為何芯片重要?“卡脖子”卡在哪?
2021年04月06日07:47

  記者/周玲

  如今,我們的生活時時刻刻離不開芯片。當我們手拿遙控器打開電視機,當我們拿著手機跟外界打電話,當我們在電腦上工作時,一切的背後都是芯片在工作。

  全球第一塊集成電路誕生於1958年,至今已經60多年的歷史,從此拉開了全球半導體產業的序幕,集成電路、微處理器、電腦、操作系統、互聯網、手機等一系列偉大的發明,徹底改變了我們的生活方式,把人類社會從機械工業時代帶入到信息時代。芯片是整個信息社會的基石和心臟,也是推動整個信息社會向前發展的發動機。

  如今,半導體產業已經成為全球最重要的產業之一。根據WSTS(世界半導體貿易統計組織)統計,2020年全球半導體市場銷售額達到4400億美元,同比增長6.8%。

  數據顯示,2020年中國集成電路進口數量為5435億個,同比增長22.1%,進口總額為24207億元,同比增長14.8%。集成電路出口數量達到2598億個,同比增長18.8%,出口總額達8056億元,同比增長15%。

  芯片為何難?

  1947年美國人發明了晶體管,此後德州儀器的工程師傑克·基爾比產生了天才的想法,把所有的元器件都放在同一種材料上製造,並連接成電路,所以集成電路就這樣誕生了。用於承載集成電路的母體是矽片,矽介於導體和絕緣體之間,所以也叫半導體。所以我們經常說的芯片、集成電路和半導體都是一個意思。

  傑克·基爾比因為這一發明在2000年被授予了諾貝爾獎,他也被稱為“芯片之父”。

  芯片為何難以突破?芯片本身就是技術門檻很高的行業。你想一想,一顆手機SoC芯片只有指甲大小,但上面集成了100多億個晶體管,這是什麼樣的工藝難度?

  芯片有一個非常長的產業鏈,產業鏈每個環節都必須環環相扣,要求極高,任何一個環節出現差錯可能導致最終這枚芯片都是無法達到標準。

  舉一個例子,2015年Apple公司的iPhone 6s搭載了A9芯片,Apple其實把A9芯片分別交給了Samsung和台積電進行代工,Samsung採用了14納米技術,台積電採用了16納米技術,按理說Samsung14納米更先進,但實際上很多用戶反映採用台積電A9芯片的iPhone 6s更為省電。

  芯片業近年的快速進展應該歸因於智能手機產業的發展。在電池技術未能取得大突破的前提下,手機續航能力的提升被寄希望於芯片能耗的降低。手機市場激烈的競爭刺激芯片技術不斷更新迭代,從16納米、14納米、7納米到如今5納米,最新的工藝都是先用在手機芯片上。

  芯片產業鏈大致可以分成設計、製造和封裝測試等三部分,但還有多個非常重要的旁支,比如製造環節的製造設備、材料,芯片設計端的設計公司EDA。這裡面每一家龍頭公司都是不可替代的,才最終能夠讓全球芯片產業鏈運轉起來,缺了誰,對整個行業短期內都是巨大的影響。

  目前是芯片中技術難度最大、複雜度最高的是手機芯片。

  按照手機芯片的更新頻率,旗艦芯片一年迭代一次,這對企業研發和創新能力提出了很高的要求,如果一款芯片最終不給力,會連累手機的銷售。

  同時,芯片行業又是一個資金密集的行業。研發一款旗艦SoC手機芯片的費用約為數億美元。之前有消息稱華為麒麟980研發投入大約為3億美元,那麼高通和Apple的芯片研發費用應該也不會低於華為,畢竟外企的人力成本更高。

  芯片製造更是高投入重資產,以台積電為例,2020年台積電的資本投入上看至200億美元。如此高的資金投入讓很多企業投不起而掉下隊來,芯片代工行業越來越集中,訂單越來越多交到台積電手中,甚至英特爾都開始把部分訂單交給台積電,從而造就了台積電今天的行業地位。

  所以芯片技術密集和資金密集這兩大特性使得玩家越來越少,最終是贏家通吃。

  全球芯片巨頭包括英特爾、AMD、高通、Samsung、台積電、華為等,這些大玩家們無論技術實力還是資金實力都讓業界其他企業難以望其項背,而且各家都有所長,缺了他們哪一家,似乎世界就很難運轉好。

  原本芯片產業是全球高度分工協作,“你中有我、我中有你”最為充分的產業,但美國對華為的打壓使得芯片行業出現了最大的變數。

  芯片格局分化

  芯片先誕生在美國,儘管芯片行業發展至今已經形成了全球分工合作模式,但美國依然遙遙領先全球。

  目前芯片業依然是美國最重要的產業,有一大批實力雄厚的大公司在主導整個產業的發展。美國一共有Apple、英特爾、英偉達、IBM、高通、德州儀器、博通七家七億美元級別的頂尖科技公司,這些公司都是芯片細分領域的龍頭企業。

  前銳迪科創始人、現翱捷科技CEO戴保家早前接受澎湃新聞記者採訪時認為,美國之所以領先主要是美國積累早,人才多,研發的效率也比較高,另外美國大學和產業界配合相當緊密,為產業界培養人才和輸出技術。

  ”美國很多大學的技術很厲害,加上有比較好的變現渠道,利潤分配比較合理;美國大學與企業配合相當不錯,實力比我們雄厚很多。”戴保家認為美國大學是美國芯片維持領先的重要力量。

  華為被美國製裁後,華為創始人任正非最近走訪了國內多所大學,目的也是推動華為和大學的技術和人才合作。

  美國以外的地區,雖然也有頂尖的芯片公司,但數量和覆蓋的廣度遠不如美國。

  歐洲在芯片設備領域的光刻機公司ASML可謂鼎鼎大名,佔據了80%的光刻機市場。當然,歐洲的模擬芯片三大家恩智浦(荷蘭飛利浦分拆)、英飛淩(德國西門子分拆)、意法半導體(法國湯姆遜分拆)也佔據了很高的市場份額。

  日本擁有眾多材料和上遊元器件公司。日本模擬芯片瑞薩電子;設備領域有Canon、東京電子;材料領域:信越化學(矽晶圓材料)、JSR(光刻膠)、JX(靶材)、日立化成、旭化成、住友化學等數十家公司,佔據了50%的全球半導體材料市場。

  韓國擁有Samsung、SK海力士兩大存儲大廠,佔據了80%的存儲芯片市場。

  中國台灣的代工和封測都有優勢。台積電是全球最大的集成電路代工廠;日月光則是全球最大的封測廠。聯發科是全球第二大獨立手機芯片公司。

  中國大陸這兩年佈局範圍很廣但實力不強,芯片設計領域華為的海思應該是全球第一陣營,最新芯片採用5納米工藝,與全球同步。代工廠中芯國際最新的工藝是14納米,與台積電相比落後2代。手機芯片領域的紫光展銳則是全球第三大獨立手機芯片公司。

  “卡脖子”卡在哪裡

  隨著美國對中興通訊、華為以及眾多中國高科技公司的打壓,有些技術和產品未獲得美國許可是無法給中國企業提供,而中國短期內還沒有辦法找到非美替代品,這就是出現了所謂的“卡脖子”技術。

  有觀點說中國芯片先天不足,這個也有一定道理。中國作為追趕者,上世紀80年代後才開始發展芯片,起步比人家要晚很多年,那時海外技術已經很成熟,很多技術就直接拿過來用了,所謂站在巨人的肩膀上,覺得沒有必要再起爐灶自己做一套。

  另外,半導體全球分工合作,當時的潮流也是找到比較優勢,中國把自己擅長的事情先做好。

  中國的消費電子芯片做的還是相當不錯的,誕生了華為、展訊等兩家手機SoC芯片公司,還有一大批芯片設計公司。此外,中國的封測在全球也佔據很高的市場份額。

  但如今的狀況下,美國有些技術和產品不再對中國企業提供,這導致了“卡脖子”現象。

  “卡脖子”主要指的是高端芯片,比如手機SoC芯片,芯片一些高端零部件必須用到美國產品或技術。一些低端的芯片比如家電芯片、空調芯片則沒有卡脖子問題。另外一些國防安全使用芯片,對體積、運算速度等要求不高,不需要用最新的芯片製程,也不會被卡脖子。

  以華為為例,在美國打壓下,華為的消費者業務部受到的壓力最大,麒麟芯片暫時已經無法繼續生產。原因是為華為麒麟芯片代工的台積電產線有來自美國的技術,必須獲得美方的授權才能為華為生產芯片。

  戴保家也認為中國之前的比較優勢策略並沒有什麼問題,縱觀全球很難全部芯片都自己做的,還是需要分工,“你做有意義的就你做,從經濟上來說美國做效率更高就應該美國做,跟國家安全有關的例外,全部自己做不是最好的方式。他們要替代中國的產品也痛苦的。中國從基站到手機都做很不錯的。比如如果華為不出貨,全球運營商受到很大影響。 ”

  但誰又能預料到產業界基於“你中有我,我中有你”的互相離不開的相對平衡被政治因素打破了。

  僅台積電無法為華為製造芯片這一限製,使得華為的高端芯片就被卡了脖子。當然,中國自家的中芯國際較台積電製程要落後一些,但已經可以量產14納米的芯片了,14納米技術可以用在基站、高性能計算等絕大部分芯片上,解決了卡脖子問題。

  不僅僅是製造這一端,芯片設計工具EDA也都是美國公司,如果沒有這種工具,是設計不出芯片的。中國也有設計工具公司,但還無法完全替代美國EDA,尤其一些高端芯片設計依然需要美國的EDA工具。

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