广宇:墙与中国互联网——芯片

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【大纪元2023年06月21日讯】面对美国在高端芯片制程方面的全面技术封锁,很多国人相信如今的中国有实力也有财力突破封锁,像原子弹和航母一样实现从无到有的突破,并最终以中国特有的成本优势垄断世界市场。这种心理是如何形成的?乐观的结果是否会如期出现呢?

由于和电脑这一科技产品相关,互联网产业给人一种很高科技的感觉。中国的互联网公司兴旺发达,许多产品应用引领世界潮流,这似乎给了很多国人中国在电脑技术上领先的信念。但这是一种错误认识,因为互联网产品只是对电脑和网络技术的应用,本质上是服务性质的产品,对技术水平要求并没有很高,更无法与高科技划等号。无论是网上购物、流媒体、视频聊天、邮箱存储、游戏还是其它,技术难点主要是软件程序的编写。编程固然是一项技术活,但它是完全独立于基础科学、工业制造、材料技术等通常意义上的科技能力的。而且编程也不太受环境和设备的制约,理论上只要有电脑和网络程序员可以在世界上任何地方工作。编程的技术成果可以被轻易地迁移并完美重现,全世界大量热心的个人和公司无私地开源了自己的代码,避免他人重复劳动。

如今普通的应用软件和互联网产品开发的门槛是很低的。只要有好的想法,小型公司甚至个人都可以开发出自己的应用并投入市场。成功的关键是新颖的功能和创新的商业模式,技术先进与否通常并不重要。中国市场成功的大型互联网企业基本都是如此:人们有通过网络聊天的需求,于是微信做大了;有网购的需求,于是淘宝做大了;有支付的需求,于是支付宝做大了……其实这些商业模式都不是中国发明的,国外早就有了,但是中共的政策和防火墙的存在让海外相关产品难以进入中国。海外确定可行的商业模式国内自然会有厂商去填补市场空缺,中国巨大的市场规模又使得成功者必然形成巨大体量。本质上说这不是中国的公司多么厉害,完全是市场保护的结果。在高级的软件技术和程序设计上中国这些公司的水平并不靠前,科学或工业计算软件、紧密工程设备仪器控制软件、机器人操控、超大规模数据库、自动驾驶、人工智能等前沿领域中国的产品多数落后甚至缺席。

硬件方面,无论是电脑还是手机,中国厂商都是做山寨或组装起家的。关键部件如中央处理器(CPU)、显卡、内存芯片、硬盘等基本都靠进口,强如联想电脑和小米手机等也都是如此。国人对关键部件能够国产化的信心很大程度上源于华为的不实宣传。华为将自己包装成为爱国品牌,宣称其手机使用的处理器和操作系统都是自行开发的。事实上华为手机使用的麒麟芯片只是由华为设计,但国内完全无法制造,必须委托台积电等海外厂商代工生产,所以美国对中国高端芯片禁运后麒麟芯片也就断了货。至于鸿蒙操作系统,事实上就是换皮的安卓系统。无论是芯片还是系统,华为都仅仅拥有肤浅的知识产权而已,并不掌握核心技术和制造能力,根本不能算是完全的国产货。

工业方面中国也一直宣传自己门类的齐全和先进能力。民用方面的高铁和电动汽车,军事上的航母、隐形战机和高超音速洲际导弹,还有空间站和计划中的登月项目让众多国人感到骄傲。但是仔细想想,这些技术难道不是西方几十年前就有的吗?高铁是典型的强迫西方技术转让,然后企图用低成本垄断市场的产品。事实上西方最先进最快的高铁技术仍然是对中国禁运的,与中国现有的高铁有代差优势。电动车是在中国政府巨额补贴下发展起来的,而且中国的电车厂商很多都是在特斯拉无偿公开一大批专利后才迅速实现了“技术突破”。至今在设计、成本管理和无人驾驶等方面都与特斯拉有很大差距。至于那些军工项目,由于没有实战记录,它永远可以宣传歼20是最好的战机,将来上了战场这些兵器会不会像如今俄罗斯那样拉跨就只能拭目以待了。

美国对中国实行芯片制裁,通过长臂管辖限制所有西方国家公司向中国提供高级制程芯片和制造这些芯片所需要的技术、设备和原料,立刻对华为等中国公司造成了致命打击。中共政府曾设立几千亿大基金扶持芯片行业,也在多地成立公司兴建厂房力求实现高级制程芯片国产化,但至今毫无建树,还爆出了一大堆诈骗和腐败丑闻。尽管如此许多人还是对国产芯片抱有信心,认为与当年的两弹一星一样,只要能够集中中国的资源就一定能够成功。但这种想法是错误的,因为军事技术上的从无到有和商业技术上的成功完全是不同的概念和标准 。

比如说原子弹,其价值在于拥有从而对敌国形成核威慑,为此可以不计成本和价格。但芯片不同,目前高端制程的芯片主要还是应用于民用产品,那么国产芯片的成功就不是说仅仅能够生产,还必须能够在价格、成本和利润率方面对海外对手形成商业竞争力,从而获得稳定的市场份额。一直以来中国产品的竞争优势来源于极低的人力成本,但这一点在芯片制造行业价值不大。我个人有在相关行业从事研发工作的经验,可以结合个人经历向大家介绍中国发展芯片制造的困难所在。

首先是科学和技术的积累。高端芯片制造是现代尖端科学(物理、化学、材料科学等)和技术(数字计算、自动化、工程设计管理、机器人、各类声光电传感、测量与检测、软件等等)集大成者。社会上强大的科研能力(特别是高校的基础科学和应用科学)作为技术和人才储备是必不可少的。仅从高校的科研能力而言,中国和西方的差距之大仅从诺贝尔奖获得者的比例就可以一窥大概。这里有体制的原因,也有经费和扶持力度的差异。要知道中国在技术封锁下研发全得靠自己,而西方是众多国家通力合作,这是多么大的体量和资源的差距!这绝不是区区几千亿人民币的投资就能够在短时间内解决的问题,说白了这点钱还不够西方各国一年内对高校的研发投入呢。中国也寄希望于大量的留学生能够将海外的研究成果带回中国,但这条路也逐渐被西方堵死,众多海外敏感专业已经明确拒绝招收中国学生了。

具体到高级制程芯片制造,中国差的绝不仅仅是一条完整的生产线,而是缺乏了整个供应链体系,包括原料(超大片单晶硅、各类高质量靶材、各类高纯度化工原料等)、生产设备(光刻机、镀膜机等)、测量检测设备(如高精度电子显微镜等)和相关的设备维护技术支持等。很多人以为中国差的只是那一台光刻机,其实远远不止于此。半导体制程每进步一代,整个供应链体系都需要做出相应的设备技术升级以配合更高的要求。制程升级通常无法在旧制程产线基础上完成,而需要重新建厂或设立新的产线。中国现有成熟的制程与国际最先进制程有数代的差距,而且很多设备原料失去外商支持后现有的成熟制程都将受到极大影响,完全依赖国内供应商的话制程能力恐怕还要退化。在制裁之下中国需要以一国之力发展整个供应链来对抗西方多国,这基本上是不可完成的任务。

很多人还不理解除光刻机外其它设备和原料的重要程度。这么说吧:没有最先进的光刻机,先进制程(如4纳米制程)从物理上就是不可能实现的;但有了光刻机而其它设备原料品质没有跟上,也许能够少量生产出先进制程芯片产品,但其缺陷数量和次品率一定居高不下,也就没有可能获得竞争优势和商业成功。举个例子,相对于22纳米工艺,4纳米工艺精度要求更高,相应的对于缺陷的敏感度也更高,晶圆清洗设备需要有去除更小异物颗粒的能力,镀膜设备需要有更高的膜厚控制精度和均匀度,靶材等原料需要更高的纯度,检测和分析设备需要有更高的精度和能力。全世界芯片产量看似巨大,但高端制程的生产线数量实际上是很有限的,因此很多特种设备和原料的供应商十分有限,甚至不少只有单一供应商。比如说高级制程必须的超高纯度工业气体基本上完全由日本垄断,中国如果想要自给自足的话就得新建一个化工项目。不是说中国就一定搞不出来,但这个产品的应用场景十分有限,如果中国的高级制程芯片生产不能如期上马并稳定产量,新项目的投资就全部要打水漂,风险巨大。

台湾的台积电拥有当今全世界最先进的芯片制程生产线,在中国也出现了攻打台湾夺取台积电工厂以获得最先进芯片制造能力的言论。这是非常幼稚的想法。且不说很多关键设备都可以被供应商远程锁定,也不说那些单一供应商的原料无法获得,同样的产线只要突然换一批人就大概率无法正常运转了。高精密度产品生产和仪器设备调试与软件开发有着巨大的不同之处,就是设备的可迁移性和生产的可复现性极差。软件开发中如果想要使用他人的代码通常只要拷贝黏贴即可,如果有问题最多只需要统一开发环境(电脑型号配置以及软件版本等)。高精度生产设备可不是这样,同一个厂房内新建一条一模一样的产线可能故障率和良品率都会完全不同,甚至同一个型号设备的不同机台也会有自己的“性格”和“脾气”,所以新工厂或新产线都需要很长时间的调试磨合,有个所谓产能和良品率爬坡的过程。我这里举一个例子,现代高级制程芯片内的单个器件尺寸在纳米量级,而普通建筑的固有振动幅度都可以轻易达到几十微米(1微米1000纳米)量级,如何做到机台防震?而且声音的本质是空气振动,噪音(包括人声)都会造成微米尺度的扰动,如何隔绝或补偿?即使同一间工厂的不同区域都可能会有不同的振幅,不同的空气流向,细微差别的电磁环境……芯片制造几百上千道工艺,只要每一步增加1%的缺陷,最终良品率就趋近于0。调试这些设备生产需要对相关科学知识理论有着深刻理解,能够理解应用分析设备给出的数据,对设备本身的原理和设计优缺点有清晰的认识,甚至很多时候还需要那些不知道为什么但就是有效的工作经验。人才的培养至关重要,但就是这些人才如果让他们换一套设备产线也大概率需要很长的时间重新学习和适应。打台湾抢夺台积电的土匪心理和行为对于芯片制造这种高精尖行业是完全行不通的。

必须承认,在美国乃至整个西方社会的对中国的技术封锁之下,中国想要完全依靠国内市场发展出尖端芯片制造技术是很不乐观的。人才培养、技术储备、工业体系的完整程度、甚至经费和资源都有着巨大差距。由于与整个西方社会存在巨大的体量和市场规模的差别,这些差距只会越来越大,并不是靠中共强调的所谓举国体制可以弥补的。很多人也已经认清这个现实,但他们提出高端制程芯片主要是民用,在军事上特别是武器中并不实用,因此并不影响中国的军事实力的观点。这也是一个典型的认识误区。高级制程的芯片计算速度更快(同等面积芯片内计算单元数量更多)且能耗更低,似乎更适合手机这种供能和体积有限的应用场合,但在军事上同样有应用场合。比如先进的无人机武器就需要节能且算力强大的芯片用于自动导航和目标识别,可以在被干扰无法远程遥控的情形下自动完成作战任务。今天俄乌战场的表现也突显情报的重要性,海量的情报(卫星图像、通讯监听、众多雷达系统数据、单兵情报统合等等)搜集分析已经不是人力所能胜任,必须依靠软件快速处理大量数据,配合人工智能进行数据挖掘、分析和预测,这些也必须用到最先进制程的芯片。在美国的芯片制裁之下中国的无人驾驶发展都大受影响,对军事能力影响只会更大。

如今人工智能(AI)的发展日新月异,以强大的芯片算力为基础可以实现语音识别、图形识别、自动驾驶、自动化机器人操作、语义分析和拟人对话能力、自动化编程等等。AI的广泛应用将对芯片制造设备和工艺升级起到关键作用,在AI配合下设备调试和产能良品率爬坡速度肯定会有提升。对于分析测试仪器更强的芯片肯定有助于提高数据采集和分析的速度和能力。你会发现更先进的芯片生产技术可以制造出更强大的芯片,从而更加推动制造技术的升级发展,这是正反馈。失去了高级芯片的加持,中国还需要慢慢升级原本就落后多个世代的设备和技术,还想要弯道超车赶超西方技术,可行性在哪里呢?

弯道超车只适用于新技术替代落后的旧技术。花钱购买或剽窃只能迅速获得已经成熟的技术方案。对于高级芯片制程这一绝对尖端科技,海量的金钱投入必不可少,但光有钱是绝对不够的。基础科学、应用科学的研究,工业经验的累积,人才的训练,完整产业链的培养,这一切都还需要脚踏实地的努力和时间的雕琢,绝无走捷径的可能。大家常说科学无国界,但先进科技确硬生生被中共的高墙挡在了门外。思想、学术、市场无一自由的中国幻想用区区千亿的投资和从海外挖来的人才和偷来的技术就迅速在尖端科技上压倒自由民主的西方社会,岂非痴人说梦?

责任编辑:高义

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