中芯国际的「第二名魔咒」

在芯片代工领域,第二名本身就挺被动。更被动的是,想要保住第二名已不那么容易

若以现有技术水平为基础,中国内地有没有可能在 5 年内复刻一个台积电?

知名芯片调研公司 IC Insights 的判断是:有可能,但需要一个前提——与芯片技术、贸易相关的国际限制全部解除,行业重回自由市场状态。而且在这一过程中,每年需投入至少 2000 亿元扶持产业发展,5 年就是上万亿元。

对于芯片投资,当今的中国倒是既不缺钱也不缺兴趣。比如,中国目前有两期国家级集成电路产业基金——也就是所谓的「国家大基金」,合计 3200 亿元——正在市场上大手笔「扫货」,寻找行业上下游的各类机会。

再比如,各地政府对延揽芯片项目落地也相当积极,仅 2020 年上半年就有 15 个省份签约了半导体项目,总投资额超过 2000 亿元。当然,也出现过武汉弘芯这种「千亿投资」、但最终潦草收场的案例,泡沫初显。

回到现实层面,中国内地其实已有全球第二大芯片代工品牌「中芯国际」。若说要在短时间内复刻一个台积电,那中芯国际无疑是离目标最近的公司。

2020 年年中,已在港股上市多年的中芯国际宣布科创板上市计划,其招股书在 19 天内实现「闪电过会」,融资规模超过 532 亿元。

回归 A 股,也许是中芯国际在 2020 年做出的最正确决策之一。此前,中芯国际在港股的市净率——鉴于半导体行业的重资产特性,常用市净率(PB,股价与每股净资产之比)来衡量其估值水平——长期稳定在 2 倍或更低的位置;而 A 股对于中芯国际的市净率认知在巅峰时一度高达 11 倍,2020 年 10 月华为海思被美国列入实体清单的消息传出后,中芯国际股价随即大幅跳水,市净率亦大跌但仍稳定在 4 倍左右并保持至今。

其实,无论台积电还是希望追赶它的中芯国际,都只占据了芯片产业版图的一角,即代工业务。芯片生产流程复杂,每个环节都涉及材料、设备、技术、资金的多重考验。作为产业链上的集成环节,代工厂必须有衔接前沿技术的能力。

「做代工厂第一名赚钱,第二名基本不赚钱,第三名亏钱,所以一定要争做前两名。」2019 年 9 月,中芯国际联席 CEO 赵海军曾这样表示。

2019 年,美国乔治城大学下辖的「安全和新兴技术中心」(CSET)曾深入分析了中美两国的芯片全产业链竞争力。结果显示,中国在光刻设备、处理控制设备、沉积技术等细分领域,目前几乎没有自主技术能力。而美国的情况是:如果借助韩国及欧洲诸国的盟友关系,在整条芯片产业链上几乎不存在短板。

这是中国芯片产业谋求独立发展时必须面对的困境。而对于中芯国际来说,若无法在技术路线上与台积电缩小差距,「第二名」的优势也会快速流失。

高制程就是话语权

考核芯片代工企业的能力时,如果只能看一个指标,那必定是「制程」。制程既是先进生产力的体现,也决定了代工企业的行业话语权。

芯片的「制程」指的是芯片晶体管栅极宽度的大小。制程的数字越小、制程就越高,对应的晶体管密度越大,芯片功耗越低,性能越高。

根据上下游整合程度的差异,芯片生产企业可简单分为两类。一类是从设计到生产环节全部自营的 IDM(Integrated Design and Manufacturer)企业,代表公司是英特尔和三星;另一类不涉足设计只专注生产,也就是所谓的「代工厂」(Foundry),台积电、中芯国际、联电(UMC)、格罗方德(GLOBALFOUNDRIES)等公司均属此类。此外,市场上亦有 IDM 企业接受外部订单生产的案例,比如三星电子。

在顶尖制程工艺的比拼上,IDM 企业目前总体领先代工企业至少一个代际。目前,三星在量产 5nm 制程的基础上已开始规划 3nm 制程量产,英特尔进度略逊,7nm 工艺也投产有望。

而在代工厂阵营,台积电目前已可试产 3nm 的工艺水平遥遥领先于竞争对手。中芯国际此前多次表示正在尝试从 28nm 向 7nm 的技术突进,但财报显示目前公司最先进工艺仍停留在 14nm ;联电和格罗方德则在 2018 年下旬就宣布放弃 7nm 制程工艺的研发,改为专注成熟制程。

半导体行业基本遵循着名的「摩尔定律」,即每 18 个月芯片性能翻一倍。这就意味着,每 18 个月就要有新一代的高制程工艺投产。

2004 年,芯片内晶体管正式进入纳米(nm)级别,难以满足「摩尔定律」的技术瓶颈也很快出现——纳米级别的晶体管的集成度和精细化程度非常高,已经接近人类的物理认知极限。「摩尔定律」的线性发展趋势,已经赶不上指数级发展的数据处理需求,最典型的案例就是智能手机——目前最顶尖的制程工艺,都被用于生产大牌手机的旗舰款机型芯片。

要实现更高制程芯片的量产,芯片生产企业就得踏入一个「高风险、高投入、长时间」的准备期。以台积电为例,公司的最先进制程从研发成功到全面投产,往往需要 7 至 8 个季度的磨合、调整和良率攀升过程,且每一次向高制程工艺的迭代,投资规模都会比上一代工艺增加 30% 左右。

当然,一旦高制程工艺研发成功并实现量产,市场订单就会快速向高制程产品集中。头部企业既可以赚到先进工艺的溢价,也可以借此基本实现「赢者通吃」——这正是中芯国际等芯片生产企业努力争做「前二名」的根本逻辑。

若以加权平均制程来看,台积电在 2020 年年底已下探到 32.9nm 的超高水平;同期的中芯国际为 94.04nm ,另一家国产芯片代工厂「华虹半导体」则只有 223.42nm 。

中芯国际在「望一保二」的过程中,既要在顶尖制程的研发量产上有所突破,又要保住成熟制程的市场订单,兼顾是最大的挑战。

财报显示,中芯国际在 40/45nm 、55/65nm 、0.15/0.18μm 三个制程区间获得的订单,为公司总计贡献了超过 80% 的收入。这些制程区间的生产工艺已经相当成熟,产品集中于对计算要求不高同时需求量巨大的车载电子芯片、图像传感器、Wi-Fi 蓝牙射频、存储器等领域。

固守成熟制程,尝试错位发展,对于代工企业来说未尝不是一个方向。以代工能力排名全球第十的华虹半导体为例:这家公司最擅长的工艺集中于 0.11μm 以上的传统成熟制程,专攻安全芯片、电源管理、智能家电、功率放大器等大众化产品。由于需求稳定,又少了研发投入风险,在 2016 年至 2019 年的半导体行业下行周期内,华虹半导体的收入增速水平反而高于台积电、中芯国际、联电等行业巨头。

但市场目前对于中芯国际的期待早已不是只求稳定赚钱,而是要尝试打破欧美市场的技术垄断。在缺少顶尖设备(中芯国际此前向 ASML 采购的 EUV 光刻机至今无法交付)、缺少客户合作(华为海思受美国制裁后,中芯国际失去了最大的 14nm 制程客户,目前公司已不单独披露 14nm 制程收入)的情况下,仅靠中芯国际自身努力,要达成这一近乎非理性的目标,难上加难。

生来纠结

中芯国际并非第一次在这种「内忧外困」中被委以重任。实际上,这家公司的诞生本就源于一份对中国芯片产业的厚望。

进入 2000 年代,中国内地有意发展半导体产业。但当时由政府主导设立的芯片制造厂华晶和华虹,受《瓦森纳协议》限制无法在全球市场采购到最先进的设备。唯有成立一家国际化、市场化的公司,才能绕开这一限制——这便是中芯国际的诞生背景。

中芯国际的创始人张汝京是半导体行业的传奇人物。他在美国德州仪器工作的 20 年间,于全球创办并管理了 10 座工厂,人称「盖厂高手」。在美退休后,张汝京在中国台湾创立世大半导体,后很快被台积电收购。

由于中国台湾在半导体产业的经验深厚,中芯国际的高管多少也都有中国台湾企业的工作背景,其中就包括出身台积电的蒋尚义、梁孟松。梁孟松仅用 3 年时间,就基本实现了中芯国际从 28nm 到 7nm 工艺的技术突进计划——在一般代工厂内这一路线图至少要 10 年时间才能实现。

中芯国际自创立初期,就不可避免地要面临来自台积电的压力。双方的矛盾曾经发展为两次漫长的诉讼,且都不利于中芯国际。在 2009 年的第二次诉讼中,中芯国际因知识产权管理上的漏洞,于美国加州败诉,导致张汝京离职。由于缺少灵魂人物坐镇管理,中芯国际内部的高管、股东利益矛盾逐步外显。

从王宁国与杨士宁的搭档,到赵海军、蒋尚义与梁孟松的高管组合,中芯国际是国内少数长期维持「多头管理」策略的大型企业。这种制度并不利于公司管理,只能形成多方利益的相对制衡。

高管团队之外,中芯国际的另一大问题来自各怀心思的股东。

创业早期,中芯国际曾在政府注资之外引入高盛、华登国际等美资入股。公司发展困难的 2008 年,黑石财团也一度有意收购。但随着大唐国际、中投集团、国家大基金,以及在科创板 IPO 时中国半导体「产业联盟」等先后入股,中芯国际目前的股权池,已成为多方意志的博弈场。

2011 年,中芯国际的大股东大唐电信曾主导一场高管变局,意图获得公司控制权。这场变局最终以失败告终,而在随后 4 年的调整期内,中芯国际完成了从 40nm 制程到 28nm 制程的技术升级,但已经落后台积电 5 年。

中国内地发展半导体产业的意志、台企经验和技术的注入,以及多方股东的期待,共同组成了如今这个复杂的中芯国际。二十多年来,它确实完成了一系列重要的技术攻关,并打开了中国的芯片代工局面。但一家公司的能力边界,并非仅靠意志、技术和资金就能轻松拓展。

难以打破的负循环

芯片产业由工艺制造技术驱动产业发展,所以制程工艺上的代际差异,会清晰地反映在代工公司的各项指标上,并呈现出一定规律。

台积电所代表的,是市场头名所能享受的「黄金循环」,即:开发过程中公司毛利率下降,成熟业务补贴收入——高制程工艺实现量产,客户需求大增——先进技术定价更高,盈利能力增强——为应对需求扩产,强化资本支出。

高制程工艺的研发投入及购买设备所需费用普遍偏高。美国电子行业战略咨询公司 IBS 曾测算称,3nm 制程芯片的工艺开发费用约为 40 亿至 50 亿美元,而兴建一条 3nm 产线的成本约为 150 亿至 200 亿美元。

过去 10 年内,全球芯片代工企业的平均研发强度(即研发费用相对于公司营收的比例)稳定在 8% 至 10% 之间,但就具体公司而言,一旦开发新工艺,研发费用必定会增加。

例如,2019 年至 2020 年,是台积电主攻 3nm 、中芯国际主攻 14nm 量产的关键年份,当年两家公司的研发费用都出现了显着上升。而从过去 10 年的绝对值来看,台积电研发费用多为中芯国际的 5 至 7 倍,差距最大的年份接近 11 倍。

新工艺量产后,为保证满足客户订单需求,代工企业往往要扩充产能,乃至建新厂。买设备、造厂房、招员工,合起来就是大量的资本支出。

在其他行业,企业多要考虑「量入为出」,也就是以收入为基础来确定资本支出的规模。但对于芯片代工厂而言,资本支出所代表的往往是企业对行业未来的看法,所以支出与收入水平脱钩的现象并不少见。

2020 年,中芯国际的资本支出首次超过了当年收入,且高出近 50%,大部分支出是用于扩充已有制程工艺的产能。其招股书也显示计划将 IPO 融资中的约 120 亿元用于扩展高技术含量的芯片产能,或投资其他先进及成熟工艺的研发。此前,中芯国际仅有 2016 年的资本支出接近当年收入,当时同样面临扩产需求。

新工艺上马后,代工企业紧接着会面临的问题就是设备折旧。行业统计显示,在一个芯片代工厂中,与制程紧密相关的晶圆制造设备初期成本,约占全部建设成本的 46.9%。按照规定,这些设备的价值需要摊销为 5 到 7 年内的折旧成本,从而影响投产早期公司的利润率,乃至会出现一段时间的「负毛利」。

但如果代工厂在制程工艺上领跑同行,乃至整整领先一代或数代,设备折旧成本就不会造成太大的困扰,反而可以加以利用。

以 28nm 制程开发为例,台积电在 2011 年扩大了这一制程的产能,相关设备折旧于 2016 年计提完毕后,产品利润率便大幅提升。2017 年,台积电在这一方向上开打价格战,从同样有 28nm 开发能力但还在计提设备折旧的中芯国际、联电手中抢客户,使后两家公司的产品盈利性大幅下降。

如果说芯片代工的技术演进对于台积电是「黄金循环」,那么对于中芯国际和其他代工厂而言,就是糟糕的「负循环」:企业始终在追赶技术,同等研发投入不可避免——推出更先进制程,客户采用的积极性依然较低——同行价格战和设备折旧同时影响盈利水平——自有资金难以覆盖资本支出。

目前可能打破这个负循环的方法,就是眼下中国内地市场所面临的技术封锁以及全面缺芯的状态。如果大部分客户都放弃追求顶级制程技术、且使用「国产替代」的意愿上升,中芯国际就有望重塑收入与支出的关系,从而调整出一种新的「内循环」机会。

国产替代只能短期治标

在外部环境相当糟糕的 2020 年,中芯国际的营收表现却出乎意料。当年,公司的总营收达到 39.07 亿美元,同比增长高达 25.4%。公司对此的解释是:代工业务实现了量、价齐升,共同带动了收入增长。

目前中芯国际总计有 7 条产线,集中在北京、上海、深圳、天津四大城市。7 条产线中,4 条用于生产成本更低、材料利用率更高的 12 英寸芯片晶圆,3 条生产 8 英寸晶圆。而在已经提上日程的深圳扩产计划中,中芯国际还要增加 1 条 12 英寸、1 条 8 英寸产线,但需等到 2022 年才能正式投产。

相比产能扩张,2020 年中芯国际实现了更明显的产量跃升,当年的产能利用率升至 95.64% 的历史高位,也首次实现了超过 100% 的产销率,是真正意义上的「供不应求」。

多家第三方机构都预测,全球范围内的「缺芯」问题会贯穿 2021 年,由于各代工厂产能提升都需要时间,供需不平衡的问题可能延续到 2022 年。而在中国本土,由于部分成熟制程产能提升比较容易,「缺芯」压力在 2022 年或可得到缓解。但行业媒体「芯谋研究」的预测指出,如果代工厂扩产进度受阻,那么到 2025 年,国内芯片的产能缺口需要 8 个中芯国际才能补上。

短期的供需矛盾,也显着反映在了价格上。2020 年,中芯国际的晶圆代工单价相比前一年已经上涨了 200 多元;2021 年 4 月 1 日,中芯国际的部分客户又接到了一轮涨价通知,不同产品的涨价幅度从个位数到 30% 不等。

此外,国家有意快速提升芯片自给率的政策目标,也在推动中芯国际的客户结构进一步改变。2014 年第一季度,中芯国际的中国内地及中国香港客户占比首次超过了北美客户。到最近的 2021 年第一季度,公司中国内地及中国香港客户的比例已是北美客户的两倍。

所以,对中芯国际来说,赚钱可能是最近一两年内比较容易的事,难的是让投资者在中美贸易摩擦未解、技术提升空间有限的背景下,重建股价层面的信心。

在中国芯片产业这轮史无前例的历史浪潮中,中芯国际显然不应该满足于行业第二带来的这种局部统治力,但催促它向第一名挑战,实际上又形成了一种「非不为也,实不能也」的发展压力。如何充分认识梦想与现实间的差异,将是留给国内芯片产业投资者的重要课题

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