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華為芯片恐遭斷供背後:中國芯的心酸往事與前途去路


華為芯片恐遭斷供背後:中國芯的心酸往事與前途去路 1

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文/洪雨晗

來源:深響(ID:deep-echo)

舉國體制下,中國的半導體產業能夠緊追美國,得益於一批回到新中國的半導體人才。

80年代開始,中國與國際先進水平的差距被拉大,這其中既有內因,也與全球芯片產業開始裂變分工形成各類壁壘密不可分。

芯片半導體在全球化浪潮下逐漸成為一個分工精細的全球生意,越是互聯網後浪下出生的企業,越具有開放性和對未來的想像空間。

悲壯。

如無意外,此刻根據媒體報導,在9月15日美國對華為芯片實施全面“斷供”的節點即將到來之際,華為正抓緊時間從台灣地區運回所有麒麟芯片。

這或許是最後一批供給華為的麒麟芯片,此後,應用於華為多種終端的芯片表現如何,就要完全靠自己了。 因此,悲壯,是市場為華為定下的情緒註解。

面對危機,華為的B計劃正在加速落地。 就在斷供時點即將到來的前幾天,華為開發者大會在東莞松山湖開幕。 時隔一年多,華為自研系統鴻蒙OS升級至2.0,同時還帶來了HMS Core 5.0和EMUI 11。

禁令對華為的影響毫無疑問是非常巨大的,今年8月,華為消費者業務余承東曾對外表示,若沒有美國相關禁令的限制,華為手機的出貨量在去年就能超過三星。

根據市場調研機構IDC的報告顯示,在2020年第二季度全球智能手機出貨量同比下降16%的情況下,華為以5580萬部的出貨量,超越三星(5420萬部),衝上全球智能手機出貨量第一的位置,市場份額達到了20.0%。

但隨著新一輪禁令的到來,從9月15日開始,美國將限制華為使用美國技術和軟件在國外(美國以外)設計和製造半導體,這些公司在再出口,從國外(美國以外)出口或轉移到實體列表中的華為或其任何關聯公司時都需要許可證。

簡單來說,就是任何使用美國技術的半導體公司都不能再賣產品和技術給華為了,否則將受到美國政府的相關製裁。 在此禁令頒布後,台積電、三星、英特爾、聯發科、高通、中芯、海力士等全球主要芯片生產企業,都陸續表示9月15日之後將無法繼續為華為提供服務。

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華為雖在禁令生效期前已開始大量囤積芯片(據華為2020年一季度末財報,華為的存貨已經達到1882億元),但亦做好了最壞的打算,余承東表示:“由於第二輪制裁,芯片沒辦法生產,很困難,目前都在缺貨階段。這可能是我們非常大的損失。”

雖然部分媒體表示,華為現存芯片或可滿足2021年全年需求,撐至美大選後的禁令政策變化,可一旦仍無芯可用,華為將遭遇巨大影響。

華為的遭遇是中國芯片產業處境尷尬的現實折射。

在矽基的信息科技時代,芯片是類似工業革命煤、石油一樣重要的存在。 因此,由華為的事件延展,一紙禁令會造成如此大影響的背後,中國芯片行業的發展現狀到底如何,是更為值得探究的話題。

中國“芯”究竟經歷了怎樣的發展歷程? 如今走到了哪一步? 明天又該往何處去? 解答這些問題,需要回到故事的起點。

  起步:舉國體制下的追趕

2000年,被稱為矽谷之父、集成電路之父,以及仙童半導體公司和英特爾創始人羅伯特·諾伊斯已經去世,按照諾貝爾獎只授予在世者的規定,77歲的傑克·基爾比終獲得這一年的諾貝爾物理學獎,此時,已距離集成電路發明已過去42年。

1958年,當一個雙極性晶體管,三個電阻和一個電容器成功組成第一個集成電路雛形時,誰也不知道它將給人類歷史帶來什麼。

傑克·基爾比和世界第一塊集成電路傑克·基爾比和世界第一塊集成電路

時間來到1960年代,單晶技術由貝爾實驗室開發出來。 至此,半導體工業獲得了可以批次生產的能力,終於站穩腳步,開始發展。 1964年,大名鼎鼎的仙童半導體發明了平面工藝的方法,解決了電路中不同元件間的導線連接問題,蝕刻、微影等技術在當時便已出現。 此時的矽谷開始初具雛形,英特爾、AMD等公司也在隨後幾年成立。

60年代發展出來的平面工藝,可以把越來越多的元件放在一塊矽晶片上,從1960年的不到10個元件,到80年代的十萬個元件,再到90年代的千萬個元件。 英特爾創始人戈登·摩爾在此時提出了他的行業設想:集成電路上可以容納的晶體管數目在大約每經過24個月便會增加一倍。 換言之,處理器的性能每隔兩年翻一倍。

1968年,美國無線電公司成功研發了第一個互補金屬氧化物半導體(CMOS)集成電路。 CMOS器件的發明有效地實踐了摩爾定律。 1971年,英特爾推出1KB動態隨機存儲器DRAM,和全球第一個微處理器4004,標誌著大規模集成電路的出現。

Federico Faggin,Ted Hoff和Stanley Mazor手持英特爾4004處理器在國家發明家名人堂,1996年Federico Faggin,Ted Hoff和Stanley Mazor手持英特爾4004處理器在國家發明家名人堂,1996年

在半導體產業剛剛起步的此時,中國與世界頂尖技術差距並不大。

1954年,當美國研製出矽合金晶體管,中國​​北京電子管廠也於四年後(1958年)研製出矽合金晶體管。 1959年美國發明平面光刻技術,研製成功平面型擴散晶體管,中國​​科學院半導體所也在1963年研製成平面管,同時​​有多家單位也在研製平面管。

1975年,北京大學物理系半導體研究小組,由王陽元(中科院院士、中芯國際創始人)等人,設計出我國第一批三種類型的(矽柵NMOS、矽柵PMOS、鋁柵NMOS)1KbDRAM動態隨機存儲器,它比美國英特爾公司研製的C1103DRAM內存芯片要晚五年,但是比韓國、台灣地區要早四五年。

在半導體晶體管和集成電路起步階段,中國距美國祇有五年左右的差距,起步並不算太慢。 當時國內半導體產業主要為計算機和軍工配套服務,以開發邏輯電路為主要產品,初步建立集成電路工業基礎及相關設備、儀器、材料的配套條件,因此施行的是舉國體制。

1956年,我國提出“向科學進軍”的口號,根據國外發展電子元件的情況,提出中國也要研究半導體科學,並將其列為國家四大緊急措施之一。 舉國體制下,中國的半導體產業能夠緊追美國,得益於一批回到新中國的半導體人才。

那段時間,中國科學院應用物理研究所請留學歸來的半導體專家黃崑、吳錫九、黃敞、林蘭英、王守武、成眾誌等講授半導體相關理論,在北京大學開辦了半導體物理專業培養出中國第一批半導體專業人才,包括後來的中芯國際董事長王陽元、華晶集團總工程師許居衍、電子工業部總工程師俞忠鈺等。

舉國模式或許可以保證科技上不會被甩下,但如果行業無法通過商業化、產業化來盈利,則很難保證長久健康的發展。

1977年7月,中國科學院院士、微電子學專家王守武,在人民大會堂舉行的30位科技界代表座談會上,發言稱:“全國共有600多家半導體生產工廠,其一年生產的集成電路總量,只等於日本一家大型工廠月產量的十分之一。”一句話生動地概括了我國半導體行業當時的狀況。

1975年王守武(中)和參觀半導體所的美籍華人科學家1975年王守武(中)和參觀半導體所的美籍華人科學家

1978年,伴隨改革開放,中國集成電路產業進入探索發展時期。 中國積極引進國外先進的科學技術,建設了多個重點項目。 同年,國家投資13億元,支持24家企業從國外引進33條先進的生產線。

1982年10月,國務院成立了“電子計算機和大規模集成電路領導小組”,制定中國芯片發展規劃。 1985年,原航天691廠技術科長侯為貴被派往深圳,創立了中興通訊的前身中興半導體。

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至此,中國芯片半導體行業開始走入發展快車道,彼時,迅速達到世界水平是行業人士的普通追求,但恰恰是在這段時間,中國與國際先進水平的差距被拉大,這其中既有內因,也與全球芯片產業開始裂變分工形成各類壁壘密不可分。

  下行:Wintel聯盟下的分叉路

早期的計算機生產商需要研製包括指令集在內的集成電路、可兼容操作系統、數據庫等軟硬件,這需要花費巨額的資金成本和時間成本。

因此,不同企業選擇了不同的市場切入方式。 甲骨文、微軟等70年代成立的企業最初則是通過軟件這一項來打入計算機市場;英特爾、AMD則是通過硬件。

兩條路徑最終交叉。

隨著PC時代到來,英特爾和微軟聯手通過他們強大無比的X86指令集、Windos系統和律師團隊,形成指令集和軟件生態系統的壁壘,橫掃全球PC市場。 積極入世的中國,國家資金支持下的半導體產業在無數便宜又好用的市場芯片衝擊下,後果可想而知。

大量國營電子廠在市場化潮流下遭遇巨大困難,從國外引進的二手生產線又已趕不上潮流。 為了解決這個問題,國家部委陸續發起了三次戰役(1986年的“531戰略”、1990年的“908工程”、1995年的“909工程”),但效果不佳,中國和國外半導體行業的差距並沒有縮小。

“909工程”落地上海“909工程”落地上海

華為如今遭遇的禁令風波,當時也已存在,歐美國家通過“巴統”和“瓦森納協議”來限制向中國出口最先進的高科技設備。 中國前科技部部長徐冠華曾說,“中國信息產業缺芯少魂”。 其中的芯是指芯片,魂則是指操作系統。

2001年,倪光南院士和方舟公司合作,試圖攻破自主知識產權的操作系統和芯片。 方舟的路徑是繞過微軟和英特爾,採用ARM架構設計芯片,使用Linux做操作系統,做成了全自主的瘦客戶機NC,替代了“Wintel”架構。

這款在當時技術上成功的產品,在市場化上卻依然沒有成功,這其中的原因就是“Wintel”背後的生態系統,無數上下游硬軟件共同形成的巨大生態鏈,這也涉及到芯片半導體行業的進一步分工。

微軟、英特爾通過其“軟硬雙打”稱霸PC市場後,其他半導體廠商為了生存,不得不繞開這兩座大山或乾脆就為其服務,這其中最典型的兩家公司便是台積電和ARM,這也是新公司們開拓創新的開始。

PC時代,個人電腦快速普及,集做指令集、設計IP並自己生產製造的英特爾,在產能上開始無法滿足日益增長的市場需求,不得不尋求其他代工廠為其代工芯片。 這成為台積電成長為如今業界領頭羊地位的開端。

1983年,麻省理工學院碩士畢業生、德州儀器第三號人物張忠謀因與公司其他高層發展理念不同回到了台灣,四年後,他在新竹科學園區創建了全球第一家專業代工公司— —台灣積體電路製造公司(台積電)。 台積電成立的第二年,張忠謀通過私人關係,拿到了英特爾的芯片代工訂單,得到了英特爾的背書,台積電快速壯大,每年的營收增長率都超過了50%。

經過三十多年的發展,如今,台積電已在晶圓代工領域首屈一指,甚至先於英特爾率先達到5nm芯片量產。

一同在Wintel聯盟下艱難求生的還有初創公司ARM。

ARM前身,1978年於英國劍橋成立的Acorn Computer,在尋求英特爾x86授權被拒後,被迫自己研發了基於RISC精簡指令集的ARM架構的芯片。 芯片雖然研發出來,但芯片的銷量慘淡,巨額的虧損使公司不得不放棄直接生產芯片,而是採用IP核授權的方式將其芯片的IP使用權出售給其他公司使用,而這一商業模式的創新,是ARM移動互聯網王朝的開端。

Foundry和IP授權模式由此誕生。

這兩種模式的誕生帶來的影響無疑是巨大的,無數沒有資本去自己研究生產芯片的企業都可以通過購買IP和讓代工廠代工的方式來入局電子行業,這無疑會促進行業良性競爭發展。 此外,專注某一細分領域的企業可以在其細分領域高效投資技術,促進全行業、全產業鏈迅猛發展。

隨著時間的推移、技術的進步,集成電路的專業分工更加細化了。 系統、IP供應商、IC設計、晶圓代工、封裝、測試等環節都開始有專門的企業,實行IDM模式(Integrated Device Manufacturing,整合設備生產模式)的製造商越來越少。

生產模式的改變,也促成了全球產業格局的重新調整。

  追趕:從低端切入積累資本

因為芯片生產分工高度專業化的緣故,全球芯片產業也鏈接的更加緊密,每一環節技術的進步或停滯都會對芯片產業造成極大影響。 這其中最典型的是在晶圓代工這一環節,繼續細分至光刻機的生產設備端。

荷蘭的ASML在光刻機市場佔據了80%的份額,其製造的EUV光刻機售接近1.2億美元一台,但半導體廠商仍願意買單。 因為7nm以及以上的工藝的確需要EUV光刻機,幾時同樣的7nm工藝,使用EUV光刻技術之後晶體管密度和性能都變得更好。

光刻機光刻機

今天,即便是在設備端也已有了不少專業細分領域,如:矽片設備、熱處理設備、光刻設備(ASML)、刻蝕設備、離子注入設備、薄膜沉積設備、拋光設備、清洗設備、檢測設備。

伴隨芯片產業鏈全球化的過程,垂直整合模式向“IP授權+Fabless+Foundry”模式轉變,這個過程中也伴隨著芯片半導體產業在全球不同地方的遷移。 各國也紛紛希望抓緊芯片半導體產業分工裂變的機會。

日本基於市場換取技術的方式,從美國公司引進不少先進技術,通過國家資金支持和人才培養等方式,吸收掌握並創新了原有技術,在80年代奪得了存儲器市場的壟斷地位。 英特爾不得不放棄DRAM業務,專注於CPU業務。

90年代台灣地區台積電和韓國三星等企業的崛起,也是受益於芯片半導體產業的分工裂變會。 台積電是在晶圓代工環節,三星是在IC設計環節,三星自研的Exynos在市場頗受歡迎,這也是三星手機崛起的重要因素。 甚至可以說蘋果手機的成功也離不開這場轟轟烈烈的分工。

2010年以後,國產手機廠商,如華為、小米、vivo、OPPO也是這場綿延近30年的新分工潮流的受益者。 在此之前,我國不少細分領域的芯片半導體企業也紛紛成立,試圖抓住時代的紅利。

來源:光大證券研究所來源:光大證券研究所

在國家推進“531戰略”、“908工程”、“909工程”等大型工程的同時,不少民營企業因為沒有充裕的資金,無法採用國家戰略支持的IDM模式。 這些市場化企業憑藉國內低廉的人力、土地等成本,做著芯片全球產業鏈中最廉價和技術門檻較低的活,如芯片產業鏈中的封裝和測試,然後通過資本的積累和技術的更新,逐漸樹立起自己所在細分領域的壁壘。

從行業的整體發展路徑來看,一般需要經歷以下幾個階段:

首先是勞動力密集型的IC封測業;

其次是技術和資金密集型的IC製造業,轉移後會相差1-2代技術;

知識密集型的IC設計一般很難轉移,需要靠自主發展。

21世紀初,封測業已經向國內轉移,行業已經完成了當年韓國、台灣地區的發展初期階段。 那麼,到今天,中國芯片產業在全球產業鏈中所處的位置如何?

  突圍:5G和AI浪潮下的機會

首先從市場規模來說,中國半導體市場接近全球的1/3。

根據WSTS數據,2016年全球半導體銷售額為3389億美元,其中我國半導體銷售額1075億,佔全球市場的31.7%。 中國為全球需求增長最快的地區。 2010年-2016年,全球半導體市場規模年均複合增速為6.3%,而中國年均複合增速為21.5%。 隨著5G、消費電子、汽車電子等下游產業的進一步興起,疊加全球半導體產業向大陸轉移,預計中國半導體產業規模進一步增長。

其次,在地域上,圍繞長三角、珠三角、北京、甘肅,國內芯片產業已初具規模。 具體來看,長三角的情況為:

設計領域,有豪威科技、華大半導體和格科微電子;

製造領域,有中芯國際、華潤微電子、華虹集團;

封裝測試領域,有安靠、晟蝶半導體和江蘇新潮科技集團;

還有中國規模最大、產業鏈相對完整的集成電路產業園——張江高科技園;

AI芯片領域還有阿里巴巴成立的芯片公司平頭哥。

珠三角深圳地區在我國芯片設計方面領先,這裡聚集了包括海思、中興微電子、深圳中芯國際、敦泰科技等芯片領域的龍頭企業。 2018年深圳集成電路行​​業銷售收入達897.94億元,其中,設計業的銷售額為758.7億元,佔比高達85%。

北京的紫光展訊集團是中國屈指可數的綜合性集成電路企業,除此之外,這幾年備受關注的人工智能芯片公司寒武紀總部也設立在北京。

甘肅封裝測試方面較為領先,甘肅不僅有天水華天電子集團,還有華為、騰訊、東軟、中科曙光等知名信息技術企業在甘肅佈局,甘肅的封裝測試能力便急速飆升。

從芯片生產各流程上看,近年來,國內半導體一直保持兩位數增速,製造、設計與封測三業發展日趨均衡,但產業結構依然不均衡,製造業比重過低。 2017年前三季度,我國IC設計、製造、封測的產業比重分別為37.7%、26%和35.5%,但世界集成電路產業設計、製造和封測三業佔比慣例為3∶4∶3 。 具體來看:

在系統方面,除了各國軍需用品,全球手機、電腦、平板等智能設備搭載的系統為Windos、iOS、Android三大系統把持,華為研發的鴻蒙系統仍處於2.0測試階段。

在設計IP方面,想繞開X86和ARM架構實在太難,好在RISC-V全球開源共享。 生態系統依然是最難攻克的堡壘。

在IC設計方面,2018年國內共有約1698家芯片設計公司,產值預估達人民幣2576.96億元,同比增長32.42%,其中海思和紫光集團衝入全球十大Fabless。

在晶圓代工方面,大陸最大的代工廠是中芯國際、華虹半導體和上海華力微電子,其28nm工藝逐漸成熟,14nm的生產線也在路上,但與台積電5nm工藝比差距不小,國內仍需較長時間追趕。 根據SEMI數據顯示,預計2017年至2020年間,全球投產的晶圓廠約62座,其中26座位於中國,佔全球總數的42%。

封裝、測試方面,中國在芯片的封裝測試行業發展迅速,長電科技、華天科技、通富微電組成的大陸封測三強長期在前十榜單。

能夠看出,生態問題仍是製約國內芯片產業發展的瓶頸,而這只有通過把握住下一次重大技術革新帶來的機遇才有可能改變,物聯網時代的臨近就是這個機遇。 新入場的玩家正試圖抓住這個機遇,例如,有媒體透露阿里平頭哥已開始自主研發針對IoT領域的新的指令集。

同時,5G時代的到來和AI技術的迅速發展,為人工智能芯片打開市場提供了可能,在這個芯片領域的新賽道,國內芯片企業入局並不算晚。 這其中既有做AI起家的寒武紀,也有華為、阿里巴巴等巨頭在積累海量數據後入局智能芯片領域。

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除開生態,當前,對中國芯片產業來說最難點仍是芯片製造方面。

晶圓製造是規模經濟,具有投資大、回報慢、技術更新快的特點,並且芯片製造對工廠環境清潔程度、污染控制水平、材料純度、設備精細度都有著極高的要求,是人類最頂尖科技水平在材料上的體現之一,其背後是基礎科學和綜合國力的沉澱,而國內相關技術仍比較薄弱,要想在短時間內提升到國際先進水平難度很高。

多重困境造成的現實是,雖然國內芯片市場龐大,但超過一半芯片仍需進口,特別是在高端芯片方面。 好消息是,雖然挑戰重重,但國內芯片產業仍有突圍的機會。

在半個多世紀的芯片行業發展史中,芯片半導體在全球化浪潮下逐漸成為一個分工精細的全球生意。 無論IBM還是英特爾,誰也沒法做到兼顧全產業鏈的同時還保證市場第一的位置。 從拒絕任何授權的英特爾X86,到以IP授權為主要商業模式的ARM,再到整個RISC-V開源指令集的出現,越是互聯網後浪下出生的企業,越具有開放性和對未來的想像空間。 芯片產業的發展歷史已經證明,一個高效發展的科研產業,離不開全球產業鏈的聯動,特別是在芯片產業。

當前,在一系列禁令下,華為已經加大對世界各國開發者的補貼力度,在HMS下吸引更多應用生態成型。 生死存亡面前,華為的堅定投入,或許能破解當前國內芯片行業面臨的生態掣肘難題。

背水一戰,才能真正畢其功於一役。 眼下,擺在華為乃至整個中國芯片產業面前的處境顯然是艱難的,而這,或許也會成為華為,乃至整個中國芯片產業涅槃的開端。

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(聲明:本文僅代表作者觀點,不代表新浪網立場。)