质含量相差了1000到10万倍。\n这个差距有多大呢？假设，光伏硅片里包含的杂质，相当于一桶沙子洒在了操场上；那么半导体硅片的要求则是在两个足球场大的面积里，只能容下一粒沙子。\n那么，为什么必须将杂质含量降到这么低呢？因为电子的大小只有1/10纳米，哪怕仅有几个原子大小的杂质出现在硅片上，也会彻底堵塞一条电路通道，导致芯片局部失灵。如果杂质含量更高的话，甚至会和硅原子混在一起，直接改变硅片的原子排列结构，让硅片的导电效率完全改变。\n经过刻蚀后的硅表面和锡颗粒，如同明月在金字塔后升起\n要达到如此纯度，需要科学和工艺的完美结合。\n一方面，需要大量基础科学仪器来辅助。比如在材料生产过程中，设备自身就会有金属原子渗透影响纯度，因此需要不断改良。而要确认纯度，也是高难度。就像特种气体，就需要专门的仪器来检测10亿分之一（PPB级）的杂质含量水平。实现这个难度，就不仅需要半导体企业，还需要奥林巴斯等光学企业出马助力。\n另一方面，从实验室到工厂车间也需要工艺积累。材料制造，不仅对生产设备要求高，就连工厂里的地垫、拖把，也都是高级别特供。而且，生产车间温度、湿度的不同，也会影响材料纯度，就不得不反复尝试后得出标准。\n而高纯度只是第一步，复合材料（比如光刻胶）的配置更是难以跨越的鸿沟。如果说“纯度”是个艺术科学的话，那么“配方”就是玄学科学。\n其实，无论提纯、还是配置，基本的理论原理、工艺技术都不是难事儿。但如何选材、配比，从而实现极致的效果，却需要高度依赖经验法则，即业内常说的“know-how”。\n同样的材料，不同的配比就会有不同的效果；就像我们用红黄蓝三色去搭配，不同的配比就能得到不同的颜色。而即使用同样的配方、采用同样的工艺，在不同的湿度、温度甚至光照下，也会有不同，甚至相差很远的效果。\n这些影响材料效果的参数，无法通过精密计算获得，只能是实验室、车间里一次次调配、实验、观察、记录、改良。有时候，为了得到10%的效果改良，可能需要花费几年。然而，这提升的10%，虽然抢占的只是几百亿规模的市场，但却影响着万亿半导体行业。\n因此，无论是提纯，还是配方，其实需要的都是超长的耐心待机、极致专注。这不禁令人会想到日本的寿司之神，一辈子只做寿司，而一个学徒仅拧毛巾就要练五年。虽然在生活中，这种执着看起来有些迂腐可笑，但事实上，材料领域做得最好的，正是日本企业。\n据SEMI推测，2019年日本企业在全球半导体材料市场，所占份额达到66%。19种主要材料中，日本有14种市占率超过50%。而在占据产值2/3的四大最核心的材料：硅片、光刻胶、电子特气和掩膜胶等领域，日本有三项都占据了70%的份额。最新一代EUV光刻胶领域，日本的3家企业申请了行业80%以上的专利。\n\n日本在材料产能上占据优势后，又用服务将客户捆绑得死死的。\n许多半导体材料都有极强的腐蚀性和毒性，曾有一位特种气体的供应商描述，一旦气体泄漏，只需一瓶，就可以把整个厦门市人口消灭。因此，芯片制造商只能把材料的运输、保存、检测等环节，都交给材料的“娘家”材料商。\n而另一方面，材料虽小、威力却大。半导体制造中几万美金的材料不达标，就能让耗资数十亿美金生产线的产品大半报废，因此制造商们只会选择经过认证的、长期合作的供应商。新进玩家，几乎没有上桌的机会。\n而对于材料公司而言，下游用得越多，得到的反馈就越多，就有更多的案例支持、更多的验证机会来提升工艺、改善配比，从而进一步拉大和追赶者的差距。对于后进者而言，商业处境用一句话来形容就是：一步赶不上、步步都白忙。\n日本能取得这个成就，其实离不开日本“经营之圣”稻盛和夫在上世纪80年代给日本规划的方向：欧美先进国家不愿再转让技术的条件下，日本人除了将自己固有的“改良改善特质”发扬光大之外，别无出路；各类企业都要在各自的专业领域内做彻底，把技术做到极致，在本专业内不亚于世界上任何国家的任何企业。\n这种匠人精神，令日本在规模不大的材料领域，顶住美国、成为领主。\n四、何处突围\n我们在做产业研究的时候，有个强烈的感受，中国似乎在美国的打压中，陷入一个被无限向上追溯的绝境：\n发现芯片被卡脖子后，我们在芯片设计领域有了崛起的华为海思，但随后就发现：还需要代工领域突破；当中芯国际攻坚芯片代工制造时，却又发现：需要设备环节突破；当中微公司、北方华创在逆袭设备、有所收获时，却又发现：设备核心零部件又仰人鼻息；当零部件也有所进展时，又发现：芯片材料还是被卡脖子。\n而当我们继续一步步向前溯源、“图穷匕见”时，才发现一切都回到了任正非此前无数次强调的基础科学。\n回顾来看，如果没有1703年建立的现代二进制，那么两百年后的机器语言就无从谈起；如果没有1874年布劳恩发现物理上的整流效应，那么就没有大半个世纪后晶体管的发明和应用；而等离子物理、气体化学，更是刻蚀机等关键设备的必备基础。\n而在美国大学中，有7所位列全球物理学科排名前十，有6所位列全球数学学科排名前十，有5所位列全球材料学科排名前十。基础科学强大的统治力，成为美国半导体公司汲取力量的源泉。\n在强势的基础学科背后，却又是1957年就已经埋下伏笔的美国基础学科支持体系——对大学基础学科进行财政支持；通过超级科技项目带领应用落地。\n当年美苏争霸，苏联的全球第一颗人造卫星升空刺激了美国执政者，这也成为美国科技发展的重要转折点：\n一方面，为了保持“美国领先”，政府开始直接对研究机构发钱。美国国家科学基金会（NSF）给大学的基础研究经费从1955年的700万美金，飙升到1968年的2亿美金。在2018年，NSF用于基础研究的经费，更是高达42亿美金。这长达50年的基础研究经费里，美国联邦政府出了一半。\n尤其值得一提的是，NSF每年为数以千计的基础学科研究生提供奖学金，这其中诞生了42位诺贝尔奖得主。\n另一方面，美国启动了超级工程来落地研发成果。1958年，NASA成立，挑战人类科技极限的阿波罗登月和航天飞机工程也就此启动。\n在研究需要250万个零件的航天飞机过程中（作为对比，光刻机零件大约是10万个，一辆汽车只有1万多个零件），大量尖端技术找到用武之地；而这些当时“冷门”的尖端技术，又在条件成熟时，相继转化为杀手级民用品（比如从航天飞机零件中诞生的人造心脏、红外照相机）。\n航天飞机的技术外溢，并不是孤例。医院核磁共振设备中采用的超导磁铁，也正是在美国粒子加速器“Tevatron”的研发中应用诞生。美国的超级科技工程，成为基础学科成果的试验田、练兵场和民用转化泉。\n事实上，通过基础研究掌握源头科技，随后一步步外溢建立产业霸权，这条路径并不只是美国的专利，也应该是各个产业强国的选择，更是面对美国打压时一条真正可行的道路。王侯将相，宁有种乎。避免无穷尽的“国产替代向上突破”的陷阱，实现和“基础研究向下溢出”的大会师。\n事实上，我们面临的困难、打压，日本也经历过。\n上世纪八十年代后期，美国对日本半导体产业发起突袭：政治封杀、商业打压、关税压迫无所不用其极，尤其是培养了“新小弟”韩国来挤压日本半导体产业。没几年，日本就从全球第一半导体强国宝座上跌落了。日本半导体引以为傲的三大楷模，松下、东芝、富士通的半导体部门先后被出售。\n面对美国的压制，日本选择进军高精尖材料，用时间换空间、用匠心换信心。\n1989年，韩国发力补贴存储芯片，而日本通产省制定了投资160亿日元的“硅类高分子材料研究开发基本计划”，重点补贴信越化学为首的有机硅企业。\n1995年，韩国发动第二轮存储价格战前夕，而日本东京应化（TOK）则实现了 KrF光刻胶商业化，打破了美国IBM长达10余年的垄断，并在随后第五年，其产品工艺成为行业标准，全球领先。\n2005年，三星坐上存储芯片老大的位置，而日本凸版印刷株式会社以710亿美金收购了美国杜邦公司的光掩膜业务，成为光罩龙头。\n在韩国全力扩张产能，和其他半导体下游厂搏杀的日子里，日本一步步走到了材料霸主的宝座前。从看似掌握着无解优势的美国人手里，硬生生抢下了一把霸权剑。\n但日本的成功仅仅是因为换了一个上游战场吗？显然不是。在过去30年，三大自然科学领域，日本共计收获了16个诺贝尔奖，其中有6个都属于是化学领域，而这些才是日本崛起的坚实地基。\n我国的基础研究怎么样呢？2018年，我国基础研究费用，在全年总研发支出中仅占5%，而这还是10年来占比最高的一年。而同期美国基础研究占比则是17%，日本是12%。在国内各个学校论坛上，劝师弟师妹们从基础学科转向金融计算机等应用学科的帖子，层出不穷。\n所以有人笑称，陆家嘴学集成电路的，比张江还多。\n今年7月份，更是爆出了中科院某所90多人集体离职的迷思。诚然，每个人都有择业的自由，但需要警示的，是大家做出选择的理由。基础学科研究的长周期、弱转化、低收入，令研究员们在日益上涨的房价、动则数百亿利润造假套现面前，相形见绌。\n\n任正非曾经感叹道：国家发展工业，过去的方针是砸钱，但钱砸下去不起作用。我们国家修桥、修路、修房子……已经习惯了只要砸钱就行。但是芯片砸钱不行，得砸数学家、物理学家、化学家……\n64年前，苏联率先发射的一颗卫星让美国惊醒。美国人一边加码“短期对抗”，一边酝酿“长期创新”，从而开启了多个领域的突破、领先；而今，一张张禁令也让我们惊醒，我国不少产业只是表面上的大，急需要的是骨子里的强。\n这些危机之痛，总是令人后悔不已。过去几十年，落后就要挨打的现实一次次提醒着我们，要实现基础技术能力的创新和突破，才能赢取下一个时代。\n全文完，感谢您的耐心阅读。\n参考文献：\n[1]. 美国联邦政府基础研究经费配置及对我国的启示-朱迎春.\n[2]. 美国一流大学黄金发展期的经验和启示-郭宝宇.\n[3]. 台积电：将摩尔定律进行到底-冀勇庆\n[4]. Cooperative Research andDevelopmentAgreements and Semiconductor Technology: Issues Involving the “DOE-IntelCRADA”, CRS Report for Congress\n[5]. U.S. gives ok to ASML on EUV effort-EETimes\n[6]. 日本半导体产业发展历程对我国电子化学品产业的启示-广发证券\n[7]. 设计一台光刻机，究竟有多难？-ASML阿斯麦光刻\n[8]. 北京地铁16号线为避开北大精密仪器楼取消海淀桥站-北京日报\n[9]. 东电电子:日本半导体设备国产化的见证者\n[10]. 失去的制造业:日本制造业的败北-汤之上隆\n[11]. 美国的EDA产业是如何走向辉煌的-知识自动化\n[12]. 那些年EDA三巨头的恩怨情仇-21ic电子网\n[13]. 一线工程师如何看待《没了美国的EDA软件，我们就不能做芯片了》-蜀山熊猫\n[14]. 硅集成电路工艺基础-关旭东\n[15]. 专题研究:美国301调查的历史回顾-浙商证券\n[16]. Materials Market Data Subscription,MMDS-SEMI\n[17]. IBM诱捕日本间谍-南风窗","news_type":1,"symbols_score_info":{"TSM":0.9,"SSNLF":0.9,"MU":0.9,"INTC":0.9,"UMC":0.9,"NVDA":0.9,"QCOM":0.9}},"isVote":1,"likeStatus":false,"favoriteStatus":false,"reportStatus":false,"tweetType":1,"langContent":"CN"}],"hasMoreComments":true,"newsSizeData":{"likeSize":4,"commentSize":2,"repostSize":0,"favoriteSize":4,"likeStatus":false,"favoriteStatus":false},"isCrawlerRequest":true}