华为如何在中国推出先进芯片并令美国感到惊讶

在2020年末，华为作为手机制造商正在为自己的生存而战。

几个月前，特朗普政府对这家中国公司进行了毁灭性的制裁，使其与全球半导体供应链断开联系。

这些制裁阻止了没有许可的人制造华为设计的芯片，公司正苦于采购新芯片以推出更先进的手机。

为此，华为决定通过与半导体制造国际公司（SMIC）的一项冒险协议来押注其670亿美元的芯片和移动业务，SMIC是一家由国家支持的晶圆厂，以迎头赶上全球领先的芯片制造商。

SMIC宣传说它已经找到了使用过时设备生产更先进芯片的方法。尽管这需要比华为之前的供应商台积电更长的时间，成本更高，而且可能行不通。但这是一个机会。华为联系了SMIC，制造了一个新的智能手机“片上系统”，代号为Charlotte。

这两家公司面临着巨大的压力。在2020年12月，SMIC被列入美国制裁名单，这意味着任何想要向SMIC出售技术的公司都需要华盛顿的许可。

然而，近三年后的2023年8月，一款新的华为设备悄然亮相：搭载Charlotte芯片（现在被称为麒麟9000S芯片）的Mate 60系列手机。

尽管面临重重困难，根据各种测试团队的说法，麒麟9000S的性能相当于高通1到2年前的芯片。

Mate 60在中国销售一空，数年的制裁后华为芯片的回归受到了民族主义者和科技迷的热烈欢迎。

在美国，关于华为如何克服制裁生产芯片的困惑蔓延。美国国家安全顾问杰克·沙利文表示，美国需要“更多信息”关于麒麟9000S。

关于华为如何克服制裁生产芯片的问题，“或许最令人惊讶的事实是，似乎有这么多美国政府领导人显然感到惊讶，”瓦德瓦尼中心主任格雷戈里·艾伦在一份有关华为新手机的深度报告中写道。

华为和SMIC均未透露他们是如何完成这一壮举的线索。但与数十名行业内人士和专家的采访提供了迄今为止最接近的一瞥，揭示了这两家公司如何在中国国家支持的情况下，投入大量资源进行项目，并打开了先进人工智能芯片生产的大门。

他们能否保持这种势头将决定中国是否能够在持续的地缘政治挑战中维持其半导体产业并取得全球技术至高点。麒麟9000S证明了该国是否能够在制裁的情况下仍然与其竞争对手竞争？还是这两家公司只是在瓶子中捕捉了闪电？

由于半导体行业的敏感性，大多数与《金融时报》（FT）谈话的消息来源要求保持匿名。

效率较低的机器芯片制造中最广泛认可的基准之一是7纳米。尽管表面上是对工艺节点大小的引用，但这是用于生产驱动智能手机和数据中心的高性能芯片的先进技术的行业简称。

驱动苹果iPhone XS的A12芯片和驱动特斯拉半自动驾驶的Dojo D1都是使用台积电的7纳米工艺制造的。

SMIC提供了两个版本的7纳米工艺，N+1和升级的N+2。根据多位了解情况的人士的说法，麒麟9000S芯片是在N+2上生产的。

但是，尽管台积电和三星使用极紫外（EUV）光刻设备制造这些芯片，SMIC使用效率较低的深紫外（DUV）机器，行业专家和分析人士说。

一位熟悉SMIC技术发展路径的半导体专家说：“起初是因为预算有限。”“EUV非常昂贵，而SMIC的先进工艺落后于台积电，导致它没有很多客户和收入。”

电路板上刻画电路到硅晶片中是芯片制造的基础。更先进的光刻机提供更高的分辨率，意味着更细的线条和更多的细节，使芯片更小。

两种机器都可以实现7纳米的工艺，但EUV更有效和精确，产生的废品更少。

SMIC使用DUV机器重复了其他公司使用EUV机器的芯片制造步骤，以增加晶体管密度。但这对产量率产生了不良影响，产量率衡量了每个晶片晶片上的工作与有缺陷的晶片的比例。

据荷兰光刻机制造商ASML表示，要在DUV机器上实现7纳米，需要34个光刻步骤，而EUV只需要9个步骤。额外的生产步骤导致生产成本更高，产量更低。

随着每一个额外的步骤，将会有更多的芯片被丢弃，设备成本上升，布局增加。但在2019年，SMIC从ASML订购的EUV设备被阻止，据情况了解的三人说。

这种先进的光刻机受到华沙协议的限制，该协议是由40多个国家组成的多边出口管制协议，旨在限制可能具有双重军事目的的产品的销售。

有两位接近SMIC供应商的消息人士说，SMIC设法从现有工厂和在华盛顿实施出口管制之前收到的工厂中收集设备，以保持7纳米生产线运行。

但这仍然使其没有了ASML通常为高度复杂的机器的客户提供的额外支持。一位接近SMIC的芯片公司高管说：“条件很苛刻。”“基本上没有软件更新，也没有设备工厂的工程师进行维护服务。”

艾伦表示，即使在出口管制之后，SMIC仍能够获取维持其7纳米生产线运作所需的备件和技术服务，让美国官员感到惊讶。

西方的制裁阻止了中国进口ASML的EUV光刻设备进行先进芯片制造。

行业知情人士接近SMIC承认，违反出口管制可能获得了一些设备。据路透社报道，美国半导体设备制造商应用材料正在接受违反出口限制的调查。

应用材料在一份给新闻媒体的声明中表示，“正在与政府合作，并坚持合规，遵守全球法律，包括出口管制和贸易法规。”AMAT未回复置评请求。

不惜一切代价芯片制造商通常与芯片设计公司合作，在新设施中测试设备和制造过程。因此，例如，台积电将与苹果合作，生产其3纳米处理线上的芯片。

对于SMIC升级的7纳米生产线，华为是试验的对象。但这家手机制造商为SMIC带来了收入和认可，并在重新定义生产线的多个方面发挥了关键作用，根据三名了解SMIC设施的内部人士。

SMIC还向国外寻求帮助。由于出口管制的原因，美国人被禁止为中国先进芯片制造商工作，但据两位了解SMIC的芯片工程师说，它还雇佣了来自台湾、日本、韩国和德国的专家，以提高生产力。

“这些海外专家带来了他们从其他晶圆厂获得的先进工艺的技术知识，”其中一位工程师说。

“7纳米工艺有数千个步骤需要改进，”第二位工程师说。“甚至在清晨的凌晨，我不得不在工厂接电话，因为这可能涉及一两项关键的改进。”

根据了解华为芯片设计团队的消息人士的说法，当SMIC收到麒麟9000S的订单时，它没有一个团队能够帮助芯片设计工程师使其设计适应不同晶圆厂的工艺规范。华为不得不独自适应。

麒麟9000S的生产产量仍然笼罩在神秘之中，华为和SMIC对此没有发表任何公开声明。在麒麟9000S危险的量产阶段之前，该产品在生产早期阶段的一个人说，麒麟9000S的产量达到了30%以上。

这个人将其描述为在艰难的量产阶段取得的“在艰难条件下的积极数字”，但指出这是“与产量为90%的产线相比的成本至少翻了一番，移动芯片制造的理想基准”。

行业专家认为，中国政府的资金支持弥补了过高的芯片生产成本。根据公司年度报告，华为在2022年从中国政府获得了655亿元人民币（948亿美元），是前一年的两倍多。SMIC在过去三年中获得了688亿元的国家补贴，中国集成电路产业投资基金作为主要股东还提供了额外的支持。

“中国政府显然已经决定为这项努力买单是值得的，” 中国半导体行业专家道格拉斯·富勒（Douglas Fuller）表示。

下一步，人工智能Kirin 9000S在中国掀起轰动，使华为收回失去的市场份额。行业专家预测，它将增加基于Kirin芯片的智能手机的生产量；海通国际证券分析师杰夫·普（Jeff Pu）估计，到2024年底，可能生产高达7000万部基于Kirin芯片的智能手机。

然而，中芯国际（SMIC）和华为已经扩大了他们的雄心，制定了一个计划，以增加芯片生产，以满足华盛顿对向中国销售高性能芯片实施的严格限制。

腾讯和阿里巴巴等中国互联网巨头的高管们已经承认，他们在寻找高性能芯片方面面临困难，因此他们正在考虑本地替代方案。

华为的Ascend系列人工智能芯片被行业分析师宣传为Nvidia图形处理单元的潜在替代品，尽管其整体性能落后于美国公司。

在2020年5月制裁开始之前，华为销售的Ascend人工智能芯片是由台积电（TSMC）制造的。现在，多个与该公司关系密切的消息源表示，该公司已经恢复了产品线，推出由中芯国际制造的新设计的数据中心芯片。

三位与华为关系密切的消息人士表示，腾讯、百度和美团等互联网巨头已经购买了华为Ascend 910b芯片进行小规模试验。两位与中芯国际关系密切的人表示，该芯片工厂已经开始扩大7纳米生产能力，以生产预订的华为芯片，并研发更先进的5纳米工艺。

明年Ascend 910b的生产目标较2023年翻了一番，预计将生产超过20万颗芯片，这两位人士表示。

然而，华为和中芯国际在开始从Nvidia夺取市场份额之前，必须克服一些数据中心芯片制造过程中的重大挑战。

人工智能芯片比智能手机处理器更大，因此更容易由于生产错误而出现缺陷。据了解生产端的消息人士称，华为Ascend 910b芯片的当前良率仅略高于20％，意味着每生产五颗芯片中有四颗是有缺陷的。

由于美国、日本和荷兰实施的限制，预计中芯国际的生产扩张将比三年前更加困难。荷兰和美国对中芯国际使用的深紫外（DUV）机器实施了出口限制，这是该公司为开发和生产先进芯片所使用的。

荷兰光刻机制造商ASML表示，“我们遵守所有适用的出口管制规则和法规”，并且其客户知道，从2024年起，“我们可能不太可能获得这些系统运往中国国内客户的出口许可证”。

但中芯国际的供应商表示，该公司在美国加强出口限制之前收到了ASML的新一批先进的DUV，这意味着在未来两到三年内仍有可能加大生产和技术发展。

“这里的许多设备仍然是2020年中芯国际备货的美国和日本产品，” 其中一人表示。

然而，行业专家和分析师认为，中芯国际可能会在能够制造先进芯片之前耗尽设备维护和材料供应。

“一些零部件的库存可能在两到三年内耗尽，没有本土公司提供替代品，而通过黑市采购的份额很少，” 中国半导体行业独立顾问莱斯利·吴表示。

他说：“组件限制没有适当的答案。如果库存的零件在国内替代品出现之前用完，这将是一个巨大的麻烦。” 华为和中芯国际没有回应置评请求。

国家的冠军华为和中芯国际至少可以确保在努力跟上行业领导者的过程中得到国家的支持。半导体产业政策制定方面的一位政府官员表示，当前的目标是“不惜一切代价”建立尖端芯片的生产线。

“稳定的芯片供应链是高性能计算系统的支柱...对于中国高性能计算产业保持发展势头至关重要，尤其是在持续的贸易紧张局势和美国政府实施的限制之下，” 这位官员表示。

从2014年建立中国集成电路产业投资基金开始，北京通过国家资金培育了其微芯片产业。在过去的十年里，这个投资基金已经积累了470亿美元，并预计将再筹集410亿美元，为中国追求技术自给自足提供更多支持。

研究公司JW Insights的一份报告分析了25个省和地区的政府投资，发现政府在2021年和2022年向半导体相关领域投入了2908亿美元，其中三分之一用于半导体设备和材料。

这个庞大的投资背后的理念很简单：摆脱对进口的沉重依赖，加强在全球供应链中的立足点，并剥夺美国关闭中国工业和国防经济相当一部分的能力。

“如果你大多数芯片都是进口的，你就不是制造业超级大国，” 《芯片战争》作者克里斯·米勒（Chris Miller）说。“你只是在组装其他地方生产的高价值组件。”

中国国家安全部似乎同意这一点，在其微信账号上写道：“只有通过把核心技术掌握在我们自己手中，我们才能真正在竞争和发展中采取主动，并从根本上确保国家的经济、国防等安全。”

这种摆脱对外国技术依赖的雄心寄托在华为和中芯国际的肩上。Kirin 9000S的成功推出为半导体行业注入了新的活力，高管们报告说，芯片初创公司的融资出现了激增。

但是华为的长期目标不仅限于中国市场。Kirin 9000S的原始昵称—Charlotte—象征着这些希望。它的命名并不是为了某个个体，而是为了北卡罗来纳州的城市。消息人士表示，正在研发的其他移动半导体也在内部以美国城市命名。

华为的一名员工表示，使用美国的名字反映了“我们希望有一天重新夺回全球供应链中的地位”。