如果我国军备芯片只有14nm,美国则是5nm,换到战场上又是多大差距?

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如果我国军备芯片只有14nm,美国则是5nm,换到战场上又是多大差距?插图

现在全球已经打响科技之战,每个国家都在力求让自己做到足够拔尖。美国商务部长就曾自曝家底说,美国制定两套战略应对在芯片上来自中国的竞争:一个是进攻战略,一个是防御战略,并且美国一直会坚持这种做法。

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如今美国对我们的芯片制裁有目共睹,有人就在担忧:如果我国所有军备芯片只有 14nm,美国军备芯片是 5nm,那么在战争上的差距会会体现在哪里呢?军备芯片和商用芯片有区别吗?具备芯片的关键点会在于制程吗?

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一、现象:实际情况大概率是美国战斗机用 90nm 芯片,我国却用 45nm

总有人拿导弹当手机,笑出腹肌的说,如果中国所有的芯片都是牙膏(14nm),美国所有的芯片都是按摩店(5nm),那么被碾压是必然的。

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其实就目前的情况(截止 2022 年)而言,现实和他们想的相反,在很多军工领域,我国现役军备里的芯片反而比美帝要先进,实际情况大概率是美国战斗机用 90nm 芯片,我国用 45nm。

当前而言,中国的军用芯片确实不是 14nm,而很多甚至都是 130nm。要知道,28nm 的芯片在军用上已经非常不安全,更不用说 5nm。你知道飞机系统升级为什么这么难吗?

  • 因为飞机的系统有大量 ASIC、FPGA、ASSP 的专业芯片,而 CPU(MPU)、GPU、DSP 这种通用芯片非常少。
  • ASIC、FPGA、ASSP 这些芯片都是硬件编程的,也就是说芯片设计时它的逻辑就是固定,在电路板上进行不同的排列组合就能完成不同的任务。

如果我国军备芯片只有14nm,美国则是5nm,换到战场上又是多大差距?插图4这种芯片就是专用芯片,专用芯片玩的就是专业高效,专职固定任务。这种芯片不复杂,对于一些工作环境非常差的芯片采用 300nm 也都是很常见的。军用芯片又不运行 3A 大作,搞 14nm 的做什么?

  • 还有,各国 **** 的卫星、航天飞机、空间站,往往采用的芯片都是落后好多代的。如果有科研任务,一般都是由宇航员自己带一个 laptop 上去,因为飞船 or 空间站机载的电脑太落后了,根本靠不住。

事实上,除了手机这种东西,又要轻薄,又要功能,而且精贵不会随便摔,所以只能从芯片制程上拼命内卷,5 纳米不够还要往 3 纳米里卷,再往下就卷没了。

  • 但是,飞机坦克导弹上空间有得是,根本不用追求芯片小型化,连普通民用车的车机芯片,几十个纳米都足够用了。

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二、分析:军用芯片跟商品芯片比,有几个很显著的差异 我有个朋友在读 Ph.D 阶段的项目,有过跟新加坡国防部合作,他对军用芯片的要求,略知一二。根据他的总结,军用芯片跟商品芯片比,有几个很显著的差异:如果我国军备芯片只有14nm,美国则是5nm,换到战场上又是多大差距?插图61、不计成本。商品芯片最终的目标是盈利,所以一定要考虑一个性价比问题。这个行业,就算技术资源和人才确实在几个巨头手中,也还没到完全垄断的地步,始终还有个价格竞争的。东西太贵了没人愿意买,这话该浅显易懂吧?

  • 但是军用芯片呢,是各个国家各自独立开发并且严格保密的,只要求做出的产品性能合格。国和国之间的芯片,没有任何竞争关系,也不用考虑成本的问题。国防的事儿,谁也不会傻到为了省钱用次一级的产品替代。

2、对尺寸大小没有严格要求。没有严格要求不代表没要求,能做小当然还是尽量做小。可是不能做的更小的话,只要不影响其功效,也能接受。翻译成大白话就是:你手机的芯片没办法做的太大,手机那么小里面装不下,但是运载火箭拉着核弹头起飞,要求命中一万公里外的目标的这种,搭载的芯片是 10 mm * 20 mm,还是 20 mm * 40 mm,关系不大。

  • 可见,在工艺制程方面,不需要追求 14nm,10nm,7nm。哪怕 i -line 和 g -line 的光刻机,只要能把芯片造出来,管用,就一样好使。从这个角度,军用芯片的设计生产和制造,不需要 ASML 的 EUV,甚至不需要 immersion+DUV。

如果我国军备芯片只有14nm,美国则是5nm,换到战场上又是多大差距?插图73、要考虑一些极端情况芯片是否能正常工作。什么是极端情况?极热极冷,极端干燥潮湿,电磁辐射,高能粒子辐射等。正常的商用芯片基本上不需要考虑极端情况。你买一台笔记本电脑,在南极冰窟窿旁边上网,只能是极端个例,不需要对芯片的性能提出新的要求。

可是战争,在任何环境下都有可能,可不比在办公室吹着空调玩手机用电脑。遇到热带雨林,气候太潮湿,芯片引脚短路怎么办?导弹进入平流层,大气层保护弱化,受到宇宙高能粒子辐射,芯片罢工了怎么办?这些因素都是要考虑到的。

  • 所以,在引入一些更能适应极端状况的半导体材料,例如 GaN,GaAs,SiC,来代替 Si 之外,往往还要设计冗余芯片系统。主控制芯片不管用了,立马切换到备胎,来保证在战争状态下,指令能够被准确的执行。

可以说,我国的军用芯片是没问题的。不管怎么被掐脖子,都掐不到军用领域。有没有 ASML 的光刻机都不碍事。如果我国军备芯片只有14nm,美国则是5nm,换到战场上又是多大差距?插图8三、本质:要明确一点,制程并不是衡量芯片价值的唯一标准 毋庸置疑,你要清楚先进制程会带来什么样的收益:同样的功耗,同样的尺寸下可以获得更好的性能;也可以说在保证同等性能的前提下,可以让芯片的功耗更小,尺寸更小。如果我国军备芯片只有14nm,美国则是5nm,换到战场上又是多大差距?插图9当然,芯片一般分为民用级,工业级和军用级,它们的分级标准并不是某项功能指标,比如频率,速度,精度,分辨率,信噪比等等。而是其可靠性,比如正常工作的温度范围:

民用级:0℃~70℃;工业级:-40℃~85℃;军用级:-55℃~125℃;

军用级芯片的可靠性测试除了民用级,工业级也会有高低温试验, 老化试验,ESD 测试外,还会加入非常严格的抗冲击,气密性,抗干扰,如果是宇航级的还会增加如抗辐照。也就是说制程的提升,并不是以提升军用芯片看重的这些可靠性方面为目的的,相反,随着制程的提升,制造难度也几何倍数递增,可能还会使得可靠性降低,最重要的影响就是正常工作的高低温范围会进一步压缩。

  • 从设计和制造难度上看,军用芯片>工业芯片(含车用芯片)>民用芯片的,主要是质量验收标准太高,导致一般的商用代工线很难满足这一制造要求,这类工业,军用芯片一般都是 IDM 厂完成设计——制造——封装的全流程。

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比如著名的工业芯片制造端非常强的德州仪器,ADI,安森美,美信,ST, 英飞凌等等都是如此,所以成本其实很高,其价格排序也与此匹配,但因为其技术门槛高,定价权极高,毛利率非常的高。比如我们国家 2018 年进口了 3121 亿美元的芯片,根据专家魏少军的以前的一些数据:国内留存率超过 50%,另一部分在整机里出口掉了,我们自己生产的在全球占比不足 7%,扣掉后对外依赖度也非常高,其中品类上看绝大部分都是工业级以上的芯片。

军用芯片被西方所禁运,所以我们走非官方渠道买的成本会更高。我的朋友以前也曾参与过国家核高基的一些芯片项目,其实我们在这方面的水平其实没想象的那么高。

对于军用芯片应用来说,先进性的需求主要来自于航电,特别是海空军航电的需求:航行保障,警戒,引导,火控,飞控,惯导等等,其中核心就是雷达系统,比如多任务移动雷达,而这个领域的需求同样是可靠性排第一,其次就是效率,包括功率密度等。

总之,军标的芯片制程从来都不是首要考虑的问题,可靠性才是。你把导弹打到一定高度,宇宙射线把你处理器搞歇菜了,那不完蛋。所以只能牺牲制程和性能来满足冗余和可靠性。因此,制程落后并不是灾难,65nm 军标也用得好好的。最后的话:大家觉得美国宇航局用的芯片是多少 nm 的?如果我国军备芯片只有14nm,美国则是5nm,换到战场上又是多大差距?插图11据我所知,NASA 前两年是 65nm。你说 NASA 为什么不用 14nm, 而要用 65nm?因为 NASA 的芯片真的贵,40nm 的芯片一个 wafer 2000 美金,NASA 为了保密只在一家公司做一半,然后换家公司做另一半,给 8000 美金一片。相当于普通 40nm wafer 的 8 倍价钱。而这 8 倍价钱,很大一部分就是给可靠性买单的。

  • 总之,军用装备最重要的是可靠性。导弹打偏 1 -2m 甚至 10m 都不影响威力,但导弹飞到高空时芯片被冻 / 烧坏了就打水漂了。但是换到军用背景就不一样了。军用背景可靠性一定是第一位。5nm 芯片固然运算能力强,但是可靠性一定好不过 14nm,好不过 40nm,甚至好不过 130nm,事实胜于雄辩。 

  • 来源:麻省理工科技评论 APP

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正文完
 
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