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华为芯片恐遭断供背后,中国芯的心酸往事与前途去路
2020-09-15 11:47:11


©深响原创 · 作者|洪雨晗


 核 心 要 点 

  • 举国体制下,中国的半导体产业能够紧追美国,得益于一批回到新中国的半导体人才。

  • 80年代开始,中国与国际先进水平的差距被拉大,这其中既有内因,也与全球芯片产业开始裂变分工形成各类壁垒密不可分。

  • 芯片半导体在全球化浪潮下逐渐成为一个分工精细的全球生意,越是互联网后浪下出生的企业,越具有开放性和对未来的想象空间。



悲壮。


如无意外,此刻根据媒体报道,在9月15日美国对华为芯片实施全面“断供”的节点即将到来之际,华为正抓紧时间从台湾地区运回所有麒麟芯片。


这或许是最后一批供给华为的麒麟芯片,此后,应用于华为多种终端的芯片表现如何,就要完全靠自己了。因此,悲壮,是市场为华为定下的情绪注解。


面对危机,华为的B计划正在加速落地。就在断供时点即将到来的前几天,华为开发者大会在东莞松山湖开幕。时隔一年多,华为自研系统鸿蒙OS升级至2.0,同时还带来了HMS Core 5.0和EMUI 11。


禁令对华为的影响毫无疑问是非常巨大的,今年8月,华为消费者业务余承东曾对外表示,若没有美国相关禁令的限制,华为手机的出货量在去年就能超过三星。


根据市场调研机构IDC的报告显示,在2020年第二季度全球智能手机出货量同比下降16%的情况下,华为以5580万部的出货量,超越三星(5420万部),冲上全球智能手机出货量第一的位置,市场份额达到了20.0%。


但随着新一轮禁令的到来,从9月15日开始,美国将限制华为使用美国技术和软件在国外(美国以外)设计和制造半导体,这些公司在再出口,从国外(美国以外)出口或转移到实体列表中的华为或其任何关联公司时都需要许可证。


简单来说,就是任何使用美国技术的半导体公司都不能再卖产品和技术给华为了,否则将受到美国政府的相关制裁。在此禁令颁布后,台积电、三星、英特尔、联发科、高通、中芯、海力士等全球主要芯片生产企业,都陆续表示9月15日之后将无法继续为华为提供服务。



华为虽在禁令生效期前已开始大量囤积芯片(据华为2020年一季度末财报,华为的存货已经达到1882亿元),但亦做好了最坏的打算,余承东表示:“由于第二轮制裁,芯片没办法生产,很困难,目前都在缺货阶段。这可能是我们非常大的损失。”


虽然部分媒体表示,华为现存芯片或可满足2021年全年需求,撑至美大选后的禁令政策变化,可一旦仍无芯可用,华为将遭遇巨大影响。


华为的遭遇是中国芯片产业处境尴尬的现实折射。


在硅基的信息科技时代,芯片是类似工业革命煤、石油一样重要的存在。因此,由华为的事件延展,一纸禁令会造成如此大影响的背后,中国芯片行业的发展现状到底如何,是更为值得探究的话题。


中国“芯”究竟经历了怎样的发展历程?如今走到了哪一步?明天又该往何处去?解答这些问题,需要回到故事的起点。



起步:举国体制下的追赶


2000年,被称为硅谷之父、集成电路之父,以及仙童半导体公司和英特尔创始人罗伯特·诺伊斯已经去世,按照诺贝尔奖只授予在世者的规定,77岁的杰克·基尔比终获得这一年的诺贝尔物理学奖,此时,已距离集成电路发明已过去42年。


1958年,当一个双极性晶体管,三个电阻和一个电容器成功组成第一个集成电路雏形时,谁也不知道它将给人类历史带来什么。


杰克·基尔比和世界第一块集成电路


时间来到1960年代,单晶技术由贝尔实验室开发出来。至此,半导体工业获得了可以批次生产的能力,终于站稳脚步,开始发展。1964年,大名鼎鼎的仙童半导体发明了平面工艺的方法,解决了电路中不同元件间的导线连接问题,蚀刻、微影等技术在当时便已出现。此时的硅谷开始初具雏形,英特尔、AMD等公司也在随后几年成立。


60年代发展出来的平面工艺,可以把越来越多的元件放在一块硅晶片上,从1960年的不到10个元件,到80年代的十万个元件,再到90年代的千万个元件。英特尔创始人戈登·摩尔在此时提出了他的行业设想:集成电路上可以容纳的晶体管数目在大约每经过24个月便会增加一倍。换言之,处理器的性能每隔两年翻一倍。


1968年,美国无线电公司成功研发了第一个互补金属氧化物半导体(CMOS)集成电路。CMOS器件的发明有效地实践了摩尔定律。1971年,英特尔推出1KB动态随机存储器DRAM,和全球第一个微处理器4004,标志着大规模集成电路的出现。


Federico Faggin,Ted Hoff和Stanley Mazor手持英特尔4004处理器在国家发明家名人堂,1996年


在半导体产业刚刚起步的此时,中国与世界顶尖技术差距并不大。


1954年,当美国研制出硅合金晶体管,中国北京电子管厂也于四年后(1958年)研制出硅合金晶体管。1959年美国发明平面光刻技术,研制成功平面型扩散晶体管,中国科学院半导体所也在1963年研制成平面管,同时有多家单位也在研制平面管。


1975年,北京大学物理系半导体研究小组,由王阳元(中科院院士、中芯国际创始人)等人,设计出我国第一批三种类型的(硅栅NMOS、硅栅PMOS、铝栅NMOS)1KbDRAM动态随机存储器,它比美国英特尔公司研制的C1103DRAM内存芯片要晚五年,但是比韩国、台湾地区要早四五年。


在半导体晶体管和集成电路起步阶段,中国距美国只有五年左右的差距,起步并不算太慢。当时国内半导体产业主要为计算机和军工配套服务,以开发逻辑电路为主要产品,初步建立集成电路工业基础及相关设备、仪器、材料的配套条件,因此施行的是举国体制。


1956年,我国提出“向科学进军”的口号,根据国外发展电子元件的情况,提出中国也要研究半导体科学,并将其列为国家四大紧急措施之一。举国体制下,中国的半导体产业能够紧追美国,得益于一批回到新中国的半导体人才。


那段时间,中国科学院应用物理研究所请留学归来的半导体专家黄昆、吴锡九、黄敞、林兰英、王守武、成众志等讲授半导体相关理论,在北京大学开办了半导体物理专业培养出中国第一批半导体专业人才,包括后来的中芯国际董事长王阳元、华晶集团总工程师许居衍、电子工业部总工程师俞忠钰等。


举国模式或许可以保证科技上不会被甩下,但如果行业无法通过商业化、产业化来盈利,则很难保证长久健康的发展。


1977年7月,中国科学院院士、微电子学专家王守武,在人民大会堂举行的30位科技界代表座谈会上,发言称:“全国共有600多家半导体生产工厂,其一年生产的集成电路总量,只等于日本一家大型工厂月产量的十分之一。”一句话生动地概括了我国半导体行业当时的状况。


1975年王守武(中)和参观半导体所的美籍华人科学家


1978年,伴随改革开放,中国集成电路产业进入探索发展时期。中国积极引进国外先进的科学技术,建设了多个重点项目。同年,国家投资13亿元,支持24家企业从国外引进33条先进的生产线。


1982年10月,国务院成立了“电子计算机和大规模集成电路领导小组”,制定中国芯片发展规划。1985年,原航天691厂技术科长侯为贵被派往深圳,创立了中兴通讯的前身中兴半导体。



至此,中国芯片半导体行业开始走入发展快车道,彼时,迅速达到世界水平是行业人士的普通追求,但恰恰是在这段时间,中国与国际先进水平的差距被拉大,这其中既有内因,也与全球芯片产业开始裂变分工形成各类壁垒密不可分。



下行:Wintel联盟下的分叉路


早期的计算机生产商需要研制包括指令集在内的集成电路、可兼容操作系统、数据库等软硬件,这需要花费巨额的资金成本和时间成本。


因此,不同企业选择了不同的市场切入方式。甲骨文、微软等70年代成立的企业最初则是通过软件这一项来打入计算机市场;英特尔、AMD则是通过硬件。


两条路径最终交叉。


随着PC时代到来,英特尔和微软联手通过他们强大无比的X86指令集、Windos系统和律师团队,形成指令集和软件生态系统的壁垒,横扫全球PC市场。积极入世的中国,国家资金支持下的半导体产业在无数便宜又好用的市场芯片冲击下,后果可想而知。


大量国营电子厂在市场化潮流下遭遇巨大困难,从国外引进的二手生产线又已赶不上潮流。为了解决这个问题,国家部委陆续发起了三次战役(1986年的“531战略”、1990年的“908工程”、1995年的“909工程”),但效果不佳,中国和国外半导体行业的差距并没有缩小。


“909工程”落地上海


华为如今遭遇的禁令风波,当时也已存在,欧美国家通过“巴统”和“瓦森纳协议”来限制向中国出口最先进的高科技设备。中国前科技部部长徐冠华曾说,“中国信息产业缺芯少魂”。其中的芯是指芯片,魂则是指操作系统。


2001年,倪光南院士和方舟公司合作,试图攻破自主知识产权的操作系统和芯片。方舟的路径是绕过微软和英特尔,采用ARM架构设计芯片,使用Linux做操作系统,做成了全自主的瘦客户机NC,替代了“Wintel”架构。


这款在当时技术上成功的产品,在市场化上却依然没有成功,这其中的原因就是“Wintel”背后的生态系统,无数上下游硬软件共同形成的巨大生态链,这也涉及到芯片半导体行业的进一步分工。


微软、英特尔通过其“软硬双打”称霸PC市场后,其他半导体厂商为了生存,不得不绕开这两座大山或干脆就为其服务,这其中最典型的两家公司便是台积电和ARM,这也是新公司们开拓创新的开始。


PC时代,个人电脑快速普及,集做指令集、设计IP并自己生产制造的英特尔,在产能上开始无法满足日益增长的市场需求,不得不寻求其他代工厂为其代工芯片。这成为台积电成长为如今业界领头羊地位的开端。


1983年,麻省理工学院硕士毕业生、德州仪器第三号人物张忠谋因与公司其他高层发展理念不同回到了台湾,四年后,他在新竹科学园区创建了全球第一家专业代工公司——台湾积体电路制造公司(台积电)。台积电成立的第二年,张忠谋通过私人关系,拿到了英特尔的芯片代工订单,得到了英特尔的背书,台积电快速壮大,每年的营收增长率都超过了50%。


经过三十多年的发展,如今,台积电已在晶圆代工领域首屈一指,甚至先于英特尔率先达到5nm芯片量产。


一同在Wintel联盟下艰难求生的还有初创公司ARM。


ARM前身,1978年于英国剑桥成立的Acorn Computer,在寻求英特尔x86授权被拒后,被迫自己研发了基于RISC精简指令集的ARM架构的芯片。芯片虽然研发出来,但芯片的销量惨淡,巨额的亏损使公司不得不放弃直接生产芯片,而是采用IP核授权的方式将其芯片的IP使用权出售给其他公司使用,而这一商业模式的创新,是ARM移动互联网王朝的开端。


Foundry和IP授权模式由此诞生。


这两种模式的诞生带来的影响无疑是巨大的,无数没有资本去自己研究生产芯片的企业都可以通过购买IP和让代工厂代工的方式来入局电子行业,这无疑会促进行业良性竞争发展。此外,专注某一细分领域的企业可以在其细分领域高效投资技术,促进全行业、全产业链迅猛发展。


随着时间的推移、技术的进步,集成电路的专业分工更加细化了。系统、IP供应商、IC设计、晶圆代工、封装、测试等环节都开始有专门的企业,实行IDM模式(Integrated Device Manufacturing,整合设备生产模式)的制造商越来越少。


生产模式的改变,也促成了全球产业格局的重新调整。



追赶:从低端切入积累资本


因为芯片生产分工高度专业化的缘故,全球芯片产业也链接的更加紧密,每一环节技术的进步或停滞都会对芯片产业造成极大影响。这其中最典型的是在晶圆代工这一环节,继续细分至光刻机的生产设备端。


荷兰的ASML在光刻机市场占据了80%的份额,其制造的EUV光刻机售接近1.2亿美元一台,但半导体厂商仍愿意买单。因为7nm以及以上的工艺的确需要EUV光刻机,几时同样的7nm工艺,使用EUV光刻技术之后晶体管密度和性能都变得更好。


光刻机


今天,即便是在设备端也已有了不少专业细分领域,如:硅片设备、热处理设备、光刻设备(ASML)、刻蚀设备、离子注入设备、薄膜沉积设备、抛光设备、清洗设备、检测设备。


伴随芯片产业链全球化的过程,垂直整合模式向“IP授权+Fabless+Foundry”模式转变,这个过程中也伴随着芯片半导体产业在全球不同地方的迁移。各国也纷纷希望抓紧芯片半导体产业分工裂变的机会。


日本基于市场换取技术的方式,从美国公司引进不少先进技术,通过国家资金支持和人才培养等方式,吸收掌握并创新了原有技术,在80年代夺得了存储器市场的垄断地位。英特尔不得不放弃DRAM业务,专注于CPU业务。


90年代台湾地区台积电和韩国三星等企业的崛起,也是受益于芯片半导体产业的分工裂变会。台积电是在晶圆代工环节,三星是在IC设计环节,三星自研的Exynos在市场颇受欢迎,这也是三星手机崛起的重要因素。甚至可以说苹果手机的成功也离不开这场轰轰烈烈的分工。


2010年以后,国产手机厂商,如华为、小米、vivo、OPPO也是这场绵延近30年的新分工潮流的受益者。在此之前,我国不少细分领域的芯片半导体企业也纷纷成立,试图抓住时代的红利。


来源:光大证券研究所


在国家推进“531战略”、“908工程”、“909工程”等大型工程的同时,不少民营企业因为没有充裕的资金,无法采用国家战略支持的IDM模式。这些市场化企业凭借国内低廉的人力、土地等成本,做着芯片全球产业链中最廉价和技术门槛较低的活,如芯片产业链中的封装和测试,然后通过资本的积累和技术的更新,逐渐树立起自己所在细分领域的壁垒。


从行业的整体发展路径来看,一般需要经历以下几个阶段:


  • 首先是劳动力密集型的IC封测业;

  • 其次是技术和资金密集型的IC制造业,转移后会相差1-2代技术;

  • 知识密集型的IC设计一般很难转移,需要靠自主发展。


21世纪初,封测业已经向国内转移,行业已经完成了当年韩国、台湾地区的发展初期阶段。那么,到今天,中国芯片产业在全球产业链中所处的位置如何?



突围:5G和AI浪潮下的机会


首先从市场规模来说,中国半导体市场接近全球的1/3。


根据WSTS数据,2016年全球半导体销售额为3389亿美元,其中我国半导体销售额1075亿,占全球市场的31.7%。中国为全球需求增长最快的地区。2010年-2016年,全球半导体市场规模年均复合增速为6.3%,而中国年均复合增速为21.5%。随着5G、消费电子、汽车电子等下游产业的进一步兴起,叠加全球半导体产业向大陆转移,预计中国半导体产业规模进一步增长。


其次,在地域上,围绕长三角、珠三角、北京、甘肃,国内芯片产业已初具规模。具体来看,长三角的情况为:


  • 设计领域,有豪威科技、华大半导体和格科微电子;

  • 制造领域,有中芯国际、华润微电子、华虹集团;

  • 封装测试领域,有安靠、晟蝶半导体和江苏新潮科技集团;

  • 还有中国规模最大、产业链相对完整的集成电路产业园——张江高科技园;

  • AI芯片领域还有阿里巴巴成立的芯片公司平头哥。


珠三角深圳地区在我国芯片设计方面领先,这里聚集了包括海思、中兴微电子、深圳中芯国际、敦泰科技等芯片领域的龙头企业。2018年深圳集成电路行业销售收入达897.94亿元,其中,设计业的销售额为758.7亿元,占比高达85%。


北京的紫光展讯集团是中国屈指可数的综合性集成电路企业,除此之外,这几年备受关注的人工智能芯片公司寒武纪总部也设立在北京。


甘肃封装测试方面较为领先,甘肃不仅有天水华天电子集团,还有华为、腾讯、东软、中科曙光等知名信息技术企业在甘肃布局,甘肃的封装测试能力便急速飙升。


从芯片生产各流程上看,近年来,国内半导体一直保持两位数增速,制造、设计与封测三业发展日趋均衡,但产业结构依然不均衡,制造业比重过低。2017年前三季度,我国IC设计、制造、封测的产业比重分别为37.7%、26%和35.5%,但世界集成电路产业设计、制造和封测三业占比惯例为3∶4∶3。具体来看:


  • 在系统方面,除了各国军需用品,全球手机、电脑、平板等智能设备搭载的系统为Windos、iOS、Android三大系统把持,华为研发的鸿蒙系统仍处于2.0测试阶段。

  • 在设计IP方面,想绕开X86和ARM架构实在太难,好在RISC-V全球开源共享。生态系统依然是最难攻克的堡垒。

  • 在IC设计方面,2018年国内共有约1698家芯片设计公司,产值预估达人民币2576.96亿元,同比增长32.42%,其中海思和紫光集团冲入全球十大Fabless。

  • 在晶圆代工方面,大陆最大的代工厂是中芯国际、华虹半导体和上海华力微电子,其28nm工艺逐渐成熟,14nm的生产线也在路上,但与台积电5nm工艺比差距不小,国内仍需较长时间追赶。根据SEMI数据显示,预计2017年至2020年间,全球投产的晶圆厂约62座,其中26座位于中国,占全球总数的42%。

  • 封装、测试方面,中国在芯片的封装测试行业发展迅速,长电科技、华天科技、通富微电组成的大陆封测三强长期在前十榜单。


能够看出,生态问题仍是制约国内芯片产业发展的瓶颈,而这只有通过把握住下一次重大技术革新带来的机遇才有可能改变,物联网时代的临近就是这个机遇。新入场的玩家正试图抓住这个机遇,例如,有媒体透露阿里平头哥已开始自主研发针对IoT领域的新的指令集。


同时,5G时代的到来和AI技术的迅速发展,为人工智能芯片打开市场提供了可能,在这个芯片领域的新赛道,国内芯片企业入局并不算晚。这其中既有做AI起家的寒武纪,也有华为、阿里巴巴等巨头在积累海量数据后入局智能芯片领域。



除开生态,当前,对中国芯片产业来说最难点仍是芯片制造方面。


晶圆制造是规模经济,具有投资大、回报慢、技术更新快的特点,并且芯片制造对工厂环境清洁程度、污染控制水平、材料纯度、设备精细度都有着极高的要求,是人类最顶尖科技水平在材料上的体现之一,其背后是基础科学和综合国力的沉淀,而国内相关技术仍比较薄弱,要想在短时间内提升到国际先进水平难度很高。


多重困境造成的现实是,虽然国内芯片市场庞大,但超过一半芯片仍需进口,特别是在高端芯片方面。好消息是,虽然挑战重重,但国内芯片产业仍有突围的机会。


在半个多世纪的芯片行业发展史中,芯片半导体在全球化浪潮下逐渐成为一个分工精细的全球生意。无论IBM还是英特尔,谁也没法做到兼顾全产业链的同时还保证市场第一的位置。从拒绝任何授权的英特尔X86,到以IP授权为主要商业模式的ARM,再到整个RISC-V开源指令集的出现,越是互联网后浪下出生的企业,越具有开放性和对未来的想象空间。芯片产业的发展历史已经证明,一个高效发展的科研产业,离不开全球产业链的联动,特别是在芯片产业。


当前,在一系列禁令下,华为已经加大对世界各国开发者的补贴力度,在HMS下吸引更多应用生态成型。生死存亡面前,华为的坚定投入,或许能破解当前国内芯片行业面临的生态掣肘难题。


背水一战,才能真正毕其功于一役。眼下,摆在华为乃至整个中国芯片产业面前的处境显然是艰难的,而这,或许也会成为华为,乃至整个中国芯片产业涅槃的开端。



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