因此,EDA被誉为半导体里的最高杠杆,虽然全球产值不过一百多亿美元,但却可以影响全球五千多亿集成电路市场、几万亿电子产业的发展。

  EDA如此高效好用,那我国自主化状况如何呢?很可惜,比操作系统还尴尬。

  我国最大的EDA厂商华大九天在全球的份额差不多是1%,而美国三大厂商Synopsys(新思科技)、Cadence(楷登电子)以及Mentor Graphics(明导科技,2016年被西门子收购)则占据了80%以上的市场。

  这也就导致了虽然我国芯片设计位居世界第二,但美国一声令下,芯片设计就会面临‘工具危机’,巧妇难为无米之炊。不过,既然软件已经交过钱了,用旧版本难道不行吗?

  很可惜,并不能。

  因为这背后有一张EDA商、IP商、代工厂们互相嵌合的生态网。EDA是不断更新的。新的版本对应更新的IP库和PDK文件。而PDK即工艺设计包,则又包含了芯片工艺中的电流、电压、材料、流程等参数,是代工厂生产时的必备数据。新EDA、新IP、新工艺,互相促进、互为一体。

  因此,用旧版的软件就会处处‘脱节’:做设计时无法获得最新的设计IP库,找代工厂时又无法和工艺需要最新的EDA、PDK进行匹配。长此以往,技术越来越落后,合作伙伴也越来越少。不过既然EDA不过是0101的代码,从破解小组里找几个高手不就好了吗?

  很遗憾,也几乎不可能。

  每个EDA软件出厂时都会内嵌一个Flexlm加密软件,把EDA和安装的设备进行一一锁定,包括主机号、设备硬盘、网卡、使用日期等信息。而Flexlm的密钥长度达239位,暴力破解的难度非常大。如果用英特尔高性能的CPU来破解的话,需要4000左右的核年(core-year),也就是说用40核的CPU,需要100年。

  当然,也可以采用分布式的方式,继续增加CPU数量减少时间。然而,即使破解成功了,来到了全新的IP库门前时,也会被EDA厂商通过‘修改时间、文件大小、确认IP来源’等方式,再次进行验证,然后被拒绝。油然而生一股挖了百年地下隧道、却撞到石头上的酸爽。

  破解并不有效,也不敞亮,还和我国知识产权保护的态度相违背。因此,依然还是要靠华大九天等公司自研崛起。那么,这条出路有多宽呢?其实单纯写出一套软件,难度并不大。关键还是要有海量丰富的IP、PDK,以及产业上下游的支持配合。单点突破未必有效,需要军团全面突围,而这并非一朝一夕之功。

  三、材料:工匠精神最后的堡垒

  2019年,日韩闹了矛盾,双方都很刚,但日本断供了韩国几款半导体材料后,没多久韩国三星掌门人李在镕就飞往日本恳请松口了,后来他更是跑到比利时、中国台湾,试图绕道购买或者收点存货过日。

  按理说,韩国也是半导体强国,三星在设计、制造领域更是主要玩家,但面对区区几亿美金的材料,却被闹得狼狈不堪。

  材料真的有这么难吗?讲真,半导体原始材料是非常丰富的,比如硅片用的就是满地球的沙子。但要实现半导体的‘材料自由’,却并不容易,必须打通任督二脉:‘纯度’、‘配方’。

  纯度是一个无止境之路。我国已经实现自产的光伏硅片,一般纯度是6-8个9,即99.999999%,但半导体的硅片纯度却是11个9,而且还在不断提高。小数点后多3到5位,就意味着杂质含量相差了1000到10万倍。

  这个差距有多大呢?假设,光伏硅片里包含的杂质,相当于一桶沙子洒在了操场上;那么半导体硅片的要求则是在两个足球场大的面积里,只能容下一粒沙子。

  那么,为什么必须将杂质含量降到这么低呢?因为电子的大小只有1/10纳米,哪怕仅有几个原子大小的杂质出现在硅片上,也会彻底堵塞一条电路通道,导致芯片局部失灵。如果杂质含量更高的话,甚至会和硅原子混在一起,直接改变硅片的原子排列结构,让硅片的导电效率完全改变。

经过刻蚀后的硅表面和锡颗粒,如同明月在金字塔后升起

  要达到如此纯度,需要科学和工艺的完美结合。

  一方面,需要大量基础科学仪器来辅助。比如在材料生产过程中,设备自身就会有金属原子渗透影响纯度,因此需要不断改良。而要确认纯度,也是高难度。就像特种气体,就需要专门的仪器来检测10亿分之一(PPB级)的杂质含量水平。实现这个难度,就不仅需要半导体企业,还需要奥林巴斯等光学企业出马助力。

  另一方面,从实验室到工厂车间也需要工艺积累。材料制造,不仅对生产设备要求高,就连工厂里的地垫、拖把,也都是高级别特供。而且,生产车间温度、湿度的不同,也会影响材料纯度,就不得不反复尝试后得出标准。

  而高纯度只是第一步,复合材料(比如光刻胶)的配置更是难以跨越的鸿沟。如果说‘纯度’是个艺术科学的话,那么‘配方’就是玄学科学。

  其实,无论提纯、还是配置,基本的理论原理、工艺技术都不是难事儿。但如何选材、配比,从而实现极致的效果,却需要高度依赖经验法则,即业内常说的‘know-how’。

  同样的材料,不同的配比就会有不同的效果;就像我们用红黄蓝三色去搭配,不同的配比就能得到不同的颜色。而即使用同样的配方、采用同样的工艺,在不同的湿度、温度甚至光照下,也会有不同,甚至相差很远的效果。

  这些影响材料效果的参数,无法通过精密计算获得,只能是实验室、车间里一次次调配、实验、观察、记录、改良。有时候,为了得到10%的效果改良,可能需要花费几年。然而,这提升的10%,虽然抢占的只是几百亿规模的市场,但却影响着万亿半导体行业。

  因此,无论是提纯,还是配方,其实需要的都是超长的耐心待机、极致专注。这不禁令人会想到日本的寿司之神,一辈子只做寿司,而一个学徒仅拧毛巾就要练五年。虽然在生活中,这种执着看起来有些迂腐可笑,但事实上,材料领域做得最好的,正是日本企业。

  据SEMI推测,2019年日本企业在全球半导体材料市场,所占份额达到66%。19种主要材料中,日本有14种市占率超过50%。而在占据产值2/3的四大最核心的材料:硅片、光刻胶、电子特气和掩膜胶等领域,日本有三项都占据了70%的份额。最新一代EUV光刻胶领域,日本的3家企业申请了行业80%以上的专利。

  日本在材料产能上占据优势后,又用服务将客户捆绑得死死的。

  许多半导体材料都有极强的腐蚀性和毒性,曾有一位特种气体的供应商描述,一旦气体泄漏,只需一瓶,就可以把整个厦门市人口消灭。因此,芯片制造商只能把材料的运输、保存、检测等环节,都交给材料的‘娘家’材料商。

  而另一方面,材料虽小、威力却大。半导体制造中几万美金的材料不达标,就能让耗资数十亿美金生产线的产品大半报废,因此制造商们只会选择经过认证的、长期合作的供应商。新进玩家,几乎没有上桌的机会。

  而对于材料公司而言,下游用得越多,得到的反馈就越多,就有更多的案例支持、更多的验证机会来提升工艺、改善配比,从而进一步拉大和追赶者的差距。对于后进者而言,商业处境用一句话来形容就是:一步赶不上、步步都白忙。

  日本能取得这个成就,其实离不开日本‘经营之圣’稻盛和夫在上世纪80年代给日本规划的方向:欧美先进国家不愿再转让技术的条件下,日本人除了将自己固有的‘改良改善特质’发扬光大之外,别无出路;各类企业都要在各自的专业领域内做彻底,把技术做到极致,在本专业内不亚于世界上任何国家的任何企业。

  这种匠人精神,令日本在规模不大的材料领域,顶住美国、成为领主。

  四、何处突围

  我们在做产业研究的时候,有个强烈的感受,中国似乎在美国的打压中,陷入一个被无限向上追溯的绝境:

  发现芯片被卡脖子后,我们在芯片设计领域有了崛起的华为海思,但随后就发现:还需要代工领域突破;当中芯国际(65.350-1.33-1.99%)攻坚芯片代工制造时,却又发现:需要设备环节突破;当中微公司(183.990,-1.59-0.86%)北方华创(185.9200.000.00%)在逆袭设备、有所收获时,却又发现:设备核心零部件又仰人鼻息;当零部件也有所进展时,又发现:芯片材料还是被卡脖子。

  而当我们继续一步步向前溯源、‘图穷匕见’时,才发现一切都回到了任正非此前无数次强调的基础科学。

  回顾来看,如果没有1703年建立的现代二进制,那么两百年后的机器语言就无从谈起;如果没有1874年布劳恩发现物理上的整流效应,那么就没有大半个世纪后晶体管的发明和应用;而等离子物理、气体化学,更是刻蚀机等关键设备的必备基础。

  而在美国大学中,有7所位列全球物理学科排名前十,有6所位列全球数学学科排名前十,有5所位列全球材料学科排名前十。基础科学强大的统治力,成为美国半导体公司汲取力量的源泉。

  在强势的基础学科背后,却又是1957年就已经埋下伏笔的美国基础学科支持体系——对大学基础学科进行财政支持;通过超级科技项目带领应用落地。

  当年美苏争霸,苏联的全球第一颗人造卫星升空刺激了美国执政者,这也成为美国科技发展的重要转折点:

  一方面,为了保持‘美国领先’,政府开始直接对研究机构发钱。美国国家科学基金会(NSF)给大学的基础研究经费从1955年的700万美金,飙升到1968年的2亿美金。在2018年,NSF用于基础研究的经费,更是高达42亿美金。这长达50年的基础研究经费里,美国联邦政府出了一半。

  尤其值得一提的是,NSF每年为数以千计的基础学科研究生提供奖学金,这其中诞生了42位诺贝尔奖得主。

  另一方面,美国启动了超级工程来落地研发成果。1958年,NASA成立,挑战人类科技极限的阿波罗登月和航天飞机工程也就此启动。

  在研究需要250万个零件的航天飞机过程中(作为对比,光刻机零件大约是10万个,一辆汽车只有1万多个零件),大量尖端技术找到用武之地;而这些当时‘冷门’的尖端技术,又在条件成熟时,相继转化为杀手级民用品(比如从航天飞机零件中诞生的人造心脏、红外照相机)。

  航天飞机的技术外溢,并不是孤例。医院核磁共振设备中采用的超导磁铁,也正是在美国粒子加速器‘Tevatron’的研发中应用诞生。美国的超级科技工程,成为基础学科成果的试验田、练兵场和民用转化泉。

  事实上,通过基础研究掌握源头科技,随后一步步外溢建立产业霸权,这条路径并不只是美国的专利,也应该是各个产业强国的选择,更是面对美国打压时一条真正可行的道路。王侯将相,宁有种乎。避免无穷尽的‘国产替代向上突破’的陷阱,实现和‘基础研究向下溢出’的大会师。

  事实上,我们面临的困难、打压,日本也经历过。

  上世纪八十年代后期,美国对日本半导体产业发起突袭:政治封杀、商业打压、关税压迫无所不用其极,尤其是培养了‘新小弟’韩国来挤压日本半导体产业。没几年,日本就从全球第一半导体强国宝座上跌落了。日本半导体引以为傲的三大楷模,松下、东芝、富士通的半导体部门先后被出售。

  面对美国的压制,日本选择进军高精尖材料,用时间换空间、用匠心换信心。

  1989年,韩国发力补贴存储芯片,而日本通产省制定了投资160亿日元的‘硅类高分子材料研究开发基本计划’,重点补贴信越化学为首的有机硅企业。

  1995年,韩国发动第二轮存储价格战前夕,而日本东京应化(TOK)则实现了 KrF光刻胶商业化,打破了美国IBM长达10余年的垄断,并在随后第五年,其产品工艺成为行业标准,全球领先。

  2005年,三星坐上存储芯片老大的位置,而日本凸版印刷株式会社以710亿美金收购了美国杜邦公司的光掩膜业务,成为光罩龙头。

  在韩国全力扩张产能,和其他半导体下游厂搏杀的日子里,日本一步步走到了材料霸主的宝座前。从看似掌握着无解优势的美国人手里,硬生生抢下了一把霸权剑。

  但日本的成功仅仅是因为换了一个上游战场吗?显然不是。在过去30年,三大自然科学领域,日本共计收获了16个诺贝尔奖,其中有6个都属于是化学领域,而这些才是日本崛起的坚实地基。

  我国的基础研究怎么样呢?2018年,我国基础研究费用,在全年总研发支出中仅占5%,而这还是10年来占比最高的一年。而同期美国基础研究占比则是17%,日本是12%。在国内各个学校论坛上,劝师弟师妹们从基础学科转向金融计算机等应用学科的帖子,层出不穷。

  所以有人笑称,陆家嘴(12.440-0.01-0.08%)学集成电路的,比张江还多。

  今年7月份,更是爆出了中科院某所90多人集体离职的迷思。诚然,每个人都有择业的自由,但需要警示的,是大家做出选择的理由。基础学科研究的长周期、弱转化、低收入,令研究员们在日益上涨的房价、动则数百亿利润造假套现面前,相形见绌。

  任正非曾经感叹道:国家发展工业,过去的方针是砸钱,但钱砸下去不起作用。我们国家修桥、修路、修房子……已经习惯了只要砸钱就行。但是芯片砸钱不行,得砸数学家、物理学家、化学家……

  64年前,苏联率先发射的一颗卫星让美国惊醒。美国人一边加码‘短期对抗’,一边酝酿‘长期创新’,从而开启了多个领域的突破、领先;而今,一张张禁令也让我们惊醒,我国不少产业只是表面上的大,急需要的是骨子里的强。

  这些危机之痛,总是令人后悔不已。过去几十年,落后就要挨打的现实一次次提醒着我们,要实现基础技术能力的创新和突破,才能赢取下一个时代。

转自:http://finance.sina.com.cn/stock/t/2020-08-10/doc-iivhvpwy0116335.shtml