一文讀懂：真實(shí)的中國芯片產(chǎn)業(yè)

　　集成電路是怎么回事

　　這是重點(diǎn)。先來(lái)一段百度百科上的介紹：

　　集成電路(integrated circuit)(縮寫(xiě)IC)是一種微型電子器件或部件。采用一定的工藝，把一個(gè)電路中所需的晶體管、電阻、電容和電感等元件及布線(xiàn)互連一起，制作在一小塊或幾小塊半導體晶片或介質(zhì)基片上，然后封裝在一個(gè)管殼內，成為具有所需電路功能的微型結構;其中所有元件在結構上已組成一個(gè)整體，使電子元件向著(zhù)微小型化、低功耗、智能化和高可靠性方面邁進(jìn)了一大步。它在電路中用字母“IC”表示。集成電路發(fā)明者為杰克·基爾比(基于鍺(Ge)的集成電路)和羅伯特·諾伊思(基于硅(Si)的集成電路)。當今半導體工業(yè)大多數應用的是基于硅的集成電路。

　　集成電路技術(shù)包括芯片制造技術(shù)與設計技術(shù)，主要體現在加工設備，加工工藝，封裝測試，批量生產(chǎn)及設計創(chuàng )新的能力上。

　　下面是我自己寫(xiě)的：

　　人人都聽(tīng)說(shuō)過(guò)摩爾定律，當價(jià)格不變時(shí)，集成電路上可容納的元器件的數目，約每隔18-24個(gè)月便會(huì )增加一倍，性能也將提升一倍。有一段時(shí)間，人們說(shuō)摩爾定律失效了，英特爾自己都做不到了，也有人說(shuō)實(shí)際上IC行業(yè)發(fā)展比摩爾定律更快了。不論如何，全球半導體企業(yè)一直投入巨資研究新的制程工藝，其標志就是集成的半導體元件的線(xiàn)寬。每一次制程工藝的進(jìn)步，都帶來(lái)更小的線(xiàn)寬，更小的功耗，更高的工作頻率，能夠集成更多的元件，有更強的性能。

　　線(xiàn)寬：注意，1毫米=1000微米=1000000納米，一千倍的關(guān)系。從我對半導體行業(yè)有印象的時(shí)候開(kāi)始，半導體行業(yè)最先進(jìn)的制程工藝從幾十微米到幾微米，再到幾百納米， 130納米，65納米，45納米，28納米，20納米，16納米，14納米，10納米，直到今年三星就要量產(chǎn)的7納米， (中間可能還有個(gè)別其它的線(xiàn)寬)。每隔兩三年就更新一代， 但是基于這些線(xiàn)寬，各個(gè)廠(chǎng)家仍然有不同的工藝技術(shù)。 有時(shí)候線(xiàn)寬也只是一個(gè)商業(yè)宣傳噱頭，因為IC電路上的每一個(gè)晶體管都是由多種半導體材料搭建而成，每種材料的形狀和線(xiàn)寬都可能不同，廠(chǎng)家選擇最窄那個(gè)宣傳，仿佛水平最高，實(shí)際上也許不那么高。比如網(wǎng)上有很多討論，英特爾的20納米制程工藝在實(shí)際效果上要強于臺積電的16納米制程工藝。所以我們在評價(jià)一個(gè)IC廠(chǎng)的制程工藝是否先進(jìn)的時(shí)候，線(xiàn)寬是一個(gè)重要的參考，但不是唯一的。

　　晶圓(Wafer)：晶圓是圓柱形的單晶硅切割成的圓形硅薄片，所有的IC都是在晶圓上加工而成的，然后經(jīng)過(guò)切割和封裝、測試，就是芯片成品。顯然，晶圓越大，能在晶圓上制造的IC就越多，成本就越低。所以在半導體行業(yè)發(fā)展的近幾十年里，晶圓的尺寸不斷加大，從4英寸、6英寸、8英寸發(fā)展到現在的主流12英寸，未來(lái)會(huì )有更大的晶圓。原理上講，用多少納米線(xiàn)寬的制程工藝和晶圓的尺寸沒(méi)有必然的聯(lián)系，7納米也可以用4英寸晶圓，但實(shí)際上IC工廠(chǎng)通常會(huì )采用那個(gè)時(shí)代最大的晶圓來(lái)降低成本。

　　投資和行業(yè)：摩爾定律只告訴你了IC工藝如何進(jìn)步，但沒(méi)告訴你建造IC工廠(chǎng)的投資如何增長(cháng)。實(shí)際上每一代制程工藝的進(jìn)步，新建工廠(chǎng)所需投資都大幅度增長(cháng)。從70年代的幾千萬(wàn)美元，到幾億美元，十幾億美元，幾十億美元，上百億美元，而最近三星，英特爾和臺積電投資的7納米生產(chǎn)廠(chǎng)，投資額都已經(jīng)超過(guò)二百億美元。這種天價(jià)的建設成本帶來(lái)兩種后果：第一，是小國或者新進(jìn)入IC行業(yè)的國家，已經(jīng)沒(méi)有經(jīng)濟實(shí)力追求最先進(jìn)的制程工藝了。臺灣和韓國都是舉政府之力全力支持，并且從幾十年前IC工廠(chǎng)所需投資還沒(méi)那么大的時(shí)候就進(jìn)入行業(yè)，經(jīng)過(guò)以廠(chǎng)養廠(chǎng)的良性循環(huán)，利用舊工廠(chǎng)的高利潤才能撐得起對新廠(chǎng)房的投入。而投入稍微不足，便一步落后步步落后，如今歐洲和日本的IC企業(yè)都已經(jīng)無(wú)力再追尋最先進(jìn)的制程工藝了。全世界最先進(jìn)的IC制程工藝只掌握在三家公司手中：三星，臺積電，英特爾。而目前唯一有可能趕上來(lái)的，就是中國。第二個(gè)后果，就是如此高價(jià)的廠(chǎng)房，靠自家的產(chǎn)品一般都無(wú)法填滿(mǎn)產(chǎn)能，帶來(lái)的后果就是自家產(chǎn)品的成本飆升。為了填滿(mǎn)產(chǎn)能，攤平成本，所有掌握最先進(jìn)工藝的廠(chǎng)家都必須為其它公司代工。這就導致了IC行業(yè)分化為沒(méi)有工廠(chǎng)只有設計和市場(chǎng)部門(mén)的FABLESS企業(yè)，和為其它企業(yè)代工生產(chǎn)的FAB公司。臺積電是只有代工，沒(méi)有自己品牌IC產(chǎn)品的。三星和英特爾都有自己品牌的IC產(chǎn)品，但也為其它企業(yè)代工。世界上也有一些IC企業(yè)，在特定的行業(yè)里市場(chǎng)占有率高，而IC工廠(chǎng)的制程工藝并不高，成本也不高，這些企業(yè)是不用給別家代工的，自己生產(chǎn)自己設計的IC就夠。

　　沒(méi)有IC工廠(chǎng)的設計企業(yè)有很多，比如華為海思，AMD，NVIDIA，高通，MTK，博通，等等等等。網(wǎng)上有人說(shuō)華為海思的芯片是臺積電代工的，所以華為海思不牛，這個(gè)觀(guān)點(diǎn)是錯的。通訊行業(yè)霸主高通就沒(méi)自己的IC廠(chǎng)，所有產(chǎn)品都是臺積電或者三星代工生產(chǎn)的，你敢說(shuō)高通不牛?華為不止是手機CPU是自己設計，它的網(wǎng)絡(luò )產(chǎn)品中用的交換機芯片，路由器芯片，和電源管理等等很多芯片都是自己設計找FAB廠(chǎng)代工的。華為是核心電子元器件自主率最高的中國企業(yè)，當然，它也有大量的電子元器件需要進(jìn)口。

　　中國的IC行業(yè)水平：

　　這里就是重點(diǎn)中的重點(diǎn)了。中國的經(jīng)濟實(shí)力是在最近十年左右才爆發(fā)性增長(cháng)的。由于IC FAB工廠(chǎng)所需投資額巨大，十幾年前中國實(shí)際上沒(méi)有多少錢(qián)投入，水平落后是必然的。再加上科研體制的問(wèn)題，早期有一幫公司靠打磨進(jìn)口芯片冒充自己的產(chǎn)品，造成了極其惡劣的影響，首當其沖的就是“漢芯”，以至于網(wǎng)上一有新聞?wù)f(shuō)中國什么芯片獲得突破，立即有人蹦出來(lái)說(shuō)：是打磨掉人家的標打上自己的標的吧? 這種情況直到近些年才有所改觀(guān)。

　　首先看IC制造FAB企業(yè)的水平：中國目前(2018年初)最先進(jìn)的IC制程工藝是中芯國際和廈門(mén)聯(lián)芯的28納米制程。廈門(mén)聯(lián)芯的28納米良品率已經(jīng)超過(guò)95%，而中芯國際的28納米良品率還不高，實(shí)際上對這一工藝還沒(méi)完全搞利索。而中芯國際已經(jīng)把14納米制程作為研發(fā)重點(diǎn)，爭取在2019年底之前量產(chǎn)。另外臺積電在南京投資的16納米工廠(chǎng)，目標是2018年底量產(chǎn)。

　　那么世界最先進(jìn)水平呢?上周剛剛爆出的消息，三星的7納米制程剛剛量產(chǎn)成功，而且是應用了ASML最先進(jìn)的EUV光刻機完成的。而臺積電沒(méi)有使用EUV光刻機的7納米工藝要到今年底才能量產(chǎn)，英特爾會(huì )更晚些。使用EUV光刻機未來(lái)可升級到更先進(jìn)的5納米制程。

　　這樣看來(lái)，中國的IC制程技術(shù)比世界最先進(jìn)水平落后兩代以上，時(shí)間上落后三年多(臺積電和三星的14/16納米制程工藝都是在2015年開(kāi)始量產(chǎn)的)。這實(shí)際上就是美國對中國大陸IC制造設備的禁運目標。IC制造設備種類(lèi)非常多，價(jià)格都非常昂貴，其中最重要的是光刻機。光刻機的生產(chǎn)廠(chǎng)家并不多，在28納米以上線(xiàn)寬的時(shí)代，日本的佳能和尼康都能制造(對，就是造單反相機的那個(gè)佳能和尼康)，但是IC制程工藝進(jìn)步到十幾納米以下時(shí)，佳能和尼康就落后了，基本退出了光刻機市場(chǎng)。目前，世界上唯一的光刻機廠(chǎng)家就剩下ASML。ASML是荷蘭飛利浦公司的半導體部門(mén)拆分出來(lái)的獨立公司(飛利浦半導體部門(mén)拆分出的另一家公司是NXP恩智浦，最近美國高通公司要收購NXP，需要得到中國政府的批準，趕上美帝對中興禁運，那么，就拭目以待吧)。ASML的主要股東是飛利浦，但三星，臺積電和英特爾都占有股份。去年底， ASML的中國區銷(xiāo)售總監對媒體說(shuō)，ASML最先進(jìn)的EUV光刻機對中國沒(méi)有禁運。但是美國政府又的確有禁運的指示。那么，到底禁運不禁運?這個(gè)問(wèn)題得這么看： ASML每年光刻機的產(chǎn)量只有不多的幾十臺，每臺賣(mài)一億多美元，只能優(yōu)先供應它的主要股東。對，就那三個(gè)最先進(jìn)的IC廠(chǎng)家：三星、臺積電、英特爾，中國企業(yè)如果訂貨得排在后面等，交貨期將近兩年，交貨后生產(chǎn)線(xiàn)調試，工藝調整還要一年左右，加到一起，從下訂單到量產(chǎn)要至少三年。這樣通過(guò)正常的商業(yè)邏輯和流程，就能達到美國政府制定的，讓中國落后于最先進(jìn)IC工藝至少三年的目標。那美國政府何必要蹦出來(lái)說(shuō)禁運呢?

　　但是在這里必須說(shuō)明，中國IC制程落后的最主要原因，并不是買(mǎi)不到光刻機，或者是光刻機到貨太晚。最主要的原因在于沒(méi)有足夠的人才和技術(shù)!現狀就是，即使把所有最先進(jìn)的生產(chǎn)設備都馬上交給中國IC制造企業(yè)，中國IC企業(yè)在三年內也沒(méi)有能力量產(chǎn)最先進(jìn)的IC制程。事實(shí)上中芯國際目前就有14納米制程的全套設備，而他們的28納米制程都沒(méi)整利索。再說(shuō)一遍：最大的瓶頸在于缺乏技術(shù)和人才。

　　IC生產(chǎn)工藝異常復雜，是人類(lèi)目前生產(chǎn)的最復雜的產(chǎn)品，沒(méi)有之一，有了最先進(jìn)的生產(chǎn)設備，就比如給了我最高級的畫(huà)筆和顏料，我仍然畫(huà)不出一幅能看的畫(huà)來(lái)，因為我根本不會(huì )畫(huà)畫(huà)，不知道怎么落筆，怎么鉤線(xiàn)，怎么涂色。用IC生產(chǎn)設備生產(chǎn)IC，需要經(jīng)過(guò)大量的工藝研發(fā)，需要知道用什么材料，制作成什么形狀，怎么布局，等等，才能保證良品率。而中國懂這些技術(shù)的人才太少太少。中國自己的大學(xué)微電子專(zhuān)業(yè)離業(yè)界先進(jìn)水平太遠，培養出的合格工程師太少。這也解釋了，為什么中國的IC制造企業(yè)大量高薪挖臺灣日本韓國的IC制造人才。指望買(mǎi)到最先進(jìn)的生產(chǎn)設備，短時(shí)間就趕上世界最先進(jìn)水平是不現實(shí)的。技術(shù)的積累和人才的培養都需要很長(cháng)時(shí)間。

　　那么到底有沒(méi)有機會(huì )趕上呢?也許未來(lái)5年左右是個(gè)彎道超車(chē)的機會(huì )，但要看運氣。原因在于，新一代制程工藝對于半導體線(xiàn)寬的縮小不是無(wú)限制的。業(yè)界普遍認為，以目前的工藝技術(shù)，到了3納米以下的時(shí)候，電子在半導體內的流動(dòng)就不是按照我們所理解的理論來(lái)走了，而是會(huì )遇到神秘的量子效應，當前的工藝技術(shù)就失效了。各大領(lǐng)先企業(yè)都投入巨資研發(fā)全新的工藝和技術(shù)，試圖突破這一限制，媒體上經(jīng)常能見(jiàn)到某某公司又有什么突破。但到目前為止，還見(jiàn)不到實(shí)用的技術(shù)突破。所以，也許，在5年之內，各領(lǐng)先企業(yè)都會(huì )停滯在3納米制程附近，正是中國趕上來(lái)的好機會(huì )。但是也有可能，未來(lái)5年真會(huì )有技術(shù)突破，那么領(lǐng)先企業(yè)還會(huì )繼續領(lǐng)跑，中國還得在后面苦苦追趕。

　　不過(guò)IC制程工藝未來(lái)有一個(gè)發(fā)展方向是實(shí)用的并且已經(jīng)在閃存行業(yè)應用了：那就是向多層發(fā)展，3D堆疊。目前三星已經(jīng)量產(chǎn)64層堆疊的NAND Flash芯片，正在開(kāi)發(fā)96層堆疊的技術(shù)，中國紫光剛剛量產(chǎn)32層堆疊的NAND Flash芯片，64層的計劃到2019年才能量產(chǎn)。而除了閃存芯片之外的CPU類(lèi)IC，目前都是平面的一層，未來(lái)肯定會(huì )向多層發(fā)展，能夠成多倍地提高IC的集成度。這種技術(shù)也是中國企業(yè)需要突破的。

　　但是，除了對速度和功耗有極致要求的一些IC需要追求最先進(jìn)的制程工藝外，比如各種CPU和GPU等，其它大部分的IC產(chǎn)品實(shí)際上并不需要使用最先進(jìn)的制程工藝。實(shí)際上，目前業(yè)內公認性?xún)r(jià)比最高的制程工藝是28納米，而這一工藝正在被中國大陸企業(yè)掌握。還有一個(gè)事實(shí)就是，28納米工藝的營(yíng)業(yè)額目前是臺積電所有工藝里最高的。只要把這塊市場(chǎng)拿下，做大，中國的IC企業(yè)就能占據大半江山了。

　　再說(shuō)說(shuō)FABLESS IC設計企業(yè)。這個(gè)行業(yè)中國進(jìn)步是比較快的，當然這也和能買(mǎi)到現成的IC設計方案有關(guān)(業(yè)內叫IP core)，其中最有名的就是ARM架構的CPU了。2017年底，中國大陸的FABLESS企業(yè)的營(yíng)業(yè)額已經(jīng)超過(guò)了臺灣，而且還在高速發(fā)展中。

　　這里可以舉一個(gè)每個(gè)人都用的產(chǎn)品的例子：手機CPU。目前世界上擁有自主CPU的智能手機廠(chǎng)家只有四個(gè)：三星，蘋(píng)果，華為(麒麟處理器)，小米(小米的松果CPU是基于大唐的技術(shù))。而世界上的手機生產(chǎn)企業(yè)能外購到的智能手機CPU也只有四家的產(chǎn)品：高通，聯(lián)發(fā)科(MTK)，三星(魅族最?lèi)?ài)用)，紫光展銳。蘋(píng)果，華為和小米的CPU不外賣(mài)。不過(guò)，最近華為的麒麟970 CPU開(kāi)始向聯(lián)想K9 Plus手機供貨了，不知是不是在中國政府的壓力下華為才放開(kāi)的。另外，去年聽(tīng)說(shuō)，小米的松果CPU也和生產(chǎn)諾基亞品牌手機的HMD公司簽訂了一個(gè)意向書(shū)。紫光展銳的智能手機CPU主要用在低端手機上，但是別看低端，2017年紫光展銳的營(yíng)業(yè)額及市場(chǎng)占有率都和臺灣聯(lián)發(fā)科MTK相差無(wú)幾了，在大陸市場(chǎng)的推動(dòng)下，超過(guò)聯(lián)發(fā)科是必然的事。

　　不要認為國內智能手機CPU企業(yè)都靠買(mǎi)ARM的IP core，沒(méi)什么了不起。要知道，數年以前美國買(mǎi)ARM方案做手機CPU的IC企業(yè)可有不少，比如NVidia，Marvell，TI。他們后來(lái)都退出了智能手機CPU市場(chǎng)。而中國這幾家企業(yè)堅持下來(lái)了并且發(fā)展壯大，很了不起。

　　在很多產(chǎn)品線(xiàn)上，比如WIFI芯片，藍牙芯片，交換機芯片，FPGA芯片，中國的FABLESS企業(yè)都有布局，都有產(chǎn)品，只不過(guò)產(chǎn)品還比較低端，占據高端的都是國際大廠(chǎng)。那么怎么才能走向高端?高端芯片比低端芯片強的主要不在制程工藝上，甚至低端芯片的制程工藝和高端芯片可能是一樣的甚至更高。高端芯片高在這幾個(gè)方面：1.擁有專(zhuān)利，甚至寫(xiě)入了行業(yè)標準。 2.能領(lǐng)導行業(yè)標準的升級，性能更好功能更多。3.在推出時(shí)間上能領(lǐng)先低端廠(chǎng)家，吃掉產(chǎn)品生命周期中利潤最豐厚的時(shí)段。以WIFI芯片為例：國際大廠(chǎng)如英特爾，博通，Marvell等，都養了一大批研究人員，對未來(lái)幾年的技術(shù)進(jìn)行研究，同時(shí)在IEEE的WIFI標準化組織里投遞研究成果，和同行PK，爭取把自己的專(zhuān)利寫(xiě)進(jìn)下一版標準中去。同時(shí)工程部門(mén)同步做實(shí)現，能在IEEE開(kāi)會(huì )的時(shí)候拿出樣品做成果展示。當WIFI標準一定稿，立即推出產(chǎn)品。國內做WIFI芯片的小廠(chǎng)根本沒(méi)有這個(gè)實(shí)力參與這個(gè)游戲，只能等WIFI新版標準發(fā)布之后， 拿到文檔，仔細研究，然后研發(fā)生產(chǎn)。更多的時(shí)候，最新標準還無(wú)法實(shí)現，只能生產(chǎn)老版標準的產(chǎn)品。這就是低端產(chǎn)品和高端產(chǎn)品的主要差別。

　　總之，在FABLESS設計行業(yè)，我國企業(yè)的布局已經(jīng)展開(kāi)，發(fā)展迅猛。主要的問(wèn)題是，仍然有一些空白點(diǎn)需要填補，已有的產(chǎn)品偏向低端，需要慢慢向高端拓展。