作者/ 大隊長 編輯/ 2019-04-03 12:21:00.0
硅谷，美國科技產(chǎn)業(yè)的心臟，其名字來源于一種化學(xué)元素，該元素也是芯片最為重要的成分。如今，芯片正吸引著 Facebook、谷歌和蘋果等巨頭公司的注意力，而讓這些公司聞名于世的并非芯片，而是軟件和那些漂亮的硬件設(shè)備。然而，正是得益于二十世紀(jì)五六十年代晶體管、集成電路等發(fā)明的精細化，電腦才從房間大小的巨型機器，逐漸縮小為口袋大小的便攜設(shè)備，巨頭們能有今天的輝煌正仰賴于此。
集成電路產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為現(xiàn)代經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)，重要性不亞于能源，糧食，和鋼鐵，甚至有（IC is the New Steel）“芯片是新鋼鐵” 的說法。2012年，國家開始鼓勵“雙創(chuàng)”，2014年，工信部宣布國家集成電路產(chǎn)業(yè)基金，這標(biāo)志著加強集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展成為國家戰(zhàn)略的重要內(nèi)容。
如今，現(xiàn)代化的芯片已被嵌入汽車、洗衣機、戰(zhàn)斗機等各種設(shè)備中。據(jù)數(shù)據(jù)提供商「全球半導(dǎo)體貿(mào)易統(tǒng)計組織」（WSTS）估計，2017 年，芯片市場規(guī)模為 4120 億美元，較去年增長 21.6%。不過，這些原始數(shù)據(jù)容易讓人低估芯片制造的重要性。比如，對比來看，全球電子商務(wù)行業(yè)每年的收入約超 2 萬億美元。如果說數(shù)據(jù)是新的石油，那么，芯片就是把數(shù)據(jù)變得有用的內(nèi)燃機。
芯片的無處不在催生了一個龐大的全球產(chǎn)業(yè)。現(xiàn)代芯片約含數(shù)十億個元器件，需要在超先進的工廠中生產(chǎn)，其制造成本高達數(shù)百億美元。事實上，能夠完全建造這些設(shè)備也是專業(yè)化和貿(mào)易實力的一個體現(xiàn)。
這些極其復(fù)雜的產(chǎn)品催生出同樣復(fù)雜的供應(yīng)鏈，全球數(shù)千家專業(yè)公司都參與其中。美國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)協(xié)會（SIA）估算過，其成員之一擁有超過 1.6 萬家供應(yīng)商，其中 8500 多家在美國境外。原材料和元部件是芯片的重要組成部分，在最終成為智能手機、汽車防抱死制動系統(tǒng)或其他數(shù)以千計產(chǎn)品的大腦之前，它們會經(jīng)歷一番環(huán)球旅行。
如今，兩股力量正將半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)推到聚光燈下。首先是地緣政治。芯片產(chǎn)業(yè)正深受中美日趨敏感的對抗關(guān)系影響。其次是物理學(xué)。這場醞釀中的技術(shù)變革正處于歷史性時刻。50 年來，芯片行業(yè)一直受到摩爾定律的推動。根據(jù)摩爾定律，芯片上可容納的元器件數(shù)量每兩年翻一番，芯片性能也將提升一倍。但摩爾定律正在失效，芯片行業(yè)的未來似乎也比以往任何時候都更加不確定。
集成電路產(chǎn)業(yè)鏈可以大致分為電路設(shè)計、芯片制造、封裝及測試三個主要環(huán)節(jié)。集成電路生產(chǎn)流程是以電路設(shè)計為主導(dǎo)，由集成電路設(shè)計公司設(shè)計出集成電路，然后委托芯片制造廠生產(chǎn)晶圓，再委托封裝廠進行集成電路封裝、測試，最后銷售給電子整機產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)，其中制造與封裝過程中，需要利用許多高精設(shè)備和高純度材料。
半導(dǎo)體行業(yè)目前有了兩種主要業(yè)務(wù)模式，一種是IDM整合元件制造商（IntegratedDeviceManufacturer）模式，即一家公司覆蓋集成電路全產(chǎn)業(yè)鏈，另一種是垂直分工模式，即Fabless+Foundry+封測廠商。
一、IDM就是指Intel和三星這種擁有自己的晶圓廠，能夠一手包辦IC設(shè)計、芯片制造、芯片封裝、測試、投向消費者市場五個環(huán)節(jié)的廠商。
二、Fabless則是指有能力設(shè)計芯片架構(gòu)，但是卻沒有晶圓廠生產(chǎn)芯片，需要找代工廠代為生產(chǎn)的廠商，知名的有Qualcomm、蘋果和華為。
三、代工廠（Foundry）則是無芯片設(shè)計能力，但有晶圓生產(chǎn)技術(shù)的廠商，代表公司是臺積電。
四、封測廠商，就是專注于封裝測試環(huán)節(jié)的公司，典型的有日月光、長電科技等。
IC設(shè)計流程
集成電路是電子信息產(chǎn)業(yè)的基石，而IC設(shè)計作為集成電路產(chǎn)業(yè)鏈上游，是最具創(chuàng)新的重要環(huán)節(jié)，具有高投入、高風(fēng)險、高產(chǎn)出的特點。一般而言，IC設(shè)計大致分為以下五個主要步驟：
一、規(guī)格制定：客戶向芯片設(shè)計公司提出的設(shè)計要求，包括芯片需要達到的具體功能和性能方面的要求。
二、HDL編程：使用硬件描述語言（VHDL，VerilogHDL）將實際的硬件電路功能通過HDL語言描述出來模塊功能以代碼來描述實現(xiàn)。
三、邏輯綜合：邏輯綜合的結(jié)果就是把設(shè)計實現(xiàn)的HDL代碼翻譯成門級網(wǎng)絡(luò)。
四、仿真模擬：仿真模擬檢驗編碼設(shè)計的正確性，看設(shè)計是否精確地滿足了規(guī)格中的所有要求。設(shè)計和仿真驗證是反復(fù)迭代的過程，直到驗證結(jié)果顯示完全符合規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)。
五、布線：即普通信號布線了，包括各種標(biāo)準(zhǔn)單元（基本邏輯門電路）之間的走線。
行業(yè)現(xiàn)狀背景
我國芯片自給率目前仍然較低，核心芯片缺乏，高端技術(shù)長期被國外廠商控制，芯片已成為中國第一大進口商品，嚴重威脅國家安全戰(zhàn)略。
根據(jù)中國半導(dǎo)體協(xié)會與國家統(tǒng)計局統(tǒng)計，中國芯片產(chǎn)量增速自2013至2017，在波動中達到平均15%，年產(chǎn)量也從903億塊增長至1565億塊，但總體來看，中國芯片供給市場仍大量依靠國外進口。2015年芯片進口額超2000億美元，超越了原油和大宗商品，成為中國第一大進口商品。2017年更是達到了2601億美元。
目前芯片行業(yè)長期被國外控制，根據(jù)IC Insights數(shù)據(jù)顯示，我國自給率僅為為10.4%，除了移動通信終端和核心網(wǎng)絡(luò)設(shè)備領(lǐng)域有部分芯片產(chǎn)品占有率超過10％外，其余在如計算機系統(tǒng)中的服務(wù)器、個人電腦、工業(yè)應(yīng)用的微處理器，半導(dǎo)體儲存器，高清/智能電視顯示處理器部分國產(chǎn)芯片占有率幾乎為0%，此現(xiàn)狀更是對未來國家安全增加了風(fēng)險因素，嚴重影響了國家安全戰(zhàn)略布局。
中國芯片行業(yè)現(xiàn)狀
芯片制造主要分為三大環(huán)節(jié)：晶圓加工制造、芯片前期加工、芯片后期封裝。其中技術(shù)難度最大最核心的是芯片前期加工這個環(huán)節(jié)，分為上百道制程，每道制程都有相應(yīng)的裝備。在這些裝備里面，技術(shù)難度最大的就是光刻技術(shù)。中國半導(dǎo)體技術(shù)主要是在第一和第三環(huán)節(jié)。第二個環(huán)節(jié)中的技術(shù)裝備大部分處于空白，所以高端的整個芯片都需要進口。
中國的集成電路產(chǎn)業(yè)經(jīng)過最近十多年的發(fā)展，取得了不俗的成績，近十年來，集成電路產(chǎn)業(yè)規(guī)模持續(xù)高速增長。從2007年到2017年，中國集成電路產(chǎn)業(yè)規(guī)模年均復(fù)合增長率為15.8%，遠遠高于全球半導(dǎo)體6.8%的增速。
最近的2018年1~3月銷售額為1152.9億元，同比增長20.8%。其中設(shè)計業(yè)同比增長22%，銷售額為394.5億元。制造業(yè)同比增長26.2%，銷售額為355.9億元;封裝測試業(yè)同比增長19.6%，銷售額為402.5億元。
更為可喜的是，中國集成電路產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)愈發(fā)均衡。從2008年到2017年，中國集成電路產(chǎn)業(yè)經(jīng)過十年的發(fā)展，逐步形成了設(shè)計、制造和封裝測試三業(yè)并舉，協(xié)調(diào)發(fā)展的格局。其中設(shè)計業(yè)增長迅速，產(chǎn)業(yè)規(guī)模也超過封測業(yè)，成為產(chǎn)值占比最大的環(huán)節(jié)，目前占比38%。
高端芯片對外依存度依然很高
在看到中國芯片進步的同時，也需要看到差距，目前我國高端 IC 設(shè)計產(chǎn)能不足。我國芯片設(shè)計業(yè)的產(chǎn)品范圍已經(jīng)涵蓋了幾乎所有門類，且部分產(chǎn)品已擁有了一定的市場規(guī)模，但我國芯片產(chǎn)品總體上仍然處于中低端，在高端市場上還無法與國外產(chǎn)品展開競爭。我國集成電路每年超過 2000 億美元的進口額中，處理器和存儲器芯片占比超過 70%。
高端通用芯片與國外先進水平差距大，主要體現(xiàn)在四個方面。
1）移動處理器的國內(nèi)外差距相對較小。紫光展銳、華為海思等在移動處理器方面已進入全球前列。
2）中央處理器(CPU) 是追趕難度最大的高端芯片。英特爾幾乎壟斷了全球市場，國內(nèi)相關(guān)企業(yè)約有 3-5 家，但都沒有實現(xiàn)商業(yè)量產(chǎn)，大多仍然依靠申請科研項目經(jīng)費和政府補貼維持運轉(zhuǎn)。龍芯等國內(nèi) CPU 設(shè)計企業(yè)雖然能夠做出 CPU 產(chǎn)品，而且在單一或部分指標(biāo)上可能超越國外 CPU，但由于缺乏產(chǎn)業(yè)生態(tài)支撐，還無法與占主導(dǎo)地位的產(chǎn)品競爭。
3）存儲器國內(nèi)外差距同樣較大。武漢長江存儲試圖發(fā)展 3D Nand Flash(閃存)的技術(shù)，但目前僅處于 32 層閃存樣品階段，而三星、英特爾等全球龍頭企業(yè)已開始陸續(xù)量產(chǎn) 64 層閃存產(chǎn)品。
4）對于 FPGA、AD/DA 等高端通用芯片，國內(nèi)外技術(shù)懸殊。
具體來說，在高端芯片領(lǐng)域，CPU方面，雖然已經(jīng)解決了有無問題，并在特定領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用，但在民用市場性價比還有待提升;GPU領(lǐng)域國內(nèi)只有景嘉微公司有所布局，服務(wù)特種應(yīng)用;FPGA方面，國內(nèi)的高云公司和紫光國芯公司的技術(shù)水平還較低;存儲方面，國內(nèi)尚不具備制造能力。
模擬芯片領(lǐng)域，模擬芯片企業(yè)產(chǎn)品集中在中低端產(chǎn)品，在高壓、高頻率、高性能、高可靠性方面與美國的差距非常顯著;制造器件方面，國內(nèi)的紫光展銳等公司初步具備4G功率放大器的研發(fā)，但是市場競爭力和器件性能與先進水平差距較大，電力電子器件方面，國內(nèi)企業(yè)除中車時代電氣公司外，整體實力較弱。
光器件領(lǐng)域，國內(nèi)企業(yè)的產(chǎn)品以中低端光器件為主，高端器件95%以上從國外進口，綜合國產(chǎn)率不足15%。全球排名前十的光電子企業(yè)中，只有烽火集團旗下的光迅科技公司排在第5位，而市場份額只有5%，在100G光電子收發(fā)器市場，國內(nèi)企業(yè)的市場份額為0。
設(shè)備材料方面，我國設(shè)備僅在部分品種實現(xiàn)了單點突破，等離子刻蝕機、MOCVD、清洗劑等設(shè)備已實現(xiàn)國產(chǎn)化，但尚不具備面向先進工藝的成套工藝能力。材料方面，我國目前在8英寸硅片、金屬靶材、銅電鍍液、CMP研磨液、化學(xué)試劑等方面具備一定技術(shù)實力，但在面向先進工藝的12英寸硅片、特種氣體、高純化學(xué)試劑等材料方面技術(shù)實力依然薄弱。
工藝，國內(nèi)尚處于28nm量產(chǎn)階段，16/14nm還在研發(fā)中，與Intel公司差距至少為3代。
EDA/IP方面，國內(nèi)基本所有設(shè)計企業(yè)都需要依賴進口企業(yè)提供的設(shè)計工具。
軟件方面，中國基礎(chǔ)軟件差距較大，使得軟硬件結(jié)合優(yōu)勢不能有效發(fā)揮，成為阻礙國內(nèi)企業(yè)進入的重要壁壘。
那中國缺的是什么？
中國在算力核心、主控方面的相關(guān)設(shè)計、制造一直都相當(dāng)活躍，過去不但曾在手機芯片市場占據(jù)半邊天，在平板方案上更是幾乎囊括幾乎全部市場。而如今在 AI 芯片的設(shè)計與生態(tài)經(jīng)營方面，更是站在全球的先鋒。
雖然 AI 芯片主要還是以深度學(xué)習(xí)等計算特化的設(shè)計方向為主，仍需要一般通用計算架構(gòu)搭配，但隨著在華成立合資公司，以及 Imagination 被中資收購，加上各種自研發(fā)展的芯片 IP，其實中國也不擔(dān)心一般通用核心 IP 供應(yīng)的短缺。
問題在于，過去中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的布局一般都沒有太長遠的規(guī)劃，而且講求速效，很難有跨度較長的計劃，加上行業(yè)太過容易一窩蜂。比如說數(shù)年前手機、平板芯片企業(yè)的盛況亦不遜于現(xiàn)在 AI 生態(tài)的蓬勃發(fā)展，但能留存下來的廠商僅是少數(shù)中的少數(shù)。
而且，大家都爭著發(fā)展最能爭奪眼光的熱點產(chǎn)品，反而一些非?；镜漠a(chǎn)品，如ADC/DAC、LNA及SerDes 等外圍器件都沒有太多著墨，而即便是在5G，大廠也是爭著做最被注目的專利以及主控部分，PA這種外圍器件也都是想著能用外來的就用外來的，一來關(guān)鍵材料與技術(shù)專利較難突破，二來利潤較薄，而且做得好也很難吸引到投資人的眼光，以致于供應(yīng)鏈對于此類料件的自研興趣缺乏。
而所謂中國芯的相關(guān)企業(yè)，很多都把生態(tài)的經(jīng)營，或者是市場的目標(biāo)都擺在中國本土，中國的確是很大的市場，但以手機市場為例，目前主要的手機廠商已經(jīng)把海外市場當(dāng)作進一步成長的關(guān)鍵，現(xiàn)在的芯片產(chǎn)業(yè)是否也應(yīng)直接以全球市場進行布局，而非僅固守在相對小范圍的封閉生態(tài)？
對相關(guān)企業(yè)而言，若一開始就把市場目標(biāo)擺在全球，對往后產(chǎn)業(yè)與技術(shù)的經(jīng)營態(tài)度與格局自然也能拉到更高的層次。
另外再以AI新創(chuàng)中的幾個獨角獸為例，比如說商湯，其優(yōu)勢算法結(jié)合各家計算方案，目前已經(jīng)成功打進汽車、手機等國際大廠中。對中國芯片廠商而言，如果有能力進一步打進國際大廠供應(yīng)鏈，不單單只是生意實力的成績，更是技術(shù)實力的展現(xiàn)。
更證明，不論其芯來自何處，中國企業(yè)都能為自身、為全球市場創(chuàng)造最大價值。而中國芯若能在此扮演推手，成為未來全球產(chǎn)業(yè)布局的重點，比如像寒武紀(jì)在AI生態(tài)布局成為可通用的算力核心，推動應(yīng)用前進，讓自身成為關(guān)鍵料件，面對未來可能的貿(mào)易阻礙，無論敵軍圍困萬千重，我自巋然不動，根本就無須恐慌。
2016年3月，中興通信涉嫌違反美國對伊朗的出口管制政策，美國商務(wù)部對中興實施出口限制，禁止美國元器件供應(yīng)商向中興出口元器件、軟件、設(shè)備等技術(shù)產(chǎn)品。2018年4月，美國商務(wù)部稱中興因未履行和解協(xié)定部分協(xié)議，將繼續(xù)履行禁令7年，直至8月中興簽署協(xié)議支付4億美元保證金之后才能解除禁令。中興事件的發(fā)生更令社會各界認識到芯片核心科技自主性的重要程度。
中興事件，或許對中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的一個轉(zhuǎn)機，一個重新檢視自家產(chǎn)業(yè)體質(zhì)的好機會。中國芯不應(yīng)該是終點，而是達成目的的一個過程，與其只談中國芯，或許“世界芯”才是真正的目標(biāo)所在。
