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芯片简史选登:西风东渐 - 伟大的中国工业革命中的芯片产业

已有 1028 次阅读 2019-5-23 03:39 |个人分类:芯片简史|系统分类:科普集锦| 芯片, 半导体, 集成电路, 工业革命

缘起这是我即将出版的《芯片简史》中的一个章节。这些天来,中美之间的贸易战涉及到了芯片行业。作为一位芯片行业从业二十多年的研究人员,我在去年年底写下的这个章节是对我国芯片行业的一个历史回顾。今天,先在科学网我的博客中贴出来。让读者对我国的芯片业有一个大致了解。谢谢!


28. 西风东渐:伟大的中国工业革命中的芯片产业

 

提起21世纪初世界上的重大事件,非中国的崛起莫属。今天,中国在世界上的重要性已毋庸置疑。这一切都源于40年前的改革开放。改革开放不但为中国带来了全球视野和市场经济,还造就了中国的工业化和现代化。这是一场伟大的中国工业革命,它不但改善了中国人民的民生,提高了中国的世界地位,最重要的是它给予了中国人民和政府强大的自信,让这个古老的、受尽苦难的民族再次获的了主导世界事务的能力和信心。

作为这一场伟大的中国工业革命的最重要成果,就是中国几乎包揽了全球的制造业。从衣食住行到基因工程,从高铁运输到量子计算机,从基础建设到卫星登月,在人类所有的技术领域中,中国和中国制造都占据着最重要的地位。今天,我们进入了工业革命4.0的时代,在这一场全新的产业革命中,最重要的行业就是本书所讲述的芯片业。在这一章中,让我们来看看在这场伟大的中国工业革命中,中国的电子工业和芯片业是怎样从零开始发展至今的。

 

1920年 – 1949年:中国电子工业的起步时期

电子技术是一门非常年轻的学科,它诞生于20世纪初。当时,中国的电子技术和世界电子技术的发展几乎是同步的。

1923年1月23日晚,由美国商人奥斯邦与英文《大陆报》联和创办的中国境内第一座民办广播电台,中国无线电公司就在上海开始播音了。它每晚播音1小时,内容有国内外和本地新闻,以娱乐节目为主,也有一些宗教性节目。


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中国第一家广播电台在播音

 

1924年8月,北洋政府交通部公布了组装广播无线电接收机的暂行规定,市民可以自行组装收音机。

1933年10月,上海亚美无线电股份有限公司生产了1001号矿石收音机,受到了市民的欢迎。1935年10月,该公司又生产出了第一台1651型超外差式五灯收音机。该机除真空管和碳质电阻外,其他元件均为自行设计制造。

1936年,随着广播电台的发展,收音机在上海市逐步普及,总数达10万台以上。

1945年抗战胜利后,上海的无线电制造业得到了恢复,出现了一批新的无线电厂商。1947年年底,上海电器公司有590家,其中无线电公司为235家。

1949年前,中国的电子工业主的重点是无线电和通讯业。

 

1949年 - 1966年:文革前的新中国电子和芯片产业

1953年,新中国研制出了第一台全国产化的收音机——“红星牌”真空管收音机,投放市场后,大受欢迎。

朝鲜战争爆发后,中国成了世界政治、军事冲突的最前沿。为解决军队的电子通信问题,在苏联和东德的技术支持下,北京筹建了北京电子管厂(774厂,即今天的京东方)。该厂年产电子管1220万只,是为亚洲最大的电子管厂。

不久,北京电机总厂、华北无线电器材联合厂、北京有线电厂、华北光电技术研究所等工厂和研究所先后成立,是为我国电子工业的基础。

1956年,美国科学家肖克利因为在1947年发明了锗晶体三极管获得诺贝尔物理学奖。和真空管相比,晶体管体积小、寿命长、放大率大的多,全球电子业为之震动。

1956年,国家结合当时全球科技发展趋势,制定了为期十二年的《1956-1967科技发展远景规划》,规划中把计算机、无线电、半导体和自动化作为国家生产和国防急需发展的领域。我国半导体事业从无到有,进入了它的初期发展阶段。

1957年,北京电子管厂拉出了锗单晶。同年,研制出锗晶体管。

1958年,中科院的王守武、王守觉兄弟研制出了我国第一批锗合金高频晶体管,并成功应用在109厂(现中科院微电子所)的109乙计算机上。

1959年,美国德州仪器的基尔比研制出了第一个集成电路即芯片,三个月后,仙童公司的诺伊斯用蒸发沉积金属法替代了金属导线,芯片的量产成为可能。

1960年,美国人发明了平面光刻技术,仙童公司随即开发出全球第一块芯片。

1959年,在我国半导体先驱林兰英的带领下,拉出了硅单晶。同年,李志坚在清华拉出高纯度多晶硅。

1960年,中科院半导体所和河北半导体研究所成立。我国半导体工业体系初步建成。同年,黄昆、王守武、王守觉、林兰英开始研究平面光刻技术,并于1963年研发出5种硅平面器件,被应用于109丙型计算机上。

1965年,王守觉在一块1平方厘米大小的硅片内,蚀刻了7个晶体管、1个二极管、7个电阻和6个电容的电路,我国第一块芯片诞生了。

 

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                                 王守武                           黄昆                   林兰英                   谢希德

 

1966年–1976年:文革中的电子和芯片产业

1966年,尽管文革对工农业有着极大的冲击,但我国的芯片工业建设并未止步。

1968年,北京成立了国营东光电工厂,上海成立了无线电十九厂,1970年投产。它们生产TTL电路、CMOS钟表电路、A/D转换电路等芯片。他们是中国芯片产业中的南北两强。

1968年,国防科委在四川永川了成立固体电路研究所,是当时中国唯一的模拟芯片研究所。同年,上海无线电十四厂制成了PMOS电路。

1970年代,永川半导体研究所、上无十四厂相继研制成功NMOS和CMOS芯片。

1972年,美国总统尼克松访华后,中国开始从欧美引进技术,全国有四十多家芯片厂家建成投产。

1972年,我国自主研制的PMOS大规模芯片在永川所诞生,仅比美国人晚了4年。

1975年,王阳元在北京大学设计出第一批1K DRAM,比英特尔只晚了5年。

改革开放之前,我国的芯片业得益于一批解放初期回到新中国的半导体人才,如黄昆、谢希德、王守武、高鼎三、吴锡九、林兰英等前辈大师。在他们的带领下,蹒跚起步的中国半导体芯片行业做了两大贡献:一是保障了“两弹一星”等军事项目的电子和计算配套;二是建立了一套横跨院所和高校的半导体芯片人才培养体系。

 

1976年–1986年:改革开放初期的电子和芯片产业

1977年7月,邓小平邀请30位科技界代表在人民大会堂召开座谈会,半导体学界的灵魂人物王守武发言道:“全国共有600多家芯片厂,其一年生产的芯片总量,为日本一家大型工厂月产量的十分之一。”这就是改革开放前的中国芯片业的状况。

1978年,王守武和徐秋霞等人在中科院半导体所研制成功4K DRAM,次年量产成功。比美国人晚了6年。

1979年,中国成功反向英特尔的8080八位微处理器,比德国和日本早一年。

1980年,王守武兼任109厂厂长,将厂房升级改造为1000到10000级的高标准洁净室,并在组装成了我国第一条中、大规模集成电路生产线。

1970年代的亚洲,只有日本在美国的帮助下,其芯片技术全面超越了中国。而韩国和台湾尽管通过颁布产业发展计划、引进技术、派遣留学人员学习培训等方式,积极发展芯片技术,但整体技术仍落后于我国。

改革开放之前,我们举全国之力,主攻半导体芯片技术。在一批舍身忘我的芯片人的努力下,从无到有,建立了完整的芯片工业体系。只是在十年文革中放慢了速度。

1980年代,国门打开,人们发现,在芯片行业上,我国已经非常落伍了。

1980年代初,国家缩减了对芯片业的投入,希望各厂家自己找出路。为了在短期内获得效益,大量工厂购买了国外的技术和生产线。自主研发的思路被购买引进所替代。但是,我们引进的只能是别人的淘汰的技术。

 

1986年 - 2000年:国家计划下的电子和芯片产业

1986年,电子工业部在厦门举办了芯片战略研讨会,提出了“531战略”。即“普及5微米、研发3微米,攻关1微米”,落实了芯片的南北两个基地、一个点的布局。南方集中在江浙沪,北方集中在北京,西北一个点是西安。

然而,由于巴黎统筹委员会(简称“巴统”)的技术限制,我们只能引进落后的二手淘汰设备。各地、各厂各自为战,缺乏统一规划,前沿技术研究被抛在脑后。于是整个芯片产业越引进,越落后。

1984年至1990年,中国各地方政府、国有企业和大学,总共从国外引进类似的淘汰晶圆生产线达33条,按照每座300-600万美元估算,总计花费1.5亿美元左右。这33条晶圆生产线,大多是3英寸、4英寸的晶圆线。而1987年,日本研发的DRAM就已经采用了8英寸线。

1980年代,日本通过技术积累和大规模的人、财、物力投入,在内存技术上超越了美国,并带动了整个芯片业的发展。1990年,全球前十大芯片公司中,6家是日本公司。而韩国也由政府牵头、财阀投入的政策帮助下,在芯片业上追赶日本。

此时的中国芯片业,已全面落后于日本,并被韩国超越。1981年中科院半导体所研的16K 内存,仅比韩国晚了2年。1985年,该所制造出了中国第一块64K内存比韩国晚了一年。到了1986年,日本已开始研发0.5微米的制程技术了,而韩国则研发出了1M的内存,仅晚日本1年。而我国要到1993年,才由无锡华晶制造出第一块256K内存。

1990年代初,日本经济泡沫破裂,韩国则加大了对芯片业的投资。1992年,三星超过NEC,成为世界最大的内存制造商,同年,开发出了世界第一个64兆的内存。在技术与产能上全面超越了日本。

由于日韩的芯片业的飞速发展,国家决定用重点项目对芯片技术进行集中投资。1990年8月,国家计委和机电部在京召开了有关领导和专家座谈会,决定实施908工程。国家为908工程投资20多亿元,要建一条月产1.2万片、6英寸、0.8-1.2微米的芯片生产线。

由于审批时间过长,从开始立项到投产历时7年之久。芯片的制程按摩尔定律每两年就缩减了一半。到1997年无锡华晶建成投产时,其技术水平已落后于国际主流技术达四至五代。产能仅800片/月,投产当年即亏损2.4亿元。

严重亏损的华晶找到了曾创办茂矽电子的台湾人陈正宇来对其进行改造。为了改造华晶,陈正宇请来了老友张汝京博士。张汝京当时刚从德州仪器退休,他用了半年时间就完成任务,改造后的华晶于1999年5月盈亏平衡,项目得以验收。

没有达到预期效果的908工程,使中国芯片业浪费了5年时间。当华晶还无法量产0.8微米的芯片时,国外主流制程已达0.18微米,我们的差距越来越大。

1995年10月,电子部和国家外专局在北京召开了国内外专家座谈会,希望加速我国芯片产业的发展。11月,电子部向国务院做了专题汇报,确定实施909工程,对建设芯片生产线项目正式批复立项。909工程项目注册资金为40亿人民币,1996年国务院决定由中央财政再增加拨款1亿美元。

1996年,909工程的主体有100亿人民币资金的上海华虹微电子有限公司与日本NEC公司合作,成立了上海华虹NEC。

1996年7月,33个西方国家签署了《瓦森纳协定》,对中国等国家实施军用、军民两用商品和技术的控制清单,其中有电子器件、计算机、传感器、新材料等9大类高新技术被实施禁运。与芯片业相关的高端设备、技术和元器件无法引进,产业建设更加困难。

1996年,电子部部长胡启立兼任华虹集团董事长,直接主持909工程,带领华虹NEC克服了华晶七年的漫长建厂悲剧,于1997年7月31日开工,1999年2月完工,投产时全球芯片市场大热,2000年销售额达30.15亿元,利润达5.16亿元。

2001年,随着互联网泡沫的破碎,整个科技行业受到重挫,芯片行业也进入低迷期。芯片巨头日本东芝宣布停止生产通用的内存,并全面收缩芯片业务。这一年,华虹NEC亏损了13.84亿元。

1950到1970年代,我国的芯片产业以军事需求为动力,由国家计划推动发展。该传统一直延伸到了908、909工程。这是计划经济的国家工程,和国外芯片企业很难竞争。

1978年到2000年我国的芯片业,早期缺乏统一规划,引进的是国外淘汰的生产线,在产业升级的过程中,全部被淘汰。后期由国家组织了三大工程,全数败北,仅有909工程留下了一座上海华虹。这一阶段中国内与海外芯片技术的差距,并未减小。

这些工程未能成功的原因有两个:一是芯片技术更新速度太快,制程升级一年半就是一代,这需要有连续的资金投入,否则就会被很快淘汰;二是中国的芯片人才实在是太少,无法完全搞懂引进技术,遑论自主研发。

另外,西方国家先后用“巴统”和“瓦森纳协议”来限制向中国出口最先进的高科技设备,我们能得到的技术要比最先进的晚两到三代,这种限制大大阻碍了我们的芯片业发展。

 

2000年–2011年:加入WTO后的中国芯片产业

一直到加入WTO前后,中国芯片业才进入了海归创业和民企崛起的新时代。改革开放初期的第一批电子、计算机、通信类大学生,于1980年代出国潮中率先留洋。他们毕业后很多人留在美国芯片业工作,见识和能力得到了大大的锻炼和提高。2000年后,这批有着技术和管理经验的专才,开始陆续回到中国创业。

加入WTO前后,国际化视野和市场化的企业运作方式也被引入了中国。2000年6月,国务院发布了《鼓励软件产业和集成电路产业发展的若干政策》(18号文),并推出了一系列促进芯片产业发展的优惠政策和措施。准备在政策引导下,积极发展产业配套,改善产业发展环境。

在这一政策引导下,国内掀起了一波芯片投资热潮。在这一热潮中,出现了一大批优秀的中国芯片公司:它们是成立于2000年的中芯国际;成立于2001年的展讯通信;成立于2003年的中兴微;成立于2004年的华为海思等。

信息产业部也实施了“中国芯”工程,大力扶持国内具有自主知识产权芯片研发。在国家863、973计划的支持下,国产微处理器被作为重点攻关项目。

2000年,张汝京在上海为中芯国际奠基。今天,中芯国际和华为海思已成为中国芯片制造和设计的两大巨头。长电科技公司则占了中国芯片封装的鳌头。

2001年,方舟科技的“方舟一号”流片成功,这是我国自主研发的第一款32位RISC指令集的微处理器。

2002年,中科院计算所的“龙芯一号”问世,它是采用了MIPS指令集的32位微处理器。

2002年,北大众志推出了基于自主设计的兼容X86的32位“众志863” 微处理器。

2001年,由美国海归的邓中翰在1999年创立的中星微电子有限公司宣布,国内首枚具有自主知识产权的多媒体芯片“星光一号”研发成功。此后,中星微的多媒体芯片被广泛应用于微机和智能手机的摄像头中,并为索尼、三星、惠普、飞利浦等企业供货。

2003年,中星微的多媒体芯片的全球市场份额达60%。

2005年3月,中星微的数字多媒体芯片荣获国家科技进步一等奖。

2005年11月,中星微在纳斯达克上市,是第一家在纳斯达克上市的具有自主知识产权的中国芯片设计企业。

就在国内半导体行业蒸蒸日上、欣欣向荣的时候,发生了令人痛心的汉芯事件。2003年2月上海交大微电子学院院长陈进宣布国产高性能DSP“汉芯一号”研发成功,信息产业部、上海市政府及国内顶级专家纷纷表示“汉芯一号”及其相关设计和应用开发平台,已达到了国际先进水平,是中国芯片发展史上一个重要的里程碑。

三年后,水木清华BBS上有人公开指责陈进的“汉芯一号”造假。随着调查的深入,人们发现,“汉芯一号”不过是雇人把摩托罗拉芯片上的标识抹掉后加上“汉芯”字样而成。陈进用汉芯骗取了无数的资金和荣誉,“汉芯一号”成了一起出名的科研造假事件。汉芯事件,对刚刚起步的国内芯片行业的科研和市场冲击巨大。此后的很长一段时间内,人们对国产芯片一直都不信任。

而邓中翰的中星微在移动端带来的行业变革面前也因转向太慢,而被台湾的联发科后来居上。中星微从此一蹶不振, 2015年12月,从纳斯达克退市。

 

2011年至今:中国芯片产业飞速发展的时代

但是,国内的缺芯现象则愈演愈烈。2013年,我国芯片进口达2313亿美元,超过石油,为第一大进口商品。国家也更加意识到芯片产业的战略意义。同年,我国半导体芯片的奠基人王守武先生去世。

2011年国务院发布《进一步鼓励软件产业和集成电路产业发展的若干政策》的三年后,2014年6月,国务院印发了《国家集成电路产业发展推进纲要》,将芯片业的发展上升为国家战略;9月,国家芯片产业投资基金设立,一期募资1387亿元,用于芯片产业链企业的股权投资。

各大基金也一改以往以项目为主的投资形式,通过控股来扶植产业链上的龙头企业。投资涵盖了芯片制造、设计和封测等方面。从此,国内芯片业进入了发展的快车道。

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            长电科技的logo     中芯国际的logo         华为海思的logo

 

2014年,长电科技以7.8亿美元收购了新加坡星科金朋,成为全球第三大封测公司。南车株洲的8英寸IGBT生产线正式投产,在昆明地铁完成运行调试。紫光集团在国开行和华芯资本1500亿资金的支持下,对国内外企业进行了大规模并购。2013年,17.8亿美元私有化展讯科技;2014年,以9亿美元率先在海外完成对锐迪科的私有化;2015年5月,耗资25亿美元从惠普手里收购了新华三51%的股权;2016年12月,长江存储在湖北武汉注册成立,并在南京和成都同步建设芯片国际城,大力开发与存储器相关的产业。

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2017年世界半导体市场分布和中国芯片市场的产品分布

 

今天,中国的改革开放已经过了四十年,这是中国飞速发展的四十年,也是一场伟大的中国工业革命。回顾过往,17、18世纪的英国以其几百万产业工人造就了第一次工业革命;上世纪初至1970年代的美国以其几千万产业工人造就了第二次和第三次工业革命;从1980年代起,中国开始了一场有几亿人参与的伟大的中国工业革命,他们创造了超出了所有常规的奇迹。无论在基础制造业还是在目前最先进的5G通讯行业里,在现代工业的每个角落里,中国和中国制造都是主角。

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中国芯片产业链现状

 

全球的制造业从第一次工业革命以英国为主的西欧,最先转移到了位于北美的美国,美国为第二次和第三次工业革命做出了傲人的成就。今天,我们可以清晰地看到,即将到来的第四次工业革命的产业重心必将落在亚洲和中国。目前,中国几乎在所有的传统产业中都站到了世界前茅。就连第三次工业革命的主要产品个人电脑、手机、和各类智能产品的最后成品组装也都在中国。这不但是因为中国有廉价的劳动大军,也是因为中国有全球最有知识、最成熟、最勤劳、最有雄心的劳动大军。

今天,中国的芯片业已有了芯片设计的龙头企业华为海思,其ARM和5G芯片已是行业中最先使用台积电7纳米制程的性能最佳芯片了;芯片制造的龙头企业中芯国际的制程已达10纳米,离台积电7纳米制程只有一代只差;芯片封装测试的长电科技在业内稳坐全球第三把交椅。中国的芯片业离世界最先进的地位仅一步之遥。

芯片行业可能是中国所需攻克的最后一个技术堡垒。在今后的日子里,中国终将在所有产业里占据最重要的地位。这是一个不可逆转的趋势,也是中国在工业革命4.0中应有的地位,这将是我们这一代中国人即将亲眼见证的伟大的中国工业革命的必然结果。




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1 王庆浩

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