2002年在北京建立首條生產(chǎn)線后,中芯國際就踏上了一條爭分奪秒、無從喘息的賽道。

芯片設(shè)計(jì)難,但芯片國產(chǎn)同樣阻力重重。數(shù)據(jù)顯示,雖然中國每年需要的芯片占到全球一半,但能實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)的不到10%。

以集成電路龍頭企業(yè)中芯國際為代表,我國芯片產(chǎn)業(yè)高端裝備和材料正經(jīng)歷從無到有填補(bǔ)產(chǎn)業(yè)鏈空白的躍進(jìn),制造工藝與封裝集成也由弱漸強(qiáng)參與國際競爭。經(jīng)過17年艱難追擊,我國集成電路制造水平與國際先進(jìn)水平的差距已從2000年相差四五代縮短至如今相差一兩代。

關(guān)鍵設(shè)備國產(chǎn)化率從1%升至15%

刻蝕機(jī)、離子注入機(jī)、化學(xué)機(jī)械拋光機(jī)、快速熱退火設(shè)備……在這些芯片生產(chǎn)線的關(guān)鍵位置,國產(chǎn)設(shè)備占據(jù)的席位終于從1%提升到了15%——這是過去七年間,中芯國際國產(chǎn)化設(shè)備交出的成績單。當(dāng)中芯北京總經(jīng)理張昕拿到這份經(jīng)過嚴(yán)謹(jǐn)統(tǒng)計(jì)計(jì)算的數(shù)據(jù)后,他輕吁了一口氣,“苦心經(jīng)營這么些年,總算開花結(jié)果了。”

在中芯國際工作多年的老人兒都清晰記得,十多年前中芯國際在京投產(chǎn)時(shí),大到生產(chǎn)線設(shè)備,小到螺母、螺絲釘,都是進(jìn)口的。當(dāng)時(shí),集成電路生產(chǎn)線上刻蝕機(jī)、氧化機(jī)、薄膜、光刻、離子注入等關(guān)鍵設(shè)備,一直都由歐美日少數(shù)公司掌握。

投資一條芯片生產(chǎn)線,動輒要投資幾十億美元,除了廠房、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè),購買先進(jìn)設(shè)備是產(chǎn)線投入中的大頭。可是,國內(nèi)廠商不掌握先進(jìn)生產(chǎn)設(shè)備技術(shù)也就意味著,“投資10塊錢,9.8塊錢都花在了國外。”

除了“別人吃肉自己喝湯”,芯片生產(chǎn)核心設(shè)備受制于人,更為嚴(yán)重的后果是,整個(gè)集成電路產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展進(jìn)程都要受壟斷技術(shù)、設(shè)備的發(fā)達(dá)國家牽制。

“想買設(shè)備,一等等上一年半載、甚至兩年,拿錢也得等著,人家得先給美國、日韓那些巨頭供貨。”北方華創(chuàng)副董事長耿錦啟說。對于技術(shù)迅速更新的芯片產(chǎn)業(yè)來說,多等兩年,就意味著芯片產(chǎn)品的技術(shù)要慢至少一代。

重壓之下,國產(chǎn)設(shè)備的攻堅(jiān)進(jìn)展卻十分緩慢。“剛接到攻克刻蝕機(jī)國產(chǎn)化任務(wù)那會兒,我連刻蝕機(jī)長什么樣都沒見過。”耿錦啟回憶。

國產(chǎn)設(shè)備進(jìn)芯片生產(chǎn)線,為何這么難?

以等離子體刻蝕機(jī)為例,在芯片上進(jìn)行微觀加工,其每個(gè)線條或孔洞的加工精度是頭發(fā)絲直徑的萬分之一左右。而另一款更難做的光刻機(jī),全球90%以上這種設(shè)備都由一家荷蘭公司壟斷。光刻機(jī)對精密化等技術(shù)有著嚴(yán)苛要求,該公司光刻機(jī)在交付給客戶時(shí),都直接空運(yùn)上門,并手把手完成安裝調(diào)試,中途稍有不慎,就有可能影響設(shè)備使用。

2008年,國家科技重大專項(xiàng)02專項(xiàng)成立,組織“產(chǎn)學(xué)研”聯(lián)合開發(fā),由行業(yè)龍頭企業(yè)中芯國際等牽頭,向世界先進(jìn)的28納米等芯片技術(shù)節(jié)點(diǎn)攻關(guān),并推動裝備國產(chǎn)化。北京市作為組織牽頭單位,對項(xiàng)目承擔(dān)單位予以資金扶持。中芯國際、北方微電子、七星華創(chuàng)(北方微電子、七星華創(chuàng)后重組為“北方華創(chuàng)”)、中科信公司等產(chǎn)業(yè)鏈的上下游企業(yè)站在了一起,開始了聯(lián)盟式的集體攻關(guān)。

10年內(nèi)有望躋身全球第一梯隊(duì)

在北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)中芯國際二期廠房,2.8萬平方米的集成電路車間內(nèi),因大量工作都通過自動化設(shè)備完成,只能看見少量的工人。從200多輛搬運(yùn)“小車”沿屋頂軌道的滑行,才能看出生產(chǎn)的繁忙。

今年,二期的另一座新廠房還將有大批設(shè)備進(jìn)廠,并在明年逐漸實(shí)現(xiàn)滿產(chǎn)。滿產(chǎn)后,中芯位于開發(fā)區(qū)的全部生產(chǎn)線將具備12萬片產(chǎn)能,成為整個(gè)中國大陸12英寸晶圓生產(chǎn)水平最高、技術(shù)最先進(jìn)、規(guī)模最大的芯片生產(chǎn)基地。

好消息同樣從南方傳來。中芯國際的14納米芯片明年上半年將在上海投產(chǎn)。14納米,正是目前全球領(lǐng)軍企業(yè)如今已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的先進(jìn)技術(shù)節(jié)點(diǎn)。

“我們和國外最先進(jìn)水平的差距是一到兩代技術(shù)節(jié)點(diǎn)。”北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)投促局副局長李冬明說。

“力爭用10年時(shí)間進(jìn)入全球第一梯隊(duì)”——在近日舉行的一場內(nèi)部會議上,中芯國際董事長周子學(xué)透露了中芯發(fā)展中的“小目標(biāo)”。

除了在先進(jìn)技術(shù)節(jié)點(diǎn)、關(guān)鍵設(shè)備研制上奮起直追外,國內(nèi)芯片制造企業(yè)還在嘗試產(chǎn)業(yè)鏈上下游的一體化“合力”。

長期以來,芯片設(shè)計(jì)、芯片制造這兩個(gè)環(huán)節(jié)相輔相成,“打個(gè)比方,一份設(shè)計(jì)圖,經(jīng)驗(yàn)豐富的老裁縫在制衣時(shí)反復(fù)調(diào)整某個(gè)剪裁細(xì)節(jié),最后做出的衣服效果特別好。老師傅把這些工藝細(xì)節(jié)反饋給設(shè)計(jì)師,下次就能拿出更好的設(shè)計(jì)圖。”張昕解釋,這些工藝參數(shù)、性能改進(jìn)細(xì)節(jié),在歐美同行中被視為極其重要的知識產(chǎn)權(quán)。如若國內(nèi)芯片設(shè)計(jì)企業(yè)長期依賴境外廠商代工,這些信息都存在流失風(fēng)險(xiǎn),對提升我國芯片設(shè)計(jì)能力也將是巨大損失。

近來,在中芯國際位于開發(fā)區(qū)的廠房,正在開辟一塊特殊場地。這里外觀上看起來與普通的產(chǎn)線并無二致,但實(shí)際上是一個(gè)串起芯片設(shè)計(jì)、制造環(huán)節(jié)的國產(chǎn)芯片創(chuàng)新中心。在這里,中芯將通過與華為等芯片設(shè)計(jì)公司合作,實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、制造環(huán)節(jié)無縫融合,直至聯(lián)合開發(fā)出優(yōu)質(zhì)芯片產(chǎn)品。

“遵循刻板的芯片代工生產(chǎn)模式,我們很難突破困境,只有抱團(tuán)合作,才能發(fā)揮合力。”張昕說。

光刻機(jī)核心零部件尋求突破

在芯片制造設(shè)備領(lǐng)域,光刻機(jī)被視為當(dāng)之無愧的“皇冠”。多年來,光刻機(jī)國產(chǎn)化這一重大課題卻始終未能攻破,成為中國芯中國造的“扼喉”之痛。不過,星星之火正在點(diǎn)亮,光刻機(jī)核心零部件技術(shù)正在被各個(gè)擊破。

全國范圍內(nèi),圍繞光刻機(jī)關(guān)鍵零部件、刻蝕機(jī)的技術(shù)攻關(guān)開始陸續(xù)收獲進(jìn)展:

近日,創(chuàng)始團(tuán)隊(duì)有多年硅谷高端半導(dǎo)體制造從業(yè)經(jīng)驗(yàn),在北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)成立的東方晶源,其光刻機(jī)缺陷檢測及優(yōu)化系統(tǒng)等技術(shù),已進(jìn)入三星等全球主流芯片巨頭的生產(chǎn)線上進(jìn)行試用,并將在今年進(jìn)入中芯國際的產(chǎn)線。

2個(gè)月前,從事光刻機(jī)光源技術(shù)開發(fā)、承擔(dān)國家02重大專項(xiàng)“準(zhǔn)分子激光技術(shù)”的科益虹源,其技術(shù)剛剛獲得芯片代工“行業(yè)老大”臺積電的采購。

今年上半年,填補(bǔ)國內(nèi)光刻機(jī)關(guān)鍵零部件研制空白、清華大學(xué)團(tuán)隊(duì)成立的華卓精科的集成電路裝備關(guān)鍵零部件生產(chǎn)研發(fā)基地正在北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)建設(shè)。李冬明向記者透露,華卓精科研制的光刻機(jī)雙工件臺,被視為光刻機(jī)最關(guān)鍵的零部件,這個(gè)由國產(chǎn)廠商研制的“超精密技術(shù)皇冠上的明珠”研制產(chǎn)線,預(yù)計(jì)將于2019年上半年投產(chǎn)。

去年下半年,國家02科技重大專項(xiàng)之一“28納米節(jié)點(diǎn)浸沒式光刻機(jī)產(chǎn)品研發(fā)”的核心部件“光刻機(jī)浸液系統(tǒng)”項(xiàng)目簽約入駐杭州青山湖科技城。

不過,光刻機(jī)的整機(jī)制造技術(shù)仍然沒有一家國內(nèi)企業(yè)攻克。目前,國內(nèi)想要建立一條先進(jìn)的芯片生產(chǎn)線,仍然必須從光刻機(jī)巨頭荷蘭廠商AMSL處采購,并且從下單后,要等待將近2年的交貨期。

芯片的制造過程是沙子變成芯片的過程,然而,“點(diǎn)沙成金”絕非短日內(nèi)就能蹴成的神技。“從設(shè)計(jì)、加工到設(shè)備配套,芯片產(chǎn)業(yè)鏈很漫長,涉及領(lǐng)域很廣,尤其需要經(jīng)驗(yàn)的積累,不是說砸錢下去就能把差距追平的。”中國工程院院士李國杰認(rèn)為,中國“缺芯”現(xiàn)象非短期所能改變,必須“要有耐心”。