35项卡脖子技术已经攻克21项, 高端芯片和EUV光刻机何时攻克

早在中兴事件爆发时，《科技日报》就报道了制约我国工业发展的35项“卡脖子”技术，包括：芯片、光刻机、操作系统、传感器、真空蒸镀机等。

这35项“卡脖子”技术涉及航空航天、电子信息、工业、汽车等多个领域，关系到我国的未来发展及国家安全。

为此，科技部、高校、科研机构、科技企业纷纷掀起摆脱“卡脖子”技术的攻坚浪潮。

经过多年的自主研发，国内科技界传来了好消息，35项“卡脖子”技术中，至少攻克了21项。

这21项分别是：芯片、操作系统、触觉传感器、真空蒸镀机、手机射频器件、重型燃气轮机、激光雷达、ITO靶材、航空钢材、高端轴承钢、高压柱塞泵、高压共轨系统、掘进机主轴承、微球、水下连接器、燃料电池关键材料、高端焊接电源、锂电池隔膜、超精密抛光工艺、数据库管理系统、扫描电镜。

但仍有高达14项技术未攻克，其中就包括芯片领域的光刻机、光刻胶。

此外，高端芯片也被“卡脖子”，智能手机SoC、先进的GPU、CPU仍然掌握在欧美手中。

要知道，高端芯片关系到未来科技的发展，AI、大数据、云计算、自动驾驶、超算等都需要高端芯片。

那么问题来了，国产高端芯片和EUV光刻机何时才能攻克？

高端芯片有多难制造？

高端芯片主要是7nm及以下的手机SoC、GPU、CPU，这些芯片基本都被美国科技巨头所把控。

手机SoC：高通、苹果、联发科；

GPU：英伟达、AMD、英特尔；

CPU：英特尔、AMD。

我们要打造自己的高端芯片，有多难呢？

首先，要解决架构问题。

架构是在指令集基础上实现对芯片内部所含部件，如控制单元，逻辑单元，存储单元的一系列完整设计安排。

CPU架构主要包含复杂指令集架构和精简指令集架构两种，前者被英特尔X86所把控，后者则被ARM垄断。

全球90%的嵌入式芯片，95%以上的手机芯片都采用了ARM的架构。而电脑、服务器的CPU架构则被英特尔、AMD所垄断。

GPU架构主要包括英伟达的CUDA，AMD的Radeon。市场份额中，英伟达占据了88%，AMD占据了8%，英特尔占据了4%。

也就是说，全球的CPU、GPU架构都被老美垄断了。在这种情况下，我们搞自主研发可以说非常难。

以龙芯为例，它采用了自主研发的LoongArch架构，2001年5月成立课题组，至今已有20多年，其最新的龙芯3A6000与英特尔仍差距5年左右。

这还是只考虑性能，如果算上兼容性、生态等，恐怕差距更大。所以华为的麒麟芯片使用了ARM架构，才能与高通骁龙一决高低。

其次，要解决EDA软件问题

EDA就是Electronic Design Automation的缩写，翻译成汉语就是电子设计自动化，是芯片设计的核心工具,也被称为“芯片母机”。

EDA主要包括电路系统设计、系统仿真、设计综合、PCB 版图设计和制版等自动化流程，属于芯片设计上游的高端产业。

但是你知道EDA工具被哪些公司把控吗？

主要是新思科技（美国）、锴登电子（美国）、西门子EDA（原明导国际，后被西门子收购）。

这三家公司占据了全球77.7%的市场份额，在我国的市场份额更是高达95%，并且在技术水平、产品完成度和丰富度方面大幅领先其他企业。

我们知道华为海思是一家非常厉害的芯片设计公司，设计了麒麟手机芯片、巴龙5G基带、鲲鹏服务器芯片、凌霄路由器芯片、天罡基站芯片等。

能取得如此成绩，有很大原因是华为海思同时使用了这三家公司的EDA软件。

中兴、联想同时使用了楷登电子和西门子的EDA软件。创维、TCL、清华同方使用了西门子EDA软件。

总的来说，你要设计一款7nm以下制程的高端芯片，你不得不采用“三巨头”的EDA软件，因为国产EDA软件差距仍然很大。

最后，要解决制造难题

相比架构、EDA工具，芯片制造环节我们差距更大。

台积电的芯片制造工艺已经达到了2nm（试产阶段），而内地的中芯国际制造工艺仅为14nm，相差4代。

那你知道4代需要多少年完成吗？

我们以台积电为例，2013年台积电工艺制程为14nm，2024年台积电将实现2nm工艺的初步量产。14nm迭代至2nm，耗时11年。

要知道这是技术实力最强，队友最强，EUV设备最多，技术人才最多的台积电，其他公司做到这些耗时只会更长。

尽管中芯国际CEO梁孟松表示，公司已经完成7nm技术的开发，只待EUV光刻机。但实际上，即便是拿到EUV光刻机，7nm还要验证、测试、试产等多道工序合格后，才能量产。

然而，摆在我们面前的是高端芯片制造所需的EUV光刻机，半导体材料（光刻胶）都被“卡脖子”了。

EUV光刻机有多难？

制造EUV光刻机有多难呢？比造原子弹难20倍。

光刻机是芯片制造的核心设备，它利用紫外光、离子束等将晶圆表面薄膜的特定部分除去，生成尺寸精确的电路。

根据光线和分辨率的不同，光刻机分为以下几类：

G线、采用可见光，分辨率为436nm，工艺制程为350nm以上；

I线、采用紫外光，分辨率为365nm；

KrF、采用准分子激光，分辨率为248nm；

ArF、采用准分子激光，分辨率为193nm；

ArFi、采用准分子激光+液体光路，分辨率为134nm；

EUV、采用极紫外光，分辨率为13.5nm。

可以看出，EUV光刻机的分辨率最精确，能够制造出的芯片工艺也是最先进的。

但是，EUV光刻机被ASML垄断，全球仅此一家，再无分店，因此台积电、三星、英特尔等等，都对其趋之若鹜。最要命的是EUV光刻机的制造难度非常大。

很多网友表示，我们用“两弹一星”精神搞研发，就不信造不出自己的EUV光刻机，但事实上，制造EUV光刻机比制造原子弹还要难20倍。

林毅夫院长表示， EUV光刻机涉及物理、化学、材料学、电子学、软科学等多门学科的融合与发展。其中最大的难点，就是极紫外光源与投射透镜。

极紫外光源要求稳定、持续的、波长为13.5nm的极紫外光；投射透镜要求是反射型、不吸收极紫外光、非常高的精确度和清晰度。

极紫外光源

先要研发一台30KW的超大功率二氧化碳激光发射器，只有如此大的功率才能激发出200W的极紫外光，单单这一项任务就让全球99%的企业退却了。

如此大功率的激光器要经过5次放大，才能达到标准。

然后发射两束相同频率、属性的激光，第一束为预脉冲，将下落的锡滴打成扁平的薄板形状，第二束主脉冲再次集中，将激光能量能更好地沉积到锡滴内，才能激发极紫外光。

理论很简单，但是要把锡滴稳定在2微米大小，下落频率提升至50kHz，还要保证两束高频激光稳定打靶，这绝对是垄断性技术。

反射透镜

产生的极紫外光呈球体辐射状，需要用椭球镜进行收集，理论上可以收集一半左右，但是镜片本身还有一定的反射率，因此真生收集到的光线不足50%。

当然这说的还是理论状态下，如果透镜平整度不过关，恐怕连10%的光线都收集不到，所以EUV光刻机的反射透镜要求十分苛刻，目前只有德国蔡司能够达到标准。

蔡司的反射镜，要比普通浴室镜平整1千倍，什么概念呢？

假如把镜片放大到德国领土面积大小，普通浴室镜会出现2米的凸起，而蔡司的反射镜凸起仅为2毫米。

此外，为了保证反射镜不吸收极紫外发光，还要在表面涂上特殊的钼硒涂层，总共80层。每层厚度不能超过25pm。

这样的精确度，想想就十分可怕。

此外，极紫外光极易被空气吸收，因此芯片制造必须要在真空环境中进行，且真空度要求高达负7次方量级。

总的来说，EUV光刻就是在高速、磁悬浮、大行程、真空中进行纳米级的雕刻，它的要求之高，绝对可以用极限来形容。

我国何时能攻克高端芯片和EUV光刻机？

今年3月，中科龙芯表示，目前公司针对7nm的工艺制程对不同厂家的工艺平台做评估，但没有透露什么时候跟进7nm工艺。

可以说，国产龙芯架构已经支持7nm芯片了，尽管在生态上与英特尔有差距，但仍然值得称赞。

EDA方面的突破也会很快，毕竟有了华为的加入。

国产EDA领头羊，华大九天已经实现了EDA工具领域实现了全流程覆盖，部分领域突破5nm，并且实现商用。

概伦电子核心关键产品突破3nm工艺节点，具备了国际市场竞争力。

华为的EDA实现了硬件、软件和芯片的14nm全覆盖。

可以说，再过3-5年，有望实现7nm、甚至5nm的全覆盖。

EUV光刻机预计2-3年内会研发出样品机。

长春光机所已经或接近突破EUV光源技术，这一点可以从中科院前院长白春礼调研猜测到。

长春光机所研发的光学镜片，在平整度方面接近EUV级别，镜片的特殊涂层技术也已经攻破，就连设备也实现了国产化。

清华大学和华卓精科研发的双工作台，精确度提升至了5nm，距离ASML仅一步之遥。

因此，我们猜测

未来2、3年，攻破EUV光刻机绝对没问题，算上测试、磨合、配套、量产时间，5年内可以研发出7nm EUV光刻机。届时可以实现7nm芯片全国产化。

有网友可能要问，EUV光刻机不是可以造2nm芯片吗？那是在升级换代后！我们的光刻机也要一步步来，最终实现逆袭。

写到最后

35项卡脖子技术已经攻克21项，这足以证明我们的技术研发的强大。

在很多领域，我们仍然不是“世界先进”，但是已经实现了从0到1，未来只需要不断的迭代更新，最终会实现从1到100。

我们要给中国科技时间和包容，相信再一个5年后，35项“卡脖子”会全部突破。

我是科技铭程，欢迎共同讨论！