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中兴事件或遇转机,专家提示:"缺芯"问题仍需警惕!

2018-05-18 14:54:00   来源:   点击:

  豫兴网讯:上个月,美国商务部近日宣布对中兴通讯公司执行长达7年的出口禁令——所有Export Administration Regulations (EAR)中规定的军民两用产品(例如电脑、飞机、微生物制品)都不允许出口。对中兴公司而言,禁令中的“致命伤”,非芯片莫属。
  
  “制裁事件”发生后,也迅速在新闻媒体和业界人士间掀起了热议,中兴一时危在旦夕。谁知,刚过了一个月,事情就有了转机——川普总统忽然跳出来发布推特表示要解决中兴禁令问题。
  
  美国总统在推特上表示自己正在和中国领导人一起为中兴公司提供快速恢复业务的途径,并告知商务部要尽快施行。(图片来源:Twitter)
  
  中兴或将“劫后逢生”,但这一事件也引发了不少民众的困惑——为什么“缺芯”会导致如此严峻的后果,让一个大型企业瞬间面临危机?
  
  我们在“中兴制裁事件”发生后,采访了硅谷某大型半导体公司的资深科学家和高级研发工程师(因为身份信息敏感,在此不便透露真实身份),请他们对芯片的应用、工艺、发展等问题性展开了专业的分析和解答。
  
  Q1
  
  芯片是什么?有什么作用?除了电脑,我们生活中还有其他地方会用到芯片吗?
  
  芯片也叫集成电路(Integrated circuit, IC),是封装在一起的具有一定电路功能的器件或者部件。芯片在生活中几乎随处可见,把任何电子设备拆开,里面密密麻麻黑色的小方块都是芯片。从家用电器、手机等通讯工具,到汽车、飞机等交通工具,以及航空航天领域都需要用到大量芯片。说现代人类生活在芯片组成的世界中,也毫不为过。
  
  图中电路板上黑色的小方块都是芯片,它们已经成为我们生活中不可缺少的一部分。(图片来源:unsplash.com)
  
  Q2
  
  中兴被禁止进口芯片,对这样一个企业来说意味着什么?资料显示中兴受影响的业务主要有基站、光通信、手机三大块,芯片在其中主要起什么作用?
  
  如果真如新闻所说没有回旋余地,那么中兴这个“中国制造2025”标杆企业可以考虑退出市场和业务转型了。因为包括无线网络、宽带、光传输、数据通信、云计算和手机终端等在内的中兴的主营业务几乎被打击殆尽。由于有很多文章从技术角度剖析了禁运对中兴的影响和中国现有的替代方案,我们就不再深入讨论,这里主要对进口依赖最大,也最容易让人觉得困惑的基站芯片做一下通俗的解释。
  
  Q3
  
  对,不少文章都提到,基站用的芯片对进口产品依赖最大,基站就是发射手机信号那个基站吗?
  
  没错,基站说的就是收发手机信号的那个,它的任务是接收信号—调制—发射信号。传统基站的工作部件主要分两大部分:基带处理单元(BBU)和射频处理单元(RRU)。BBU像是接线员,负责处理信号,把不同的信号接到对应的频道上;而RRU则像是大喇叭,通过大量电缆与发射天线相连,把这些信息广播出去。BBU和RRU的核心部件都是芯片,只是种类和功能不同。遗憾的是,目前这些芯片我们几乎完全依赖进口。
  
  至于光通信和手机芯片我们就不做过多解释了。总体而言我国目前除了一些数字电路有相对低端的解决方案外,其余都要依赖进口。所以我们说此次制裁如若成真,带来的打击几乎是毁灭性的。
  
  Q4
  
  这么重要又基础的芯片居然完全依赖进口,我们国家为什么自己不研发芯片?或者说,为什么我们不在这些地方使用自己研发的芯片?
  
  我觉得这个问题非常值得深思,最近的网上也出现了很多不同的声音,有些说得比较中肯,有些则带着恨铁不成钢或者失落的情绪,还有一些盲目乐观,想用全民大生产模式进行攻坚。我们试着从历史和发展的角度解读一下目前“缺芯”的状况。
  
  芯片产业分为设计、制造和封装几个环节,中国芯片产业的瓶颈,在设计和制造这两个方面。
  
  对于芯片设计而言,之前的问题是“没钱”和“没人”,现在的问题是“受制于人”。虽然近年来国家集成电路产业投资基金(大基金)达到了1000亿,许多设计公司也因此如雨后春笋般出现,从业人员也越来越多。但由于核心的知识产权(IP)不在自己手中,导致许多门类的国产芯片市场占有率几乎为零,同时也造成了进口依赖。
  
  一方面,如果绕开专利壁垒完全自主研发,投入巨大不说,做出来的芯片还可能因为性能不够先进而卖不出去;另一方面,基站芯片多数由国外中小企业设计,被政府严格管控,外国人很难进入。也就是说,我们不仅无法取得IP,甚至没办法通过引进人才来起步发展。此次美国政府正是瞄准了这一点进行精准打击。
  
  对于芯片制造而言,不得不提到《瓦森纳协定》。1996年制定的《瓦森纳协定》,主要用来限制常规武器和高新技术从33个成员国出口到中国、伊朗等国家。尽管《瓦森纳协定》允许成员国在自愿的基础上控制技术出口,但美国在关键技术方面是有话语权的。
  
  正是由于该限制,中国大陆在拿到包括光刻机在内的关键技术和生产设备的时间往往比其他不受限成员地区的企业(比如台湾和韩国)晚5年左右。熟悉半导体的人可能听说过“摩尔定律”,这个定律说每隔18-24个月,芯片的集成度和性能就会提高一倍,依此而言的话我们的发展速度至少要落后世界先进水平两到三代的时间。
  
  Q5
  
  光刻机是什么?为什么说它是关键技术呢?
  
  集成电路的制造,可以描述成用光刻机在图纸(电路基板)上刻字的过程。光刻机能打出的“字”越精细,图纸上就能画越复杂的电路。这个精细的程度就是半导体器件的“制程”。我们常说的28纳米半导体,14纳米半导体,描述的就是制程。值得注意的是,目前它不再表示精确的值,而成为不同等级芯片加工技术的代号。
  
  Q6
  
  所以制程越小,芯片上的电路就越密集,功能也就越多,对吗?
  
  这是一部分原因。尺寸越小,速度越快,而且能耗越小。我们可以将数字电路中的每个基本元件想成开关——尺寸越小的元件,开关速度越快,消耗能量也越少。举个例子,我们的U盘从当年的几MB到现在几百GB,体积反而越来越小,就是存储芯片不断更新换代、不断集成的结果。
  
  回顾过去40多年的发展,可以说摩尔定律给半导体厂商指定了一个期望,从而驱使产品不断更新换代,跟不上节奏的就会被市场淘汰。当然,电子产品的更新换代最近有逐渐减缓的趋势,这主要源于物理上加工水平的制约。打个比方,如果之前的半导体工艺是在核桃上刻字,现在的工艺水平可能相当于在米粒、甚至针尖上刻字了,工艺和设计的挑战都越来越大。
  
  Q7
  
  所以现在这个“制程”,我国的技术能做到多小呢?
  
  纵观当代半导体制造工艺的发展,我们认为有以下几个主要的分水岭:
  
  130 纳米,铜互联(Copper interconnect)工艺
  
  90纳米,嵌入式锗化硅源漏(Embedded SiGe Source/Drain)工艺
  
  28纳米,有两类 (a) HKMG,(b) Poly-SiON(多晶硅氮氧化硅栅氧)
  
  14纳米,第一代FinFET(鳍式场效应晶体管)
  
  目前我国已经跨过(1)(2)阶段,(3)中的Poly-SiON也由中芯国际(SMIC)在16年突破,而HKMG技术也在不断改良,最早有望18年下半年量产;目前14纳米FinFET距实现量产还有一段路要走。作为对比,国际上一线半导体制造公司目前10纳米技术已成熟,正在发展7纳米以及以下技术。
  
  半导体的制造精度有限,也就在一定程度上制约了我国可自主研发的芯片种类。由于28纳米Poly-SiON是早期低功耗(Low power early, LPE)工艺,基本只能用于一些辅助芯片的制造。而更先进、更重要的芯片(片上系统(SoC),硬件加速芯片(例如GPU,FPGA和DSP)等)则需要更高的加工工艺才能做出来。
  
  Q8
  
  我们自己不能解决制造问题,可以请其他加工厂解决吗?台积电(TSMC)公司好像就负责很多国外品牌芯片的加工,能不能自己设计芯片,请他们代工呢?
  
  答案是可以,但可行性低。有两个主要的问题,一是加工时间太短,完全没有试错的机会;由于被美国资本控股,台积电每年留给我们的制造窗口只有2-3个月,其余档期都被苹果、高通、AMD, 英伟达等电路设计公司瓜分。二是成本高,因为加工量小时间短,我们很难在价格上拥有话语权。
  
  Q9
  
  这件事对我们普通人会有什么影响呢?
  
  我们不能孤立地看这件事,中兴或许只是由于自己的疏忽被抓住了把柄,但这个事件显示了美国对于“中国制造2025”的忌惮和打压。如果单说中兴公司,可能给生活带来的影响暂时仅限于谈资和担忧,但不得不说,这件事如若没有得到妥善的处理,可能会对所有人带来深远的影响。
  
  举个简单例子,我们都知道华为参与制定了5G时代的通讯协议,虽然为之自豪,但必须认清任何的协议都需要有硬件的配合,整个产业链中硬件基础设施是核心竞争力的重要组成部分,而这些都基于前文提到的那些进口芯片,如果受到限制,那么以后我们使用的手机可能会长期停滞在4G时代,进步缓慢;
  
  再比如云计算平台,了解深度学习的人都明白训练深度神经网络离不开大量的并行计算资源,试想如果CPU/GPU等芯片再被禁运,国内目前跻身于世界前沿的深度学习以及超级计算机的研究和产业将倍受限制,诸如安防、智能家居以及自动化等等生活便利也将被沉重打击;
  
  此外,我们也听说伴随着此事谷歌可能会停止向中兴授权安卓系统,由于安卓系统开源,所以对于国内其他安卓系统手机来说影响并不大。但即便这样,事情发展到什么程度也很难预估——假如安卓系统停止开源,国内的众多手机厂商可能需要自己重新编写APP——智能手机性能将受到影响。
  
  当然我们自己的设计也有振奋人心的消息,看到很多文章称今年为“中国存储芯片元年”,原因是合肥长鑫的DRAM和长江存储的3D NAND的突破。但是有些差距依然需要正视,以3D NAND为例,存储器的层数和先进水平还有差距,目前3D NAND的制造公司(包括Intel/Micron, 和SK Hynix)已经开始准备量产96层的3D NAND产品。而目前长江存储的技术是32层,仍有提升的空间。而对于以发展DRAM为核心的合肥长鑫来说,预计会在今年年底前实现早期的19纳米技术,估计良品率在10%左右。三星在2015年第一次实现了20纳米 DRAM技术,目前处在18纳米量产阶段(量产一般需要80%到85% 的良品率)。
  
  2D NAND和3D NAND是两种存储芯片的模型。在2D平面结构上一直增加电子元件密度会减小存储器的可靠性;做成3D立体结构,每一层就不用做那么密了,把这些层堆在一起,单位体积的存储量也就越大。因此,3D NAND的层数越大,存储器的效率也就越高。(图片来源:www.nvmdurance.com)
  
  10
  
  听上去,我们很难在短时间内超越国外的技术,作为业内人士,您认为现在该怎么办?
  
  技术层面上的差距,我们在前面做了基本的介绍。最近,在很多文章中看到呼吁国家出台相关政策的意见,我们也想藉此机会再用一点时间讨论下这个问题。
  
  半导体行业相比于互联网和人工智能的发展具有投资大、周期长、回报慢的特点,而且最大的问题是胜者全得(winner-take-all),也就是说独占鳌头的公司几乎可以独吞订单,这就造成了投资的风险。简而言之,半导体行业是高度的资本密集型行业,投资风险大、成本高昂、人才稀缺……这些都是国内企业需要面对的严峻问题。
  
  他山之玉可以攻石,我们认为借鉴美国的半导体研究联盟(SRC)和之前的Sematech的模式可能是一个风险相对较小的思路。成立半导体产业委员会,共同注资建立一个资金池用于支持和引导高校和中小企业的研发和攻关,而研发的成果归联盟成员共同所有,以此来取代目前群龙无首、各自为战的局面,从而减少投机和不良竞争造成的大量时间和资源浪费的问题。另外,号召国内高科技行业的领军人物,比如百度阿里腾讯(BAT),加大对半导体制造、设计等基础科研方向的投资,实现不同产业间互相扶植。我们也注意到国家其他方面的政策,比如在二线城市布局、税收的优惠等等,相信这些在不久的将来都会看到收获。
  
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