拜登半导体禁令的后遗症
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拜登对中国的晶片禁令，等于为中国高端运算晶片公司清理掉所有的外国竞争者。（美联社）(photo:UpMedia)美国商务部于10月7日公布半导体相关产品对中国的输出限制措施。首先， 用于资料中心、AI、超级电脑等高速运算 (high-performance computing, HPC) 应用领域的CPU、GPU、AI 加速器等美国产品，皆需经过审核才可出口至中国。其次，所有可用于生产以下晶片的半导体制造设备也需经过审核才可出口至中国: 14/16奈米技术节点或以下的逻辑晶片；半间距小于或等于18奈米的DRAM记忆体晶片；128或更多层的NAND储存晶片。最后，所有在管制名单内的中国公司工作的美国公民或永久居民，都需取得美国政府的允许，才可以在原公司继续工作。
这个禁令，再加上2020年川普政府禁止台积电与三星为实体清单(Entity List)上的中国公司如华为制造先进积体电路，意谓着针对最高端运算晶片，美国既不许中国向外购买，也不可委外生产，更不能自己制造，这一拳扎扎实实地击中了现今中国半导体发展的阿基里斯腱 (Achilles’ heel)。但是，如此严苛的禁令会有甚么后遗症吗？
美国原意以坚壁清野的方式阻止中国公司获取高端运算晶片，进而延迟它们发展其他先进人工智慧、航空、材料、军事技术的进程。但这个禁令同时也为中国的高端运算晶片公司清理掉所有的外国竞争者，将整个中国高端运算晶片市场拱手让予这些公司了。在正常的商业竞争环境，由于晶片设计与制造技不如人，中国的高端运算晶片公司可能需花至少10年以上的时间才有可能迎头赶上，在市场佔有一席之地。
但如今因货源断绝、别无选择，只好蜀中无大将，廖化作先锋。易言之，在禁运的态势下，这些公司的产品即使品质性能不尽如人意，顾客还是比较愿意试用甚至接受，他们历练真实市场考验的机会也因而大增！结果呢，这些公司成长至具世界级商业竞争力所需的时间可能缩短为原来的1/2甚或1/3！
当制程从16奈米进化到5奈米时，同一面积的晶片可以塞进更多的电晶体 (transistor)，晶片里模组之间的连线也更短。即使在没能使用比16奈米更先进的制程，中国在地的公司也可以作出效能够强大的运算晶片吗? 答案是肯定的。影响运算晶片的主要因素为时钟频率 (clock rate)，频率愈高，运算速度愈快。但制程微缩对时钟频率提升的效益并不明显，譬如说，16奈米晶片的时钟频率已可轻易跑到3,000兆赫 (MHz)以上，但5奈米晶片的时钟频率大约只可以快个30%。
*(photo:UpMedia)全世界90%以上晶片都属于成熟制程，一旦中国在这市场区块占有举足轻重地位，就可能取代台积电地缘政治影响力。（图片取自台积电官网）
这种现象主要肇因于功耗与散热的考量──单位面积电晶体越多，时钟频率越高，所需的功耗与散热能力就越大，所以大多数先进制程晶片设计者都尽量不提高时钟频率，而以效能功耗比(performance per watt)，而非绝对效能(performance)为主要优化标的。也就是说，16奈米晶片的绝对运算速度事实上可以作得很接近5奈米晶片，只要前者愿意付出多一点功耗与散热的代价。这样的运算晶片在国际市场上的竞争力也许不高，但在被完全隔离的中国市场，则足足有余！
即便单晶片的运算速度因制程落后而稍有折损，中国公司可以借由先进封装(advanced packaging)的技术将多个植在共通封装基板上的小型晶片以高速连线联结起来成为较大型晶片，板回一些其中效能的损失。由于这样的封装技术并不需要像EUV光刻机等级的极高端半导体制造设备，因此必然是此时中国半导体业暂时用以取代16奈米以下制程的最佳选择。
即使没有EUV光刻机，中国短时间内就制造不出16奈米以下的晶片吗？其实不然。将一个积体电路拆成多个图案，每个图案作成一个光罩，运用多重曝光的工法就能以较低解析度的光刻机刻制出较高解析度的晶片结构。这样的工法在业界早已经重重验证，其主要缺点是成本较高，因为需要准备多个光罩，而且因需执行多道彼此应紧密协作的曝光工序，整体的良率较低。但在被隔离的中国市场，这种多重曝光的工法如能有一定的良率表现，不失为暂时突破现今工艺瓶颈、无中生有的可行方案。
最后，因为美国切断最先进半导体制造设备的供应，许多此刻正在兴建中的中国晶圆厂没有选择只能往16奈米以上较成熟的制程靠拢，甚者，当所有中国晶圆厂全力投入发展改善第一级国际晶圆厂列为低优先顺序的成熟制程时，中国在未来成熟制程市场的市占率必然水涨船高，对第二级晶圆厂如联电和格芯(GlobalFoundries)的威胁也将节节上升，最坏的情况甚至可能像前几年在太阳能电板和LCD显示器市场所发生过灭绝清洗般的杀戮战场。
由于全世界百分之九十以上的晶片都属于成熟制程，一旦中国在这市场区块佔有举足轻重的地位，这个地位就会转换成如同台积电今天因能主导高阶晶片制造所拥有的地缘政治影响力。
※作者为清华大学合聘教授
