華為如何在中國(guó)推出先進(jìn)芯片并令美國(guó)感到驚訝

在2020年末，華為作為手機(jī)制造商正在為自己的生存而戰(zhàn)。

幾個(gè)月前，特朗普政府對(duì)這家中國(guó)公司進(jìn)行了毀滅性的制裁，使其與全球半導(dǎo)體供應(yīng)鏈斷開(kāi)聯(lián)系。

這些制裁阻止了沒(méi)有許可的人制造華為設(shè)計(jì)的芯片，公司正苦于采購(gòu)新芯片以推出更先進(jìn)的手機(jī)。

為此，華為決定通過(guò)與半導(dǎo)體制造國(guó)際公司（SMIC）的一項(xiàng)冒險(xiǎn)協(xié)議來(lái)押注其670億美元的芯片和移動(dòng)業(yè)務(wù)，SMIC是一家由國(guó)家支持的晶圓廠，以迎頭趕上全球領(lǐng)先的芯片制造商。

SMIC宣傳說(shuō)它已經(jīng)找到了使用過(guò)時(shí)設(shè)備生產(chǎn)更先進(jìn)芯片的方法。盡管這需要比華為之前的供應(yīng)商臺(tái)積電更長(zhǎng)的時(shí)間，成本更高，而且可能行不通。但這是一個(gè)機(jī)會(huì)。華為聯(lián)系了SMIC，制造了一個(gè)新的智能手機(jī)“片上系統(tǒng)”，代號(hào)為Charlotte。

這兩家公司面臨著巨大的壓力。在2020年12月，SMIC被列入美國(guó)制裁名單，這意味著任何想要向SMIC出售技術(shù)的公司都需要華盛頓的許可。

然而，近三年后的2023年8月，一款新的華為設(shè)備悄然亮相：搭載Charlotte芯片（現(xiàn)在被稱為麒麟9000S芯片）的Mate 60系列手機(jī)。

盡管面臨重重困難，根據(jù)各種測(cè)試團(tuán)隊(duì)的說(shuō)法，麒麟9000S的性能相當(dāng)于高通1到2年前的芯片。

Mate 60在中國(guó)銷售一空，數(shù)年的制裁后華為芯片的回歸受到了民族主義者和科技迷的熱烈歡迎。

在美國(guó)，關(guān)于華為如何克服制裁生產(chǎn)芯片的困惑蔓延。美國(guó)國(guó)家安全顧問(wèn)杰克·沙利文表示，美國(guó)需要“更多信息”關(guān)于麒麟9000S。

關(guān)于華為如何克服制裁生產(chǎn)芯片的問(wèn)題，“或許最令人驚訝的事實(shí)是，似乎有這么多美國(guó)政府領(lǐng)導(dǎo)人顯然感到驚訝，”瓦德瓦尼中心主任格雷戈里·艾倫在一份有關(guān)華為新手機(jī)的深度報(bào)告中寫道。

華為和SMIC均未透露他們是如何完成這一壯舉的線索。但與數(shù)十名行業(yè)內(nèi)人士和專家的采訪提供了迄今為止最接近的一瞥，揭示了這兩家公司如何在中國(guó)國(guó)家支持的情況下，投入大量資源進(jìn)行項(xiàng)目，并打開(kāi)了先進(jìn)人工智能芯片生產(chǎn)的大門。

他們能否保持這種勢(shì)頭將決定中國(guó)是否能夠在持續(xù)的地緣政治挑戰(zhàn)中維持其半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)并取得全球技術(shù)至高點(diǎn)。麒麟9000S證明了該國(guó)是否能夠在制裁的情況下仍然與其競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手競(jìng)爭(zhēng)？還是這兩家公司只是在瓶子中捕捉了閃電？

由于半導(dǎo)體行業(yè)的敏感性，大多數(shù)與《金融時(shí)報(bào)》（FT）談話的消息來(lái)源要求保持匿名。

效率較低的機(jī)器芯片制造中最廣泛認(rèn)可的基準(zhǔn)之一是7納米。盡管表面上是對(duì)工藝節(jié)點(diǎn)大小的引用，但這是用于生產(chǎn)驅(qū)動(dòng)智能手機(jī)和數(shù)據(jù)中心的高性能芯片的先進(jìn)技術(shù)的行業(yè)簡(jiǎn)稱。

驅(qū)動(dòng)蘋果iPhone XS的A12芯片和驅(qū)動(dòng)特斯拉半自動(dòng)駕駛的Dojo D1都是使用臺(tái)積電的7納米工藝制造的。

SMIC提供了兩個(gè)版本的7納米工藝，N+1和升級(jí)的N+2。根據(jù)多位了解情況的人士的說(shuō)法，麒麟9000S芯片是在N+2上生產(chǎn)的。

但是，盡管臺(tái)積電和三星使用極紫外（EUV）光刻設(shè)備制造這些芯片，SMIC使用效率較低的深紫外（DUV）機(jī)器，行業(yè)專家和分析人士說(shuō)。

一位熟悉SMIC技術(shù)發(fā)展路徑的半導(dǎo)體專家說(shuō)：“起初是因?yàn)轭A(yù)算有限?！薄癊UV非常昂貴，而SMIC的先進(jìn)工藝落后于臺(tái)積電，導(dǎo)致它沒(méi)有很多客戶和收入?！?/p>

電路板上刻畫電路到硅晶片中是芯片制造的基礎(chǔ)。更先進(jìn)的光刻機(jī)提供更高的分辨率，意味著更細(xì)的線條和更多的細(xì)節(jié)，使芯片更小。

兩種機(jī)器都可以實(shí)現(xiàn)7納米的工藝，但EUV更有效和精確，產(chǎn)生的廢品更少。

SMIC使用DUV機(jī)器重復(fù)了其他公司使用EUV機(jī)器的芯片制造步驟，以增加晶體管密度。但這對(duì)產(chǎn)量率產(chǎn)生了不良影響，產(chǎn)量率衡量了每個(gè)晶片晶片上的工作與有缺陷的晶片的比例。

據(jù)荷蘭光刻機(jī)制造商ASML表示，要在DUV機(jī)器上實(shí)現(xiàn)7納米，需要34個(gè)光刻步驟，而EUV只需要9個(gè)步驟。額外的生產(chǎn)步驟導(dǎo)致生產(chǎn)成本更高，產(chǎn)量更低。

隨著每一個(gè)額外的步驟，將會(huì)有更多的芯片被丟棄，設(shè)備成本上升，布局增加。但在2019年，SMIC從ASML訂購(gòu)的EUV設(shè)備被阻止，據(jù)情況了解的三人說(shuō)。

這種先進(jìn)的光刻機(jī)受到華沙協(xié)議的限制，該協(xié)議是由40多個(gè)國(guó)家組成的多邊出口管制協(xié)議，旨在限制可能具有雙重軍事目的的產(chǎn)品的銷售。

有兩位接近SMIC供應(yīng)商的消息人士說(shuō)，SMIC設(shè)法從現(xiàn)有工廠和在華盛頓實(shí)施出口管制之前收到的工廠中收集設(shè)備，以保持7納米生產(chǎn)線運(yùn)行。

但這仍然使其沒(méi)有了ASML通常為高度復(fù)雜的機(jī)器的客戶提供的額外支持。一位接近SMIC的芯片公司高管說(shuō)：“條件很苛刻?！薄盎旧蠜](méi)有軟件更新，也沒(méi)有設(shè)備工廠的工程師進(jìn)行維護(hù)服務(wù)。”

艾倫表示，即使在出口管制之后，SMIC仍能夠獲取維持其7納米生產(chǎn)線運(yùn)作所需的備件和技術(shù)服務(wù)，讓美國(guó)官員感到驚訝。

西方的制裁阻止了中國(guó)進(jìn)口ASML的EUV光刻設(shè)備進(jìn)行先進(jìn)芯片制造。

行業(yè)知情人士接近SMIC承認(rèn)，違反出口管制可能獲得了一些設(shè)備。據(jù)路透社報(bào)道，美國(guó)半導(dǎo)體設(shè)備制造商應(yīng)用材料正在接受違反出口限制的調(diào)查。

應(yīng)用材料在一份給新聞媒體的聲明中表示，“正在與政府合作，并堅(jiān)持合規(guī)，遵守全球法律，包括出口管制和貿(mào)易法規(guī)?！盇MAT未回復(fù)置評(píng)請(qǐng)求。

不惜一切代價(jià)芯片制造商通常與芯片設(shè)計(jì)公司合作，在新設(shè)施中測(cè)試設(shè)備和制造過(guò)程。因此，例如，臺(tái)積電將與蘋果合作，生產(chǎn)其3納米處理線上的芯片。

對(duì)于SMIC升級(jí)的7納米生產(chǎn)線，華為是試驗(yàn)的對(duì)象。但這家手機(jī)制造商為SMIC帶來(lái)了收入和認(rèn)可，并在重新定義生產(chǎn)線的多個(gè)方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用，根據(jù)三名了解SMIC設(shè)施的內(nèi)部人士。

SMIC還向國(guó)外尋求幫助。由于出口管制的原因，美國(guó)人被禁止為中國(guó)先進(jìn)芯片制造商工作，但據(jù)兩位了解SMIC的芯片工程師說(shuō)，它還雇傭了來(lái)自臺(tái)灣、日本、韓國(guó)和德國(guó)的專家，以提高生產(chǎn)力。

“這些海外專家?guī)?lái)了他們從其他晶圓廠獲得的先進(jìn)工藝的技術(shù)知識(shí)，”其中一位工程師說(shuō)。

“7納米工藝有數(shù)千個(gè)步驟需要改進(jìn)，”第二位工程師說(shuō)?！吧踔猎谇宄康牧璩?，我不得不在工廠接電話，因?yàn)檫@可能涉及一兩項(xiàng)關(guān)鍵的改進(jìn)?！?/p>

根據(jù)了解華為芯片設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的消息人士的說(shuō)法，當(dāng)SMIC收到麒麟9000S的訂單時(shí)，它沒(méi)有一個(gè)團(tuán)隊(duì)能夠幫助芯片設(shè)計(jì)工程師使其設(shè)計(jì)適應(yīng)不同晶圓廠的工藝規(guī)范。華為不得不獨(dú)自適應(yīng)。

麒麟9000S的生產(chǎn)產(chǎn)量仍然籠罩在神秘之中，華為和SMIC對(duì)此沒(méi)有發(fā)表任何公開(kāi)聲明。在麒麟9000S危險(xiǎn)的量產(chǎn)階段之前，該產(chǎn)品在生產(chǎn)早期階段的一個(gè)人說(shuō)，麒麟9000S的產(chǎn)量達(dá)到了30%以上。

這個(gè)人將其描述為在艱難的量產(chǎn)階段取得的“在艱難條件下的積極數(shù)字”，但指出這是“與產(chǎn)量為90%的產(chǎn)線相比的成本至少翻了一番，移動(dòng)芯片制造的理想基準(zhǔn)”。

行業(yè)專家認(rèn)為，中國(guó)政府的資金支持彌補(bǔ)了過(guò)高的芯片生產(chǎn)成本。根據(jù)公司年度報(bào)告，華為在2022年從中國(guó)政府獲得了655億元人民幣（948億美元），是前一年的兩倍多。SMIC在過(guò)去三年中獲得了688億元的國(guó)家補(bǔ)貼，中國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)投資基金作為主要股東還提供了額外的支持。

“中國(guó)政府顯然已經(jīng)決定為這項(xiàng)努力買單是值得的，” 中國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)專家道格拉斯·富勒（Douglas Fuller）表示。

下一步，人工智能Kirin 9000S在中國(guó)掀起轟動(dòng)，使華為收回失去的市場(chǎng)份額。行業(yè)專家預(yù)測(cè)，它將增加基于Kirin芯片的智能手機(jī)的生產(chǎn)量；海通國(guó)際證券分析師杰夫·普（Jeff Pu）估計(jì)，到2024年底，可能生產(chǎn)高達(dá)7000萬(wàn)部基于Kirin芯片的智能手機(jī)。

然而，中芯國(guó)際（SMIC）和華為已經(jīng)擴(kuò)大了他們的雄心，制定了一個(gè)計(jì)劃，以增加芯片生產(chǎn)，以滿足華盛頓對(duì)向中國(guó)銷售高性能芯片實(shí)施的嚴(yán)格限制。

騰訊和阿里巴巴等中國(guó)互聯(lián)網(wǎng)巨頭的高管們已經(jīng)承認(rèn)，他們?cè)趯ふ腋咝阅苄酒矫婷媾R困難，因此他們正在考慮本地替代方案。

華為的Ascend系列人工智能芯片被行業(yè)分析師宣傳為Nvidia圖形處理單元的潛在替代品，盡管其整體性能落后于美國(guó)公司。

在2020年5月制裁開(kāi)始之前，華為銷售的Ascend人工智能芯片是由臺(tái)積電（TSMC）制造的。現(xiàn)在，多個(gè)與該公司關(guān)系密切的消息源表示，該公司已經(jīng)恢復(fù)了產(chǎn)品線，推出由中芯國(guó)際制造的新設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)中心芯片。

三位與華為關(guān)系密切的消息人士表示，騰訊、百度和美團(tuán)等互聯(lián)網(wǎng)巨頭已經(jīng)購(gòu)買了華為Ascend 910b芯片進(jìn)行小規(guī)模試驗(yàn)。兩位與中芯國(guó)際關(guān)系密切的人表示，該芯片工廠已經(jīng)開(kāi)始擴(kuò)大7納米生產(chǎn)能力，以生產(chǎn)預(yù)訂的華為芯片，并研發(fā)更先進(jìn)的5納米工藝。

明年Ascend 910b的生產(chǎn)目標(biāo)較2023年翻了一番，預(yù)計(jì)將生產(chǎn)超過(guò)20萬(wàn)顆芯片，這兩位人士表示。

然而，華為和中芯國(guó)際在開(kāi)始從Nvidia奪取市場(chǎng)份額之前，必須克服一些數(shù)據(jù)中心芯片制造過(guò)程中的重大挑戰(zhàn)。

人工智能芯片比智能手機(jī)處理器更大，因此更容易由于生產(chǎn)錯(cuò)誤而出現(xiàn)缺陷。據(jù)了解生產(chǎn)端的消息人士稱，華為Ascend 910b芯片的當(dāng)前良率僅略高于20％，意味著每生產(chǎn)五顆芯片中有四顆是有缺陷的。

由于美國(guó)、日本和荷蘭實(shí)施的限制，預(yù)計(jì)中芯國(guó)際的生產(chǎn)擴(kuò)張將比三年前更加困難。荷蘭和美國(guó)對(duì)中芯國(guó)際使用的深紫外（DUV）機(jī)器實(shí)施了出口限制，這是該公司為開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)先進(jìn)芯片所使用的。

荷蘭光刻機(jī)制造商ASML表示，“我們遵守所有適用的出口管制規(guī)則和法規(guī)”，并且其客戶知道，從2024年起，“我們可能不太可能獲得這些系統(tǒng)運(yùn)往中國(guó)國(guó)內(nèi)客戶的出口許可證”。

但中芯國(guó)際的供應(yīng)商表示，該公司在美國(guó)加強(qiáng)出口限制之前收到了ASML的新一批先進(jìn)的DUV，這意味著在未來(lái)兩到三年內(nèi)仍有可能加大生產(chǎn)和技術(shù)發(fā)展。

“這里的許多設(shè)備仍然是2020年中芯國(guó)際備貨的美國(guó)和日本產(chǎn)品，” 其中一人表示。

然而，行業(yè)專家和分析師認(rèn)為，中芯國(guó)際可能會(huì)在能夠制造先進(jìn)芯片之前耗盡設(shè)備維護(hù)和材料供應(yīng)。

“一些零部件的庫(kù)存可能在兩到三年內(nèi)耗盡，沒(méi)有本土公司提供替代品，而通過(guò)黑市采購(gòu)的份額很少，” 中國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)獨(dú)立顧問(wèn)萊斯利·吳表示。

他說(shuō)：“組件限制沒(méi)有適當(dāng)?shù)拇鸢?。如果?kù)存的零件在國(guó)內(nèi)替代品出現(xiàn)之前用完，這將是一個(gè)巨大的麻煩?！?華為和中芯國(guó)際沒(méi)有回應(yīng)置評(píng)請(qǐng)求。

國(guó)家的冠軍華為和中芯國(guó)際至少可以確保在努力跟上行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者的過(guò)程中得到國(guó)家的支持。半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)政策制定方面的一位政府官員表示，當(dāng)前的目標(biāo)是“不惜一切代價(jià)”建立尖端芯片的生產(chǎn)線。

“穩(wěn)定的芯片供應(yīng)鏈?zhǔn)歉咝阅苡?jì)算系統(tǒng)的支柱...對(duì)于中國(guó)高性能計(jì)算產(chǎn)業(yè)保持發(fā)展勢(shì)頭至關(guān)重要，尤其是在持續(xù)的貿(mào)易緊張局勢(shì)和美國(guó)政府實(shí)施的限制之下，” 這位官員表示。

從2014年建立中國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)投資基金開(kāi)始，北京通過(guò)國(guó)家資金培育了其微芯片產(chǎn)業(yè)。在過(guò)去的十年里，這個(gè)投資基金已經(jīng)積累了470億美元，并預(yù)計(jì)將再籌集410億美元，為中國(guó)追求技術(shù)自給自足提供更多支持。

研究公司JW Insights的一份報(bào)告分析了25個(gè)省和地區(qū)的政府投資，發(fā)現(xiàn)政府在2021年和2022年向半導(dǎo)體相關(guān)領(lǐng)域投入了2908億美元，其中三分之一用于半導(dǎo)體設(shè)備和材料。

這個(gè)龐大的投資背后的理念很簡(jiǎn)單：擺脫對(duì)進(jìn)口的沉重依賴，加強(qiáng)在全球供應(yīng)鏈中的立足點(diǎn)，并剝奪美國(guó)關(guān)閉中國(guó)工業(yè)和國(guó)防經(jīng)濟(jì)相當(dāng)一部分的能力。

“如果你大多數(shù)芯片都是進(jìn)口的，你就不是制造業(yè)超級(jí)大國(guó)，” 《芯片戰(zhàn)爭(zhēng)》作者克里斯·米勒（Chris Miller）說(shuō)?！澳阒皇窃诮M裝其他地方生產(chǎn)的高價(jià)值組件?！?/p>

中國(guó)國(guó)家安全部似乎同意這一點(diǎn)，在其微信賬號(hào)上寫道：“只有通過(guò)把核心技術(shù)掌握在我們自己手中，我們才能真正在競(jìng)爭(zhēng)和發(fā)展中采取主動(dòng)，并從根本上確保國(guó)家的經(jīng)濟(jì)、國(guó)防等安全。”

這種擺脫對(duì)外國(guó)技術(shù)依賴的雄心寄托在華為和中芯國(guó)際的肩上。Kirin 9000S的成功推出為半導(dǎo)體行業(yè)注入了新的活力，高管們報(bào)告說(shuō)，芯片初創(chuàng)公司的融資出現(xiàn)了激增。

但是華為的長(zhǎng)期目標(biāo)不僅限于中國(guó)市場(chǎng)。Kirin 9000S的原始昵稱—Charlotte—象征著這些希望。它的命名并不是為了某個(gè)個(gè)體，而是為了北卡羅來(lái)納州的城市。消息人士表示，正在研發(fā)的其他移動(dòng)半導(dǎo)體也在內(nèi)部以美國(guó)城市命名。

華為的一名員工表示，使用美國(guó)的名字反映了“我們希望有一天重新奪回全球供應(yīng)鏈中的地位”。