为什么中国在小芯片上下了大赌注

在过去的几年里，美国的制裁使中国半导体行业陷入了困境。虽然中国公司仍然可以制造用于当今用途的芯片，但他们不允许进口某些芯片制造技术，这使得他们几乎不可能生产更先进的产品。

但是，有一种解决方法。一种被称为小芯片的相对较新的技术现在为中国提供了一种规避这些出口禁令的方法，建立一定程度的自力更生，并与其他国家，特别是美国保持同步。

在过去的一年里，中国政府和风险投资家都专注于支撑国内小芯片产业。学术研究人员正受到激励，以解决小芯片制造中涉及的前沿问题，而一些小芯片初创公司，如北极熊科技公司，已经生产出他们的第一批产品。

与将所有组件集成在一块硅片上的传统芯片相比，小芯片采用模块化方法。每个小芯片都有专用功能，如数据处理或存储;然后将它们连接成一个系统。由于每个小芯片都更小、更专业，因此制造成本更低，发生故障的可能性也更小。同时，系统中的单个小芯片可以换成更新、更好的版本以提高性能，而其他功能组件保持不变。

由于小芯片具有支持后摩尔定律时代持续增长的潜力，《麻省理工科技评论》将小芯片选为 2024 年 10 大突破性技术之一。芯片领域的强大公司，如AMD、英特尔和苹果，已经在他们的产品中使用了这项技术。

对于这些公司来说，小芯片是半导体行业不断提高芯片计算能力的几种方式之一，尽管芯片存在物理限制。但对于中国芯片公司来说，他们可以减少在国内开发更强大的芯片所需的时间和成本，并为人工智能等不断增长的重要技术领域提供服务。为了将这种潜力变为现实，这些公司需要投资于将小芯片连接到一个设备中的芯片封装技术。

“开发利用小芯片设计所需的各种先进封装技术无疑是中国的待办事项，”半导体情报公司TechInsights的工艺分析师Cameron McKnight-MacNeil说。“众所周知，中国拥有一些用于小芯片部署的基本底层技术。

通往更高性能芯片的捷径

美国政府多年来一直利用出口黑名单限制中国半导体产业的发展。2022 年 10 月实施的一项此类制裁禁止向中国出售任何可用于制造 14 纳米一代芯片（相对先进但不是尖端的芯片）以及更先进的技术。

多年来，中国政府一直在寻找克服芯片制造瓶颈的方法，但在光刻等领域的突破——利用光将设计图案转移到硅基材上的过程——可能需要几十年的时间才能实现。今天，与台湾、荷兰和其他地方的公司相比，中国的芯片制造能力仍然落后。“虽然我们现在已经看到（中国中体电路制造国际公司）生产七纳米芯片，但我们怀疑生产成本高昂且产量低，”McKnight-MacNeil说。

然而，小芯片技术有望绕过这一限制。通过将芯片的功能分离成多个小芯片模块，它降低了制造每个单独零件的难度。如果中国不能购买或制造出一块强大的芯片，它可以连接一些它有能力制造的不太先进的小芯片。总之，它们有可能达到与美国阻止中国访问的芯片相似的计算能力水平，如果不是更多的话。

但这种芯片制造方法对半导体行业的另一个领域提出了更大的挑战：封装，这是组装芯片的多个组件并测试成品设备性能的过程。确保多个小芯片可以协同工作需要比传统单片芯片更复杂的封装技术。该工艺中使用的技术称为先进封装。

这对中国来说是一个更容易的提升。如今，中国公司已经占据了全球芯片封装的38%。台湾和新加坡的公司仍然控制着更先进的技术，但在这方面追赶起来并不那么困难。

“包装的标准化程度较低，自动化程度也较低。它更多地依赖于熟练的技术人员，“哥伦比亚大学研究电信和芯片设计的教授哈里什·克里希纳斯瓦米（Harish Krishnaswamy）说。而且，由于中国的劳动力成本仍然比西方便宜得多，“我认为（中国）不需要几十年才能赶上，”他说。

资金正在流入小芯片行业

与半导体行业的其他任何事情一样，开发小芯片需要花钱。但是，在快速发展国内芯片产业的紧迫感的推动下，中国政府和其他投资者已经开始投资小芯片研究人员和初创公司。

2023 年 7 月，国家基础研究最高基金——国家自然科学基金宣布计划资助 17 至 30 个小芯片研究项目，涉及设计、制造、封装等。该组织表示，它计划在未来四年内提供400万至650万美元的研究资金，目标是将芯片性能提高“一到两个数量级”。

该基金更侧重于学术研究，但一些地方政府也准备投资小芯片的产业机会。无锡是中国东部的一个中型城市，它将自己定位为小芯片生产中心——“小芯片谷”。去年，无锡市政府官员提议设立一个1400万美元的基金，将小芯片公司引入该市，目前已经吸引了少数国内公司。

与此同时，许多将自己定位在小芯片领域的中国初创公司也获得了风险投资的支持。

北极熊科技是一家开发通用和专用小芯片的中国初创公司，在 2023 年获得了超过 1400 万美元的投资。该公司于2023年2月发布了首款基于小芯片的AI芯片“启明930”。其他几家初创公司，如Chiplego、Calculet和Kiwimoore，也获得了数百万美元的资金，用于制造用于汽车或多模态人工智能模型的专用小芯片。

挑战依然存在

选择小芯片方法需要权衡取舍。虽然它通常可以降低成本并提高可定制性，但芯片中具有多个组件意味着需要更多的连接。如果其中一个出错，整个芯片可能会出现故障，因此模块之间的高度兼容性至关重要。连接或堆叠多个小芯片也意味着系统消耗更多功率，并且可能升温更快。这可能会破坏性能，甚至损坏芯片本身。

为了避免这些问题，设计小芯片的不同公司必须遵守相同的协议和技术标准。在全球范围内，各大公司在 2022 年齐聚一堂，提出了通用小芯片互连快速 （UCIe），这是关于如何连接小芯片的开放标准。

但所有参与者都希望自己获得更大的影响力，因此一些中国实体提出了自己的小芯片标准。事实上，不同的研究联盟在2023年提出了至少两个中国小芯片标准作为UCIe的替代品，而2024年1月出台的第三个标准则放大了数据传输而不是物理连接。

如果没有业内所有人认可的通用标准，小芯片将无法达到该技术所承诺的可定制性水平。它们的缺点可能会使世界各地的公司回到传统的一体式芯片。

对于中国来说，采用小芯片技术并不足以解决其他问题，例如获得或制造光刻机的困难。

将几个不太先进的芯片结合起来，可能会提高中国芯片技术的性能，并取代它无法获得的先进芯片，但它将无法生产出远远领先于现有顶级产品的芯片。随着美国政府不断更新和扩大其半导体制裁，小芯片技术也可能受到限制。

2023 年 10 月，美国商务部修改了早先对中国半导体行业的制裁，其中包括一些新语言和一些小芯片提及。该修正案增加了新的参数，以确定哪些技术被禁止出售给中国，其中一些新增内容似乎是为衡量小芯片的先进程度而量身定制的。

虽然世界各地的芯片工厂并不被限制为中国生产不太先进的芯片，但美国商务部的文件还要求他们评估这些产品是否可以成为更强大的集成芯片的一部分，这给他们施加了更大的压力，要求他们验证他们的产品最终不会成为他们被禁止出口到中国的产品的组成部分。

由于存在所有实际和政治障碍，无论向该行业投入多少政治意愿和投资，小芯片的开发仍然需要一些时间。

这可能是中国半导体行业制造更强芯片的捷径，但不会是中美科技战的灵丹妙药。