中國芯片“卡脖子”，造芯怎么這么難？
最近的幾個月，事情發生了不一樣的變化。首先是臺積電的新廠已經在亞利桑那緊鑼密鼓的展開前期工作，且和我當初估計的那樣，規模遠超預期，而另一個巨頭三星緊隨其后計劃加碼德克薩斯的奧斯汀，建立更大型的工廠。同時，美國政府也一直試圖推動格羅方德的進一步擴產。
美國在搶產能的同時，繼續出手打壓中國芯片產業，2月8日，美國國際貿易委員會（ITC）對針對中國相關公司發起337調查；3月1日，美國人工智能國家安全委員會（NSCAI）向美國國會提交了一份長達756頁、關于人工智能領域競爭的報告，呼吁美國政府繼續在微電子產業打壓中國、遏制中國的高端半導體制造能力，從而“保持對中國的領先”。
而國內雖然之前掀起了百城造芯熱，但是目前相對成功的僅有上海無錫合肥西安北京這幾個城市，前段時段武漢弘芯項目更是把我國芯片制造業推上風口浪尖。
這次我將會在制程技術，資金，人力，設備，市場，供應鏈，水電氣，環保，政策九個維度和讀者們聊聊建立一座現代化晶圓廠的難度（晶圓是指制作硅半導體電路所用的硅晶片），試圖用寥寥千言展示如何完成一項大工業項目的全貌，以及我國當下芯片產業的難處。
目前而言，集成電路制程競賽進入了坐5進3的階段，每平方毫米的集成度高達近2億個晶體管。回望40多年前，X86王朝的開創者8086,僅僅只有4萬多個晶體管，更先進的制程自然帶來更高的集成度和更快的速度，自然也無限拓展了我們這個豐富的世界。20年前能讓我激動半年的賽揚5，2.0Ghz的臺式機，性能已經被今天的百元廉價手機遠遠甩在身后，而1978年時一臺近千萬美元的超級計算機（而且對我國禁止出售），其性能已經被國內某物聯網公司出品的價值7元的芯片（還僅僅是40納米制程）斬落馬下。英偉達的A100，在不斷刷新著AI計算的性能高峰，而蘋果M1也用實力證明了5nm制程芯片并非浪得虛名。
而國內很多新入局的玩家，沒能撐下來的第一個問題就在于團隊本身并不掌握技術；或者出于某種原因，無法將紙面上的技術資料變為實打實的產品。一般來說，這幾年能夠把項目做起來的公司；要么本身就有非常強大的研發能力——
譬如參與出資建設合肥長鑫的兆易創新，其本身就是A股主板上市的存儲設計大鱷；
要么就是擁有長期的能力建設，譬如武漢的長江存儲，在CEO楊士寧的帶領下，從32層方案開始一點一點窮舉，到今天以量產64層獨有Xtacking技術的固態顆粒，并即將量產世界主流水平的128層顆粒，還推出了自己的原廠固態硬盤品牌——致鈦；
要么本身就是海外巨頭，譬如剛剛在西安完成擴張的三星存儲，以及投資合肥晶合的臺灣力晶。
他們都擁有浩如瀚海的專利體系和工作規范。能夠在保證項目進展的同時，盡可能控制成本。反觀屢屢暴雷的這些“芯騙”公司，譬如南京德科碼，目標是建立一座8英寸工廠做cis代工，但是技術來自于以色列某公司的高價授權，自己沒有能力把技術力轉化為產品力，也融不來足夠的資金，盡管南京經開區有關領導在當中做了非常非常大的努力，但是避免不了一地雞毛的結果。
晶圓廠本身并不便宜。動輒幾百畝的占地面積，此外由于工作環境特殊，需要建筑本身具有更強的抗沉降性能和更長的穩定期。土建報價常常高達數十億人民幣。同時運轉時的大宗原料一般依賴現場提供，這些外圍設備本身的建設和維護合同也需要一個較長的供應周期和健康的資金供應鏈。臺積電南京廠2萬片12寸16納米制程就耗資30億美元，而即使是比較落后的90-150納米制程，12寸廠的耗資也在百億人民幣規模，以上這還是建立在我國擁有成熟的土建產業和便利的配套的前提下。
但是一次性拿出近百億現金，對于我國絕大多數城市的投資基金或者普通的芯片設計團隊，不得不說也是一種望洋興嘆。而耗費巨資的工廠一旦遭遇事故或者破產，其價值常常十不存一。
當年，從西門子旗下英飛凌分拆出的內存巨頭奇夢達，在美國耗資20多億美元建設了一座12寸晶圓廠，該廠被收購的時候，僅僅賣了1.73億美元。所以，晶圓廠一開建，就必須要做最壞的打算，即使是歷史上的海外大廠，也常常面臨一個季度虧損幾十億的窘迫困境。所以誰能拿到更多的資金，是這家公司能不能有所作為的基礎支撐。
前幾年，國內一直有一個呼聲，說我們缺乏大量的晶圓廠相關專業的人才。但實際上，萬元左右的薪酬和超長的工作時間本身，就是最好的勸退。1980年代，美國晶圓廠的普通工人，每小時的工資是5美元左右。而到了2020年代的今天，大部分晶圓廠的MFG，即生產制造部門，平均時薪甚至比這個數還要低。即使是臺積電，平均也只能給出35萬人民幣一年左右的薪酬，相比同業當中的設計公司和設備商，差了一大截。這還是建立在做二休二，上班時間與外界失聯這些前提下的。
在一個發展的非常完善，但是企業明顯動力不足的行業，必然面臨的就是待遇長期處于較低水平，而工作壓力大到驚人，加班時意外身亡，在這一行并不是什么稀罕的事情。所以，北上廣主城不一定是適合晶圓廠的地方，而是應該遷移到二線城市的郊區，并由運營方和當地政府合資建立獨立的住宅區和配套的教育設施。指望晶圓廠的普通員工去承擔一線城市的高房價和高生活成本，往往不太現實，但是這與能不能留住人才，卻又息息相關。
說起晶圓廠的設備，很多人第一時間能想到的，可能是被炒的火熱的光刻機。作為核心光學設備，光刻機確實非常重要，但是，值得我們注意的不僅僅是光刻機。除了它之外，cvd沉積，離子注入，CMP研磨拋光等一系列設備都掌握在以美國為首的西方國家的設備公司手里。
以著名的應用材料公司為參考，他們的年營收看上去不太多，大致在120億美元左右，甚至距離臺積電還有非常大的距離，但是其每年的盈利一般在30億美元左右，這還是建立在其員工薪酬和各項激勵比晶圓廠高出50%的情況下，而且他們事實上掌握著一座晶圓廠的命脈，能以什么樣的價格拿到什么樣的設備并用設備做出什么樣的工藝，基本事關一座圓晶工廠的成敗。
某位參與過國產先進制程研發的前輩曾經這么告訴我：“其實先進制程研發非常非常苦逼，相關負責研發的領導根據學術界成果，推導出XXX種方案，研發人員需要夜以繼日的在最短的時間內把以上方案全部做出試驗品，并根據結果綜合各方面性能，在設備廠的支持下，使用設備廠交付的量產或者試產設備，完成項目工藝流程和工藝參數的制定，并且與啟動大客戶一起進行量產環節的實驗，還好，他的啟動大客戶叫華為，那顆芯片叫麒麟710A，但是即使這樣，因為種種原因，這枚芯片在遷移過程中推遲了近一年時間才量產。”
而這當中晶圓廠本身的技術力量，將會決定制程的實際水平，譬如同樣的設備，臺積電可以用到7納米制程上，聯華電子和中芯國際大概可以拿它做出來14納米制程，而水平更低的廠商，可能就只能湊合做28納米制程了。
而國內設備商經過不懈努力整合到一起，目前也僅僅交付了一座110納米制程的8英寸晶圓廠，這還是建立在中央和北京市有關部門勉力支持的前提下。所謂的國產28納米成套設備，都還僅僅是鎖在深閨，無人問津。而設備，本身就依賴于用戶的不斷使用和反饋，只有形成正向循環，才能在不斷迭代中提高，羅馬不是一天建立的，ASML做EUV光刻機，用了20多年，這些設備，是建立在整個西方世界的全產業鏈，投入了千億美元的經費，幾十萬工程師為之奮斗了20多年的基礎上。那么，我們的設備廠的銷量和盈利能力真的可以支撐這樣的研發和運用，而不是把產品當做銀行抵押物，或者僅僅只是一項政績工程嗎？
有一個很現實的問題，投資方耗費巨資的工廠土建完成了，設備安裝了，人員配齊了，工廠投產的時候，可曾考慮過，生產出的產品賣不出去怎么辦？哪怕是臺積電在南京的那座16納米工廠，在開張的第一個年頭里，也因為這樣那樣的原因，虧掉了超過數億人民幣。顯然設計公司會更傾向于老牌的工廠，甚至不惜面臨更長的交付期和更高的單位面積成本。
重慶在這個問題上曾經吃過虧，曾被視為重慶市2007年工業項目“一號工程”的渝德科技，4年后，尷尬地換了主人。當初為承接該項目，重慶市采用了先由地方政府投資約15億元建好廠房及相關設施，待臺灣茂德科技搬遷完成后，再向地方政府買回這些廠房及設施的模式。這一模式大大降低了投資方的風險及財務壓力。
但是即使這樣，由于訂單不足，這座工廠每年虧損高達4億人民幣左右，最終在2011年作價1億元人民幣賣給了中航工業，后來在2018年又轉手給了華潤微電子，與當初臺灣人的10多億的投入相比,可以說是十不存一。
雖然我國生產了世界上絕大多數的單晶硅材料，但是硅晶圓的供應主要依賴于德國韓國和中國臺灣地區，此外在生產過程中，涉及到的各種氣體和液體多達數百種，業內戲稱為“湊齊了一整個元素周期表”，而這當中很多化學品，依賴于日本和臺灣地區的供應商。國內雖有替代，但是從業企業多半規模不大，產品品種不怎么齊全，以低端產品為主，在價格上與國際同行也沒有明顯優勢。這也是建立在我國雖然是一個化工大國，但卻不是化工強國的現實基礎上。即使是最基礎的空氣液化分離系統這塊，大部分晶圓廠使用的是聯華林德和法液空這些國際巨頭的空分裝置，目前明確采用國產的只有青島芯恩的那套來自于杭氧的空分系統。
除了原材料之外，晶圓廠還要耗費大量的水，電力，和燃氣。近期，臺灣地區進入干旱狀態，而為了滿足工廠日常所需，臺積電不得不利用水車一趟一趟的從外地加班拉水，盡管這樣一天只能保障幾百噸的新水供應量，僅僅占據用水量的1%不到，而臺積電的生產只能利用對廢水不斷的循環，對廢水的處理能力也是對晶圓廠的無聲考驗，一般情況下每一滴水，都要在工廠里參與3-5個不同的工藝段，而隨著制程的不斷進步，用水量在未來將會繼續提升一個數量級到每天數十萬噸新水。
同樣，越是先進的制程，耗費的電力也就越恐怖，目前情況下，臺積電一年要耗費140億度電力，大概與深圳全市全年的用電量相當，而未來隨著更大功率的EUV光源的使用，用電量將會繼續以較快的速度攀升。同時，不穩定的電力對晶圓廠造成的損失也是非常驚人的，以今年2月德州停電為例，三星在奧斯汀的工廠因為大雪導致停電，每天的損失高達數千萬元，并進一步加劇了固態硬盤供應的緊張。這也證明了缺水和供電不穩的地區，晶圓廠的落地就變得非常困難。
而同樣的問題還得考慮，消費大量的水電氣之后，使用了大量的劇毒化學品，生產的不僅僅是產品，還有大量的“三廢”，這些廢棄物能否合法合規的安全處理，達標排放，也是要消耗大量的成本的，當然也許能變廢為寶，前文中所述臺積電的廢水再利用計劃，每天可以從廢水中富集10噸的硅沙，一方面減少了污染，另一方面這些回收物又能繼續在產業鏈里流動。
最后說說戰略方面。“百城造芯”的運動式發展，一度鬧劇化的因素，其實地方政府的情緒，也起到了推波助瀾的作用。計劃經濟時期，由于我國交通和物流基礎設施的不發達，導致了我們必須在大部分地區配置獨立的工業體系，一省之內必須獨立建立若干工業體系，從鋼材煤炭到家電汽車，每個城市都有獨立的工廠，而這些工廠本身囿于發展程度和發展規模，往往由于產能規模較小，不能充分的把產品的單位成本控制下去。
但在目前大環境下，綜合考慮國內國際兩個大局，僅僅因為地方的GDP增長壓力而上馬，不考慮本地是否具有合適的芯片產業支撐能力是不行的。不能為了GDP或者為了集成電路而去集成電路。
同時，切記不能出現紅眼病，不能因為鄰縣鄰區建立了一座國家投資2000多億的工廠，就因此羨慕嫉妒恨，甚至明知道對方在技術，資金，市場等諸多方面有明顯的缺陷，甚至是明確的騙子公司，卻還要往里面跳。同時在干部梯隊建設上，多充實一批來自于生產一線的工程技術人員，以及擁有豐富經驗的高校碩博士。這方面合肥的經驗值得借鑒，最近十年，合肥在高科技行業的突飛猛進，不僅僅是依賴于中科大，合工大和安大，更在于從全國各地引進了大量的人才，以至于集成電路行業內有個笑話，為什么一群外省市的博士們，到了合肥做出了一系列成績，而他們的家鄉卻屢屢被騙呢？
總的來說，建立現代化的晶圓廠這件事，說到底，是工業國和發達國家才需要考慮的問題，也是我國在向著更高的產業維度邁進之路上必須解決的問題。在我國的工業發展的道路上，我們在光伏，半導體顯示，新能源等諸多行業都曾經在發展初期面臨過如現在芯片業類似的問題，但是目前來看這幾個領域在經過了前期的混亂發展后，經過政策修正引導和資金技術投入積累，在充分競爭和淘汰后的結果還算理想，誕生了一批有競爭力的企業。
去年底的中央經濟工作會議強調“針對產業薄弱環節，實施好關鍵核心技術攻關工程，盡快解決一批卡脖子問題”。面對重中之重的芯片制造業，短期上面臨的嚴峻挑戰，更應該成為我們把造芯這件事做好，做強的動力。
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