中國(guó)芯片“卡脖子”，造芯怎么這么難？

某肉食動(dòng)物

　　9個(gè)月之前，我寫了《臺(tái)積電在美國(guó)建廠，我們的先進(jìn)工廠在哪》一文。最近的幾個(gè)月，事情發(fā)生了不一樣的變化。首先是臺(tái)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(dāng)初估計(jì)的那樣，規(guī)模遠(yuǎn)超預(yù)期，而另一個(gè)巨頭三星緊隨其后計(jì)劃加碼德克薩斯的奧斯汀，建立更大型的工廠。同時(shí)，美國(guó)政府也一直試圖推動(dòng)格羅方德的進(jìn)一步擴(kuò)產(chǎn)。

　　美國(guó)在搶產(chǎn)能的同時(shí)，繼續(xù)出手打壓中國(guó)芯片產(chǎn)業(yè)，2月8日，美國(guó)國(guó)際貿(mào)易委員會(huì)（ITC）對(duì)針對(duì)中國(guó)相關(guān)公司發(fā)起337調(diào)查；3月1日，美國(guó)人工智能國(guó)家安全委員會(huì)（NSCAI）向美國(guó)國(guó)會(huì)提交了一份長(zhǎng)達(dá)756頁(yè)、關(guān)于人工智能領(lǐng)域競(jìng)爭(zhēng)的報(bào)告，呼吁美國(guó)政府繼續(xù)在微電子產(chǎn)業(yè)打壓中國(guó)、遏制中國(guó)的高端半導(dǎo)體制造能力，從而“保持對(duì)中國(guó)的領(lǐng)先”。

　　而國(guó)內(nèi)雖然之前掀起了百城造芯熱，但是目前相對(duì)成功的僅有上海無(wú)錫合肥西安北京這幾個(gè)城市，前段時(shí)段武漢弘芯項(xiàng)目更是把我國(guó)芯片制造業(yè)推上風(fēng)口浪尖。

　　這次我將會(huì)在制程技術(shù)，資金，人力，設(shè)備，市場(chǎng)，供應(yīng)鏈，水電氣，環(huán)保，政策九個(gè)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(xiàng)大工業(yè)項(xiàng)目的全貌，以及我國(guó)當(dāng)下芯片產(chǎn)業(yè)的難處。

　　目前而言，集成電路制程競(jìng)賽進(jìn)入了坐5進(jìn)3的階段，每平方毫米的集成度高達(dá)近2億個(gè)晶體管?；赝?0多年前，X86王朝的開創(chuàng)者8086,僅僅只有4萬(wàn)多個(gè)晶體管，更先進(jìn)的制程自然帶來更高的集成度和更快的速度，自然也無(wú)限拓展了我們這個(gè)豐富的世界。20年前能讓我激動(dòng)半年的賽揚(yáng)5，2.0Ghz的臺(tái)式機(jī)，性能已經(jīng)被今天的百元廉價(jià)手機(jī)遠(yuǎn)遠(yuǎn)甩在身后，而1978年時(shí)一臺(tái)近千萬(wàn)美元的超級(jí)計(jì)算機(jī)（而且對(duì)我國(guó)禁止出售），其性能已經(jīng)被國(guó)內(nèi)某物聯(lián)網(wǎng)公司出品的價(jià)值7元的芯片（還僅僅是40納米制程）斬落馬下。英偉達(dá)的A100，在不斷刷新著AI計(jì)算的性能高峰，而蘋果M1也用實(shí)力證明了5nm制程芯片并非浪得虛名。

　　而國(guó)內(nèi)很多新入局的玩家，沒能撐下來的第一個(gè)問題就在于團(tuán)隊(duì)本身并不掌握技術(shù)；或者出于某種原因，無(wú)法將紙面上的技術(shù)資料變?yōu)閷?shí)打?qū)嵉漠a(chǎn)品。一般來說，這幾年能夠把項(xiàng)目做起來的公司；要么本身就有非常強(qiáng)大的研發(fā)能力——

　　譬如參與出資建設(shè)合肥長(zhǎng)鑫的兆易創(chuàng)新，其本身就是A股主板上市的存儲(chǔ)設(shè)計(jì)大鱷；

　　要么就是擁有長(zhǎng)期的能力建設(shè)，譬如武漢的長(zhǎng)江存儲(chǔ)，在CEO楊士寧的帶領(lǐng)下，從32層方案開始一點(diǎn)一點(diǎn)窮舉，到今天以量產(chǎn)64層獨(dú)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(kuò)張的三星存儲(chǔ)，以及投資合肥晶合的臺(tái)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(xiàng)目進(jìn)展的同時(shí)，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(biāo)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(jià)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(dāng)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(dòng)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(qiáng)的抗沉降性能和更長(zhǎng)的穩(wěn)定期。土建報(bào)價(jià)常常高達(dá)數(shù)十億人民幣。同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的大宗原料一般依賴現(xiàn)場(chǎng)提供，這些外圍設(shè)備本身的建設(shè)和維護(hù)合同也需要一個(gè)較長(zhǎng)的供應(yīng)周期和健康的資金供應(yīng)鏈。臺(tái)積電南京廠2萬(wàn)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(guó)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(duì)于我國(guó)絕大多數(shù)城市的投資基金或者普通的芯片設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)，不得不說也是一種望洋興嘆。而耗費(fèi)巨資的工廠一旦遭遇事故或者破產(chǎn)，其價(jià)值常常十不存一。

　　當(dāng)年，從西門子旗下英飛凌分拆出的內(nèi)存巨頭奇夢(mèng)達(dá)，在美國(guó)耗資20多億美元建設(shè)了一座12寸晶圓廠，該廠被收購(gòu)的時(shí)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(gè)季度虧損幾十億的窘迫困境。所以誰(shuí)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(guó)內(nèi)一直有一個(gè)呼聲，說我們?nèi)狈Υ罅康木A廠相關(guān)專業(yè)的人才。但實(shí)際上，萬(wàn)元左右的薪酬和超長(zhǎng)的工作時(shí)間本身，就是最好的勸退。1980年代，美國(guó)晶圓廠的普通工人，每小時(shí)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(shí)薪甚至比這個(gè)數(shù)還要低。即使是臺(tái)積電，平均也只能給出35萬(wàn)人民幣一年左右的薪酬，相比同業(yè)當(dāng)中的設(shè)計(jì)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(shí)間與外界失聯(lián)這些前提下的。

　　在一個(gè)發(fā)展的非常完善，但是企業(yè)明顯動(dòng)力不足的行業(yè)，必然面臨的就是待遇長(zhǎng)期處于較低水平，而工作壓力大到驚人，加班時(shí)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(yùn)營(yíng)方和當(dāng)?shù)卣腺Y建立獨(dú)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(dān)一線城市的高房?jī)r(jià)和高生活成本，往往不太現(xiàn)實(shí)，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(shí)間能想到的，可能是被炒的火熱的光刻機(jī)。作為核心光學(xué)設(shè)備，光刻機(jī)確實(shí)非常重要，但是，值得我們注意的不僅僅是光刻機(jī)。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(guó)為首的西方國(guó)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?duì)I收看上去不太多，大致在120億美元左右，甚至距離臺(tái)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(xiàng)激勵(lì)比晶圓廠高出50%的情況下，而且他們事實(shí)上掌握著一座晶圓廠的命脈，能以什么樣的價(jià)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(guó)產(chǎn)先進(jìn)制程研發(fā)的前輩曾經(jīng)這么告訴我：“其實(shí)先進(jìn)制程研發(fā)非常非常苦逼，相關(guān)負(fù)責(zé)研發(fā)的領(lǐng)導(dǎo)根據(jù)學(xué)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(shí)間內(nèi)把以上方案全部做出試驗(yàn)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(xiàng)目工藝流程和工藝參數(shù)的制定，并且與啟動(dòng)大客戶一起進(jìn)行量產(chǎn)環(huán)節(jié)的實(shí)驗(yàn)，還好，他的啟動(dòng)大客戶叫華為，那顆芯片叫麒麟710A，但是即使這樣，因?yàn)榉N種原因，這枚芯片在遷移過程中推遲了近一年時(shí)間才量產(chǎn)。”

　　而這當(dāng)中晶圓廠本身的技術(shù)力量，將會(huì)決定制程的實(shí)際水平，譬如同樣的設(shè)備，臺(tái)積電可以用到7納米制程上，聯(lián)華電子和中芯國(guó)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(guó)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(guó)產(chǎn)28納米成套設(shè)備，都還僅僅是鎖在深閨，無(wú)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(jī)，用了20多年，這些設(shè)備，是建立在整個(gè)西方世界的全產(chǎn)業(yè)鏈，投入了千億美元的經(jīng)費(fèi)，幾十萬(wàn)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(yùn)用，而不是把產(chǎn)品當(dāng)做銀行抵押物，或者僅僅只是一項(xiàng)政績(jī)工程嗎？

　　有一個(gè)很現(xiàn)實(shí)的問題，投資方耗費(fèi)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(shí)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(tái)積電在南京的那座16納米工廠，在開張的第一個(gè)年頭里，也因?yàn)檫@樣那樣的原因，虧掉了超過數(shù)億人民幣。顯然設(shè)計(jì)公司會(huì)更傾向于老牌的工廠，甚至不惜面臨更長(zhǎng)的交付期和更高的單位面積成本。

　　重慶在這個(gè)問題上曾經(jīng)吃過虧，曾被視為重慶市2007年工業(yè)項(xiàng)目“一號(hào)工程”的渝德科技，4年后，尷尬地?fù)Q了主人。當(dāng)初為承接該項(xiàng)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(tái)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(fēng)險(xiǎn)及財(cái)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(dá)4億人民幣左右，最終在2011年作價(jià)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(rùn)微電子，與當(dāng)初臺(tái)灣人的10多億的投入相比,可以說是十不存一。

　　雖然我國(guó)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(guó)韓國(guó)和中國(guó)臺(tái)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(dá)數(shù)百種，業(yè)內(nèi)戲稱為“湊齊了一整個(gè)元素周期表”，而這當(dāng)中很多化學(xué)品，依賴于日本和臺(tái)灣地區(qū)的供應(yīng)商。國(guó)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(jià)格上與國(guó)際同行也沒有明顯優(yōu)勢(shì)。這也是建立在我國(guó)雖然是一個(gè)化工大國(guó)，但卻不是化工強(qiáng)國(guó)的現(xiàn)實(shí)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(guó)際巨頭的空分裝置，目前明確采用國(guó)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(fèi)大量的水，電力，和燃?xì)狻＝?，臺(tái)灣地區(qū)進(jìn)入干旱狀態(tài)，而為了滿足工廠日常所需，臺(tái)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(tái)積電的生產(chǎn)只能利用對(duì)廢水不斷的循環(huán)，對(duì)廢水的處理能力也是對(duì)晶圓廠的無(wú)聲考驗(yàn)，一般情況下每一滴水，都要在工廠里參與3-5個(gè)不同的工藝段，而隨著制程的不斷進(jìn)步，用水量在未來將會(huì)繼續(xù)提升一個(gè)數(shù)量級(jí)到每天數(shù)十萬(wàn)噸新水。

　　同樣，越是先進(jìn)的制程，耗費(fèi)的電力也就越恐怖，目前情況下，臺(tái)積電一年要耗費(fèi)140億度電力，大概與深圳全市全年的用電量相當(dāng)，而未來隨著更大功率的EUV光源的使用，用電量將會(huì)繼續(xù)以較快的速度攀升。同時(shí)，不穩(wěn)定的電力對(duì)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?yàn)榇笱?dǎo)致停電，每天的損失高達(dá)數(shù)千萬(wàn)元，并進(jìn)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(fèi)大量的水電氣之后，使用了大量的劇毒化學(xué)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(dá)標(biāo)排放，也是要消耗大量的成本的，當(dāng)然也許能變廢為寶，前文中所述臺(tái)積電的廢水再利用計(jì)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(dòng)。

　　最后說說戰(zhàn)略方面。“百城造芯”的運(yùn)動(dòng)式發(fā)展，一度鬧劇化的因素，其實(shí)地方政府的情緒，也起到了推波助瀾的作用。計(jì)劃經(jīng)濟(jì)時(shí)期，由于我國(guó)交通和物流基礎(chǔ)設(shè)施的不發(fā)達(dá)，導(dǎo)致了我們必須在大部分地區(qū)配置獨(dú)立的工業(yè)體系，一省之內(nèi)必須獨(dú)立建立若干工業(yè)體系，從鋼材煤炭到家電汽車，每個(gè)城市都有獨(dú)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(guó)內(nèi)國(guó)際兩個(gè)大局，僅僅因?yàn)榈胤降腉DP增長(zhǎng)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(shí)，切記不能出現(xiàn)紅眼病，不能因?yàn)猷徔h鄰區(qū)建立了一座國(guó)家投資2000多億的工廠，就因此羨慕嫉妒恨，甚至明知道對(duì)方在技術(shù)，資金，市場(chǎng)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(shí)在干部梯隊(duì)建設(shè)上，多充實(shí)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(yàn)的高校碩博士。這方面合肥的經(jīng)驗(yàn)值得借鑒，最近十年，合肥在高科技行業(yè)的突飛猛進(jìn)，不僅僅是依賴于中科大，合工大和安大，更在于從全國(guó)各地引進(jìn)了大量的人才，以至于集成電路行業(yè)內(nèi)有個(gè)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(jī)，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(guó)和發(fā)達(dá)國(guó)家才需要考慮的問題，也是我國(guó)在向著更高的產(chǎn)業(yè)維度邁進(jìn)之路上必須解決的問題。在我國(guó)的工業(yè)發(fā)展的道路上，我們?cè)诠夥?，半?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(gè)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(jìng)爭(zhēng)和淘汰后的結(jié)果還算理想，誕生了一批有競(jìng)爭(zhēng)力的企業(yè)。

　　去年底的中央經(jīng)濟(jì)工作會(huì)議強(qiáng)調(diào)“針對(duì)產(chǎn)業(yè)薄弱環(huán)節(jié)，實(shí)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(duì)重中之重的芯片制造業(yè)，短期上面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，更應(yīng)該成為我們把造芯這件事做好，做強(qiáng)的動(dòng)力。

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