華為如何在中國推出先進芯片并令美國感到驚訝

在2020年末，華為作為手機制造商正在為自己的生存而戰(zhàn)。

幾個月前，特朗普政府對這家中國公司進行了毀滅性的制裁，使其與全球半導體供應(yīng)鏈斷開聯(lián)系。

這些制裁阻止了沒有許可的人制造華為設(shè)計的芯片，公司正苦于采購新芯片以推出更先進的手機。

為此，華為決定通過與半導體制造國際公司（SMIC）的一項冒險協(xié)議來押注其670億美元的芯片和移動業(yè)務(wù)，SMIC是一家由國家支持的晶圓廠，以迎頭趕上全球領(lǐng)先的芯片制造商。

SMIC宣傳說它已經(jīng)找到了使用過時設(shè)備生產(chǎn)更先進芯片的方法。盡管這需要比華為之前的供應(yīng)商臺積電更長的時間，成本更高，而且可能行不通。但這是一個機會。華為聯(lián)系了SMIC，制造了一個新的智能手機“片上系統(tǒng)”，代號為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。

盡管面臨重重困難，根據(jù)各種測試團隊的說法，麒麟9000S的性能相當于高通1到2年前的芯片。

Mate 60在中國銷售一空，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，關(guān)于華為如何克服制裁生產(chǎn)芯片的困惑蔓延。美國國家安全顧問杰克·沙利文表示，美國需要“更多信息”關(guān)于麒麟9000S。

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

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國家支持的情況下，投入大量資源進行項目，并打開了先進人工智能芯片生產(chǎn)的大門。

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

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

效率較低的機器芯片制造中最廣泛認可的基準之一是7納米。盡管表面上是對工藝節(jié)點大小的引用，但這是用于生產(chǎn)驅(qū)動智能手機和數(shù)據(jù)中心的高性能芯片的先進技術(shù)的行業(yè)簡稱。

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

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

但是，盡管臺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）機器，行業(yè)專家和分析人士說。

一位熟悉SMIC技術(shù)發(fā)展路徑的半導體專家說：“起初是因為預算有限?！薄癊UV非常昂貴，而SMIC的先進工藝落后于臺積電，導致它沒有很多客戶和收入?！?/p>

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

兩種機器都可以實現(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機器重復了其他公司使用EUV機器的芯片制造步驟，以增加晶體管密度。但這對產(chǎn)量率產(chǎn)生了不良影響，產(chǎn)量率衡量了每個晶片晶片上的工作與有缺陷的晶片的比例。

據(jù)荷蘭光刻機制造商ASML表示，要在DUV機器上實現(xiàn)7納米，需要34個光刻步驟，而EUV只需要9個步驟。額外的生產(chǎn)步驟導致生產(chǎn)成本更高，產(chǎn)量更低。

隨著每一個額外的步驟，將會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訂購的EUV設(shè)備被阻止，據(jù)情況了解的三人說。

這種先進的光刻機受到華沙協(xié)議的限制，該協(xié)議是由40多個國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，SMIC設(shè)法從現(xiàn)有工廠和在華盛頓實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)線運行。

但這仍然使其沒有了ASML通常為高度復雜的機器的客戶提供的額外支持。一位接近SMIC的芯片公司高管說：“條件很苛刻。”“基本上沒有軟件更新，也沒有設(shè)備工廠的工程師進行維護服務(wù)?！?/p>

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)線運作所需的備件和技術(shù)服務(wù)，讓美國官員感到驚訝。

西方的制裁阻止了中國進口ASML的EUV光刻設(shè)備進行先進芯片制造。

行業(yè)知情人士接近SMIC承認，違反出口管制可能獲得了一些設(shè)備。據(jù)路透社報道，美國半導體設(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未回復置評請求。

不惜一切代價芯片制造商通常與芯片設(shè)計公司合作，在新設(shè)施中測試設(shè)備和制造過程。因此，例如，臺積電將與蘋果合作，生產(chǎn)其3納米處理線上的芯片。

對于SMIC升級的7納米生產(chǎn)線，華為是試驗的對象。但這家手機制造商為SMIC帶來了收入和認可，并在重新定義生產(chǎn)線的多個方面發(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還向國外尋求幫助。由于出口管制的原因，美國人被禁止為中國先進芯片制造商工作，但據(jù)兩位了解SMIC的芯片工程師說，它還雇傭了來自臺灣、日本、韓國和德國的專家，以提高生產(chǎn)力。

“這些海外專家?guī)砹怂麄儚钠渌A廠獲得的先進工藝的技術(shù)知識，”其中一位工程師說。

“7納米工藝有數(shù)千個步驟需要改進，”第二位工程師說?！吧踔猎谇宄康牧璩浚也坏貌辉诠S接電話，因為這可能涉及一兩項關(guān)鍵的改進?！?/p>

根據(jù)了解華為芯片設(shè)計團隊的消息人士的說法，當SMIC收到麒麟9000S的訂單時，它沒有一個團隊能夠幫助芯片設(shè)計工程師使其設(shè)計適應(yīng)不同晶圓廠的工藝規(guī)范。華為不得不獨自適應(yīng)。

麒麟9000S的生產(chǎn)產(chǎn)量仍然籠罩在神秘之中，華為和SMIC對此沒有發(fā)表任何公開聲明。在麒麟9000S危險的量產(chǎn)階段之前，該產(chǎn)品在生產(chǎn)早期階段的一個人說，麒麟9000S的產(chǎn)量達到了30%以上。

這個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，移動芯片制造的理想基準”。

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

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

下一步，人工智能Kirin 9000S在中國掀起轟動，使華為收回失去的市場份額。行業(yè)專家預測，它將增加基于Kirin芯片的智能手機的生產(chǎn)量；海通國際證券分析師杰夫·普（Jeff Pu）估計，到2024年底，可能生產(chǎn)高達7000萬部基于Kirin芯片的智能手機。

然而，中芯國際（SMIC）和華為已經(jīng)擴大了他們的雄心，制定了一個計劃，以增加芯片生產(chǎn)，以滿足華盛頓對向中國銷售高性能芯片實施的嚴格限制。

騰訊和阿里巴巴等中國互聯(lián)網(wǎng)巨頭的高管們已經(jīng)承認，他們在尋找高性能芯片方面面臨困難，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公司。

在2020年5月制裁開始之前，華為銷售的Ascend人工智能芯片是由臺積電（TSMC）制造的。現(xiàn)在，多個與該公司關(guān)系密切的消息源表示，該公司已經(jīng)恢復了產(chǎn)品線，推出由中芯國際制造的新設(shè)計的數(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、百度和美團等互聯(lián)網(wǎng)巨頭已經(jīng)購買了華為Ascend 910b芯片進行小規(guī)模試驗。兩位與中芯國際關(guān)系密切的人表示，該芯片工廠已經(jīng)開始擴大7納米生產(chǎn)能力，以生產(chǎn)預訂的華為芯片，并研發(fā)更先進的5納米工藝。

明年Ascend 910b的生產(chǎn)目標較2023年翻了一番，預計將生產(chǎn)超過20萬顆芯片，這兩位人士表示。

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

人工智能芯片比智能手機處理器更大，因此更容易由于生產(chǎn)錯誤而出現(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、日本和荷蘭實施的限制，預計中芯國際的生產(chǎn)擴張將比三年前更加困難。荷蘭和美國對中芯國際使用的深紫外（DUV）機器實施了出口限制，這是該公司為開發(fā)和生產(chǎn)先進芯片所使用的。

荷蘭光刻機制造商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)運往中國國內(nèi)客戶的出口許可證”。

但中芯國際的供應(yīng)商表示，該公司在美國加強出口限制之前收到了ASML的新一批先進的DUV，這意味著在未來兩到三年內(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年中芯國際備貨的美國和日本產(chǎn)品，” 其中一人表示。

然而，行業(yè)專家和分析師認為，中芯國際可能會在能夠制造先進芯片之前耗盡設(shè)備維護和材料供應(yīng)。

“一些零部件的庫存可能在兩到三年內(nèi)耗盡，沒有本土公司提供替代品，而通過黑市采購的份額很少，” 中國半導體行業(yè)獨立顧問萊斯利·吳表示。

他說：“組件限制沒有適當?shù)拇鸢?。如果庫存的零件在國?nèi)替代品出現(xiàn)之前用完，這將是一個巨大的麻煩?！?華為和中芯國際沒有回應(yīng)置評請求。

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

“穩(wěn)定的芯片供應(yīng)鏈是高性能計算系統(tǒng)的支柱...對于中國高性能計算產(chǎn)業(yè)保持發(fā)展勢頭至關(guān)重要，尤其是在持續(xù)的貿(mào)易緊張局勢和美國政府實施的限制之下，” 這位官員表示。

從2014年建立中國集成電路產(chǎn)業(yè)投資基金開始，北京通過國家資金培育了其微芯片產(chǎn)業(yè)。在過去的十年里，這個投資基金已經(jīng)積累了470億美元，并預計將再籌集410億美元，為中國追求技術(shù)自給自足提供更多支持。

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

這個龐大的投資背后的理念很簡單：擺脫對進口的沉重依賴，加強在全球供應(yīng)鏈中的立足點，并剝奪美國關(guān)閉中國工業(yè)和國防經(jīng)濟相當一部分的能力。

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

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

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

但是華為的長期目標不僅限于中國市場。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個體，而是為了北卡羅來納州的城市。消息人士表示，正在研發(fā)的其他移動半導體也在內(nèi)部以美國城市命名。

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