中国光刻机技术取得一定的突破,但仍是先进芯片国产替代最大障碍

星达说科技 2024-09-20 04:39:09

外媒报道,当前中国芯片制造水平仅落后国际先进制程5年左右,但是国产光刻机技术却落后国际竞争对手15年。由于美对华出口限制,如中国不能突破技术封锁,这一差距很可能会被拉大。

中国芯

华为麒麟9010芯片和麒麟9000芯片对比

国外半导体行业分析师们研究以下2款旗舰手机处芯片:一款麒麟9010芯片,来自华为技术今年4 月份发布的 Pura 70 Pro;一款麒麟9000芯片来自2021 年的华为智能手机Mate 40pro。

2024年发布的麒麟9010是华为最新的手机芯片,由华为子公司海思设计,由中国主要芯片制造商中芯国际 (SMIC) 批量生产。2021年Mate 40手机的麒麟 9000 芯片也由海思设计,但由台积电TSMC大规模生产。

中芯国际受到美国限制无法取得EUV光刻机,受到先进芯片技术措施的约束,能够生产 7 纳米芯片。 台积电为华为提供了 2021 年手机的 5nm 处理器。

一般来说,纳米尺寸越小,性能越高,芯片越小。 然而,中芯国际的 7nm 大批量生产芯片尺寸为 118.4 平方毫米,而台积电的 5nm 芯片尺寸为 107.8 平方毫米。 这两种芯片具有相似的领域和性能水平。可以看出中芯国际的能力正接近台积电三年前的水平,这纯粹基于所出货芯片的性能。 海思的设计能力也有所提高,这体现在其生产与台积电 5nm 产品具有可比性能的芯片的能力上,尽管其电路宽度更宽。

华为的 Pura 70 Pro 总共配备了 37 个半导体,支持内存,传感器,相机,电源和显示功能。 其中 14 家来自海思,18 家来自其他中国制造商,只有 5 家来自外国制造商,包括韩国的 SK 海力士用于 DRAM 和德国的博世用于运动传感器,大约 86% 的手机芯片是中国制造的。总结一下,中芯国际使用荷兰ASML生产的DUV光刻机设备通过多重曝光技术可以做到7nm制程9010芯片,并实现5nm制程的9000芯片基本相同的性能,但这是基于使用进口的DUV深紫外光刻机设备,如国产光刻机还达不到7nm。台积电和三星可以通过使用ASML EUV极紫外光刻机可以量产3nm芯片,明年很可能实现2nm工艺。

国产光刻机发展情况

2022 年 10 月,美国政府引入了出口管制,以限制中国获得先进的美国半导体和技术,旨在保持美国的技术优势。 这些针对先进芯片和超级计算机组件等领域的控制措施于 2023 年收紧。自出口管制推出以来,中国半导体行业受到了严重打击。 2023年初,中国半导体产量暴跌17%。此外,美国限制中国使用英伟达的A100和H100芯片以及荷兰公司ASML的高科技光刻机-EUV极紫外光刻机,EUV光刻机凭借其高精度、极紫外光技术、提升芯片性能以及推动技术进步等优势,成为了7nm及以下芯片制造的关键技术。这对制造先进芯片至关重要,严重损害了中国的芯片制造能力。 专家估计,中国的半导体技术落后5到10年。

在光刻系统中的主导地位也使 ASML成为计算机芯片制造商最大的设备供应商。虽然 ASML 在 DUV 领域有一些竞争对手 - 日本的佳能和尼康 - 但它在 EUV 市场几乎垄断,没有重要的直接竞争对手。

幸运的是,9月9日我国工业和信息化部 (MIIT) 发布了一份促进使用国内主要技术设备的指南。工信部指南特别提到了两种光刻机模型,并建议与国家相关的组织使用它们。

国产光刻机公司上海微电子设备 (SMEE) 在内的企业一直在积极发展国内光刻能力。然而,进展有限,突显出我国在这一领域面临的技术挑战。

根据公示列表中提到的两台光刻机中更先进的设备,氟化氩光刻机其分辨率为65nm或者更高,氟化克则分辨率为110nm。如果牺牲良率,通过多重曝光能达到的最高精度为28nm工艺的芯片。28nm虽不是先进支持,但可量产28nm芯片已经迈入中端芯片门槛,可以实现普通芯片国产替代。但对于高端芯片来说,65nm光刻机远远达不到精度要求。

制程分辨率决定了半导体芯片上的特征可以制造多小。更小的分辨率允许更先进,功能强大的芯片。相比之下,ASML 最先进的光刻机目前实现 8 纳米及以下的分辨率。

咨询公司RHCC首席执行官Leslie Wu 表示,工信部名单中提到的65纳米分辨率机器至少落后于国际竞争对手 15 年。

中国反制措施

美国可能在尖端半导体技术方面处于领先地位,但中国在半导体供应链的其他关键领域拥有影响力 - 主要是制造芯片必备的稀土元素。 中国开采了世界60%的稀土矿物,处理了85%以上的加工。 为了回应美国的出口管制,中国限制镓和锗的出口,以通过合法途径捍卫自身利益。 虽然我国尚未将其稀土资源完全武器化,但未来可以这样做。

智能手机包含 20 到 40 个芯片,主要是处理内存和充电等基本功能的较旧的 “成熟节点” 类型。 虽然尖端处理器提供主要性能,但这些不那么新进的芯片对设备性能同样重要。

展望未来,半导体出口管制可能会对美国和中国产生重大的意外后果。 首先,由于中国市场的流失,美国芯片公司面临巨大的财务风险。 美国中国商会预计,这可能导致每年损失830亿美元的销售额和12.4万个工作岗位。 美国半导体设备公司尤其容易受到影响,因为它们依赖中国的销售,估计有30%-40%的销售流向中国。 这种转变在中国主要芯片制造商中芯国际等公司中显而易见,中芯国际目前已从五年前的60%外国客户生产转变为80%国内生产。 潜在的收入损失可能会引发一个不利的循环,即研发预算的减少会损害美国公司的全球竞争力。

中国新进光刻机技术发展趋势

虽然中国在先进芯片技术方面仍然落后,但中国“将加倍努力,全面解决高端芯片生产的技术问题”。中国拥有庞大的内需市场,国家已经在组织力科研量攻克难关,培养半导体产业人才, 完善半导体产业链, 才能突破技术封锁解决卡脖子问题,扫清光刻机技术障碍,来铺平高端芯片发展道路,实现中华民族伟大复兴。

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