原创 一文带你了解中国芯片产业发展史

2021-4-18 12:34 1110 1 5 分类: FPGA/CPLD

国家的十四五规划建议中,集成电路被明确写入,充分说明了我国在发展集成电路产业的紧迫性。不过,我国的芯片产业并不是一直落后的,从历史来看,在相当长的一段时间内,与世界主流水平相差并不远。

  这几天,任正非谈华为剥离荣耀的讲话让无数国人感慨。正如大家所知道的那样,华为之所以要剥离荣耀,正是因为被美国制裁而无法获得足够的芯片来发展。

  这也是近两年来,从中兴到华为被制裁之后,中国的芯片产业一再成为了关注焦点的重要原因。很多人为中国的集成电路产业的落后而焦虑,也在感慨我国半导体产业受制于人的尴尬状态。

  其实,我国半导体产业的起步并不晚,甚至研发的能力和速度在相当长的一段时间内与世界主流水平保持着同步,只是由于各种原因才在过去的30年中逐渐落后,从而形成了所谓的半导体产业“失去的三十年”。

  本文就带您从一些关键技术和时间点,来简单了解一下中国芯片产业的发展史。

  起步并不晚的中国光刻工艺研究

  中国芯片光刻工艺研究起步,比美国稍晚,跟日本差不多同时起步,甚至比韩国、中国台湾地区都要早10年。

  早在1965年,国内中科院就研制出65型接触式光刻机。请注意这个时间点——在那一年,现在的光刻机巨头荷兰ASML还没有诞生,直到5年后的1970年ASML的前身飞利浦研究院才进行研制,ASML直到1984年才正式成立;而此时日本的一些芯片设备巨头尼康等也才刚刚进入这个领域。

  可以说,在光刻机这样一个新鲜事物上,中国的起步并不晚,基本跟欧美国家是在同一水平线上的。

  

  图注:1972年,武汉无线电元件三厂编写的《光刻掩模版的制造》

  那为什么今天垄断光刻机的不是我们而是起步晚的荷兰呢?有国内产业发展的因素,但是更重要的是国际环境的变化。

  当时的国际环境复杂,国内的经济状况较为严峻,进口方面不仅没有足够的经费,技术上也同样受到限制。所以芯片相关的很多材料、设备是完全自主研发的,包括前面提到的65型光刻机也是自主研发的。

  

  图注:65型接触式光刻机

  那是一个极其艰苦的年代,但中国的半导体前辈们却在一穷二白的情况下,依靠无数满腔热血的科研人员,硬生生在许多领域做出重大科学突破。广为人知的两弹一星自不必说,即便是现在所有人都叹息被卡脖子的光刻机,其实就如上文所说,在那个年代已经自主研发成功。

  

  在1965年制造出首个光刻机后,我们在芯片领域的技术并没有停歇。甚至可以说,在随后的20年里,我国芯片领域的技术一直是走在世界前沿的水平。

  1976年中科院109厂(现中科院微电子研究所),就研究出1000万次的大型电子计算机。

  1978年,美国GCA公司推出世界第一台商品化的分步式投影光刻机——DSW4800,光刻精度3微米左右。

  仅过了两年,1980年,清华大学研制出第四代分布式投影光刻机,精度高达3微米,已经仅次于美国,接近国际主流水平。

  

  也就是说,至少在1980年的时候,我国的芯片领域技术水平,基本上还处于紧追国际前沿的状态。

  如果芯片产业按照80年代的发展势头,我国在光刻机领域至少是可以紧追在第一梯队的,不至于像现在落后那么多。

  但历史并没有如果。中国的光刻机技术在此后遭遇“滑铁卢”。

  逐渐掉队的光刻机以及半导体失去的三十年

  1965年我国就有了光刻机,如今却被卡脖子,为何?

  第一个因素就是美国等国家的技术限制。

  毕竟在他们签订了《瓦森纳协定》之后,确实中国的半导体产业会因为技术的限制而发展困难。

  

  其次,光刻机的研发是需要大量资金支持的。

  八十年代的中国正值改革开放初期,大量的国外产品流入中国,“造不如买”思想成为主流。国内开始倡导对外进口。

  虽然当初我们的这些光刻机等产品,在技术上与国际前沿上不分伯仲,但在商业化和成本上,跟国外产品相比还是有很大的距离。于是价格优、性能好的洋产品,一下子把我们的民族企业杀的片甲不留,这其中就包括我们当时还十分稚嫩的微电子工业。

  当时一批自主研发项目被迫停滞,包括大飞机,也包括光刻机。导致中国光刻机20年的心血付之一炬。就连一直坚持制造光刻机的武汉三厂,也改行成了食品厂。

  

  1980年9月26日上午9点,上海大型军用机场,中国自主研制的运十大型客机进行首飞。然而等待它的最终结局是放弃研制,这一放就是20年。中国价值万亿元的民航市场,全面被外国占领。

  从那之后的十几年时间里,我国光刻机领域直接进入空白状态,一直到2002年上海微电子成立后,我国才重新拾取了光刻机领域,而由于国外产品尤其是ASML等企业的光刻机技术已经突飞猛进,我们一路追赶到今天也难以企及。

  今天看来,当年退局也许是因为没有完整的产业链。尽管单项技术当时在世界诸国中并没有落后太多。当然如果强行硬上,会带来一定的经济成本和其他相关技术跟不上的困难。但后续的很长一段时间基本上放下攻关还是不理智、不长远的。中国近些年打下了中下游的大半壁版图,并一直向产业上游进军,是形成完整产业链的一种方式。

  但是不管怎么说,当年的决策终于导致了业界很多人所说的今天的现状:中国错失了半导体发展的黄金三十年。

  不断尝试突围的DRAM领域

  除了光刻机之外,我国在80年代和90年代,在芯片产业上也已经是全面落后,其中包括DRAM存储芯片领域。

  在此之前,其实我们一直在DRAM领域试图不断突围。

  1975年,北京大学物理系半导体研究小组完成硅栅NMOS、硅栅PMOS、铝栅NMOS三种技术方案,在109厂采用硅栅NMOS技术,试制出中国大陆第一块1K DRAM,比美国、日本要晚五年。

  1978年,中国科学院半导体研究所成功研制4K DRAM,1979年在109厂成功投产,平均成品率达28%。

  1980年,中国科学院半导体研究所成功研制16K DRAM,1981年在109厂成功投产。

  1985年,中国科学院微电子中心成功研制64K DRAM,当年在江南无线电器材厂(742厂)成功投产。

  其实,我们在那段时间也已经意识到芯片领域上的自主研发落后是致命的,开始试图通过专项工程的方式取得突破。1990年我国就已经开始了“908工程”。作为908工程的主体项目,到了1993年无锡华晶生产出我国第一块256K DRAM。

  

  但这样的结果,并不能让人满意。因为当时投资了近20亿的908工程,成果却只是一两款产品的突破。要知道,在当时的20亿相当于现在的近千亿元!

  大量的资金投入就像一个无底洞,最让人担忧的事情还是发生了。

  1997年,伴随着无锡华晶的投产,“建成即落后”的现实无情地展现在人们面前。因为当时韩国的芯片技术,特别是DRAM技术已经大幅度领先于美国和日本。根据资料,在1988年三星就已经完成4M DRAM研发,仅比日本晚6个月;而到了1992年三星已经完成全球第一个64M DRAM研发。而很不幸我们华晶的技术路线,是源自于日本。所以1997年华晶一投产,实际上马上落后于韩国。

  雪上加霜的是亚洲经济危机爆发了。

  1999年,华晶成为无锡市最大的亏损企业,亏损净额高达1亿多元,当年亏损2.5亿元。最终华晶只能选择转型。但这次失败并没有让所有国内企业都选择放弃。

  上海华虹当时仍然试图追赶。上海华虹跟无锡华晶一样,都选择了日本作为技术来源。它引进的是日本DRAM企业NEC,1999年9月上海华虹量产了64M的DRAM,但同样产品三星在1992年就生产出来了。

  2001年互联网泡沫爆发,日本NEC企业也没有熬过去,宣布退出DRAM企业。这让上海华虹失去了技术支撑。于是上海华虹最后选择了转型,退出DRAM产业,转型做晶圆代工业务。

  2004年中芯国际开始崭露头角,在上市之后,中芯国际就建立了国内第一家12寸晶圆厂,开始进军DRAM领域。到了2008年,中芯国际基本占了国内30%的DRAM份额。然而好景不长,因为中芯国际跟台积电的官司,最终导致中芯国际被迫放弃DRAM业务。

  至此,我们国内所有企业,在DRAM领域的尝试,最终都以失败而告终。

  开启“芯”征程

  其实,不管是80年代令人惋惜的光刻机项目雪藏,还是90年代的DRAM领域尝试突围。我国芯片产业在整个90年代和00年代,是一个非常黯淡而没落的时期。但这并没有动摇我国发展芯片产业的决心,在无数芯片产业人的前仆后继之下,新的希望正在一片废墟之中,不断积累和酝酿着。

  随着2014年《国家集成电路产业发展推进纲要》的正式发布,标志着我国重新发展集成电路产业的决心重新确立起来。纲要发布后,著名的“国家集成电路产业发展投资基金”成立,就是被人们常说的“大基金”。

  大基金成立后,开始重点投资大量新创立的集成电路产业相关的企业。这意味着从国家层面开始引导并推动我国芯片产业的发展。也意味着我国芯片产业,重新进入了一个高发展期。

  2016年合肥长鑫成立,试图在DRAM领域取得突破。在投入数百亿的资金之后,于2018年,建成中国大陆第一座12英寸DRAM生产厂,到2019年9月20日,合肥长鑫宣布正式投产,并达到了国际主流的DRAM水平,目前该公司采用19纳米的8Gb DDR4已经投产,8Gb LPDDR4/4X也正式投产。

  此外,与国际存储大厂6年的路程相比,紫光集团旗下的长江存储仅用了短短3年时间实现了3D NAND的32层、64层、128层的跨越并成功打入华为供应链。2020年第三季度数据显示,长江存储市场占有率已进入全球第七。

  

  我们现在甚至可以在京东和天猫上买到了使用国产颗粒的内存条和使用长江存储64层闪存颗粒的致钛等品牌SSD,这都是我们当前芯片领域的重要突破。

  

  纵观中国芯片产业历史,早年中国的光刻机技术曾远远领先日韩等国。但今天的光刻机仍需进口,其中的原因值得深思。

  我们应该明白,对方并不是我们想象的那么强大,同时我们也不是很多人所误以为的那样任人鱼肉。我们既不可盲目乐观,也不可妄自菲薄。只有不断总结经验、吸取教训,我们才能变得强大,应该为中国半导体企业取得的任何突破而欢呼,也应该对中国的芯片产业的未来充满信心。

文章评论4条评论)

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自做自受 2021-4-19 11:43

深思,总结经验,吸取教训。
以前读书时老师就教育我们这样做。
参工后努力践行,为国家强大添砖加瓦尽一己之力,也看着中国强大,欢呼,充满欣喜。
退休了,看当下,怎么我们对经历过的事情(比如芯片)又要深思、总结经验、吸取教训?
不禁好奇,自问,一个普遍现象,为什么前人犯过的错误后人是一定会犯?
呵呵,我手头还一颗七十年代上海制造的芯片,八根引脚是镀金的现在还亮晶晶的。

我的果果超可爱 2021-4-19 08:31

80年代时候半导体差的还不多
综合来看现在差不多差了20年
基础材料和工艺差了差不多40年

yzw92 2021-4-19 06:23

感谢楼主的分享

curton 2021-4-18 19:34

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