中科院专家原创40000字《DRAM芯片风云》专栏
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作者:二马路的冰
排版:RedCandy
出品:SOlab
深度好文,3019字=6分钟阅读
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芯片已经日益成为中美高科技竞争的制高点。限制中国大陆发展高端芯片,一直是美国追求的目标。
那么,美国是如何定义高端芯片的呢?不到两年的时间,高端芯片的定义发生了什么改变?
第一次定义
基于EUV光刻的芯片
2020年12月18日,美国商务部产业安全局(Bureaus of Industry and Security,简称“BIS”)发布通告,将中芯国际(Semiconductor Manufacturing International Corporation,简称 SMIC)等60多家公司纳入 “实体清单”(Entity List)。此前,华为已经被列入到这个所谓的实体清单中。
美国商务部称,中芯国际被列入实体名单后,美国出口商必须申请许可证才能向该公司销售产品。意味着非经美国政府许可,中芯国际将无法与美国企业做生意,而它也无法使用来自美国企业的技术和产品。
美方的理由是“中国的军民融合(Military-Civil Fusion,简称 MCF)”,中国正在推行军民融合策略,且有证据表明中芯国际与中国军方实体有关联。
美国商务部长威尔伯罗斯(Wilbur Ross)宣称:“我们不会允许先进的美国技术帮助对手建立军队” 。
他还宣称,“实体名单限制是一项必要措施,以确保中国无法通过其国家领军企业—中芯国际—来利用美国技术,使本土先进技术水平能够支持军事活动”。
美国商务部官网截图
值得一提的是,在先进技术节点(10nm或以下)生产半导体所需的独有许可项目将被“推定拒绝”,即采取的审批政策进行审核,以防止此类关键技术支持中国的军民融合努力。
美国商务部官网截图
中芯国际发布声明称:中芯国际自成立以来作为全球半导体供应链上的重要成员,客户遍及美国、欧洲及中国大陆等世界各地,其产品及服务皆用于民用和商用,从没有任何涉及军事应用的经营行为,与中国军方毫无关系;
2016年及以前,中芯国际还是经美国商务部正式认可的“最终民用厂商” (Validated End-User) ,并曾有多位美国商务部官员实地到中芯国际进行访查。
因此,任何关于“中芯国际涉军”的报道均为不实新闻,我们对此感到震惊和不解。中芯国际愿以诚恳、开放、透明的态度,与美国各相关政府部门沟通交流,以化解可能的歧见和误解。
这就是美方对高端芯片的第一次明确定义,即10nm或以下的芯片为高端芯片。
需要特别说明的是,美方所定义的10nm芯片,是基于Intel公司对芯片技术节点的定义,对应的是韩国三星公司和中国台积电公司的7nm。
众所周知,7nm芯片通常采用EUV光刻机进行制造。尤其是增强版的7nm芯片,完全依赖于EUV光刻机。
也就是说,当前美方对高端芯片的第一次定义:凡是基于EUV光刻机制造的芯片,都被定义为高端芯片。
实际上,EUV光刻机一直在《瓦森纳协定》的军民两用商品和技术清单中。其中, 3.B.1.f 和 3.C.2.a条款分别对应的是EUV光刻机和EUV光刻胶。
《瓦森纳协定》3.B.1.f条款对应的是EUV光刻机
《瓦森纳协定》3.C.2.a条款对应的是EUV光刻胶
美国作为《瓦森纳协定》的签署国,更是《瓦森纳协定》的幕后操手,对于高端芯片的第一次定义,无非是《瓦森纳协定》的翻版。
第二次定义
基于非平面晶体管的芯片
2022年10月7日,以所谓的维护国家安全为由, BIS宣布了一系列在《出口管理条例》(Export Administration Regulations,简称“EAR”)下针对中国大陆的出口管制新规,具体涉及9条新规定。
另外,将31家中国实体列入未经核实清单(Unverified List)针对中国大陆的高端芯片无理打压再度升级。
其中,新政规定美国供应商在向生产18nm或以下的DRAM芯片、128层或以上的NAND闪存芯片、14nm或以下的逻辑芯片的中国企业出口设备时,必须进行逐案审查。
这就是美方对高端芯片的第二次明确定义。
今年十月出台的针对中国大陆《出口管理条例》   图源:美国商务部
对于这个出口管制新规,中方学者给出了许多解读,比如:
1. 美国对中国存储器产业的强力打压,在大算力芯片层面直接挥刀,限制国内超算产业发展。
2. 其核心就是要严格限制中国高性能计算领域的飞速扩张。这其中AI、云计算和超级计算机,是最受影响的几个领域。
3. 瞄准的是中国的超级计算机和高性能服务器以及AI应用。毕竟在全球云计算领域,基本上已经是中美争霸的格局了,而面向未来的AI应用(非工业)方面,其他国家加起来积累成果可能都不及中美这两个国家。美国对中国说:“AI技术是未来,我和我的盟友正在迈向未来,而你不能。”
4. 中国芯片的任何新增长点,都令美国不安,都是打击对象。
5. 还有分析指出,新的额外的出口管制正在路上,美国已经在考虑实施额外的出口管制,这一次的重点是限制中国获得量子计算和人工智能软件方面的技术。
应该说,这些解读都是正确的。毫无疑问,该出口管制新规旨在阻止外国公司向中国出售高端芯片或向中国公司提供制造他们自己的高端芯片的工具。
但是,在技术层面上,这些解读都没有准确说明:该出口管制新规到底是在限制什么芯片技术?
显然,18nm的DRAM芯片、128层或以上的NAND闪存芯片、14nm的逻辑芯片,都不需要借助于EUV光刻技术。那么,为什么把这三种相互不关联的芯片捆绑在一起呢?其出发点何在?
这就不得不从芯片中最为核心(没有之一)的器件,晶体管说起了。
平面晶体管架构概念图   图源:百度百科
18nm以前的芯片,采用的都是经典的平面晶体管架构。但是当芯片进入18nm节点以后,晶体管的栅极已经无法完全关闭,仅能控制通道的顶部电流。专业术语来说,遭受了短沟道效应。简单来说,栅极失效了,晶体管无法工作了。
1999年,美国加州大学伯克利分校(UCLA)华人教授胡正明提出了一种非平面晶体管架构,即FinFET晶体管架构。
其基本思路是将源极和漏极像鳍片一样直立,栅极三面包围住鳍片。其效果是栅极宽度不变,增加了长度,从而增加接触面积,达到提升对电流的控制能力的目的。
胡正明提出FinFET晶体管架构   图源:百度
 2011年,Intel公司将FinFET晶体管结构引入22nm芯片,标志着晶体管正式从2D时代进入3D时代,使摩尔定律在今天仍然延续传奇。
胡正明1947年7月出生于中国北京,在中国台湾长大,后来考入加州大学伯克利分校。胡正明现为美国国家工程院院士、中国科学院外籍院士。2015年,胡正明获得美国国家技术和创新奖,由时任美国总统奥巴马在白宫授予。
美国国家技术和创新奖1980年立法设立,由美国联邦政府商务部下属专利商标局管理。一个独立委员会负责向美国总统提名获奖人,表彰那些为提供美国竞争能力、国民生活品质和劳动力技术素质作出持久贡献的人士。
➢ 2013年正在研发麒麟950的华为海思团队高层到加州大学伯克利分校拜访胡正明教授。
2015年,在华为海思麒麟950的发布会上,胡正明教授曾现身,据他介绍,FinFET的两个突破,一是把晶体做薄后解决了漏电问题,二是向上发展,晶片内构从水平变成垂直。
第一次和第二次高端芯片定义的变化   图源:三星电子
迄今为止,18nm或以下的DRAM芯片、128层或以上的NAND闪存芯片、14nm或以下的逻辑芯片,目前全部采用FinFET晶体管架构,三星电子在3nm芯片中更是进一步采用了GAA晶体管(FinFET晶体管的增强版)架构。
总之,2022年10月7日出口管制新规的技术真相是:旨在阻止中国大陆公司制造基于非平面晶体管(含FinFET和GAA)的高端芯片。
换句话说,美国妄想中国大陆公司只能制造基于平面晶体管的芯片。
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