當下的國際政治經濟環境，正處于激烈的調整期。其中既有地緣政治的因素，也蘊含著全球化大分工過程中價值鏈體系的重新定位。作為一個處于持續發展、要實現民族復興的大國，讓國民過上更好的生活，不斷地向著產業鏈上游延伸是必然趨勢。在這個過程中，難免會打破現有的市場格局，遭受一定的阻力也是難以避免的。試想，誰會把市場拱手讓人呢？但基于市場競爭的原則，強于其他更激烈的對抗手段。
博眾精工研究院認為：激烈對抗手段對中美都不利，中國一直采取和平崛起、平等競爭的方式，但如何通過創新自身的價值，實現半導體行業的良性競爭，共生共榮——而不是一家壟斷性的獨大，可能將是接下來相當長一段時間內中美在半導體行業的主題。而從商業競爭看，應該秉承“一起做大蛋糕“而非”只切現有蛋糕“的思路，有競爭更能促進雙方的共同提升，從而培育更多元和高效的技術路線、實現更大的應用市場，這一點從通信、航空等領域都已得到驗證。未來中美在半導體行業的并駕齊驅，可能更有利于新一輪工業革命的智能化和數字化水平提升。
這對于中國來說，就如新能源汽車一樣，有無可能跳出現有困境，在技術路線上實現新的超越呢？
（一）因美國已覺得涉及到了其國家利益，收緊趨勢難以避免；
經濟學家李斯特在《政治經濟學的國民經濟體系》里提到“踢開梯子”的說法，講的就是“一個人攀上高峰后，就會把身后的梯子一腳踢開，以免別人跟上來，以此來保證自己的優勢”。芯片&半導體行業起源于美國，美國想要保持自己的優勢就要不斷地踹梯子。
1980年代，通過“DRAM制法革新”項目，日本完全超過美國成為半導體行業的霸主。到了1985年，美國SIA認為，如果政府還不迅速采取嚴厲措施，整個行業將在與日本的競爭中消亡，美國正式發起了“第一次芯片戰爭”，通過這次戰爭，1992年，美國本土公司重新奪回了市場份額，在日本的份額也達到了20%，1993年，美國重新成為世界最大芯片出口國。韓國和臺灣也在此期間，借著美國的扶持而崛起，世界進入一國獨大，多強并存的局面。到了現在，日本雖然還是芯片產業中的重要玩家，但在全球的份額已經只剩下6%。
有了日本的前車之鑒，美國在中國做大之前，就主動掀起了新一輪的“芯片大戰”。美國從 2018年開始，對中國科技企業和個人實施一系列的制裁，到2022年3月提出打造“四方芯片聯盟”，再到8月通過“芯片法案”，該法案計劃為美國半導體產業，提供高達527億美元的政府補貼。其中，500億美元被撥給“美國芯片基金”計劃。剩余27億美元，分別是20億美元美國芯片國防基金，5億美元芯片國際科技安全和創新基金，以及2億美元芯片勞動力和教育基金。根據美國商務部發布的信息，“美國芯片基金”計劃旨在振興美國國內的半導體產業并激勵創新，同時在美國各地創造高薪工作。
美國商務部6日發布的實施戰略顯示，上述500億美元資金中，約280億美元將用于資助建立先進制程芯片的制造和封裝設施，約100億美元將用于擴大在汽車等領域使用的成熟制程芯片制造，另外約110億美元計劃投入到半導體領域研發之中。通常認為，28納米及以下的制程屬于先進制程。美國《紐約時報》6日援引雷蒙多的話稱，美國商務部的目標是在明年2月前開始向相關企業收集資金申請，并可能在明年春天開始撥款。據香港《南華早報》報道，雷蒙多表示，申請者必須“以資本投資財務披露的形式”提供證據，證明所尋求的資金對于進行投資是“絕對必要的”。
值得注意的是，“芯片法案”中包含了“護欄條款”，即接受資助的公司至少10年內不能在中國或其他“令人擔憂的國家”進行新的高科技投資，除非它們生產的是技術含量較低的成熟制程芯片，只為當地市場服務。
美國商務部部長雷蒙多此前在白宮新聞發布會上強調，如果獲得資助的企業和機構未能履行某些承諾，商務部將“毫不猶豫地收回資金”。
由于美國芯片法案的核心目的是提振美國芯片產業，尤其是芯片制造業，因此政策出臺后受益最大的，當屬美國本土的芯片制造工廠，比如英特爾、格芯。大和資本證券指出，在390億美元的晶圓廠補貼中，預計英特爾將獲得 32%，美光將獲得 31%，德州儀器獲得 14%，三星獲得 13%，臺積電約 10%。受到該法案的影響，美國芯片企業中的龍頭也紛紛有所動作。
英特爾是其中動作最大的一家企業，其CEO基辛格更是美國芯片法案積極推動者，曾多次公開場合督促美國國會盡早通過芯片法案。法案落地后，英特爾位于俄亥俄州的晶圓廠再次啟動，計劃依然是200億美元，從這個規模來看，它將是當前全球最大的晶圓廠了。目前intel還在7nm，落后臺積電2代，而按照介紹，英特爾新建的這家晶圓廠，在2025年投入生產時，工藝水平上可以量產20A及18A兩代工藝。20A工藝，就是對應的臺積電、三星的2nm，而18A對應的是臺積電、三星的1.8nm，也就是18埃米工藝。也就是說，intel計劃在2025年，直接量產2nm，追上臺積電、三星，因為臺積電、三星的計劃也是2025年量產2nm芯片的。
其次，像美光這類IDM的公司，也會成為芯片法案第二類受益對象。日前，美光宣布一項400億美元的投資計劃，以促進美國國內存儲芯片的制造。
最后，與芯片制造相關的美國設備公司是法案的第三梯隊受益群體。這些公司是美國芯片制造能力提升的中流砥柱，隨著美國芯片制造能力的提升，美國半導體設備將迎來新的發展浪潮。
而對于美國政府來說，扶持龍頭企業更容易實現規模效應，加速美國實現“美國芯”的夢想。同時，美國政府也充當了美國芯片制造廠商與設計廠商的黏合劑，在拜登正式簽署芯片前，高通和格芯宣布，將斥資42億美元擴建紐約州北部的一家芯片工廠。從高通給格芯下訂單這事也可以看出，芯片法案可能會推動晶圓代工慢慢轉向美國制造，且主要是美國晶圓代工廠。
到10 月 8 日，美國又公布了一系列出口管制新措施，其中包括禁止向中國提供使用美國設備在世界各地生產的某些芯片等內容。美對華發起的“芯片戰爭”愈演愈烈。
（二）美國本土的人才瓶頸給中國提供了戰略緩沖期。
芯片企業的投資建廠，無疑會給美國芯片行業帶來活力，但是工廠建好后，就要面臨一個重大問題，那就是美國缺少足夠的芯片專業人才。
先前美國半導體協會和牛津研究院一份報告指出，相比一般科技行業，半導體產業對經濟拉動乘數大概是 6.7，而其他統計行業中位數大概是3.7。相當于，半導體行業每雇用一個工人，會間接支撐7個工作崗位。也就是說美國的芯片法案給美國創造了大量就業崗位。
但是，多年來，隨著美國芯片制造產業不斷衰落和外移，芯片行業不再是一個高薪、高美譽度的行業。因此，美國優秀人才在選擇專業的時候，會選擇金融、營銷等專業，而不會選擇電子信息工程、機械設計自動化、材料等與芯片相關的專業。芯片行業是一個產業鏈，美國不僅缺乏與芯片相關的專業人才，也缺乏芯片生產上下游的工廠建設、儀器耗材制造、物流儲運相關領域的人才。
這個問題靠美國政府的補貼無法解決，美國政府的優惠、補貼力度再大，在美國依舊很難招到合適的員工。沒有符合要求的勞動力，芯片公司自然不愿意在美國投資設廠。臺積電、三星在美國的一再壓力下，被迫到美國設廠，而其現在遇到的最大問題，就是工廠建好了，員工哪里來？臺積電董事長劉德音6月份公開表示，在美國招聘工程師和技術人員很困難。拜登簽署《芯片法案》之后，白宮發布新聞稿說該法案給美國創造了大量的就業機會。事實上，就業機會是創造出來了，但是美國到底有多少匹配這個機會的勞動力呢？
就算好不容易招來了專業對口的員工，很多人的敬業精神也無法達到芯片行業的要求。美國的員工評價網站上曾經出現過一篇文章，作者正是臺積電在美國好不容易招來的新員工。他參加新員工培訓之后發現，臺積電的員工每天工作至少10個小時，要上夜班，周末還要輪班，其他時間還要隨時待命。同事告訴他，這就是芯片行業的日常工作狀態。這個美國人抱怨，他沒想到要這么拼，工作強度這么大。
在中國近年來的半導體振興政策中，有三個關鍵詞頻繁出現：產業鏈聯動發展、引進和培育企業、公共服務平臺建設。這也映射出現今在政治影響下全球芯片行業割裂、對抗趨勢越來越明顯，地方政府不再僅僅著眼于某一環節的支持和趕超，更聚焦于上下游的聯動發展與配套建設，以期提高芯片產業鏈國產化水平，保障自身的供應安全。
當下，國家政策和金融投資都已經大幅度地向芯片行業傾斜。所以，芯片產業鏈上每個環節基本上都有人在搞。市場需求方面，中國也是芯片需求量最大的國家。
從整體來看，我國有著眾多的企業，完整地覆蓋了整個芯片產業鏈。在芯片產業的最上游的EDA軟件方面有華大九天、芯和半導體、鴻芯微納、行芯科技、廣立微等，其中廣立微的EDA軟件覆蓋了集成電路成品率提升領域的全流程，產品已成功應用于目前最先進的3納米工藝技術節點，廣立微的客戶涵蓋了三星電子等頭部晶圓廠。
半導體材料方面，有中環股份、有研新材、興森科技等上市企業，其中排名第一的中環股份，陸續完成包括FZ超高阻、CZ超低阻、CZ超低氧等晶體技術開發，及8-12英寸EPI、RTP、Ar-Anneal等晶片加工技術的開發。主要產品包括光伏硅片、光伏組件、半導體材料、光伏電站、半導體器件等。
再次，在半導體設備上面，中國也是全球產業鏈布局最完整的，從光刻機到刻蝕機，到各種設備，基本上都有生產，比如北方華創、中微公司、拓荊科技、盛美上海等公司
最后就是芯片封測產業，該產業是我國半導體領域優勢最為突出的子行業，在當前國產半導體產業鏈中，國產化程度最高、行業發展最為成熟。國內的幾家封測廠商長電科技、華天科技、通富微電等巨頭都已經擠進全球前十名。
雖然芯片產業鏈條已經齊全，部分環節也十分強勢，但從整體來看還是十分薄弱，國產化替代之路依然漫長。比如，在EDA軟件方面，整體國產化率在10%左右。
在核心的設備領域，涂膠顯影設備國產化率1%，光刻機國產化率1.1%，離子注入設備國產化率3.1%，過程控制國產化率3.6%，薄膜沉積國產化率5.7%，刻蝕設備國產化率22%，化學機械平坦化國產化率23%，氧化擴散/熱處理設備國產化率28%，清洗設備國產化率38%，去膠設備國產化率74%；
芯片設備國產化替代之所以占比如此低下，一方面是我們在芯片基礎研究方面的積累還不夠，主要是起步實在太晚，中間還走了不少彎路。
另一方面就是我國綜合的工業積累跟不上。就比如我們無法造出頂尖的光刻機。其實在1980年，我國就造出了國內第一臺投影光刻機。1985年，中科院45所在光刻機領域取得了重大進展，研制出分步投影式光刻機，被認定達到了1978年美國GCA公司推出的光刻機水準。當時，日后的光刻機巨頭ASML公司才剛剛誕生。
但因改革開放，國外更先進的光刻機大量涌入，再加上國家經費的抽離，國產光刻機的研究陷入停滯狀態。一直到2016年，上海微電子終于實現了90nm光刻機的量產。據上海微電子披露：有望在2022年交付第一臺28nm工藝國產光刻機。但就算28nm國產光刻機實現量產，仍然與7nm、5nm仍隔著數代距離。
所以在芯片設備國產化，尤其是高端設備的國產化程度，還遠遠達不到需求，對國外設備的依賴程度依然很高。
材料領域，半導體材料制造的技術壁壘很高，由于企業長期研發投入和積累不足，我國半導體材料多處于中低端領域。半導體硅片、濕電子化學品、電子氣體、靶材、光刻膠等材料供應仍高度依賴進口。
還有，我國目前大部分設備能夠支持的工藝不是最先進的水平，最高可以量產14nm級別的芯片，再高端一些的芯片絕大部分還是要依賴國外，需要進口。
這些歸根結底是國內裝備制造業的發展跟不上，無法造成芯片產業所必需的頂尖設備。20世紀90年代中期，我國形成了門類齊全、具有相當規模和技術水平的產業體系。但時至今日，我國裝備制造業與國際先進水平相比，我國裝備制造技術依然落后 5~20 年。這種發展的滯后，已經成為掣肘國民經濟運行效益提高、制約高技術及其產業發展、制約國防安全的瓶頸。
這主要在于：
第一，國家重視不夠及其戰略的失誤和滯后。 1956 年到 1976 年 20 年間，我國錯過了發展的黃金期，導致我國裝備制造業長期落后先進國家；
第二、我國裝備制造產業，一般低水平加工能力和普通機械產品生產能力嚴重過剩，具有國際先進水平的大型成套設備大部分卻不能制造，許多重大技術裝備仍然依賴進口；
第三、數控系統、發動機和關鍵部件是裝備制造業的薄弱環節。數控系統是裝備的神經系統，代表著裝備的自動化水平。關鍵部件和基礎元器件落后已經成為裝備制造業發展的瓶頸。
第四、自主創新能力薄弱。設備制造企業與使用企業之間缺乏利益聯結機制，除政府重點扶持企業外，其余處于萎縮狀態，自主創新能力嚴重不足。
博眾精工研究院認為：想要真正讓中國半導體行業崛起，必須同步將政策、投資向裝備制造業傾斜，特別是涉及半導體制造的裝備制造業傾斜，才能從根本上解決問題。
首先要再次明確的一點，中國要成為制造強國，實現偉大復興；而美國要打壓競爭對手保持自己在國際上的地位和優勢，二者之間的對抗是必然的。而芯片行業的發展，關乎未來國家科技發展的方方面面，是二者競爭的主要領域之一。那么，很明顯未來半芯片逆全球化將持續，甚至會成為常態。芯片行業將由供需競爭狀態，轉向國家科技競賽狀態。
硅基芯片方面，有個行業共識，就是國內的芯片產業在未來很長一段時間都將處于追趕狀態。那么，要實現真正的彎道超車，可能需要等待顛覆性技術的出現或產業發展賽道的切換。
（一）AI技術機會
在芯片設計方面加入AI技術的應用。有業界專家說，AI技術會給整個芯片行業帶來顛覆性變化。如果將AI應用于芯片設計的單個環節，能夠把經驗豐富工程師的積累融入EDA工具中，大幅降低芯片設計的門檻。如果將AI應用于芯片設計的整個流程，同樣可以利用已有的經驗優化設計流程，顯著縮短芯片設計周期的同時，提升芯片性能，降低設計成本。
在過去的二十多年，在摩爾定律下，芯片設計主要方向在晶體管的持續微縮，通過硬件固有架構增加算力。而隨著摩爾定律的逐漸失效，AI技術的不斷成熟，軟硬件聯合設計成為新的芯片設計趨勢。
采用具有AI技術的EDA工具來設計芯片，時間肯定會縮短，AI能夠縮短芯片設計周期的原因并不復雜，主要是讓AI先通過學習，有了知識的累積，在后續使用的過程中遇到相同或者類似的問題能夠以更快的速度解決問題，所以帶有AI的EDA可以節省芯片設計周期幾乎是一個定論。
AI應用于EDA有兩種形式，由于芯片設計是一個很長的復雜流程，整個過程中可能需要十幾個EDA工具，因此AI既可以應用于EDA點工具中來優化單個芯片設計環節，也可以用于整個芯片設計流程的優化。
當然，將AI與EDA工具融合不僅可以顯著節省研發時間，還能帶來芯片性能的提升和設計成本的降低。而且未來，從芯片的架構設計、制造以及封裝的全流程都極有可能會融入AI技術。
但需要引起注意的是：AI應用的底層支撐也需要芯片行業做支撐，如何解決雞與蛋互生的矛盾問題？
（二）碳納米管和量子芯片技術路線
另外一種方式就是換賽道，比如提前布局碳基芯片產業。用碳納米管制備的碳基芯片的綜合性能可以比硅基集成電路提高成百上千倍，這已成學界的共識。
碳納米管是1991年由日本科學家飯島澄男（S.Iijima）發現的。碳原子按照六角排布，形成一個單原子層，這就是石墨烯。而一個矩形的石墨烯條帶，長邊對接卷成一個卷，就變成碳納米管，直徑一般是一納米左右。碳納米管具有一些奇特的量子效應，使其電子學性能變得非常好，速度快、功耗低，可以說是目前已知材料中，碳納米管是做芯片最好的材料。
北京大學電子學院教授彭練矛團隊，從2000年至今，一直從事國產碳基芯片研究。22年來，他帶領團隊研發出了整套碳基芯片技術，首次制備出性能接近理論極限，柵長僅5納米的碳納米管晶體管，實現了“從0到1”的突破，為中國芯片突破西方封鎖、開啟自主創新時代開辟了一條嶄新的道路。
首先是突破材料瓶頸，掌握碳納米管制備技術。經過十年的技術攻堅，彭練矛團隊放棄了傳統摻雜工藝，研發了一整套高性能碳納米管晶體管的無摻雜制備方法。
碳納米管材料非常微小，肉眼不可見。光學顯微鏡看不到，只能用電子顯微鏡來看，同時，還要操縱它，讓它按照一定秩序排列。彭練矛之前做過大量電子顯微鏡相關研究，對于觀察和操縱“小東西”有一定經驗。2017年，團隊首次制備出柵長5納米的碳納米管晶體管，這一世界上迄今最小的高性能晶體管，在本征性能和功耗綜合指標上相較最先進的硅基器件具有約10倍的綜合優勢，性能接近由量子力學測不準原理決定的理論極限。
2018年，團隊再次取得重要突破，發展出新原理的超低功耗狄拉克源晶體管，為超低功耗納米電子學的發展奠定了基礎。同年，團隊用高性能的晶體管制備出小規模集成電路，最高速度達到5千兆赫茲。
2020年，該團隊首次制備出達到大規模碳基集成電路所需的高純、高密碳納米管陣列材料，并采用這種材料首先實現了性能超越硅基集成電路的碳納米管集成電路，電路頻率超過8千兆赫茲，躋身國際領跑行列。
彭練矛團隊基本掌握了碳納米管集成電路制備技術，在實驗室已可以采用碳納米管材料制備出一些中等規模甚至大規模的集成電路，但要用它做超大規模集成電路還不行。
要實現超大規模高性能集成電路，首先就需要在大面積的基底上制備出超高半導體純度、順排、高密度和大面積均勻的單壁碳納米管陣列。此外更困難的就是需要有專用的工業級研發線，而這樣一條研發線是其團隊所不具備的。在學?，F有的實驗條件下，能夠制作出的最復雜的碳納米管芯片的集成度只有幾千、最多幾十萬個晶體管，尺寸還是微米級的；而當下全球最先進的硅基芯片中有五百億個晶體管，每個晶體管的面積大小只有100納米左右。
尖端碳基芯片的專用設計工具同樣缺乏。目前，基于碳納米管的無摻雜CMOS技術已經不存在原理上不可克服的障礙，但僅在實驗室完成存在性驗證和可能性研究和演示，并不意味著碳基芯片技術就可以自行完成技術落地，具備商業競爭力。把學校的技術變成一個可規模生產的工業化技術，中間還要做很多工作。目前，碳基芯片的工程化和產業化還有許多問題亟待解決，還需要很長的時間和大量的投入。
但不可否認的是，碳基芯片替代硅基芯片是大趨勢，彭練矛表示，在國家重視且科研經費充足的情況下，預計3-5年后碳基技術能夠在一些特殊領域得到小規模應用；預計10年之后碳基芯片有望隨著產品更迭逐漸成為主流芯片技術。
而碳基芯片對全球來說都是一條新的道路，目前我國還處于相對領先的位置。所以通過發展碳基芯片，實現中國芯的“換道超車”，是很有可能的事情。
其次，量子芯片由于不需要光刻機，也被認為是實現彎道超車的機會。這方面，中國也一直處于世界領先水平。
比如，中科院郭光燦院士團隊，2018年2月，制備出世界上最大的三維集成光量子芯片，在國際上首次實現了半導體的三量子比特邏輯門操控；2021年6月，該團隊與中山大學、浙江大學等研究組進行合作，首次成功設計制備出了“魚叉”形的拓撲分束器結構。
另外，郭光燦院士團隊領銜的合肥本源量子，先后推出的本源6比特超導量子芯片“夸父KFC6-130”和24比特超導量子芯片“夸父KFC24-100”，其保真度以及相干時間等技術標準，都屬于國際一流水平。
2022年2月，國防科技大學計算機學院QUANTA團隊與軍事科學院、中山大學等國內外單位共同開發了新型可編程硅基光量子計算BD6236FM-E2芯片，實現了解決各種圖像問題的量子算法。 雖然這種新型量子芯片也采用了微納加工工藝，但由于生產原理的不同，它主要將大量的光學量子設備集成在一個芯片上。 一旦光量子芯片商業化成功，對7nm、5nm等工藝技術的研究將失去原有的意義，芯片制造領域將邁出新的里程，突破芯片制造被卡住的困境。
總而言之，不管是碳基芯片還是量子芯片，外界預估其量產時間都在3-10年之間。而想要實現這一目標，就要求與碳基芯片、量子芯片配套產業鏈一定要跟上，這其中裝備制造業占據著重要地位。
因為隨著芯片材質變了，那與之相匹配的設計軟件、制造工藝、生產設備等等方面，肯定會有別于硅基芯片。
目前這兩種芯片都還處于實驗室手工加工的階段。真正實現量產的制造設備，還需要各大裝備制造企業去花費大量資源和時間去探索，也需要大量國家政策方面的傾斜和社會資金方面的支持。
但目前在這兩個領域，中國和國外都處于同一起跑線。所以，中國能不能解決卡脖子問題，實現彎道超車；國外能不能在繼續限制中國在硅基芯片方面發展的同時，又在碳基芯片和量子芯片方面繼續圍堵，都要在未來的三到十年之間，逐見分曉。
博眾精工研究院認為：裝備制造是一切產品最終能成品應用的關鍵，這也是切換技術路線能否成功的重中之重。因此中國在半導體領域的布局應該堅持研發設計與裝備制造并重的路線，才能實現真正獨立的垂直產業體系和大規模國產化應用。
從中國在航天、通信、高鐵等領域的成功經驗看，有著巨大國內應用市場是無可替代的巨大優勢，加上有著成千上萬高度敬業、愿意日夜奮戰的中國技術研發和生產制造工程師，只要在技術路線上選對方向，相信中國半導體行業在未來的5-10年或將能實現更獨立完善的國內應用，并能在國際市場上擁有一席之地。
（本文作者衛龍騰、吉站來自博眾精工研究院）
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