中国芯片产业加速跑

在资本的热情助推下,投身这场加速跑的众多中国企业,谁会成为下一个英伟达、台积电或阿斯麦?

等待数十年之后,微电子专业的博士毕业生终于在中国拿到了他们期待的薪水。人力资源服务企业科锐国际的调查数据显示,集成电路相关专业的硕士毕业生在 2018 年之前平均年收入不足 30 万元。现在,到了 2021 年,它已变成薪水增速最快,并因此引发高离职率的职业。

沉默的中国芯片行业正在取代互联网,成为资本的新宠儿。

芯片(chip),准确说是在一小片半导体片上雕刻出大量晶体管形成的集成电路,是 1950 年代末以来最伟大的发明之一,它的发展开启了随后繁荣至今的消费电子市场。电脑进入家庭,甚至能「挤」进一台只有 3.5 寸大小的移动电话——成为智能手机,靠的都是集成电路的魔法:1950 年代,帮助人类登月的阿波罗导航计算机只集成了数十个晶体管;今天,一张直径 300 毫米的芯片上集成的晶体管数量可以达到百万亿个。

眼下中国的芯片产业热潮,既来自于广为人知的华为芯片断供事件,也来自一个被遮蔽了多年、近两年才被注意到的事实:自 2005 年起,中国就是全球最大的芯片消费国,但这个芯片消费大国并不是芯片的主要生产国。

最早抛出这个观点的,是芯片市场研究机构 IC Insights。根据它发布的数据,2020 年中国集成电路的市场规模达到 1434 亿美元,约占全球的 31%;同期,中国生产的集成电路,也就是芯片,仅占 15.9%,约 227 亿美元,其余 84.1% 的市场需求严重依赖进口。

而所谓「中国制造」的芯片中,只有很少一部分产量是由中国本土企业贡献,2020 年由中国内地公司实现的总产值仅为 83 亿美元,占当年中国芯片市场总量的 5.9%。

英特尔、高通、英伟达、三星、台积电……中国内地既没有这些产业巨头,也缺乏完整的产业链。从全产业链(包括从设计到生产制造以及材料、设备、软件等数十个环节)所创造的综合产值看,中国内地公司在 2020 年实现的芯片业产值仅占全球的 5%。同期美国公司贡献了全球芯片市场总量的 55%;其次是韩国公司,贡献了 21%,以及以代工为主的中国台湾公司拿下了 7%。

按照中国政府的产业规划,中国要在 2025 年将芯片的国产化率提升到 70%——让我们重复一遍,2020 年这个数字还不到 16%。

中国政府的规划富于野心,70% 自给率意味着芯片的国产化率每年都要增长 34% 以上。先不论这个目标是否现实,自 2019 年以来,有大量的社会资本愿意为这个大目标下注。据云岫资本发布的《2020 年中国半导体行业投资解读》统计,国内半导体行业股权投资案例在 2020 年共计 413 起,投资金额超过 1400 亿元,相比 2019 年约 300 亿元人民币的投资额,增长近 4 倍。

终于盼来「供应链裂缝」

中国自主设计芯片的起步时间,并不比这种技术的发源地美国晚多少。1948 年,晶体管才被发明;10 年后,美国德州仪器的工程师发明了集中电路;1960 年代,中科院微电子所的前身就解决了晶体管计算机所需的全部型号元件;1966 年上海无线电五厂投产了小规模数字集成电路。

此后数十年,中国针对芯片设计、光刻机等核心生产技术的研发虽未中断,但与该产业在全球的技术演进相比,长期存在较大差距。

这是 20 世纪后半叶中国电子工业整体处于落后局面所导致的。需要大规模应用高科技芯片的电子产品市场,在 1990 年代以前的中国并不存在,在当时的美国却已经具备:1990 年代,美国家庭的个人电脑渗透率已经同 2008 年前后的中国差不多。同时期的中国家庭中,最大额的电子消费产品是电视机。所以,有关计算机及相关芯片的投资,在彼时的中国无法得到足够回报。

美国半导体市场自 1990 年以来,以英特尔公司为代表,经历数次迭代——从小规模集成电路到中规模集成电路,再到大规模集成电路,英特尔的芯片席卷了包括联想在内的全球所有计算机制造商。1995 年,原本生产早期国产计算机的华北无线电联合器材厂的厂房被变卖,后来成为北京的 798 艺术区。

即使是 2000 年之后,中国本土崛起的创业潮和风险投资机构都鲜少涉足这个搭上摩尔定律高速列车的领域。

「以前,这个领域的创业公司都要面临两个挑战,一个是技术突破,还有一个是供应链的突破。」容亿投资创始合伙人黄金平分析指出,芯片是标准产品,这意味着创业者从进入这个领域的第一天开始就要与英特尔、高通等全球芯片巨头竞争。

在这个以追求安全、稳定而构建的供应链壁垒里,中国公司擅长的价格战发挥不了作用。因为手机公司不会为了让一颗芯片在成本上便宜一二十元而承担哪怕 1% 的质量风险——那意味着可能会损失几千万台手机的生意。

直到 2020 年前后,中国新创立的芯片设计公司终于等到了一个供应链裂缝。

2019 年 5 月,华为被美国列入「实体清单」;同月,华为宣布自主研发的海思芯片从「备胎」全面转正。受美国制裁影响,自 2020 年 9 月起,华为不能从供应商那里获得 10 nm(纳米)以下的高端芯片。2021 年第一季度,因受到美国数轮制裁,华为海思被挤出 IC Insights「全球 Top 15 半导体公司」榜单,而去年同期它在该榜单中排在第 10 名。

「以前华为不会给中国这些新创公司导入产品的机会,但是现在大家都有了危机意识。」云启资本的执行董事郑瑞庭对《第一财经》杂志说,包括华为、小米、OPPO 等在内的手机公司,以及华为、中兴等生产通信基站设备的公司,都开始在它们的供应链中为本土芯片设计公司提供机会。

比如,华为将管理手机显示时间的时钟芯片供应商从美国公司换成了宁波的奥拉半导体。后者成立于 2010 年,2018 年在华为所在地深圳设立销售中心,2020 年等到机会加入华为供应链,投资机构随后跟进投资了这家公司。云启资本透露,在他们观察的芯片产业标的中,只要其客户名单上有华为、小米、OPPO,都是加分项。

更多的资本在涌向有大规模集成能力的设计公司,「以后我们中国也会有自己的名牌,有自己的英伟达,有自己的英特尔,这种公司就是我们现在所关注的公司。」疆亘资本投资经理贾浩对《第一财经》杂志说。

1987 年,张忠谋创立台积电,将半导体产业的设计与制造一分为二,继而推动 20 世纪末的美国和中国台湾出现一轮「Design House」创业潮,催生了英伟达、联发科等只设计不生产的芯片设计公司(这也被称为 fabless 模式)。大型芯片设计公司动辄提供上千个型号的芯片设计,下游客户可以随意挑选,再将其集成到自己想要开发的系统或产品中去。

Design House 为进入 21 世纪后的智能硬件品类的繁荣提供了便利,反过来,市场对新型智能硬件的投资——物联网设备、自动驾驶汽车、机器人——也在为 fabless 模式的芯片企业提供生机。

人工智能设备里最重要的处理器芯片,不再是 PC 时代我们所熟悉的 CPU,而是变成了图形处理器(GPU)或神经网络处理器(NPU)。凭借着 GPU 产品,英伟达的市值在去年 7 月首次反超英特尔,而一年后的今天,它的市值已经是英特尔市值的两倍,后者以 CPU 产品为主。中国主攻与英伟达相似方向的独角兽公司「地平线」,2021 年年初曾在 3 个月内持续融到了 3 笔资金,总额 9 亿美元。阿里巴巴 2018 年成立的芯片设计公司「平头哥」,开发的也是同类型芯片。

国产替代的背景下,「新一拨(创业潮)起来的时候,硅谷和中国台湾都不太有创业机会了,因为它们都有 Design House 的巨头,只有中国内地还有这种机会。」云启资本执行董事郑瑞庭说,中国内地的很多创业公司都可以在某些领域制造出基本能和英伟达的 T4 系列(编注:2018 年上市,可为人工智能深度学习提供算力的 GPU)对标的产品。搜寻了近 10 家 GPU 创业公司后,云启资本投资了蓝海智能,后者拥有一支来自老一代 Design House 公司展讯的研发团队。

真正的瓶颈:制造

虽然有海思这样的芯片设计公司可以与英特尔、高通同台竞争,但中国的最大挑战并不是芯片设计,而是在于制造,尤其是制程在 7nm 及以下的高端芯片。

作为中国内地最领先的芯片制造商,中芯国际最先进的制程是 14 nm——很多手机厂商在 2017 年之前使用这个制程,那个时候,短视频和手游都还没有爆发。而中芯国际今年第一季度财报显示,40nm 及以上制程仍然是公司主要的收入来源,28nm 和 14nm 工艺在收入中占比不足 7%。无论海思、地平线还是平头哥,这些芯片设计公司开发出的高端芯片,最终都需要由台积电等先进工厂代工。

中国工程院院士、浙江大学微纳电子学院院长吴汉明将芯片制造称作中国芯片产业「短板中的短板」。「但在后摩尔时代,我们有追赶的机会。」今年 4 月末,他在由中国工程院院刊《FITEE》《Engineering》共同主办的「中国工程院信息与电子工程前沿论坛」上说。

那场内部研讨会上,吴汉明再一次阐述了摩尔定律的拐点何时到来,以及中国半导体产业如何超车的理论。这套理论的基础是中国工程院院士许居衍 1992 年在一次内部会议上画出的摩尔定律增长曲线——根据曲线的斜率变化,许居衍院士判断大概在 2014 年左右,半导体产业就会进入后摩尔定律时代,即电路间距达到 28nm 左右的时候,芯片的效率不再每两年甚至每 18 个月增长一倍,而且,其成本将不降反增。

这个预测后来得到部分验证。2002 年以前,晶体管的性能每年提升 50% 左右,2002 年之后,这个数字变成 23%,2010 年之后减少到 12%,2014 年降为 3.5%。原来购买 100 万个 28nm 的晶体管只需要 2.7 美分,当技术进步到 20nm 以内时,购买 100 万个晶体管上涨至 2.9 美分。

正是成本的不断下降让电脑和手机走向了普罗大众。如果按照 60 年前一个晶体管大约 200 元人民币的成本计算,苹果在 2020 年 10 月发布的载有 A14 芯片(集成 118 亿个晶体管)的手机要卖到 23600 亿元,才能收回成本。这种可怕的事情没有发生,但在后摩尔时代就不一定了。

历史上,PC 产业末期,联想超越惠普和戴尔,成为全球最大的 PC 制造商;智能手机产业末期,华为、小米超越了三星。基于摩尔定律「魔法渐失」的预测,吴汉明认为,中国的芯片制造公司将迎来追赶的机会。

针对部分制造环节,比如存储,与 CPU、GPU 等事关决策的芯片相比,存储芯片对数据传输效率的要求没有那么高,但对成本敏感。今天的数据中心除了仍在大量使用机械式存储设备,剩下的小部分半导体芯片使用的仍是 15nm 左右制程,而非高端智能手机所需的 7nm 或者 5 nm。

市场研究机构 Gartner 的数据显示,2019 年全球芯片市场中,10nm 以下的先进产能仅占 17%,83% 的市场仍由 10nm 以上的低端制程占据。这样的市场结构,为那些芯片工艺创新能力赶不上台积电的中国内地公司留出了发展空间,也使得包括存储芯片在内的中低端芯片成为当下最吸金的投资标的。

2016 年,合肥政府将内存芯片厂商长鑫存储招募至合肥设厂,除了土地和税收优惠,当地国资委还投资了近百亿元。这家只能生产 18nm 产品的存储芯片公司在去年 12 月又获得了由老股东安微国资委旗下产业发展基金继续领投、小米长江产业基金等机构跟投的 156.5 亿元战略融资,公司估值升至 338 亿元。

用于电动汽车的大部分芯片,制程要求也不像智能手机那么高。目前,汽车芯片主要集中在 20nm 至 45nm 成熟制程,而制程最先进的那些代工厂极少涉及这些业务。比如在台积电 2019 年至 2020 年的营收数据里,汽车芯片的贡献占比还不到 4%。

所以,抛开智能手机处理器芯片这个高端市场,中国的芯片制造公司仍有大把机会让自己先生存下来,再去攻克最困难的部分。

当然,这么做的代价也显而易见——放弃最前沿的市场会使自身长期处于追赶地位。中国政府不愿看到这种局面,根据吴汉明在 4 月的那次内部分享会上给出的时间表,政府要求中国的芯片制造能力在 3 年后实现:芯片效率提升 15%,面积和成本各减少 30%。

这个 KPI 意味着,像中芯国际这样由国资主导的芯片制造商,要在接下来 3 年内把量产制程从 14nm 提升至 10nm 以内;同时,它也意味着中国要在更上游,即大规模集成电路的核心生产设备光刻机上拥有话语权。

目前全球最大的光刻机厂商是荷兰的阿斯麦公司(ASML),它在 45nm 以下制程的高端光刻机(DUV)市场占有 85% 的份额,在生产更为先进的 7 nm/5nm 芯片的极紫外光刻机(EUV)领域,其市场占有率则达到 100%。

中国目前还没有能媲美阿斯麦的光刻机制造商。能力最好的上海微电子,目前可以量产制程 20nm 的光刻机,但其零部件也大部分仰赖全球采购。按照一台光刻机需要十多万个零部件计算,全球 5000 多个供应商协作,才能支撑这种设备的制造。而这 5000 多个供应商有 32% 在荷兰和英国,27% 在美国,27% 在日本,14% 在德国——没有中国公司。

这也正是为什么吴汉明强调在后摩尔时代,中国需要重视本土化和产能增长,但「全球化仍然是不可替代的」。即使是美国,要实现光刻机完全国产化,也需要花费 1.2 万亿美元——这样做将会导致在美国市场上销售的半导体的成本提高 65%。

中芯国际联席 CEO 梁孟松在 2020 年年末曾对外透露公司已完成了 7nm 芯片的开发,「只待 EUV 光刻机到来」就可以进入下个阶段的风险量产。2018 年年初,中芯国际出资 1.2 亿美元向阿斯麦订购首台 EUV 光刻机,该设备本应于 2019 年年底交付,却因荷兰政府没有向阿斯麦发放新的出口许可证,延迟至今。

想要打破制造端的瓶颈,关键的问题仍在于中国公司要如何在全球产业协作、共同应对「芯片短缺」的过程中,找到自己可以做出的贡献,从而逐步换取芯片供应链核心环节的把控权。这个疑问,迄今没有人给出答案。

人才、资本、举国体制

要追赶全球半导体工业的产研节奏,中国还要补上最不可或缺的那块拼图——人才。热钱涌入的大背景下,无论平头哥、小米、OPPO 这些互联网或智能手机领域的大公司,还是各类初创公司,都愿意提供高薪以吸引人才。这改变了过去中国高校培养的半导体人才多数流向互联网公司而非半导体产业的窘境。但匹配产业进程,尤其是高端芯片设计和制造的人才池,本来就不在中国。

据统计,中国芯片产业的人才缺口达到几十万人。「芯片设计、生产、封装——虽然每个环节门槛都较高,研发难度大,尤其高端人才不足,但不至于像光刻机这类人才,几乎凤毛麟角。」科锐国际高级业务罗鹏对《第一财经》杂志说。

欧、美、日、韩和中国台湾地区的半导体公司仍然拥有芯片产业链上最核心的人才。以英特尔为例,这家美国芯片公司在中国建有多家工厂,但这些工厂的主要工作是做芯片成品前的最后一步——封装测试;上海研发中心的主要工作也是向中国市场推广英特尔的芯片,以及在芯片被集成到客户的终端产品上时提供技术支持,核心的设计其实并不在中国。

作为一种技术和资金双重密集型产业,一个成功的芯片项目需要动辄数百亿元、长达十年甚至数十年周期的资金和时间投入,所以能够找对技术路线并高效执行的「领军人才」至关重要。

以 69 岁的梁孟松为例,这位中芯国际联席 CEO 曾在 2003 年帮助台积电战胜 IBM,第一个实现 130nm 芯片量产;后来他跳槽加入三星,又帮助三星在 14nm 的制程上早于台积电半年实现量产。2017 年,他被挖到中芯国际后,用了不到 300 天,将中芯国际 14nm 芯片的良品率从 3% 提升到了 95%,并带领团队只用 3 年就完成了从 28nm 到 7nm 共五世代的技术开发。与之相反,因为研发带头人选择了错误的技术路线,英特尔在 14nm 的制程上停留了 10 年之久,被原本不如它的 AMD 反超。

「千里马常有,伯乐不常有」的古训对应到中国芯片产业的发展现状,要反过来才成立。不仅如此,同质化的创业热情也在分流人才。「如果现在国内只有一两家 GPU 公司的话,大家人才集中在一起……因为你要开发一个 GPU,至少需要几百位研发工程师,但现在都分散到了十几家里。」郑瑞庭说。

资本过快涌入芯片产业的过程,也引发了一些行业丑闻。最广为人知的是武汉的弘芯半导体,这个造芯项目成立于 2017 年,延揽了台积电前 CTO 蒋尚义担任 CEO,引进阿斯麦的光刻机,直到项目烂尾的时候,外界才发现,这个项目的初创团队成员多数只有大专文凭,他们开过饭店、倒卖过中药,已经从当地政府手中拿走了 1280 亿元。

类似丑闻在武汉、西安等多个试图发展芯片产业的城市出现,已经影响到整个行业的募资。「我们只会投那些上市确定性强、成熟稳定的企业,比如已经流片成功,准备量产的,才能保证投资人的安全。」疆亘资本高级产品经理张一伟说。

一旦市场化的投资机构的心态纷纷倾向于求稳,扎堆争抢那些处在 Pre-IPO 阶段的公司,对芯片产业那些亟需扶持的初创公司将会是一个打击。芯片本身是个在什么都没有的时候就要先投入数百万美元的东西——不算聘请工程师的成本,芯片每次流片都要花费上百万美元,购买 IP 又是一笔高昂费用。在得到验证之前,一个创业团队要熬上 3 年左右的时间,这也是他们最需要用钱的时候。

所以,吴汉明呼吁政府资金应该更多地投向那些从 0 到 1 的高风险项目,比如造芯片或者开发光刻机。

「我希望有一个比较好的举国体制做一些公共的技术研发平台,发挥『集中力量办大事』的优势,推进我们国家芯片产业的整体发展。」吴汉明说

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