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特朗普继续“前任”强硬政策,半导体引发中美角

《科技生活》周刊||热度 ( )

记者/吉菁菁 编辑 陈永杰 

特朗普对奥巴马政策处处颠覆,却明确表示在半导体领域延续“对华强硬”,还继续宣扬“中国威胁论”。中国半导体产业为何成美国之痛?

采访专家

王占国(中国科学院院士、中国科学院半导体研究所研究员)

任振川(中国半导体行业协会信息部主任)

程灿(国家知识产权局专利局光电发明审查部审查员)

在特朗普宣誓就职前不久,美国总统科学技术咨询委员会就发表了一份《确保美国在半导体行业长期领先地位》的报告,报告中直指中国半导体业崛起会威胁产业未来,建议政府用多种手段遏制或限制,同时赶紧壮大美国自己的半导体业。而1月20日,随即就任的特朗普政府明确表态,支持“前任”奥巴马政府在半导体领域强硬对待中国的呼吁,特朗普提名的商务部长威尔伯·罗斯也毫不讳言地公开表示:对中国不断发展壮大的半导体行业“感到非常、非常担忧”。

猛一看上去,半导体概念似乎离我们普通人的生活有些遥远,那么它究竟是什么?有什么特别之处?为什么历届美国政府都如此在意中国半导体产业的发展?

“哪里都有你”:改变人类生活的半导体

半导体概念听起来好像比较陌生,但其实很容易理解。今天90%以上的电子器件和电路都是用半导体硅材料制作的,可以说,它的出现彻底改变了人类的生活和生产方式。半导体覆盖广泛,无处不在,它不仅是PC、智能手机、空调、洗衣机、电磁炉等常用家电的重要组成部分,也涵盖了汽车、照明、医疗等行业。比如生产一辆汽车可能要用到几百个半导体元器件和电路。


▲ LED 芯片加工

半导体材料及材料物理学家、中国科学院半导体研究所的王占国院士向北京科技报记者介绍,物质材料在导电性能上各有千秋:既有金、银、铜、铁、铝等这种电导率高、导热性能强的导体,也有橡胶、陶瓷、玻璃、塑料等这种电导率极低、导热性能也很差的绝缘体,而常温下,导电性能介于导体和绝缘体之间的物质材料就被称为半导体,可以用来制作集成电路和半导体器件。

据王占国院士介绍,半导体发展的历史由来已久。早在1833年,以发现电磁感应而闻名于世的英国科学家迈克尔·法拉第首次发现半导体现象:与铜等金属升温增加电阻率的特性相反,硫化银晶体的电导率随着温度升高却增大了,这一有趣的实验结果也引发了其他科学家的关注。

由于半导体器件和电路的体积小,重量轻、耗电量少,光纤通信、军事国防、航空航天等一批高精尖技术领域中也少不了它的身影。国家知识产权局专利局光电发明审查部审查员程灿说,光纤通信中的光源和探测器都使用了半导体材料,军事领域的激光雷达武器也离不开半导体的“参与”,而去年搭载“天宫二号”一起“飞天”,用于提高全球卫星导航系统精度的世界第一台超高精度空间冷原子钟,其中核心技术的元器件同样应用了半导体激光器。

小小芯片将成为中美双方激烈较劲的另一个舞台

以此来看,半导体行业“坐镇”于整个科技产业链条上的最核心处的说法毫不为过,怪不得美国政府会如此紧张中国半导体产业的发展。中国半导体行业协会信息部主任任振川向北京科技报 |“科学加”客户端记者表示,中美两国主要是在这“核心中的核心”——大小为纳米级别的小小芯片上展开了激烈角力。

策略顾问贝恩咨询公司(Bain & Co)的数据显示,作为目前全世界最大的半导体消费国,中国每年进口价值超过2000亿美元的集成电路,这超千亿美元的半导体消费主要用于中国一年制造11.8亿部手机、3.5亿台计算机、1.3亿台彩电上,每年至少用掉全球54%的芯片。而这其中,国产芯片市场份额仅在6%-7%,90%以上芯片都依赖进口,大量来自美国英特尔、高通等科技巨头的芯片,被国内制造厂商嵌入PC、智能手机等电子设备然后再出口。

就在2016年,中国集成电路的实际进口额已经达到了2280亿美元,相比进口总额10.49万亿元人民币,占比相当高。半导体集成电路进口额近几年来也早已超过石油,成为中国第一大进口商品类别。英国《金融时报》引用了一位银行家的话评论这种情况:“一旦美国关掉开关”,中国可能陷入黑暗之中。

虽然在2016年年底,美国总统科学技术咨询委员会提交给当时奥巴马政府的《确保美国在半导体行业长期领先地位》报告(以下简称《报告》)也看到这种情况,指出“目前中国还没有一家芯片企业跻身全球前20”,但《报告》中仍将中国视为美国半导体行业的最大竞争对手和威胁。

成员包括英特尔(Intel)和高通(Qualcomm)等芯片制造商的现任和前任首席执行官的委员会给出的建议是:阻止中国收购美方认为影响到其国家安全的所有半导体技术和芯片企业,限制中国对美芯片的行业投资、出口和采购,同时和其他国家联手,加强限制审查中国的海外芯片出口和投资。

▲贵州遵义以晴集团引进了德国、美国先进的生产设备,与中科院合作组建了以外延、芯片、分装、应用为主的LED 半导体生产基地

根据该委员会的建议,奥巴马政府以“国家安全”为由一再干预阻挠,使去年中国宏芯投资基金对德国芯片企业爱思强的收购最终功亏一篑。而当前尚未展示出完整明朗科学政策的特朗普政府,自上台伊始便一直积极呼吁制造业回归美国本土,其和前任奥巴马政府在半导体领域对待中国态度上罕见一致的论调,可能也意味着美国会再次加大对中国半导体产业发展的盯防力度。

任振川表示,随着移动互联、物联网、云计算、大数据等新一代信息技术产业的迅速发展,汽车电子、移动支付、可穿戴设备、高清智能网络监控、银行卡“换芯潮”兴起,以人机交互、语音语义、动作追踪、眼球追踪等新技术促使人工智能、虚拟现实、智能家居等新应用的实现,导致传感器、电源管理器和信号处理器等半导体产品的需求量大幅增长,这一切也同时意味着未来半导体市场空间增幅巨大。任振川说,从我国目前半导体产业现状来看,在诸如PC、智能手机等终端产品上的核心技术还掌握在外资企业手中,发展半导体产业我们可能还有一段路要走。

“后摩尔时代”来临?芯片是怎样“炼成”的

半导体芯片以其“微小之身”,却牵一发而动全身,系着我国整个科技产业崛起的重任。那么小小一枚芯片都蕴含了哪些高科技,到底是如何“炼成”的?

据王占国院士介绍,虽然身为一枚“高精尖”,制造硅集成电路芯片料硅材却“出身平民”,来自我们身边随处可见、至为普通的沙子。因为沙子中含有丰富的硅元素,脱氧后的沙子能提炼出最多25%的二氧化硅(SiO2),二氧化硅和焦碳在高温下充分燃烧后可制得粗硅。把粗硅粉和干燥的氯化氢气体放在合成炉中反应得到三氯氢硅,再经过精馏、熔炼、提纯等步骤,我们就得到了制造芯片的原始材料硅。硅凝结后形成了多晶硅棒,经过一轮的提纯,拉单晶等技术,硅纯度高达99.9999999%的电子级单晶硅锭就“诞生”了。再把单晶硅锭横向切割成圆形超薄的单个硅片,就得到了半导体产业的根基,即我们常说的硅晶圆。

切割出的硅晶圆经过抛光后表面几乎完美无瑕,甚至可以作为镜子使用。接下来它会被一边旋转一边浇上光刻胶液体,紫外线会透过预先设计好的电路图照在光刻胶层上,形成微处理器的每一层电路图案。接下来的光刻步骤就是真正的“黑科技”所在了,在一块晶圆上切割出数百个处理器,不过这还不算什么。从这个步骤开始,光刻机需要把视野缩得更小,集中到其中一个单处理器上,开始“雕刻”以纳米级为单位的晶体管等部件。

据王占国院士介绍,晶体管在处理器中的作用相当于开关,可以控制电流的方向。而晶体管当前技术的飞速发展,完全可以做到“须弥山藏于芥子”:一个普通针头上放下大约3000万个,不过纵然是这种水准也早已被更新。眼下,我们使用的主流芯片制程还是14纳米,而从今年起,整个业界开始向10纳米制程发展。如果说之前晶体管还在延续摩尔定律的效应,5纳米被认为是芯片制造的物理极限,一旦晶体管大小低于这一数字,它们赖以存在的物理基础不再成立,如绝缘氧化物量子隧穿效应、沟道原子统计涨落和功耗等,会给芯片制造带来巨大挑战。但随着进入14纳米的技术节点之后,芯片制造其实已经来到“后摩尔时代”,这时微电子技术的发展将不再遵守等比例缩小的定律。

去年10月,美国劳伦斯伯克利国家实验室就已造出由纳米碳管和二硫化钼(MoS2)制作而成小至1纳米的晶体管。王占国认为,在“后摩尔时代”,通过对材料的改进和更新,芯片可能会做到更小。

半导体产业要崛起:挑战与机遇并存

芯片生产设备的先进技术虽然目前仍是半导体行业内一个亟待突破的难题,但在不断增长的需求面前,未来中国半导体行业领域的发展机遇与挑战并存,实质整体已上升到国家战略高度。

纵观半导体产业目前的主要挑战,王占国院士介绍,半导体集成电路的主要技术一个是存储器,一个是CPU。CPU技术被美国英特尔公司独霸,存储器技术则主要掌握在韩国、美国、日本企业的手中,而这两方面我们都缺乏原创性的自主知识产权。最近引起业界关注的武汉新芯,8~12英寸晶圆使用了具有自主知识产权的中国科学院微电子所刘明院士的阻变存储器(RRAM),王占国认为,半导体产业需要更多这样的自主创新。

另外一个需要面对的挑战是设备。除了工艺,制备也占到集成电路的很大一部分。而其中最关键的设备就是制作芯片光刻步骤要用到的光刻机。王占国介绍,制造光刻机的先进技术目前只有少数几个西方国家,如设在比利时的微电子中心等拥有,我国目前相关技术还无法望其项背。且受到高精密光刻机禁运的制约,买回来的光刻机的镜头都被“打毛了”,达不到制作想要的精确度。最后是从半导体产业基础材料来看,目前国内只有北京有研硅股和浙江大学的金瑞泓公司(原名宁波立立)两家做ICs硅单晶材料,同时主流的8~12寸的硅晶圆生产始终也未形成规模。

虽然美国政府始终“严防死守”,百般阻挠中国通过收购获取半导体先进技术,但并未阻挡中国扭转当前产业发展受制于人的局面的决心,以及大力推进国内半导体产业崛起的雄心。

未来中美半导体业对抗会升级吗?三位专家都表示,只有中国半导体业自身迅速地强大起来,尤其是一些骨干企业,加紧研发,努力缩小差距,才有生存下去的力量。

长江存储将在2017年可能进行32层3D NAND量产的好消息,极大地鼓舞人心;另一方面是进一步扩大开放,努力改善产业的发展环境,合作共赢是总的趋势。■

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