美日韩在芯片领域的霸主地位是如何一步步建立起来的？
华为海思2009年推出首款麒麟芯片。虽然当时反响一般，但打出了麒麟腾飞的乐章，每年都有不小的进步:麒麟925带领Mate7进入高端阵营；麒麟955帮助华为P9销量突破千万...自主研发的芯片成为华为手机脱离国产友商的最大武器。
然而，2020年8月7日，麒麟系列高端芯片被迫提前退役。余承东表示，最先进的麒麟990和麒麟1000系列不会在15年9月之后生产，华为Mate40将成为麒麟高端芯片的绝唱。绝版的原因很简单:由于美国的禁令，台积电将不再为华为工作。
台积电也不是没有挣扎过。世界上很难找到一种高科技工艺。台积电实际上拥有强大的话语权，几周前刚刚超过英特尔成为全球最大的半导体公司。因此，面对美国的禁令，台积电也进行了斡旋，但只要美国提到一家公司的名字，台积电的高管就能被吓出一身冷汗。这家公司是福建金华。
福建金华成立于2016，目标是在内存条领域实现突破。福建金华是IDM集成工艺，就是设计、制造、封装都要做。一旦产品落地，中国大陆整个半导体工艺将得到提升和改善。金华一期投资370亿，还与台湾省第二大代工厂台联电进行技术合作。
R&D人员日夜奋战。成立一年多后，金华建成12寸生产线，准备投产。没想到，迎来了资本主义的铁拳。
2065438+2007 65438+2007年，美国美光科技以窃取知识产权为由，立即开始攻击金华，金华也不甘示弱。双方分别在中国福州和美国加州起诉对方。就在局势焦灼之时，虎视眈眈已久的特朗普政府于2018年10月29日发动闪电战:福建金华被列入实体名单，严禁美国企业合作。
禁令发布后，与锦华合作的美国公司应用材料的R&D支持人员当天打包撤离，另外两家美国公司科雷和林凡也迅速召回前来合作的工程师。更有甚者，欧洲的阿斯麦和日本的东京电子也暂停了对锦华的设备供应，原因是设备中含有美国原装。
金华员工回忆外资撤离的场景时总结道:“这些人只是给了我们说再见的时间。”
福建金华官网制作进度卡在2018试片制作日，没有更新，而产品页面直接显示“页面正在建设中”。去年5月10，英国《金融时报》报道称，金华已开始寻求租赁或出售自己的工厂。仅仅一轮，中国存储突破的种子选手就被击倒在起跑线上。
“实体名单”就像一张死刑通知书，可以瞬间让企业坠入地狱。美国制裁的决心和打击的力度让台积电不寒而栗，这也是有美国核心零部件和核心技术支撑的。同样，原本急于抢台积电蛋糕的三星也失去了下文；SMIC还含蓄地表示，它可能无法为“一些客户”签订合同。
为什么这些公司不愿意触碰美国的“逆鳞”？在半导体领域，美国真的独霸天下吗？其实并不是。
美国半导体产业产值虽然占全球47%左右，但在量上处于绝对优势；但是，韩、欧、日、中国、台湾省、中国大陆等“强人”也各有所长，与美国的差距并不是不可逾越的鸿沟。
比如韩国在存储芯片领域有压倒性优势，产值6543.8+0500亿美元，双强(三星和海力士)占据65%的市场；
欧洲模拟芯片领域有三驾马车(英飞凌、意法半导体、恩智浦)，从上世纪80年代至今从未跌出全球前20。
日本不仅拥有独一无二的图像识别芯片，以信越日立为首的几家公司也牢牢掌握了全世界半导体的上游材料。
中国台湾省在芯片代工领域甚至比美国更胜一筹，达到千亿美元的水平。台积电和UMC占60%的规模，以Sunmoon为首的封装测试代工厂也能抢50%的市场；
依托庞大的下游市场，中国大陆芯片设计领域近年来发展迅速。不仅诞生了全球十大芯片设计巨头华为海思，其整体芯片设计规模也位居全球第二。
从账面实力来看，这些公司甚至可以让芯片行业“去美国化”，共同打造一款没有美国芯片的手机。但是美国515禁止了，但是所有有实力的人都不敢跟。
“一超多强”的局面，似乎就像一只“纸老虎”。在美国的霸权下，众多半导体厂商分而治之可能是目前的“真相”。大家害怕的其实是美国握着的两把利剑:芯片设备和设计工具。这两把剑和日本的材料一起，构成了美日半导体争霸的强力三张牌:设备、工具、材料。
那么，美日手握的这三把剑有什么可怕的呢？如何才能俘获实力强大的科技巨头？只有理解了这些答案，才能理解华为的出路。
一、设备:芯片做的外脑。
对于一般行业来说，设备商就是个卖铲子的，基本上交钱就完事了；而半导体设备商就不一样了，不仅提供设备卖铲子，而且全程服务卖大脑，可谓是芯片厂商的外脑。
芯片制造成本高，只有把良品率控制在90%左右，才不会亏损。但是要知道，芯片制造是从一千道工序开始的，这就导致了即使每一步的合格率都是99%，在0.9*0.9的多次积累下，最终的良品率也会趋近于0。所以为了不赔钱，每一步的通过率都必须控制在99.99%，甚至99.999%以上。
为了达到这种情况，设备的复杂程度极高。就目前最先进的EUV光刻机而言，单个设备就有10万多个零件，4万个螺栓，3000多条线。只有软管加起来有两公里长。如此庞大的设备重达180吨，一次装运需要40个集装箱、20辆卡车和3艘货轮。
更重要的是，即使设备买回来了，也远不是把它收起来插上电源当电视冰箱那么简单。一般来说，调试和组装一台高精度的光刻机需要一年时间。零件的组装，参数的设定，模块的调试，甚至螺丝的松紧，外界的温度都会影响生产效果。哪怕一英里外有地铁经过，大部分设备也会集体失灵。
这也是所有精密仪器的“通病”。比如十年前，北京大学12高精度实验室价值4亿元的仪器突然出现故障，原因是地下13.5米的北京四号线穿过北大东门，产生1赫兹到10赫兹的振动，北大高精度实验室不得不集体搬家。
所以每次半导体制造设备启动一段时间，都需要联系专门的原厂服务人员进行现场调整。荷兰光刻机巨头阿斯麦·阿斯麦曾经有一个客户想要更换光学设备；由于当时阿斯麦的工程师无法出国，他们邀请客户中的优秀员工到公司学习。花了将近两个月的时间，才掌握了更换个别零件的技巧。
因此，阿斯麦和应用材料等半导体巨头不仅出售了他们的设备，还在中国建立了一支约2000人的庞大支持团队。其中，应用材料的第二大收入是服务，占收入的25%以上，并且在稳步增长。
设备厂的可怕之处在于，它不仅通过“一代设备、一代技术、一代产品”来决定工厂的制造工艺，还通过售后服务将工厂牢牢地握在手中。随着技术越来越精良，设备厂商的话语权进一步提高。
设备厂商的实力在利润上可以明显体现出来。五年来，芯片厂商的头部效应越来越明显，但上游设备厂商的净利润率大幅提升:泛林利润率从12%提升至22%，应用材料从14%提升至18%。代工厂要客户欺负店，根本不存在。
正因如此，60年来，美国一直在用各种手段确保自己在装备领域的绝对统治地位。
根据2019全球顶级半导体设备制造商排名，全球前五大半导体设备制造商的行业收入占全球的58%。其中，美国占三席；另外两个席位，一个是日本的东京电子，一个是荷兰的阿斯麦，碰巧得到了美国的支持。
具体来说，应用材料公司(AMAT)、泛森林公司(林)和科雷公司(KLA)都是有着深厚根基的美国企业。
其中，潘麟在蚀刻机的市场份额高达50%。应用材料不仅在蚀刻机领域与林凡平分秋色，在离子注入、化学抛光等子设备环节也占据半壁江山，甚至高达70%。科雷在半导体前端检测设备领域占据50%以上的市场份额，在镀膜测量设备市场份额达到98%。
光刻机巨头阿斯麦，看似一家荷兰企业，实际上有一颗美国心。早在2000年左右，光刻机市场还处于DUV(深紫外)光刻阶段，日本尼康才是真正的霸主。然而，在EUV(极紫外)阶段，尼康被美国淘汰。
原因很简单。EUV技术正处于巅峰:从传统DUV到EUV的飞跃，意味着光源从193nm急剧缩短到13.5nm，这需要20KW的激光以每秒5万次的频率轰击20微米的锡滴，将液态锡汽化成等离子体。这相当于让乒乓球在飓风中以每秒5万次的频率打一只苍蝇两次。
当时，世界上最先进的EUV·R&D机构是由英特尔和美国能源部领导的EUV有限责任公司联盟。能源部下属有摩托罗拉、AMD、IBM和三个国家实验室，可谓集合了美国科研的精华。可以说，只有加入EUVLLC联盟，你才能拿到去EUV的机票。
当时美国视日本半导体为敌，自然拒绝了日本尼康的入盟请求，而阿斯麦则承诺55%的零部件从美国供应商处采购，并接受定期审查。这才进入美国的游戏，从后起之秀变成了“皇帝之花”。
美国不仅打开了Asme的大门，还送了一份大礼:阿斯麦获准收购美国领先的掩膜技术公司硅谷集团、美国光刻检测和解决方案商Brion、美国领先的紫外光源公司Cymer等等。阿斯麦的科技心脏和R&D的身体都打上了星条旗的烙印。这不是由美国决定的。
早年，东京电子只是美国半导体的鼻祖仙童的设备代理商，后来与美国Thermco公司合资生产半导体设备。直到1988，东京电子才成为日本独资公司，但也流着美国公司的血。
所以2019年6月，面对美国第一轮禁令，东京电子表示:“我们不会和那些被禁止和应用材料、林凡做生意的中国客户做生意”，义正辞严，可见美国设备商进退两难。
到目前为止，依靠多年的“时间积累”和超高精度的“技术”，美国在装备领域形成了坚定的主动权。但是，无论是时间还是技术，都不是后来者可以一蹴而就的。
二、EDA(设计软件):生态网络效应下的“金绳”
如果说设备是芯片生产的利剑，那么EDA无疑是芯片设计的“金绳”。虽然不致命，但能让“孙悟空”束手束脚，无处施展。
EDA的“金绳”分为三部分:第一，它是芯片设计人员的“PS软件+素材库”，可以让芯片设计从几十年前在图纸上画线的体力劳动变成软件中“材料排列组合+敲代码”的脑力劳动。而且，只有指甲盖大小的芯片，也有数十亿个晶体管。这种工程量，没有EDA根本不可能。
在20年前英特尔奔腾处理器电路图的一角，目前的晶体管密度已经增加了1000多倍。
其次，EDA的奥秘在于其丰富的IP库。经常使用的功能会被标准化成可以直接调用的模块，不需要设计公司重新设计。如果说芯片设计是大厨的厨艺，软件就是厨具，ip就是材料包。
事实上，EDA巨头往往受益于对其IP的垄断。比如Cadence有大量的模拟电路IP，也是模拟和混合信号电路设计之王；Synopsys的IP库更倾向于DC合成和PT时序分析，所以Synopsys是数字芯片领域的佼佼者。
在全球排名前三的IP公司中，EDA公司占了两家，总市场份额为24.1%。在新思科技历年的营收中，IP授权是仅次于EDA授权的第二大业务。
EDA的另一个重要功能是仿真，即帮助设计的芯片查漏补缺。毕竟一部电影(试产)的成本高达数百万美元，相当于一个小型设计公司半年的利润。业内广为流传的一句话:设计不仿真，两行泪。
根据加州大学一位教授的统计计算，2011一个SoC的设计成本约为4000万美元，但如果没有EDA，设计成本将飙升至77亿美元，增长近200倍。
因此，EDA被称为半导体中的最高级别。虽然全球产值只有100多亿美元，但却可以影响全球5000多亿的集成电路市场和数万亿的电子产业的发展。
EDA如此高效易用，那么自主在国内的地位如何？可惜比操作系统还尴尬。
中国最大的EDA制造商华大九天在全球的份额几乎达到65，438+0%，而新思科技(新思科技)、凯登仕(邓凯电子)和门拓图形(明道科技，2065，438+06年被西门子收购)的市场份额超过80%。
这就导致了虽然中国芯片设计世界第二，但芯片设计在美国的指挥下将面临“工具危机”，巧妇难为无米之炊。但是，既然软件已经付费了，老版本就不能用了吗？
可惜不能。
因为有一个由EDA厂商、IP厂商、代工厂嵌入的生态网络。EDA不断更新。新版本对应于更新的IP库和PDK文件。PDK作为一个工艺设计包，包含了芯片工艺中的电流、电压、材料、工艺等参数，是代工生产的必备数据。新EDA、新IP、新技术相互促进、相互融合。
所以用老软件会处处“脱节”:设计时拿不到最新的设计IP库，找代工厂时配不到最新的EDA和PDK。长此以往，技术越来越落后，合作伙伴越来越少。但是既然EDA只是0101的代码，找一些破解团队的专家不是很好吗？
可惜，这几乎是不可能的。
每一个EDA软件在出厂时都会嵌入一个Flexlm加密软件，将EDA和安装的设备一一锁定，包括主机号、设备硬盘、网卡、使用日期等信息。Flexlm的密钥长度是239位，所以很难暴力破解。如果用Intel的高性能CPU来破解，大概需要4000核年，也就是说用一个40核的CPU需要1000年。
当然，你也可以用分布式的方式继续增加CPU的数量，减少时间。但即使破解成功，到了一个全新的IP库门口，也会被EDA厂商通过“修改时间、文件大小、确认IP来源”再次验证，然后被拒之门外。有一种挖了一百年地下隧道，却撞上一块石头的酸酸感觉。
破解效果不明显，也与我国知识产权保护的态度相悖。所以还是要靠华大九天这样的公司来发展自己。那么，这个出口有多宽呢？其实简单写一套软件并不难。关键是要有大量丰富的IP、PDK，以及上下游产业的支持。单一的突破不一定有效果，需要军团的全面突破，这不是一朝一夕可以实现的。
三、材料:工匠精神的最后堡垒
2019年，日韩发生冲突，双方都很僵。然而，在日本切断了韩国的几种半导体材料后，没过多久，韩国三星的掌门人李在镕就飞到日本要求让步。后来，他甚至去了比利时和中国台湾省，试图绕道购买或收集一些股票。
按理说，韩国也是半导体强国，三星是设计制造领域的大户，但在几个亿美元的材料面前却一直尴尬。
素材真的那么难吗？讲真，半导体原料非常丰富，比如硅片用的都是地球上的沙子。但要实现半导体的“材料自由”并不容易，需要打通“纯度”和“配方”两条脉。
纯洁是一条没有尽头的路。我国已实现自产光伏硅片，一般纯度为6-8九，即99.999999%，但半导体硅片纯度为11九，且仍在提高。小数点后超过3到5位表示杂质含量相差1000到65438+百万倍。
这个差距有多大？假设光伏硅片中含有的杂质相当于操场上洒了一桶沙子；那么半导体硅片的要求就是两个足球场那么大的面积只能容纳一粒沙子。
那么，为什么杂质含量一定要降到这么低呢？因为原子的尺寸只有1/10 nm，所以即使硅片上只出现几个原子的杂质，也会完全堵塞一个电路通道，导致芯片局部失效。如果杂质含量较高，甚至会混入硅原子，直接改变硅片的原子排列结构，彻底改变硅片的导电性。
蚀刻后的硅表面和锡颗粒就像金字塔后面升起的明月。
要达到这样的纯粹，需要科学与技术的完美结合。
一方面需要大量的基础科学仪器来辅助。比如材料生产过程中，设备本身会有金属原子渗入影响纯度，所以需要持续改进。纯度也很难确认。就像特殊气体一样，需要特殊仪器来检测1亿的杂质能级(PPB能级)。要达到这个难度，不仅需要半导体公司，还需要奥林巴斯等光学公司的帮助。
另一方面，从实验室到工厂车间也需要工艺积累。材料制造，不仅对生产设备要求高，而且工厂里的地垫、拖把都是高级专用用品。而且生产车间的温湿度差异也会影响材料的纯度，所以要反复尝试才能达标。
纯度高只是第一步，复合材料(如光刻胶)的配置才是不可逾越的鸿沟。如果说“纯度”是一门艺术科学，那么“配方”就是一门玄学科学。
其实无论净化还是配置，基本理论原理和技术都不难。但如何选材、搭配，以达到极致效果，需要高度依赖经验法则，业内常称之为“诀窍”。
同样的材质，不同的比例会有不同的效果；就像我们用红黄蓝来搭配一样，不同的比例可以得到不同的颜色。即使是同样的配方，同样的工艺，在不同的湿度，温度，甚至光照下，也会有不同甚至深远的效果。
这些影响物质效果的参数是无法通过精确计算得到的，只能在实验室和车间里一次次的准备、实验、观察、记录和改进。有时候，可能需要几年才能得到10%的提升。但这10%的增幅，虽然只占据了几百亿的市场，却影响了万亿美元的半导体产业。
所以不管是净化还是配方，实际需要的是长时间的耐心待机和极度的专注。这不禁让人想起了日本寿司之神，他一辈子只做寿司，而一个徒弟只要拧个毛巾就能练五年。虽然在生活中，这种坚持看起来有点迂腐可笑，但其实在材料领域做的最好的还是日本公司。
SEMI的数据显示，2019年，日本企业占全球半导体材料市场的66%。在19种主材中，日本有14种，市场份额超过50%。在占产值2/3的硅片、光刻胶、电子特种气体、掩膜胶四大核心材料领域，日本有三项占总量的70%。在最新一代EUV光刻胶领域，三家日本公司申请了行业内80%以上的专利。
日本在物质生产能力上占有优势后，用服务把客户捆绑死。
许多半导体材料具有极强的腐蚀性和毒性。一位特殊气体的供应商曾描述说，一旦气体泄漏，仅用一瓶就可以消灭整个厦门的人口。所以芯片厂商只能把材料的运输、保存、测试交给“娘家”的材料供应商。
另一方面，材料虽小，但功能强大。半导体制造中几万块钱的材料不达标，生产线上几十亿的产品大部分都会报废，所以厂商只会选择有认证的、长期合作的供应商。新玩家几乎没有上桌的机会。
对于材料公司来说，下游用的越多，得到的反馈就越多，就有更多的案例支持和更多的验证机会来升级工艺，提高配比，从而进一步拉大与追赶者的差距。对于后来者来说，经营状况可以用一句话来形容:一步赶不上，每一步都是徒劳。
日本能取得这个成就，其实离不开日本“圣上管理”稻盛和夫在上世纪80年代规划的方向:在欧美先进国家不愿意转让技术的条件下，日本人别无选择，只能发扬自己固有的“改良改良特性”；各类企业要在各自的专业领域做到彻底，技术做到极致，不亚于世界上任何一个国家的任何一家企业。
这种工匠精神使日本得以抗美，成为小规模材料领域的霸主。
第四，从哪里突破？
我们在做工业研究的时候，有一种强烈的感觉，中国在美国的压力下，似乎处于一种被追溯到无限的绝境:
发现芯片卡脖子后，我们在芯片设计领域有了崛起的华为海思，但后来发现在代工领域还需要突破；SMIC在进攻芯片的代工制造时，发现需要在设备环节有所突破；中威公司和北方华创反攻设备，有所收获时，发现设备核心部位被打晕；当零件也取得进展时，发现芯片材料仍然卡在颈部。
当我们一步一步地继续追根溯源，我们发现一切又回到了任之前无数次强调的基础科学。
回过头来看，如果没有1703年建立的现代二进制，那么200年后的机器语言是不可能的；如果没有1874年布劳恩发现的物理整流效应，就不会有半个多世纪后晶体管的发明和应用；等离子体物理和气体化学是蚀刻机等关键设备的必要基础。
美国大学中，全球物理学科排名前十的有7所，全球数学学科6所，全球材料学科5所。基础科学的强大统治力成为美国半导体公司的力量源泉。
基础学科强的背后，是1957已经奠定的美国基础学科支持体系——高校基础学科财政支持；通过超级科技项目，引领应用落地。
在美苏争霸的时候，苏联发射世界上第一颗人造卫星刺激了美国的统治者，这也成为美国科技发展的重要转折点:
一方面，为了保持“美国领先”，政府开始直接给研究机构发钱。美国国家科学基金会(NSF)对大学基础研究的资助从1955年的700万美元飙升至1968年的2亿美元。2018年，NSF在基础研究上的花费高达42亿美元。50年的基础研究经费，美国联邦政府出了一半。
特别是NSF每年为数千名基础学科研究生提供奖学金，其中诞生了42位诺贝尔奖获得者。
另一方面，美国推出超级项目，将研发成果落地。1958年，美国国家航空航天局成立，挑战人类科技极限的阿波罗登月和航天飞机计划开始。
在研究需要250万个零件的航天飞机的过程中(作为对比，光刻机大约有654.38+万个零件，一辆车只有654.38+10万多个零件)，大量的前沿技术找到了自己的位置；这些在当时“冷门”的尖端技术，在条件成熟时转化为杀手级的民用产品(如人造心脏、由航天飞机零件诞生的红外相机)。
航天飞机的技术外溢并非孤例。用于医院核磁共振设备的超导磁体诞生于美国粒子加速器“Tevatron”的研发。美国的超级科技项目成为基础学科成就的试验田、训练场和民间转化泉。
事实上，通过基础研究掌握源头技术，然后一步步建立工业霸权，不仅是美国的专利，也是各个工业强国的选择，是面对美国压制的真正可行的办法。王侯将相宁有种子。避免“国内替代向上突破”的无尽陷阱，实现“基础研究向下溢出”。
事实上，日本也经历了我们面临的困难和压制。
80年代末，美国对日本半导体产业发动突袭:政治封杀、商业打压、关税压迫无所不用其极，尤其是培养了一个“新小弟”韩国来挤压日本的半导体产业。没几年，日本就从世界第一半导体强国的宝座上跌了下来。日本半导体引以为傲的三款机型松下、东芝、富士通的半导体部门相继售出。
面对美国的压制，日本选择进军高科技材料，用时间换空间，用匠心换自信。
1989年，韩国发力补贴存储芯片，日本通商产业省制定了投资16亿日元的“硅高分子材料研发基本计划”，重点补贴信越化学为首的有机硅企业。
1995年，在韩国发动第二次存储价格战前夕，日本东京华英(Tok)实现了KrF光刻胶的商业化，打破了IBM在美国长达10多年的垄断，并在随后的5年内，其产品技术成为行业标准和世界领先。
2005年，三星坐上了存储芯片龙头的位置，日本凸版印刷株式会社以765，438+0亿日元收购了美国杜邦公司的光掩模业务，成为光掩模龙头。
在韩国全力扩大产能，与其他下游半导体厂鏖战的日子里，日本一步步走上了材料霸权的宝座。从看似无解优势的美国人手里硬生生抢到了一把霸权之剑。
但日本的成功仅仅是因为换了一个上游战场吗？显然不是。在过去的30年里，日本在三大自然科学领域获得了16个诺贝尔奖，其中6个是在化学领域，而这些正是日本崛起的坚实基础。
中国的基础研究怎么样？2018年，我国基础研究支出仅占全年研发总支出的5%，为10年来最高。同期美国基础研究比例为17%，日本为12%。在国内各种学校论坛上，敦促学弟学妹从基础学科转到金融计算机等应用学科的帖子层出不穷。
所以有人笑说陆家嘴比张江更懂集成电路。
今年7月，爆发了一个中科院90多人集体离职的神话。诚然，每个人都有选择工作的自由，但需要警示的是，每个人做出选择的原因。基础学科研究的周期长、转化弱、收益低，让科研人员在房价上涨、数百亿利润面前显得苍白无力。
任曾感叹:过去国家发展工业的政策是花钱，钱花了也不管用。我们国家习惯于修桥、修路、盖房子...只要花钱就行。但是芯片不能花钱。数学家、物理学家和化学家必须受到打击...
64年前，美国被苏联发射的一颗卫星唤醒。在加上“短期对抗”的同时，美国人正在酝酿“长期创新”，从而在许多领域打开突破口并处于领先地位；如今，禁令也唤醒了我们。中国很多行业只是表面上的大，急需的是骨子里的实力。
这些危机的痛苦总是令人遗憾的。过去几十年，落后就要挨打的现实一次又一次提醒我们，要赢得下一个时代，必须在基础技术能力上实现创新和突破。