目前中国并非没有自研国产芯片，只是，未来的 3-5 年，中国也几乎没有 100% 完全仅由中国人打造出来的芯片。
华为和中兴被美国列入实体名单而陷于经营困难之中，让不少人觉得中国需要有自己的芯片。同时，智能手机竞争愈来愈竞烈，不少国产手机品牌为了加强竞争力，纷纷投入资金研发自己的芯片。
然而无论是国产芯片也好、自研芯片也好，当中需要大量技术和资金的投入，而且也不是一朝一夕就能实现。
今天，Odin 在这里绕过过于复杂的技术概念，从芯片的结构入手，分析中国自研芯片此刻在哪儿，未来又在何处。
芯片是什么？
要看中国的芯片业发展，先看看“芯片”其实是什么。
芯片 (Chips) 一个约定俗成的简称，它的全名为集成电路／积体电路（IC，Integrated circuit），是一种在半导体晶圆搭建的极小型电路。
图片修改自 The University of Colorado at Boulder via guitarstudionarodru。
芯片核心元件由大量的电晶体组成。电晶体是一个由本来不导电的半导体所组成，但改变电压后，半导体就会突然能导电（上图。电晶体通过这种瞬间切换“不导电／导电”的特性，能在极短时间，写入和擦除二进制数据（不导电 (0)／导电 (1)）。
上图是典型的“与”门 (AND Gate) 电路，只有两个开关同时被打开，才能输出数据。
工程师会使用电晶体的电子“开关”特性，设计出能用电路表达逻辑关系的逻辑闸 (Logic Gate)， 然后再通过不同的表示方式和逻辑闸，结合成各种计算单元：例如电脑的加法，就是一个与门 (AND gate)（上图） 以及异非门（XOR gate) 组合而成。然后，我们再把这些计算单元结合，构建各种的电脑指令，存储和记算各种数据，并构建今天数字化的科技世界：
但现实世界非常复杂，无法单凭几个数字来表达和计算，所以芯片里需要极大量的电晶体，组合成海量的芯片指令，才能满足现实我们日常编程的需要－－根据资料显示，2019 年 iPhone 11 里像手指甲大小的 A13 芯片，藏有 85 亿个电晶体，2018 年，只有打火机大小的三星 128GB SD RARM 内存，里面藏有1,374 亿个电晶体。
因此，研发芯片的难点，在于“设计”和“生产”两大关键程序：包括如何把数以亿计的电晶体，设计成能既准确计算、又有高度效率的芯片电路（芯片设计），以及如何把如如此大量的电晶体电路，塞入手指甲大小的芯片（芯片生产）。
能同时提供上述两种芯片的公司，业内称之为 IDM （Integrated Design and Manufacture，垂直整合），例如像英特尔。不过，近年芯片工业变得十分专门化，专门设计芯片电路的公司，称作无晶圆厂半导体公司 (Fabless)，包括高通和华为。当无晶圆公司设计好芯片电路，就会专门生产芯片的公司代工生产，称作晶圆代工厂 (Foundry)。
芯片的设计有多困难？
我们先来分析很可能是整个芯片产业最核心、也许是最困难的部份：芯片设计。很多人都注意到苹果 iPhone 的手机规格相对较低（例如内存较少、处理器时脉较低等），但性能傲视同侪。个中的原因，很大程度是苹果在手机芯片设计上的优化所至。
芯片可以分为以内存或闪存为主的存储芯片，以及以微处理器为主的功能芯片。而功能芯片也有很多不同的种类：例如电脑使用的中央处理器 (CPU) 、无线通信用的基带芯片、数码音频使用的数字／模拟转换芯片、控制器使用的主控芯片 (MCU) 等。芯片设计师就要按不同场景的需要，在芯片里加入不同的硬件指令。
使用 EDA 工具设计芯片电路。图片来源：ittbank via 新浪财经。
然后，设计师把不同的芯片功能，编写不同的芯片指令，再通过专门的自动化电子设计工具 (EDA)转换为逻辑电路（上图），然后再进行电路布局与绕线，形成海量的芯片电路图。最后，设计师还要把多层的电路图，像乐高积木一样的一层一层上下叠加，在多次检测和修改后，才算基本完成。
芯片设计之难，在于芯片设计时需要使用非常底层的硬件描述语言，这种机器语言充满一大串 0 和 1，与人类思考方式差异巨大，很难识别和记忆，且容易出错。坊间能写机器语言的工程师本来不多，芯片设计师就更少了。
所以，设计芯片公司的首要工作，就是要招到足够的人才。2008 年，苹果用 2.78 亿美元收购芯片设计公司 P.A.Semi，分析师 Nathan Brookwood 就指这家公司的芯片架构与苹果不匹配，因而指出：
苹果可能只需要 P.A.Semi 的人才，但当中拥有苹果需要范畴的能力，可能只有 100 人左右。换言之，苹果在每一个人才身上花了 270 万美元，绝对是一笔非常高昂的猎头费。
要通过如此艰黠的编程语言，让数以亿计的电晶体，正确合理地构建成数庞大的电气网络，工作量本来就十分巨大而复杂，还要从中想办法提高效率、降低功耗。编写难度本来就很高，犯错概率就自然大了。所以，芯片设计完成后，不可能立即量产，更需要花费大量人力、物力和时间，反复测试和检查各种软件、硬件的兼容性，再进行俗称流片的少量试产环节。
问题是流片成本极为高昂，如果芯片设计出错，就会凭空造成巨大损失。根据芯智讯的消息指，小米在 2017 年开始研发高端的澎拜 S2 芯片，花了不少时和经费来研发，仍然 5 度流片失败，估计烧掉 2,000 万美元。即使最后成功量产，这颗花了大钱研发的高端芯片，也会沦为中端级别的普通芯片。
iPhone A13 芯片同时整合了中央处理器 (CPU)、图像处理器 (GPU) 和神经元处理器 (NPU) 等。图片来源： AnandTech。
此外，由于近年智能手机市场竞争愈来愈激烈，对手机芯片性能的要求也愈来愈高，故此，近年手机采用均采用了新式的芯片设计：SoC （系统芯片，System-on-the-Chips），就能把不同芯片的功能，整合在同一芯片上面（上图）。本来芯片封装是在芯片生产的流程之一，但 SoC 封装却需要在芯片设计时，直接把不同芯片的电路，与手机芯片的电路，设计在同一块芯片里。
通过 SoC 设计，就能以一块芯片，实现多块芯片的不同功能，不但能节省手机珍贵的空间，也能让手机的电路更紧凑，除了能提升性能，也能减少发热和功耗。
但是，手机厂商在采购手机芯片时，也把大部份手机的功能元件一并打包采购，因此，SoC 芯片设计导致没有芯片设计能力的厂商难以实现差异化，逼使他们为了增加自家产品的竞争力，陆续加入自研芯片的“烧钱”行列。
“中国芯”就只有手机芯片？
那目前中国的芯片设计水平到什么地步了？
根据 IC Insights 的数据，2008 年中国的芯片市场总值 510 亿美元，在 10 年后的 2018 年，上升 3 倍至 1,550 亿美元。而中国自研芯片业也由 2008 年的 49 亿美元，增加了 386% 至 238 亿美元。而国产芯片占中国芯片市场的份额，也由 2008 年的 9.6% 增至 15.4%。
虽然说国产芯片产量增长速度很快，但仍然远远赶不上中国芯片产业的需求增幅。
图片来源：创业邦。
从芯片的类别看，根据 ittbank 的说法，目前中国设计的芯片主要以低价切入市场，再不断迭代产品走向中高端，但目前而言，只能在低端芯片和少数领域可以做到自给自足。
从芯片的发展分类来说，中国的自研芯片当中，就只有移动处理器（手机芯片）和人工智能芯片，才能站在全球前列位置（上图）。而其余显示芯片、模拟芯片、或控制芯片等，国产率不但相对地低，竞争力也不足。
中国自研的手机芯片发展快速，其实与采用自研手机芯片的华为手机，在全球范围份额快速增长，有着巨大的关系。但不少媒体却就着华为手机芯片的“自研”成分，争议不休，但是，千万不以为我是说华为的手机芯片，根本没有自家的核心技术，所以不是国产，原因在于：
中国芯片产业发展，大多集中于手机芯片，但偏偏手机芯片并不存在完全自研的可能性。
手机芯片、更正确的说法是“手机上的应用处理器芯片” (Application Processor, AP)，可以算是芯片研发当中最困难的部份。而其困难并不完全因为技术，而是生态系统。
因為应用处理器需要通过作业系统，与 App 开发者沟通和编程，所以设计处理器的芯片时，必须从芯片背后的整个生态来考虑。设计师要设计手机芯片，就必须考虑手机作业系统和相关的应用，是否能与芯片兼容，否则你的芯片即使全球最快，也不会有人愿意使用。
市面上有多种常见的指令集架构，但当中主流就是美国英特尔的 x86、以及英国的 Arm。对于国内开发者说，x86 主要用应用于 Windows 的电脑平台，而 Arm 则用于 Android 的手机和平板电脑平台。你的芯片是否支持目前上述主流的作业系统和其应用生态？完全取决于芯片的指令集架构。
华为的手机芯片，均基于 ARM 指令集架构。图片来源：芯智讯。
如果自研芯片没有这些指令集，要使用相关的作业系统和应用，不但在开发上更为困难，用户体验也不佳。只要你想生产 Windows 设备或 Android 手机，几乎不可能不向美国的英特尔、或英国的 Arm 申请相关的指令集授权。
因此早前虎嗅就曾报道指，华为被列入实体清单后，就陷于无法再用 Arm 指令集架构的危险之中，所以 Odin 才说：手机芯片并不存在完全自研的可能性。
但即使排除了 Arm 的生态问题，中国手机芯片的“自研”程度，仍然没有我们想像中的高。而当中的故事，更比一般人想像的更为复杂。
手机芯片真的是“中国芯”？
处理器芯片的设计架构，被称为微架构，也是手机芯片设计当中最核心、但也是最困难的技术。目前能推出完全自研的微架构的 Arm 手机芯片，目前就只有 Arm 和苹果等少数几家，iPhone 芯片能如此强横，是因为苹果拥有设计处理器的微架构能力。早前舆论指华为手机芯片不算自主研发技术，也是因为他们采用的是 Arm 所提供的“公版”架构，来制造“自家的手机芯片”。
所谓的“公版”架构，是 Arm 公司为了方便芯片公司开发而提供的处理器微架构。高通、三星和华为这三家著名的芯片公司，其实也是修改“公板”微架构，推出自家架构的手机芯片。但尽管他们均拥有优秀芯片设计能力的公司，但根据媒体表示，这几家公司所设计的微架构，仍然难以追上 Arm 的水平，最终放弃自研的微架构，回归“公版“。
毕竟本来也没有几家公司，有能力自主研发应用处理器的微架构，其他公司使用 Arm 公版架构，也不代表他们就没有自家的核心芯片技术。
我们早前已经说过，今天的手机芯片均采用了 SoC 系统芯片封装，一块手机芯片里面，拥有多种芯片的功能板块，而不是只有处理器一个版块。尽管应用处理器微架构技术难度极高，但其他版块也一样需要专门的核心技术（上图）。如果把手机芯片看是成汽车，那应用处理器微架构，就好像汽车里面的发动机，占有最重要的地位。但汽车仍然需要底盘、变速箱、悬挂各种技术的搭配，才能行走。
不少自研手机芯片的公司，除了采购别人的芯片技术之外，也会集成了自家独有的芯片技术。英伟达的 Tegra 芯片就集成了自家的图像处理芯片，例如高通的骁龙芯片里，就拥有自家研发的 Adreno 图像芯片，以及高通独步天下的基带。
那中国的核心芯片技术在哪里呢？国产手机芯片里以华为和紫光展锐为主力，他们的芯片同样集成了有自家的基带和人工智能技术，而基带和人工智能技术，这也正是目前中国芯片业里最具竞争力的核心技术，不过，这同时反映了中国其它芯片方面的技术，仍然远落后于欧美列强。
那如果没有自家芯片模块，但又推出自家芯片的公司，还能算是自研芯片吗？
先前 Odin 提到，手机的不少功能，全部被打包在手机的 SoC 芯片里，如果手机公司采购别人的芯片，就很难现差异化技术，不利竞争。因此，手机公司也纷纷为了加强竞争力，即使本来没有自家的芯片技术，也开始通过研发 SoC 封装设计，自定义手机芯片的功能。
图片来源：中文百科。
以老牌芯片设计公司联发科 (MTK) 为例：当其他公司均基于公版架构，开发 4 大核+ 4 小核设计的手机芯片，但联发科却偏偏笔走偏锋，推出使用 8 个公板小核心的 MT6592（上图），后来更进一步，推出 10 个公版核心的 Helio X20。尽管不少人质疑联发科这种堆核心数的做法，是否真的能提高性能，但他们最少通过自定义核心数，赚到足够卖点。
尽管只是做 SoC 封装，但芯片公司要把不同的芯片功能，整合在同一块芯片里，仍然需要高度的芯片设计能力。根据媒体消息指，小米在 2016 年研发澎湃 s1，尽管只是公版架构，但仍然要累计投入10 亿元人民币，并聘用了100 多个人专门研发芯片。雷军自己也承认：芯片行业 10 亿人民币资金起步，整个投入可能要 10 亿美金，而且可能 10 年才会有结果。
也许手机芯片的 SoC 封装技术，在芯片设计里已算是最简单的技术，仍然是一门不能不掌握、但同样不容易掌握的技术。对于中国芯片产业来说，已经是一个巨大的进步。
要知道难以承担研发风险、或是无法自研片的手机公司，就只能与芯片公司合作，为所采购的芯片进行深度定制。据消息指出，vivo 目前就通过与三星合作，深度定制 Exynos 980 芯片，免得老是与别人力争“骁龙 865 首发”。
芯片生产：同样的困难，不同的难点
当芯片公司完成相关的芯片设计和检测后，就会专门生产芯片的晶圆厂代工生产。生产芯片的最难大关，是如何把数以亿计的电晶体，塞进手指头大小的芯片裸晶里，必须要通过纳米 (nanometer) 级别的生产制程（1 nm ＝0.00001mm）。晶圆厂一名称的由来，是因为他们会把芯片的主要原材料半导体材料（例如硅）制作成一片片的晶圆 (Wafer)，而晶圆，就是芯片的核心材料。
图片修改自台积电 via How To Asia。
要用纳米制程生产芯片，不可能使用一般的机器，而必须用刻蚀的方式来处理。晶圆厂会先把会先把设计好的芯片设计图，通过光学方式转换成微缩光罩，再用光刻蚀手段刻写到晶圆（上图），然后再进行离子注入、电镀、抛光等等各种复杂的工序，最后经切割、封装和测试后，才成为能用的芯片。
看不明白？没关系，这十分正常，大家需要知道的重点是：生产芯片，和设计芯片一样困难。但生产芯片的困难，又和设计芯片不尽相同。
设计芯片需要大量的技术人才、需要投放大量的时间和精力，但又可能得不到任何成果，但生产芯片需要投放大量的成本，并尽可能增加产能，结果可能赔了夫人又折兵。个中关键，在于生产芯片需要大量的高科技硬件和完善的厂房，所以需要投入远远比设计芯片要多的资金。
要知道早年 Google 花了 127 亿美元收，收购摩托罗拉移动，但根据据解决方案公司 Applied Material 的说法，目前兴建一家晶圆厂的投资成本，大约需要 100 亿美元，差不多足以收购一家国际级手机公司 。而苹果收购芯片设计公司 P.A. Semi，才花了 2.78 亿美元。但早前中兴国际早前购入 ASML 最先进的 EUV 光刻机为例，花了10.2 亿美元，足够买 3 间芯片设计公司。
由于开设晶圆厂需要花费巨大的投资，晶圆厂必须尽可能通过扩大产能和销售额摊分巨大的固定成本。晶圆厂是否运营良好，视乎芯片的产能和销量，但与芯片的增长和销量，却有着互相对立的关系。
根据天蝎金融的数据，一台价值 10 亿美元的 ASML 7nm 光刻机，如果按照每小时处理晶圆 125 片计算，每一片 8000 美元，每小时的产能就达到 100 万美元，如果一天 24 小时不停的运转，理论上一年的产能就可以达到 87.6 亿美元，轻松回本。问题是：你的晶圆厂真的有这样的产能和销量。
在芯片行业有所谓的摩尔定律：当价格不变时，集成电路上可容纳的元器件的数目，约每隔18-24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。由于电晶体数量会影响芯片的性能，体积会影响发热量，所以每家芯片公司，都在追逐摩尔定律，争取更小的制程，在芯片里塞更多的电晶体。
所以，近年的晶圆厂都已经发展到比细菌还要小的纳米级别制程。但纳米级生产容错率极低，不要说一条头发、一颗微尘就能毁掉一颗芯片。想像一下：新冠病毒直径为 80-160nm 左右，但晶圆厂领导者台积电的制程为 7nm ，这意味着要进行这种比病毒更细小的量子等级生产，这会使电晶体的物理性质极不稳定，很容易因为出现“量子隧穿”现像而漏电，并毁掉芯片。
2019 年单片晶圆价格预估（ 等价 8 寸片计价， 美元）图片来源：智东西。
愈来愈激烈的制程战争，不但增加了生产难度，也降低了良率，并影响产能。为了改善良率，晶圆厂又要进一步加大研发投资，使成本更高（上图），回本期也会变得更长。
芯思想的资料指出，台积电在 2012 年至 2019 年 8 年间研发费用，合计约 195 亿美元，当中绝大部份被用于能改善漏电问题的 FinFET 工艺。但新工艺的良率，往往也只有 60% 左右，进一步使投资回报期变得更长。
中国晶圆厂的现况：要不要继续砸钱？
晶圆厂的投资如此巨大，投资回本期也长，这也使晶圆代工产业门槛极高，很容易出现强者恒强的局面，落后了的、新进场的芯片公司，十分难以追上进度。
图片来源：芯智讯。
也因为如此，先前晶圆代工产业一直也在少数巨头的寡头垄断局面（上图），一家台积电就占了晶圆代工收入的 50% 以上分额，台积电、三星、格罗方德、联电四大巨头合起来的份额，就占了全球 85% 以上的晶圆厂收入。
但尽管如此，全球四大晶圆厂当中，除了台积电和三星活得还算滋润，其余两家老牌晶圆厂，也开始放弃高端市场。根据智东西的资料，格罗方德在 2018 年宣布放弃 7nm 研发，联电在 2018 年宣布放弃 12nm 以下的制程。
但偏偏在这个时候，中国大陆的芯片企业却疯狂投资晶圆产业。其中一个原因，是中国市场对芯片需求愈来愈高。先前引用过 IC Insights 的数据，2008-2018 年 10 年之间，中国的芯片市场增加了 3 倍，是目前全球第二大的市场。而且，目前中国品牌手机控制了全球手机市场的逾半的份额，如果能在政策推动下，中国市场能成功国产化，潜力将十分巨大。
但尽管大量资金投入，除了能快速加强竞争力，也可能变成一个无底洞。当联电决定放弃 12nm 以下制程时，共同总经理王石就表示先进制程战争中，他们的客户群缩小了，但产能投资成本愈来愈高，所以很容易在赶上最新制程时，却已过了价格最高的黄金时期。
而这种情况，很可能会发生在中国的晶圆产业身上。
图片来源：我为科技狂。
中芯国际是目前中国最先进的芯片公司，而且在制程上追赶速度急速。但是，他们在 2015 年开始研发 14nm 制程，到了 2020 年才开始量产，比三星和台积电均迟了 5 年，取得新的 EUV 光刻机后，也马不停蹄地计划在明年量产 7nm 芯片，然而，仍然比台积电晚了两年（上图）。
事实上，中国大陆的晶圆代工产业尽管已占了全球 7.3% 的份额，但大多是属低端玩家，国产芯片产业占据的市场，就只有技术要求较低的芯片封测部份。就连号称国货之光的华为麒麟 990 芯片，也不是中国大陆的晶圆厂所生产。其主要原因，是根本没有中国大陆晶圆厂能提供能与苹果 A13 或高通 855 一拼的晶圆制程，因此，华为想保持麒麟 990 芯片有足够竞争力，就不得不找更先进的晶圆厂。
愈高价的芯片市场，市场竞争愈激烈。晶圆厂要脱颖而出，更需要交出比别人更先进的制程。因此，没有先进制程，就没有好的价格，但没有好的价格，晶圆厂的投资回本期又会变得更长，然后新一代制程又来了，你的晶圆厂又会进一步被抛离，构成一个恶性循环（上图）。
但如果为了营收，让国内芯片厂商专注于落后制程的芯片生产呢？
更低的代工价格，不但进一步拉长回本期，而且中国手机企业均处于激烈的竞争环境，要不只能弃用国产芯片，继续找海外晶圆厂代工，否则就只能为了一圆中国芯片梦，牺牲自己产品的竞争力。如果要继续砸钱投资？投资成本增加了，什么时候回本，已经很不好说，现在还碰上新冠肺炎爆发，对产品需求和技术研发均带来严重影响。
芯片之路并不好走
总而言之，无论是芯片设计或是芯片生产，任何一条路都不好走。由于芯片发展之路非常艰巨，以往的全球科技企业，均通过不同程度的分工，分担各种不同的任务。
尽管美国已经是芯片产业大国，但苹果的 iPhone，仍然要找索尼买 CMOS 芯片，高通的芯片，也要找台积电和三星代工，可见芯片产并不是能以一国之力就能完全覆盖的产业。
但与此同时，中国芯片业目前的贫弱，也完全难与匹配其全球其中一个最重要的科技市场的身份。尽管日本或南韩等国，也不一定能实现科技自主，但其上游科技产业的发展，仍然能为本地的科技产业带来充足的支持。
中国作为一个在芯片产业上的落后者，在贸易战的阴霾下，不得不重新考虑芯片自主的问题。但这也是一个良机，让中国的上游科技产业能，能成为中国科技市场的强力后盾，并进一步通过市场力量，推动中国的技术发展。
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