中國芯片“卡脖子”，造芯怎么這么難？
某肉食動物
9個月之前，我寫了《臺積電在美國建廠，我們的先進工廠在哪》一文。最近的幾個月，事情發(fā)生了不一樣的變化。首先是臺積電的新廠已經(jīng)在亞利桑那緊鑼密鼓的展開前期工作，且和我當初估計的那樣，規(guī)模遠超預(yù)期，而另一個巨頭三星緊隨其后計劃加碼德克薩斯的奧斯汀，建立更大型的工廠。同時，美國政府也一直試圖推動格羅方德的進一步擴產(chǎn)。
美國在搶產(chǎn)能的同時，繼續(xù)出手打壓中國芯片產(chǎn)業(yè)，2月8日，美國國際貿(mào)易委員會（ITC）對針對中國相關(guān)公司發(fā)起337調(diào)查；3月1日，美國人工智能國家安全委員會（NSCAI）向美國國會提交了一份長達756頁、關(guān)于人工智能領(lǐng)域競爭的報告，呼吁美國政府繼續(xù)在微電子產(chǎn)業(yè)打壓中國、遏制中國的高端半導(dǎo)體制造能力，從而“保持對中國的領(lǐng)先”。
而國內(nèi)雖然之前掀起了百城造芯熱，但是目前相對成功的僅有上海無錫合肥西安北京這幾個城市，前段時段武漢弘芯項目更是把我國芯片制造業(yè)推上風口浪尖。
這次我將會在制程技術(shù)，資金，人力，設(shè)備，市場，供應(yīng)鏈，水電氣，環(huán)保，政策九個維度和讀者們聊聊建立一座現(xiàn)代化晶圓廠的難度（晶圓是指制作硅半導(dǎo)體電路所用的硅晶片），試圖用寥寥千言展示如何完成一項大工業(yè)項目的全貌，以及我國當下芯片產(chǎn)業(yè)的難處。
目前而言，集成電路制程競賽進入了坐5進3的階段，每平方毫米的集成度高達近2億個晶體管?；赝?0多年前，X86王朝的開創(chuàng)者8086,僅僅只有4萬多個晶體管，更先進的制程自然帶來更高的集成度和更快的速度，自然也無限拓展了我們這個豐富的世界。20年前能讓我激動半年的賽揚5，2.0Ghz的臺式機，性能已經(jīng)被今天的百元廉價手機遠遠甩在身后，而1978年時一臺近千萬美元的超級計算機（而且對我國禁止出售），其性能已經(jīng)被國內(nèi)某物聯(lián)網(wǎng)公司出品的價值7元的芯片（還僅僅是40納米制程）斬落馬下。英偉達的A100，在不斷刷新著AI計算的性能高峰，而蘋果M1也用實力證明了5nm制程芯片并非浪得虛名。
而國內(nèi)很多新入局的玩家，沒能撐下來的第一個問題就在于團隊本身并不掌握技術(shù)；或者出于某種原因，無法將紙面上的技術(shù)資料變?yōu)閷嵈驅(qū)嵉漠a(chǎn)品。一般來說，這幾年能夠把項目做起來的公司；要么本身就有非常強大的研發(fā)能力——
譬如參與出資建設(shè)合肥長鑫的兆易創(chuàng)新，其本身就是A股主板上市的存儲設(shè)計大鱷；
要么就是擁有長期的能力建設(shè)，譬如武漢的長江存儲，在CEO楊士寧的帶領(lǐng)下，從32層方案開始一點一點窮舉，到今天以量產(chǎn)64層獨有Xtacking技術(shù)的固態(tài)顆粒，并即將量產(chǎn)世界主流水平的128層顆粒，還推出了自己的原廠固態(tài)硬盤品牌——致鈦；
要么本身就是海外巨頭，譬如剛剛在西安完成擴張的三星存儲，以及投資合肥晶合的臺灣力晶。
他們都擁有浩如瀚海的專利體系和工作規(guī)范。能夠在保證項目進展的同時，盡可能控制成本。反觀屢屢暴雷的這些“芯騙”公司，譬如南京德科碼，目標是建立一座8英寸工廠做cis代工，但是技術(shù)來自于以色列某公司的高價授權(quán)，自己沒有能力把技術(shù)力轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品力，也融不來足夠的資金，盡管南京經(jīng)開區(qū)有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)在當中做了非常非常大的努力，但是避免不了一地雞毛的結(jié)果。
晶圓廠本身并不便宜。動輒幾百畝的占地面積，此外由于工作環(huán)境特殊，需要建筑本身具有更強的抗沉降性能和更長的穩(wěn)定期。土建報價常常高達數(shù)十億人民幣。同時運轉(zhuǎn)時的大宗原料一般依賴現(xiàn)場提供，這些外圍設(shè)備本身的建設(shè)和維護合同也需要一個較長的供應(yīng)周期和健康的資金供應(yīng)鏈。臺積電南京廠2萬片12寸16納米制程就耗資30億美元，而即使是比較落后的90-150納米制程，12寸廠的耗資也在百億人民幣規(guī)模，以上這還是建立在我國擁有成熟的土建產(chǎn)業(yè)和便利的配套的前提下。
但是一次性拿出近百億現(xiàn)金，對于我國絕大多數(shù)城市的投資基金或者普通的芯片設(shè)計團隊，不得不說也是一種望洋興嘆。而耗費巨資的工廠一旦遭遇事故或者破產(chǎn)，其價值常常十不存一。
當年，從西門子旗下英飛凌分拆出的內(nèi)存巨頭奇夢達，在美國耗資20多億美元建設(shè)了一座12寸晶圓廠，該廠被收購的時候，僅僅賣了1.73億美元。所以，晶圓廠一開建，就必須要做最壞的打算，即使是歷史上的海外大廠，也常常面臨一個季度虧損幾十億的窘迫困境。所以誰能拿到更多的資金，是這家公司能不能有所作為的基礎(chǔ)支撐。
前幾年，國內(nèi)一直有一個呼聲，說我們?nèi)狈Υ罅康木A廠相關(guān)專業(yè)的人才。但實際上，萬元左右的薪酬和超長的工作時間本身，就是最好的勸退。1980年代，美國晶圓廠的普通工人，每小時的工資是5美元左右。而到了2020年代的今天，大部分晶圓廠的MFG，即生產(chǎn)制造部門，平均時薪甚至比這個數(shù)還要低。即使是臺積電，平均也只能給出35萬人民幣一年左右的薪酬，相比同業(yè)當中的設(shè)計公司和設(shè)備商，差了一大截。這還是建立在做二休二，上班時間與外界失聯(lián)這些前提下的。
在一個發(fā)展的非常完善，但是企業(yè)明顯動力不足的行業(yè)，必然面臨的就是待遇長期處于較低水平，而工作壓力大到驚人，加班時意外身亡，在這一行并不是什么稀罕的事情。所以，北上廣主城不一定是適合晶圓廠的地方，而是應(yīng)該遷移到二線城市的郊區(qū)，并由運營方和當?shù)卣腺Y建立獨立的住宅區(qū)和配套的教育設(shè)施。指望晶圓廠的普通員工去承擔一線城市的高房價和高生活成本，往往不太現(xiàn)實，但是這與能不能留住人才，卻又息息相關(guān)。
說起晶圓廠的設(shè)備，很多人第一時間能想到的，可能是被炒的火熱的光刻機。作為核心光學設(shè)備，光刻機確實非常重要，但是，值得我們注意的不僅僅是光刻機。除了它之外，cvd沉積，離子注入，CMP研磨拋光等一系列設(shè)備都掌握在以美國為首的西方國家的設(shè)備公司手里。
以著名的應(yīng)用材料公司為參考，他們的年營收看上去不太多，大致在120億美元左右，甚至距離臺積電還有非常大的距離，但是其每年的盈利一般在30億美元左右，這還是建立在其員工薪酬和各項激勵比晶圓廠高出50%的情況下，而且他們事實上掌握著一座晶圓廠的命脈，能以什么樣的價格拿到什么樣的設(shè)備并用設(shè)備做出什么樣的工藝，基本事關(guān)一座圓晶工廠的成敗。
某位參與過國產(chǎn)先進制程研發(fā)的前輩曾經(jīng)這么告訴我：“其實先進制程研發(fā)非常非?？啾疲嚓P(guān)負責研發(fā)的領(lǐng)導(dǎo)根據(jù)學術(shù)界成果，推導(dǎo)出XXX種方案，研發(fā)人員需要夜以繼日的在最短的時間內(nèi)把以上方案全部做出試驗品，并根據(jù)結(jié)果綜合各方面性能，在設(shè)備廠的支持下，使用設(shè)備廠交付的量產(chǎn)或者試產(chǎn)設(shè)備，完成項目工藝流程和工藝參數(shù)的制定，并且與啟動大客戶一起進行量產(chǎn)環(huán)節(jié)的實驗，還好，他的啟動大客戶叫華為，那顆芯片叫麒麟710A，但是即使這樣，因為種種原因，這枚芯片在遷移過程中推遲了近一年時間才量產(chǎn)。”
而這當中晶圓廠本身的技術(shù)力量，將會決定制程的實際水平，譬如同樣的設(shè)備，臺積電可以用到7納米制程上，聯(lián)華電子和中芯國際大概可以拿它做出來14納米制程，而水平更低的廠商，可能就只能湊合做28納米制程了。
而國內(nèi)設(shè)備商經(jīng)過不懈努力整合到一起，目前也僅僅交付了一座110納米制程的8英寸晶圓廠，這還是建立在中央和北京市有關(guān)部門勉力支持的前提下。所謂的國產(chǎn)28納米成套設(shè)備，都還僅僅是鎖在深閨，無人問津。而設(shè)備，本身就依賴于用戶的不斷使用和反饋，只有形成正向循環(huán)，才能在不斷迭代中提高，羅馬不是一天建立的，ASML做EUV光刻機，用了20多年，這些設(shè)備，是建立在整個西方世界的全產(chǎn)業(yè)鏈，投入了千億美元的經(jīng)費，幾十萬工程師為之奮斗了20多年的基礎(chǔ)上。那么，我們的設(shè)備廠的銷量和盈利能力真的可以支撐這樣的研發(fā)和運用，而不是把產(chǎn)品當做銀行抵押物，或者僅僅只是一項政績工程嗎？
有一個很現(xiàn)實的問題，投資方耗費巨資的工廠土建完成了，設(shè)備安裝了，人員配齊了，工廠投產(chǎn)的時候，可曾考慮過，生產(chǎn)出的產(chǎn)品賣不出去怎么辦？哪怕是臺積電在南京的那座16納米工廠，在開張的第一個年頭里，也因為這樣那樣的原因，虧掉了超過數(shù)億人民幣。顯然設(shè)計公司會更傾向于老牌的工廠，甚至不惜面臨更長的交付期和更高的單位面積成本。
重慶在這個問題上曾經(jīng)吃過虧，曾被視為重慶市2007年工業(yè)項目“一號工程”的渝德科技，4年后，尷尬地換了主人。當初為承接該項目，重慶市采用了先由地方政府投資約15億元建好廠房及相關(guān)設(shè)施，待臺灣茂德科技搬遷完成后，再向地方政府買回這些廠房及設(shè)施的模式。這一模式大大降低了投資方的風險及財務(wù)壓力。
但是即使這樣，由于訂單不足，這座工廠每年虧損高達4億人民幣左右，最終在2011年作價1億元人民幣賣給了中航工業(yè)，后來在2018年又轉(zhuǎn)手給了華潤微電子，與當初臺灣人的10多億的投入相比,可以說是十不存一。
雖然我國生產(chǎn)了世界上絕大多數(shù)的單晶硅材料，但是硅晶圓的供應(yīng)主要依賴于德國韓國和中國臺灣地區(qū)，此外在生產(chǎn)過程中，涉及到的各種氣體和液體多達數(shù)百種，業(yè)內(nèi)戲稱為“湊齊了一整個元素周期表”，而這當中很多化學品，依賴于日本和臺灣地區(qū)的供應(yīng)商。國內(nèi)雖有替代，但是從業(yè)企業(yè)多半規(guī)模不大，產(chǎn)品品種不怎么齊全，以低端產(chǎn)品為主，在價格上與國際同行也沒有明顯優(yōu)勢。這也是建立在我國雖然是一個化工大國，但卻不是化工強國的現(xiàn)實基礎(chǔ)上。即使是最基礎(chǔ)的空氣液化分離系統(tǒng)這塊，大部分晶圓廠使用的是聯(lián)華林德和法液空這些國際巨頭的空分裝置，目前明確采用國產(chǎn)的只有青島芯恩的那套來自于杭氧的空分系統(tǒng)。
除了原材料之外，晶圓廠還要耗費大量的水，電力，和燃氣。近期，臺灣地區(qū)進入干旱狀態(tài)，而為了滿足工廠日常所需，臺積電不得不利用水車一趟一趟的從外地加班拉水，盡管這樣一天只能保障幾百噸的新水供應(yīng)量，僅僅占據(jù)用水量的1%不到，而臺積電的生產(chǎn)只能利用對廢水不斷的循環(huán)，對廢水的處理能力也是對晶圓廠的無聲考驗，一般情況下每一滴水，都要在工廠里參與3-5個不同的工藝段，而隨著制程的不斷進步，用水量在未來將會繼續(xù)提升一個數(shù)量級到每天數(shù)十萬噸新水。
同樣，越是先進的制程，耗費的電力也就越恐怖，目前情況下，臺積電一年要耗費140億度電力，大概與深圳全市全年的用電量相當，而未來隨著更大功率的EUV光源的使用，用電量將會繼續(xù)以較快的速度攀升。同時，不穩(wěn)定的電力對晶圓廠造成的損失也是非常驚人的，以今年2月德州停電為例，三星在奧斯汀的工廠因為大雪導(dǎo)致停電，每天的損失高達數(shù)千萬元，并進一步加劇了固態(tài)硬盤供應(yīng)的緊張。這也證明了缺水和供電不穩(wěn)的地區(qū)，晶圓廠的落地就變得非常困難。
而同樣的問題還得考慮，消費大量的水電氣之后，使用了大量的劇毒化學品，生產(chǎn)的不僅僅是產(chǎn)品，還有大量的“三廢”，這些廢棄物能否合法合規(guī)的安全處理，達標排放，也是要消耗大量的成本的，當然也許能變廢為寶，前文中所述臺積電的廢水再利用計劃，每天可以從廢水中富集10噸的硅沙，一方面減少了污染，另一方面這些回收物又能繼續(xù)在產(chǎn)業(yè)鏈里流動。
最后說說戰(zhàn)略方面。“百城造芯”的運動式發(fā)展，一度鬧劇化的因素，其實地方政府的情緒，也起到了推波助瀾的作用。計劃經(jīng)濟時期，由于我國交通和物流基礎(chǔ)設(shè)施的不發(fā)達，導(dǎo)致了我們必須在大部分地區(qū)配置獨立的工業(yè)體系，一省之內(nèi)必須獨立建立若干工業(yè)體系，從鋼材煤炭到家電汽車，每個城市都有獨立的工廠，而這些工廠本身囿于發(fā)展程度和發(fā)展規(guī)模，往往由于產(chǎn)能規(guī)模較小，不能充分的把產(chǎn)品的單位成本控制下去。
但在目前大環(huán)境下，綜合考慮國內(nèi)國際兩個大局，僅僅因為地方的GDP增長壓力而上馬，不考慮本地是否具有合適的芯片產(chǎn)業(yè)支撐能力是不行的。不能為了GDP或者為了集成電路而去集成電路。
同時，切記不能出現(xiàn)紅眼病，不能因為鄰縣鄰區(qū)建立了一座國家投資2000多億的工廠，就因此羨慕嫉妒恨，甚至明知道對方在技術(shù)，資金，市場等諸多方面有明顯的缺陷，甚至是明確的騙子公司，卻還要往里面跳。同時在干部梯隊建設(shè)上，多充實一批來自于生產(chǎn)一線的工程技術(shù)人員，以及擁有豐富經(jīng)驗的高校碩博士。這方面合肥的經(jīng)驗值得借鑒，最近十年，合肥在高科技行業(yè)的突飛猛進，不僅僅是依賴于中科大，合工大和安大，更在于從全國各地引進了大量的人才，以至于集成電路行業(yè)內(nèi)有個笑話，為什么一群外省市的博士們，到了合肥做出了一系列成績，而他們的家鄉(xiāng)卻屢屢被騙呢？
總的來說，建立現(xiàn)代化的晶圓廠這件事，說到底，是工業(yè)國和發(fā)達國家才需要考慮的問題，也是我國在向著更高的產(chǎn)業(yè)維度邁進之路上必須解決的問題。在我國的工業(yè)發(fā)展的道路上，我們在光伏，半導(dǎo)體顯示，新能源等諸多行業(yè)都曾經(jīng)在發(fā)展初期面臨過如現(xiàn)在芯片業(yè)類似的問題，但是目前來看這幾個領(lǐng)域在經(jīng)過了前期的混亂發(fā)展后，經(jīng)過政策修正引導(dǎo)和資金技術(shù)投入積累，在充分競爭和淘汰后的結(jié)果還算理想，誕生了一批有競爭力的企業(yè)。
去年底的中央經(jīng)濟工作會議強調(diào)“針對產(chǎn)業(yè)薄弱環(huán)節(jié)，實施好關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)工程，盡快解決一批卡脖子問題”。面對重中之重的芯片制造業(yè)，短期上面臨的嚴峻挑戰(zhàn)，更應(yīng)該成為我們把造芯這件事做好，做強的動力。