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中国芯片差在哪?这篇讲全了

时间:11-25 00:00 阅读:4349次 转载来源:战略前沿技术

远望智库:与智者同行,为创新加速

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本文转载自ittbank

在半导体这个领域,中国需要挑战的是,西方上百年积累起来的工业体系。

中国半导体一直是在冒着敌人的炮火匍匐前进,如今,敌人的炮火越来越凶猛。围追堵截中,谁让我“芯”痛?

美国的惊人统治力

1957年,晶体管之父肖克利的八个门徒,在硅谷创立仙童半导体公司,并开发出人类历史上第一块集成电路,硅谷因此成为全世界半导体技术的发源地,一直延续至今。

期间,尽管发生过几次产业转移,七八十年代,半导体制造大量转移至日本;90年代后,转移至韩国和中国台湾。但美国至今依旧保留着在诸多核心领域的统治力。

以生产设备为例,全球三大巨头应用材料、泛林和ASML,美国独占前两席,而且应用材料在除光刻机以外的几乎所有领域都领先,包括蚀刻、薄膜沉积等。

更恐怖的是,全球三大EDA软件(用于芯片设计)巨头铿腾、明导和新思,均为美国企业,全世界几乎所有芯片设计和制造企业都离不开它们。

高端芯片方面,中兴事件暴露出来的众多短板,包括ADC/DAC(数模转换)、FPGA、高速光通信接口等芯片,目前也都依赖美国厂商,包括德州仪器、赛灵思、亚德诺等。

美国的惊人统治力还体现在生态系统上。

目前,三种主流的芯片架构X86、MIPS和ARM,前两种都是美国血统。其中,英特尔的X86架构,与微软的Windows系统结盟,称霸台式机市场。ARM架构虽然是英国血统,却离不开安卓和iOS系统的支持,两者合计占有全球95%以上的手机市场。

而且,ARM其实诞生于苹果的一款失败产品。

如今,在全球20大半导体公司中,美国依旧独占八席,处于绝对的霸主地位,并且基本都是卡住核心的关键性公司。

中国VS整个产业链

半导体是一个庞大的产业,从大类上讲,包括集成电路(IC)、光电子、分离器和传感器等,其中IC的规模占80%以上。

所谓芯片,就是内含集成电路的硅片,它分为几十个大类,上千个小类。制造一块小小的芯片,涉及50多个学科、数千道工序,包括设计、制造和封装三大环节。

在这个产业链上,国内企业的差距是全方位的。

首先看设计,华为海思和紫光展锐分列国内前两名。目前,两家公司在不少领域已是世界领先水平,但一个巨大的问题是,其架构授权的核心都被外人掌握。

目前,国内仅有中科院的龙芯和总参谋部的申威拥有自主架构,前者用于北斗导航,后者用于神威超级计算机,民用领域基本是空白。

设备和材料是又一大短板。制造芯片的三大设备光刻机、蚀刻机和薄膜沉积,国内仅中微半导体的介质蚀刻机能跟上行业节奏,其7纳米设备已入围台积电名单。

此外,北方华创在氧化炉和薄膜沉积设备上成绩不俗,但基本还处于28纳米级别。其他设备,如离子注入机、抛光机和清洗机,也差不多。

差距最大的是光刻机。光刻机用于将设计好的电路图曝光在硅片上,蚀刻机则负责微观雕刻,刻出沟槽或接触孔。目前ASML最先进的EUV光刻机,即将投入三星、台积电的7纳米工艺,而国内上海微电子的光刻机,仍停留在90纳米量产的水平。

材料方面,日本是全球领先者。

在制造芯片的19种主要材料中,日本有14种位居全球第一,总份额超过60%。全球近七成的硅晶圆产自日本,那是芯片制造的根基。

反观中国,硅晶圆几乎是空白,8英寸国产率不足10%,12英寸依赖进口,打破垄断的希望还在张汝京创办的新昇半导体,今年即将量产。他也是中芯国际的创始人。

除了硅晶圆,国内企业还在溅射靶材、研磨液等材料上有所突破,并实现了国产化。前者用于制作金属导线,后者用于芯片研磨抛光。

以上均为单点突破,距离整个行业的崛起还比较远。

芯片制造,国内最先进的是中芯国际和厦门联芯,目前能做到28纳米量产。而它们的竞争对手,三星、台积电等巨头即将在今年量产7纳米,相差两三代。

最后是封测。这是目前大陆最接近国际水平的领域,长电科技收购新加坡星科金朋后,跻身全球第三。但全球封测中心在中国台湾,以日月光为首的台湾企业,拥有50%以上的市场份额。

在这样一个超长的产业链中,全球通力合作必不可少。以光刻机为例,荷兰ASML一骑绝尘,但它的成功得益于各国的鼎力合作,镜头来自德国蔡司、光源来自美国,这几乎是西方近百年工业的技术结晶。

但中国在这个产业链上处于不利地位,经常面对不友好的产业环境。这次的中兴事件只不过是浮上台面的斗争与封锁,而台面下的争斗几十年来则是一直没有消停。

巨头封锁与追杀

芯片制造是人类历史上最复杂的工艺,加工精度为头发丝的几千分之一,需要上千个步骤才能完成。其难度,堪比两弹一星。

如此复杂的工艺,需要巨额的投资。例如,建一个芯片工厂,就动辄需要上百亿美元。这样的投资规模,只有跨国巨头乃至国家才能完成。

这让巨头企业在产业中更具优势,也直接导致了行业的不断集中。

过去40年,半导体行业呈现加速垄断趋势。1995年,全球七大半导体企业投资占比24%,如今这个数字已飙升至80%以上。40年前,全球有几十家主要的设备制造商,如今只剩下三四家。

不仅如此,巨头们不但自身可以使出很多种手段惩戒后来者,甚至还组建产业联盟扼杀后来者。

手段之一是低价倾销。这里面都是套路:一开始你没有,它通过垄断积累暴利;等你做出来,它马上降价倾销,让你越做越亏,暗无天日,最终断了产业化的念想。

当年液晶大战的惨痛就这样。三星、夏普等液晶巨头,一开始不愿在华建厂,而等深圳市政府组织国内彩电巨头,以及京东方要展开反攻时,他们却又主动跳出来求合作。结果导致长虹动摇并撤出,京东方则被晾在一边,国产计划泡汤。

享受这一“待遇”的,还有MOCVD设备商。MOCVD是制造LED芯片的设备,在国产化之前,美、德两家巨头凭借垄断,每台设备卖2000万。而等国内厂商开始介入时,售价立刻暴跌至600万。结果,数十个国内玩家,如今只剩下中微、中晟光电等少数几家。

去年,高通在华推出重磅计划,与大唐电信旗下的联芯科技成立领盛科技,联手进军中低端芯片市场。关心国内芯片产业的很多人士都一致认为,这是高通要“借刀杀人”,要以领盛科技用价格战的方式绞杀正在向中高端芯片市场进军的紫光展讯。而5月4日的最新消息显示,这家合资企业已正式获批。

手段之二是发动专利战,拖住对手,打击下游客户信心。

2000年,张汝京出走台湾,在上海创建中芯国际。之后,他从台积电四处挖人,使得中芯短时间内迅速崛起。但厄运随之而来,老冤家张忠谋很快就发起了专利战。这场持续近七年的战争,最终的结果是中芯割地赔款,张汝京黯然出局。

台积电通过此举,成功拖住了中芯。而当初引进张汝京的江上舟,也在两年后辞世,死前一直惦记着中芯的未来。

同样的一幕发生在中微身上。2007年,尹志尧领衔的中微刚推出自己的蚀刻机,就被老东家美国应用材料告上法庭。紧接着,另一巨头泛林火上浇油。好在中微从一开始就小心规避专利陷阱,最终赢得了诉讼。

但结果却不甚理想,中微不但赔上巨额的诉讼费,还赔上了下游客户的信心。再加上适逢经济危机,不得不暂时砍掉MOCVD业务。

很不友好的环境

事实上,中国很早就重视了半导体的大战。最早可追溯至上世纪60年代。但在后来的发展中,由于自身路径,国内产研环境,以及不友好的产业环境等多种原因,逐渐掉队。

中国半导体一直是在冒着敌人的炮火匍匐地前进。而今,敌人的炮火更是越来越凶猛,越来越密集。

西方一直有一个针对出口管制的制度安排,最早是1949年成立的巴黎统筹委员会,之后在1996年演变为瓦森纳协定。该协定包含军用、民用两份控制清单,目的是限制向相关国家出口敏感产品和技术,中国就属于被限制的对象。

过去几十年,国家一直在努力突破这种封锁。90年代,先后批复908/909工程,时任领导人表态:砸锅卖铁也要把半导体搞上去。国务院则用财政赤字拨款。

然而,作为两项工程的产物,华晶、华虹等企业到国际上采购设备却遭到抵制,最终发展受限,一直未有大的突破。

2006年以后,国家又搞了01和02专项。前者剑指核心电子器件、高端通用芯片和基础软件,俗称核高基;后者剑指IC制造和成套工艺。

近年来,两个专项相继开花结果,例如中微的蚀刻机已看齐世界水平,中芯国际的工艺已挺进到28纳米,但受限于不友好的产业环境,水平还是差强人意。

以光刻机为例,ASML的EUV光刻机即将投入7纳米工艺,而国内最先进的量产水平是90纳米。之所以差距惊人,原因之一是买不到高水平的镜头和光源,这是光刻机的核心部件,而国内缺乏相关的技术。

坊间一直传说,瓦森纳协定禁止向中国出口高端光刻机。这种说法后来遭到ASML公司的否认,该公司声称,最快将于2019年在中国晶圆厂见到EUV光刻机。

但业内人士透露,在瓦森纳协定中,确实是有光刻机限售条款的,只不过每隔几年,条款就会作相应的调整。之所以调的原因也是,国产水平在不断提高,所谓的调整,顶多也就是“敌人”不断地根据我方的进展调整炮火的轻重与射程。

一个有意思的细节是,国内研究机构在相关技术上取得突破不久,ASML公司就否认了禁售的传闻。

产业环境并不是唯一的障碍,来自国家层面的干预更加要命。

美国政府曾多次否决中国企业针对美企的收购行为,包括著名的紫光并购美光计划。最近更是制裁了中兴通讯,断供其芯片。

2016年,国内某基金收购德国爱思强时,连FBI都跳出来施压,最终迫使德方放弃了交易。而据中兴员工透露,在中兴断芯事件前,FBI就入驻了公司内部。

为钱一把辛酸泪

半导体是一个烧钱的行业。上世纪90年代,中央在财政非常拮据的情况下,特批了40亿元搞半导体。但这点钱只是杯水车薪。

向民间要投资,更遭到冷遇。

这个行业不但烧钱,而且周期长,技术更新快,你刚研发出来,别人已经开始打价格战。这意味着,前期要不断砸钱,还见不到水花。对民营资本而言,这是无法承受之痛。

中微董事长尹志尧2004年满腔热血回国创业,就遇到了这个难题。

为造蚀刻机,中微在短时间内,烧光了地方政府和自筹资金,只好四处筹钱续命。当时民间资本对这个行业缺乏了解,也缺乏意愿,尹的一腔热血只能碰一鼻子灰。

万般无奈之下,只好赴硅谷融资。两周内,十几家风投踏破门槛,愿意提供5000万美元。此情此景,令报国心切的尹志尧百感交集:难道只有美国造得出蚀刻机?

苦心积虑,只为国产化,绝不能大权旁落。在拿回几笔续命钱后,尹志尧继续寻找国内投资人。后来,在江上舟的引荐下,终于有国开行为中微背书。

跟中微有类似遭遇的,还有京东方。

做液晶面板20年,京东方一直伴随各种非议。尤其是它越亏越投的做法,更是被人质疑为绑架政府,因为其大部分资金来自银行和地方政府。

在资本市场上,由于不断增发,京东方背上了圈钱的骂名。但这些钱,大部分来自国资背景。其间,京东方曾多次拉私募基金入股,均被拒绝,理由是投资大,短期难见利。

幸运的是,苦熬多年后,京东方靓丽崛起,勇夺五个全球第一,让当初的坚持者赚得盆满钵满。

近年来,国家加大了对半导体行业的投入。大基金一期投入1300亿,已收尾;二期预计超过2000亿。乍一看,钱不少,但需要投资的项目也很多,涵盖芯片设计、制造、封测、设备等诸多领域。以一期为例,累计投资62个项目,涉及23家上市公司。

这样平均下来,每家获得的投资额并不多,跟撒胡椒面一样。

而纯靠市场手段去募集资金的难度同样非常大。以紫光为例,真正的大规模投资还没开始,市场就已不乏圈钱的质疑声,跟京东方当年恶战面板产业时所遭遇的挑战几乎没有两样。

显然,这样的投资强度是不够的。再看一组数据,就更能看出差距。

全球芯片三巨头,三星、英特尔、台积电,每年的投资都在百亿美元级别,而中芯国际不到对方的十分之一。

设备三巨头,应用材料、泛林、东京电子,每年在研发上投入5—10亿美元不等,而中微半导体直到去年,收入才破10亿,还是人民币。

人才的切肤之痛

搞好半导体,主要靠三件事:一个是钱,一个是人,外加一个政策。钱的事好说,毕竟这些年国家不差钱;人的事很难搞,因为非一朝一夕之功。

数据显示,我国未来需要70万半导体人才,目前只有不到30万,缺口40万。

我们尤其缺行业的领军人物。这些年,01/02专项取得的重大突破,很多都是海归创造的,他们长期任职于欧美半导体公司,拥有丰富的行业经验。

张汝京,德州仪器工作20年,在全球盖过20座芯片工厂。回国后,创办了中芯国际,以及国内第一家12寸硅晶圆厂,被誉为中国半导体之父。

尹志尧,闯荡硅谷20年,先后任职于英特尔、泛林和应用材料。回国后,创办中微半导体,几乎以一己之力,将国内介质蚀刻机带到了世界水平。

此外,曾任职于霍尼韦尔的姚力军,回国后做出了高纯度溅射靶材;美国留学归来的王淑敏,研发出国内第一款研磨液,打破了国外垄断。

日本、韩国和中国台湾地区,也是半导体人才的重要来源。大陆两大代工厂,中芯国际和厦门联芯,都有台湾背景,很多技术人员也来自台湾。

这几年,国内存储器的跨越式发展,也离不开日本、韩国、中国台湾技术人员的贡献。日本厂商尔必达破产后,大批日本人赴中国寻找机会,包括前社长坂本幸雄。

以紫光为例,外界看到其董事长赵伟国在资本和产业上动作频频,而事实上,他用心同样多的也是找人。其总投资预计1000亿美元左右的长江储存的执行董事长高启全,便是他费尽心思从台湾争抢过来的世界级半导体产业猛人。

目前,长江存储的3D NAND闪存已经获得第一笔订单,总计10776颗芯片,将用于8GB USD存储卡产品。今年10月,我国首批拥有完全自主知识产权的32层三维NAND闪存芯片将在这里实现量产,这也是中国集成电路闪存芯片产业规模化发展“零”的突破。

然而,引进人才毕竟不是长久之计。国内半导体行业要想大发展,必须立足于培养本土人才。

一方面,外来人才和本土人才,在利益、观念等方面是有冲突的。中芯国际在江上舟离世后,就陷入外来人员和本土人员的派系之争,一度影响到公司的发展。

另一方面,半导体是微加工行业,工艺很关键。很多外国技术人员之所以牛,是他们一辈子只干一件事积累起来的。

2002年,上海微电子总经理赴德国考察,有工程师告诉他:“给你们全套图纸,也做不出来。”开始他不服,后来明白了。那里的抛光工人,祖孙三代干着同样一件事,“同样一个镜片,不同工人去磨,光洁度相差十倍。”

这恰是中国半导体行业的一个切肤之痛。

我们不缺设计人员,但缺工艺工程师,而这类人才很难靠引进来满足。

中芯国际之所以在制程上落后2-3代,除了光刻机等设备受限外,工艺上的经验欠缺才是更重要的原因。

遗憾的是,目前国内不少高校的人才培养,与现实脱节。大多数学生跑去做软件,做应用,却不愿搞更基础的计算机系统和底层结构。

不容乐观的生态链

在自然界,动植物要生存,必须融入生物链。

做企业也一样。只不过,在企业这个生态链中,先行者有成本优势,再加上稳定可靠的供应链,使得他们能够持续盈利,进而支撑着技术的不断进步。

这对后来者而言,如同一道不可逾越的壁垒。

这些年,中国半导体产业面临的一大难题,就是如何融入这个生态链。

龙芯是一个很好的例子。这款中科院计算所自主研发的芯片,尽管性能不俗,但一直游离在民用市场外。原因很简单,市场上有更成熟、性价比更高的处理器。

龙芯的遭遇并非个案。大部分芯片制造厂,在采购装备时,一定考虑的是进口设备,因为国产设备刚起步,质量不稳定、一致性差。

当年,LED芯片刚在国内兴起时,各大芯片厂均只认美、德设备,而地方政府的补贴也只给进口设备。

内忧外患,将国内MOCVD设备商逼到了绝境,“客户不太愿意用……因为不信任,需要重新验证,这又要花钱。”中晟光电负责人陈爱华说。

直到后来,工信部为每台国产设备提供2000万补贴,形势才开始好转。

新产品研制出来,没有人用,就不可能盈利;没有盈利,就没钱搞研发。结果只能是恶性循环,胎死腹中。

这个时候,需要来自生态链的支持。国内半导体行业近年来的进步,尤其是设备和材料领域,很大程度上得益于中芯国际、厦门联芯等晶圆制造厂的带动。

但这种机会,不是国外厂商所能提供的。那种一切交给市场的想法,不能说幼稚,至少也是罔顾事实的。

几年前,韩国SK海力士曾采购过中微半导体的蚀刻机,后来放弃了。表面上是因为性能不及预期,实际是担心泄露核心工艺的秘密。

一个有意思的细节是,尽管中国民用芯片九成依赖进口,但军用芯片却基本能自给自足,甚至还有出口。比如,龙芯就稳定运行在北斗导航系统上。

另一款自主芯片,来自总参56所的申威,则撑起了我们的太湖之光超级计算机。

军用很出彩,民用却卖不出去?问题就在生态链上。

军用市场是一个封闭的小圈子,产品追求稳定性和抗干扰,对性能并不敏感。龙芯和申威在这里能找到自己的位置。

反观民用市场,性能为王,技术迭代快,龙芯和申威很难融入这样的生态链。

结束语

通过以上梳理,我们看到,国内造不好高端芯片,有外部因素,也有自身原因。

形势看似悲观,前景却很光明。

一方面,半导体行业向中国转移的大趋势不会改变。另一方面,摩尔定律在工艺上逐渐趋近极限,客观上给了国内企业追赶的机会,而国家也正进一步加大支持和投入。

最近,我国国家领导人在武汉考察时,就特别到长江存储作了考察与指示。受此鼓舞的赵伟国则表示,公司将尽快在全球集成电路产业占据重要地位,用5到10年时间成为全球三维闪存主要供应商之一。

在国家的支持和企业的自身努力下,国内半导体产业链正在出现由点到面的突破,而在三大历史性机遇的支持下,我们也必须迎头赶上。

否则,后面的仗将会越来越难打,因为半导体产业不光是现代高科技产业的基础,更是支撑和保障国家安全的战略性、基础性和先导性产业,而且重要性会越来越大。

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