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中国芯片的极限突围

2019-10-11 10:04 · 稿源:挖数公众号

芯片

声明:本文来自于微信公众号挖数(ID:washu66),作者:挖数,授权站长之家转载发布。

2018 年初,日本时报发表了一篇《为什么中国造不出像样的半导体?》的文章,提到中国大陆目前是世界最大芯片市场,但国内使用的半导体只有16%是国产,大陆每年在芯片进口上要花 2000 亿美元,甚至超过了石油进口。

文章还提到中国大陆在发展芯片的路上有以下障碍:

1、时间障碍:中国大陆在 70 年代才开放商业,而现代芯片是 1958 年左右发明的,存在 20 年的发展时间差;

2、资金障碍:几十年来,劳动密集型产业是中国大陆致富的途径,而半导体需要动辄几十亿的前期投入,而且要 10 年甚至更久才能见效,鲜有中国企业有这等财力或经验能进行这种理性投资;

3、技术障碍:日韩可以从美国购买技术或者与之结成伙伴关系,但中国大陆没法那样做,收购美国半导体公司常被否决,日韩等也对中国大陆的收购采取类似严厉的审核。

从以上陈述,我们大概能知道为什么国家在芯片上这么焦虑。

芯片对于国家是头等大事,但对于一个普通人却远在天边,很多人不知道芯片到底是个什么玩意,这里挖数试着通俗讲一下。

芯片的由来

说到芯片,这也跟发明大王爱迪生有关, 1883 年,爱迪生正在为寻找电灯泡的灯丝材料而犯愁,他无意中做了一个小小的实验,在真空电灯炮内部碳丝附近装了一小截铜丝,希望铜丝能阻止灯泡的碳丝蒸发。

实验失败了,但却发现没有连接在电路里的铜丝,竟能因接收到碳丝发射的热电子而产生微弱的电流,他为这一发现申请了专利,命名“爱迪生效应”。

后来爱迪生的助手,英国物理学家约翰·弗莱明利用“爱迪生效应”发明了世界第一只电子二极管,又称真空二极管。

电子管起到对电流信号的放大作用,是早期电视机、收音机等电子产品不可或缺的元件,但电子管的体积跟手掌一样大,耗电又多,世界上第一台计算机就是用电子管做的,用了1. 8 万只电子管,占地 170 平方米,重 30 吨。

为了把电子管的体积缩小, 1947 年美国贝尔实验室的三个科学家肖克利、布拉顿巴丁发明了可以替代电子管的晶体管,这是一种用锗和硅等材料做成的元件,它可以做的非常小,有多小呢?用现在的技术, 60 亿枚晶体管所占的面积不过是一张银行卡的大小而已。

三个人因此而获得了 1956 年的诺贝尔物理学奖。

有了晶体管,各种电子设备才可以做得足够小,但晶体管是分散独立的,大批量制造耗时耗力, 1958 年美国德州仪器的工程师杰克·基尔比发明了集成电路,这种技术可以把很大数量的晶体管印刷到一块硅片上,从而实现了晶体管的规模化生产。

基尔比由此获得了 2000 年的诺贝尔物理学奖,而集成电路也就是我们常说的芯片。

芯片是把晶体管等器件小型化,并集成到一块硅片(又称晶圆)上的一种电子器件,它是一种非常精密的器件,对制造工艺的要求非常高。

英特尔和高通

英特尔是PC的芯片霸主,高通是手机的芯片霸主,提到芯片都绕不开这两家美国公司。

英特尔

1955 年,上文提到的晶体管发明者肖克利离开贝尔实验室,在硅谷创建了肖克利半导体实验室,后来公司的八名员工联合辞职,于 1957 年创建仙童半导体公司,到了 1968 年,仙童半导体其中两位创办人罗伯特·诺伊斯和高登·摩尔辞职,同年创建英特尔公司。

随着个人计算机崛起,英特尔将自己的业务专注到个人计算机的芯片,也就是CPU,从此业绩起飞,成为全球在PC领域最有利可图的硬件供应商。

90 年代PC开始普及时,英特尔的股价也跟着飞涨,巅峰时期的市值达到  3233 亿美金,垄断了全球PC芯片超过90%的市场份额。

英特尔目前在PC芯片的主要竞争对手是AMD,有趣的是AMD也是仙童半导体的离职员工创建的。

1965 年,上文提到的英特尔创办人之一高登·摩尔在《电子学》杂志发表了一篇文章,预言半导体芯片上集成的晶体管和电阻数量每年将增加一倍,这就是著名的“摩尔定律”。

高通

1985 年由美国加州大学圣地亚哥分校的两位教授创立,一开始主要专注于无线电通信技术的研发,积累了非常多这方面的专利。

随着智能手机的崛起,高通开始了手机CPU的研发, 2007 年发布了第一款骁龙芯片,随后骁龙芯片迅速适用于各种智能手机、平板电脑和智能手表。

截至 2017 年底,高通在智能手机芯片的市场份额是 42%。

其股价随着智能手机的普及而狂飙,截至目前的市值是 928 亿美金

高通 2017 年收入为222. 9 亿美金,其中65%来自中国大陆,可见我们对芯片进口的依赖。

日本、韩国、中国台湾接棒

日本

冷战期间,为了对抗苏联,美国开始了对日本的大规模援助,由此日本以极低廉的价格获得了美国大量技术授权,其中就包括晶体管的技术。

在政府的补贴下,日本晶体管得到突飞猛进的发展, 1959 年,日本包括索尼、NEC、三洋、东芝在内的企业一年生产了 8650 万颗晶体管,这一规模已经超过了技术发源地美国。

1960 年日本利用逆向工程的方式研发了日本第一块集成电路,这距离集成电路在美国的发明仅过去 2 年。

1962 年,日本的NEC公司从美国仙童半导体公司那以技术授权的方式学会了集成电路的批量制造工艺,在日本政府主导下,NEC又将技术开放给了三菱、京都电气等公司,由此日本芯片产业正式起航。

到了 1989 年,日本芯片在全球的市场占有率达到53%,超过了美国的37%。

1990 年全球十大半导体企业,日本占了 6 席,数据由云锋金融整理

日本的快速发展惊动了美国,为了改善美国本土的贸易逆差,美国与日本及另外 3 国签订了《广场协议》,加速了日元的升值。

由于日元快速升值,芯片出口变得无利可图,日本国内资金转而涌入了房地产和金融,泡沫越来越大,最后泡沫破裂,日本进入“失落的十年”,芯片行业从此一落千丈,而美国也在 1993 年重新夺回芯片份额全球第一的地位。

日本的衰退给了同样拿到美国技术授权的韩国和台湾可趁之机。

韩国

由于朝鲜战争原因,韩国起步晚, 1969 年,当日本的NEC、三菱已经在批量生产集成电路时,韩国的三星还只是一家经营纺织、化肥、制糖的传统公司。

在朴正熙的铁腕治理下,韩国以举国之力发展芯片, 80 年代,韩国电子通信研究所牵头,联合三星、LG、现代和韩国的 6 所大学,一起对DRAM(内存)这个芯片领域进行技术攻关,投入了1. 1 亿美元的研发费用,其中政府承担其中的57%。

1983 年,三星电子在韩国本土投产了全国第一座半导体工厂。

为了平衡日本,美国大力扶持韩国,短短 3 年时间就援助了韩国超过 20 亿美金,并且在技术授权方面非常慷慨。

到了 1989 年,韩国的三星成功实现了4M DRAM的量产,与日本几乎同个时间投放市场,自此韩国成功追上日本。

日本泡沫期间,韩国开始疯狂扩张, 1990 年开始,三星建立了 26 个研发中心,LG建立了 18 个,现代 14 个,在芯片领域的研发投入从 1980 年的 850 万美金飙升到 1994 年的 9 亿美金,专利数方面也从 1989 年的 708 项飙升到 1994 年的 3336 项。

到了 2008 年,单韩国的三星和SK海力士两家公司就占据了全球DRAM市场75%的份额。

中国台湾

台湾的芯片起步比韩国稍晚一些, 1975 年,当时的经济部长孙云璇访问韩国时看到韩国政府高薪聘请美国的韩裔工程师回国发展,受到了很大触动。

回台湾后,他便成立了台湾工业技术研究院,并选派一批工程师到美国RCA公司学习集成电路的设计和制造技术,这批工程师中就有后来创办了联发科(MTK)的蔡明介。

台湾芯片产业的半壁江山归属于台积电。

1987 年,已经 55 岁的张忠谋创立了台湾积体电路制造公司,简称“台积电”,在这之前,他是美国德州仪器公司的资深副总裁,毕业于麻省理工学院, 27 岁即加入德州仪器,有着非常深厚的半导体技术积累。

当时全球很多芯片公司都是 IDM 模式,即从芯片的设计、制造到封装一条龙都自己做,投资巨大,门槛极高,台积电没有采取这种模式,而是颠覆规则,专注于制造这个环节,把自己定位为全球各大芯片公司的晶圆代工厂,这种模式叫做Foundry(代工)

依靠张忠谋的人脉, 1988 年,仅成立一年的台积电就邀请到时任英特尔CEO的安迪格鲁夫过来参观工厂,经过一番严格审核后,台积电顺利拿到英特尔的认证和订单。

依靠“代工”这种创新模式,台积电能够比其他芯片公司更加专注,从而抓住机会疯狂成长,到了 2002 年,台积电以超过 50 亿美金的营收进入全球半导体产业前 10 名,并成为全球最大的晶圆代工公司。

台积电“代工”路线的成功,催生了芯片行业Fabless(专注芯片设计,不建厂)的模式, 2000 年全球前 20 大芯片公司中有 4 家采取了Fabless模式。

截至目前,台积电在晶圆代工的全球市场占有率达到 6 成,远远领先第二名的三星。

从股价也可以看到台积电的快速崛起,截至目前其市值达到  2325 亿美金

中国大陆极限突围

早在 1956 年,周恩来总理就主持制定了“1956- 1967 年十二年科学技术发展远景规划”,把半导体、计算机、自动化和电子学列为国内急需发展的高新技术。

1958 年,中科院半导体研究室成功研制第一只锗晶体管, 1959 年成功研制第一只硅晶体管,到了 1968 年又成功研制了第一个集成电路,这些都仅仅比美国晚 10 年,甚至比韩国和台湾都早。

但后来因为不可抗的历史原因,中国大陆的半导体发展远远滞后, 1983 年有一份报告曾指出中国大陆的芯片产业跟美国、日本有 15 年左右的差距。

摘自知乎北风的一个回答

1978 年中国大陆刚改革开放,一穷二白,普通民众连吃饭都成问题,各种跟生活息息相关的行业,比如纺织业、农业、家用电器行业等等都急待发展,而芯片这种重投入,晚见效行业的优先级只能往后排。

举个例子, 2000 年中国大陆的GDP是1. 2 万亿美金,而当时单英特尔一家公司的市值就有 3280 亿美金,接近中国GDP的 30%,人家动辄上百亿的研发投入,我们去哪里掏这个钱?

更难的是芯片不仅是制造业顶端的一个行业,还是一个高度市场化的行业,怎么解释这个市场化?

比如 2002 年,中国大陆手机市场80%都是外资公司。

假设这时出来一个国产芯片,性能落后美国和日本十几年,摩托罗拉和诺基亚凭什么会用?不仅外资品牌不敢用,国内的波导、TCL等也不敢用,因为用了跟外资的竞争就处于下风了。

这也是我们一直不敢大规模投资芯片的一个原因,我们在等一个时机,等一个资金充裕、且国产电子产品足够普及的时机。

在等待的过程中,我们悄悄播下了 2 颗种子,一颗叫中芯国际, 2000 年成立于上海,一颗叫华为海思, 2004 年成立于深圳。

还记得上文提到的芯片业务分为IDM(全包)、Foundry(代工)Fabless(专注设计,没有工厂)三种么?

中芯国际属于Foundry,对标中国台湾的台积电,华为海思就是Fabless,有自己的芯片品牌但没有工厂,对标中国台湾的联发科(MTK)。

说起中芯国际,它跟台积电也颇有渊源,中芯的创始人叫张汝京,他跟台积电创始人张忠谋一样也在美国的德州仪器工作了几十年,后来回台湾创立了世大半导体, 3 年后,世大成为台湾第三大的芯片代工公司。

就在他准备大干一番时,张忠谋与世大的大股东秘密协商,最后以 50 亿美金收购了世大,张汝京被迫出走,并开始筹划他的二次创业。

正当他在新加坡、香港和上海摇摆不定时,上海政府开出了极其优厚的条件,最终他下定决心在上海创立了中芯国际。

中芯国际曾有一段辉煌的岁月,当时张汝京一方面找到日本东芝、富士通、欧洲微电子等企业合作,为大陆输入了先进的技术和设备,另一方面从海外和台湾引进 400 多位技术人才,在他的不遗余力下,中芯国际仅成立 3 年就在美国和香港同时上市。

中芯的高调让台积电感受到了威胁, 2004 年,台积电在美国起诉中芯侵犯其知识产权,由于张汝京之前创立的世大被台积电收购,其知识产权都归台积电所有,而张汝京在原有领域创业,免不了会用到之前的技术积累。

官司一直打到了 2009 年,最终以中芯赔偿3. 7 亿美金,张汝京辞职结束。

后来中芯经历了一系列高管动荡,一直到 2011 年第三代CEO邱慈云上任才最终稳定下来。

由于背靠大陆广阔的市场,中芯国际发展稳健,从其股价也可见一斑, 2011 年开始一直稳步上扬。

2017 年,中芯国际迎来了第四任CEO,曾在台积电担任资深研发长,以及在三星电子担任研发副总经理的梁孟松。

这位技术大牛的加入让中芯在工艺方面发展迅速,据媒体报道, 2019 下半年中芯的技术工艺已经与台湾第二大芯片代工厂联电旗鼓相当。

从 2019 年第一季度的营收上看,中芯已成功进入全球前五。

排名第九的华虹半导体也来自中国大陆。

说完中芯再来说海思,虽然海思 2004 年才创立,但其实它脱胎于 1991 年成立的华为ASIC设计中心(ASIC是专用集成电路的意思),当时的华为成立才 4 年。

1993 年,ASIC设计中心成功研制出华为第一块数字ASIC,紧接着是 1996 年、 2000 年和 2003 年的十万门级、百万门级和千万门级ASIC,渐渐得到华为高层的重视。

2004 年,华为的销售额达到 462 亿人民币,员工数也突破一万,此时ASIC设计中心正式独立,改名为海思半导体有限公司,海思的英文名是Hi-Silicon,Silicon即为硅,硅是制作芯片最重要的半导体材料。

与芯片行业一水的男性CEO不同,海思的总裁何庭波是女性,硕士毕业于北京邮电大学, 1996 年加入华为。

2009 年,海思推出第一款面向市场的手机芯片-K3。

2013 年底,海思推出第一款SOC手机芯片-麒麟910,对标高通的芯片品牌-骁龙。

随着华为手机销量猛增,海思的研发费用也节节高, 2018 年华为的研发费用是 147 亿美金,超过了英特尔和苹果,其中很大一部分用在海思上。

2018 年,华为手机冲上全球手机销量第三的位置。

数据来自IDC

而海思 2018 年的营收也去到 中国大陆第一,全球芯片设计(Fabless)公司第 5 的位置

英特尔属于IDM模式的公司,所以不在上列

媒体预计 2019 年,海思将取代台湾的联发科(MTK),进入全球前四。

还记得上文提到的“我们在等一个时机,等一个资金充裕、且国产电子产品足够普及的时机”么?

这个时机已经到来!

-END-

参考资料:

《日韩中的半导体“三国杀”》-云锋金融

《台积电:掌握华为芯片命运的台湾晶圆代工巨头》-砺石商业评论

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