芯片產(chǎn)業(yè)只用五分鐘從三個(gè)維度理解

發(fā)布時(shí)間：2022-10-20作者來(lái)源：薩科微瀏覽：2415

我們?yōu)槭裁匆私庑酒a(chǎn)業(yè)？

如果你是芯片行業(yè)的從業(yè)者，這當(dāng)然是你的必修課；如果你是一位目光敏銳的投資者，這便是你做出正確決策的前提；但如果你只是路人甲，是否也有必要了解這個(gè)屬于科技前沿的領(lǐng)域呢？答案是肯定的。

這不僅因?yàn)樾酒倪\(yùn)用在日常生活中無(wú)處不在，更因?yàn)樾酒菙?shù)字世界的基礎(chǔ)，在數(shù)字化技術(shù)深度嵌入人類社會(huì)的當(dāng)下，理解芯片，也就理解了社會(huì)前進(jìn)的方向。

一

芯片技術(shù)及給人類帶來(lái)的改變

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，芯片的本質(zhì)就是半導(dǎo)體+集成電路。

其中，半導(dǎo)體是芯片的材料，而晶體管就是用半導(dǎo)體材料制造，廣泛使用在芯片上的元器件。

半導(dǎo)體材料的運(yùn)用是芯片能將人類帶向信息時(shí)代的根本原因。在此之前，人類只能用機(jī)械開關(guān)控制電，而半導(dǎo)體被發(fā)現(xiàn)之后，人類實(shí)現(xiàn)了用電控制電（在施加電壓變化的情況下，半導(dǎo)體能在導(dǎo)體和絕緣體之間切換）。

人類控制電的效率得到質(zhì)的躍升，也意味著使用電子完成指令、處理事務(wù)的能力得到了空前的解放。

這就好比之前你每次回家都要掏鑰匙開鎖才能進(jìn)門，現(xiàn)在，卻有種神奇的魔法能讓大門在你準(zhǔn)備進(jìn)來(lái)的那一瞬間消失，又在你進(jìn)來(lái)之后，自動(dòng)恢復(fù)。

但是想要實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制，僅有一個(gè)晶體管并不夠，必須將很多晶體管連到電路中，而其中最有效的辦法就是采用集成電路——在半導(dǎo)體底襯底上用激光直接刻出線路。

一個(gè)指甲蓋大小的芯片上有多少個(gè)晶體管呢？舉個(gè)例子，華為麒麟990芯片，就是由103億顆晶體管組成的。

華為麒麟990 5G芯片

圖源：華為官網(wǎng)

至于為什么一系列開關(guān)連接到一起，就能實(shí)現(xiàn)計(jì)算、存儲(chǔ)的功能，是因?yàn)橛?jì)算機(jī)中所有智能的運(yùn)算，都能還原成最基本的0和1，分別對(duì)應(yīng)晶體管電流的中斷和連接。因此，晶體管數(shù)目越多，芯片能處理的運(yùn)行越復(fù)雜。

今天，隨著智能化的浪潮席卷社會(huì)，從目之所及的消費(fèi)電子、家用電器，到正在風(fēng)口上的新能源汽車，芯片越來(lái)越成為電子設(shè)備上不可或缺的器件之一。

并且，芯片產(chǎn)業(yè)的熱潮還將持續(xù)延續(xù)下去。過(guò)去三十多年中，全球芯片產(chǎn)業(yè)保持了年均近10%的增速，2021年全球市場(chǎng)規(guī)模約為5600億美元。

在可預(yù)見的未來(lái)，通過(guò)硬件、軟件的協(xié)同發(fā)展，摩爾定律還將繼續(xù)生效（摩爾定律，芯片每18個(gè)月性能就會(huì)提高一倍，成本會(huì)降低一半），芯片仍然是人類處理信息最主要的工具。

二

“卡脖子”與芯片產(chǎn)業(yè)的全球化分工

許多人關(guān)注到芯片，是因?yàn)槊绹?guó)針對(duì)華為的芯片禁令。為什么芯片產(chǎn)業(yè)會(huì)有“卡脖子”問題呢？

因?yàn)樾酒且粋€(gè)高精尖和專業(yè)化的產(chǎn)業(yè)，需要全球分工來(lái)協(xié)同完成，而美國(guó)在整個(gè)芯片產(chǎn)業(yè)梯隊(duì)中處于領(lǐng)先地位并且壟斷了核心技術(shù)。

芯片的生產(chǎn)過(guò)程可以分成三個(gè)步驟，分別是設(shè)計(jì)、制造和封測(cè)（封裝和測(cè)試）。

芯片設(shè)計(jì)

芯片的版圖設(shè)計(jì)就像建筑工程里的施工圖，按照?qǐng)D紙廠商就可以開始生產(chǎn)。產(chǎn)業(yè)鏈上游的芯片設(shè)計(jì)是知識(shí)密集型行業(yè)，需要經(jīng)驗(yàn)豐富的[敏感詞]人才，這個(gè)領(lǐng)域的巨頭企業(yè)有美國(guó)的高通、英偉達(dá)、超微等。

與設(shè)計(jì)階段緊密相連的一個(gè)關(guān)鍵工藝是被稱之為“芯片之母”的EAD（電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化）軟件，這是芯片設(shè)計(jì)過(guò)程中必須使用到的軟件，并且EDA軟件的算法會(huì)直接決定芯片設(shè)計(jì)的優(yōu)劣。

因此EDA軟件也是芯片產(chǎn)業(yè)中最容易被“卡脖子”的關(guān)鍵領(lǐng)域，目前美國(guó)企業(yè)楷登電子（Cadence）、新思科技（Synopsys）和明導(dǎo)國(guó)際公司（Mentor graphic）是EDA軟件三大龍頭企業(yè)，占據(jù)了全球78%和中國(guó)77%的市場(chǎng)份額。

芯片制造

芯片的制造就是按照版圖設(shè)計(jì)，通過(guò)上千的工藝步驟，從無(wú)到有在硅片上做出芯片（此時(shí)還是裸片）。

制造環(huán)節(jié)是投入巨大，進(jìn)入門檻極高的一環(huán)。在這方面占據(jù)全球超一半產(chǎn)能的企業(yè)是中國(guó)臺(tái)灣的臺(tái)積電，目前臺(tái)積電[敏感詞]工藝可將制程推進(jìn)到5nm級(jí)別，而國(guó)內(nèi)以中芯國(guó)際為代表的晶圓代工廠能實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的制程是14納米。

在制造環(huán)節(jié)，想要將設(shè)計(jì)的電路從版圖轉(zhuǎn)移到硅片上，依靠的工藝是光刻，這就少不了另一個(gè)關(guān)鍵設(shè)備——光刻機(jī)，其中[敏感詞]端的EUV（極紫外線光刻機(jī)）只有荷蘭的阿斯麥爾（ASML Holding N.V）能生產(chǎn)。

封裝測(cè)試

封測(cè)是芯片制造的最后一步，也就是芯片完成封裝保護(hù)和性能測(cè)試，至此，一顆芯片制造完成。

國(guó)內(nèi)封裝業(yè)起步早、發(fā)展快，目前在全球已經(jīng)具備一定的競(jìng)爭(zhēng)力。2020年全球前十大封測(cè)企業(yè)中，中國(guó)大陸企業(yè)長(zhǎng)電科技、通富微電和華天科技分別位列3、6、7名。

芯片生產(chǎn)環(huán)節(jié)及主要生產(chǎn)模式

圖源：艾瑞研究院

三個(gè)環(huán)節(jié)中，設(shè)計(jì)是創(chuàng)新需求[敏感詞]，變化最快，附加值[敏感詞]的部分，占據(jù)產(chǎn)業(yè)鏈條中超一半的附加值（53%），遠(yuǎn)高于制造（24%）、封測(cè)（6%）和設(shè)備（11%）等環(huán)節(jié)，而美國(guó)、荷蘭、日本、韓國(guó)、中國(guó)臺(tái)灣占據(jù)著芯片產(chǎn)業(yè)鏈中附加值更高的設(shè)計(jì)、制造和設(shè)備環(huán)節(jié)。

如果一家芯片企業(yè)可以同時(shí)獨(dú)立完成芯片的設(shè)計(jì)、制造和封裝，其采用的是IDM（Integrated Device Manufacture）的生產(chǎn)模式。IDM模式的優(yōu)勢(shì)在于資源的內(nèi)部整合，美國(guó)的英特爾、德州儀器和韓國(guó)的三星便是全球[敏感詞]代表性的IDM企業(yè)。

不過(guò)，由于芯片生產(chǎn)的每個(gè)環(huán)節(jié)都有極高的技術(shù)要求和進(jìn)入門檻，尤其是在生產(chǎn)高端芯片的賽道上，因此，分工協(xié)作是目前芯片產(chǎn)業(yè)的主流。

相應(yīng)的分工模式有Fabless模式，即專注于芯片設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)，將生產(chǎn)、測(cè)試、封裝等環(huán)節(jié)外包，以及Foundry模式，只負(fù)責(zé)制造、封測(cè)的一個(gè)或多個(gè)環(huán)節(jié)，不負(fù)責(zé)芯片設(shè)計(jì)但可以同時(shí)為多家設(shè)計(jì)公司提供服務(wù)。

正因?yàn)樾酒a(chǎn)的每一步都需要非常高精尖的技術(shù)支持，并且每個(gè)環(huán)節(jié)都有把持該項(xiàng)前沿工藝的龍頭企業(yè)和國(guó)家，因此中國(guó)在實(shí)現(xiàn)高端芯片比如手機(jī)處理器芯片的制造上，依舊道阻且長(zhǎng)。

此外，目前全球半導(dǎo)體設(shè)備市場(chǎng)主要被美國(guó)及日本壟斷，中國(guó)半導(dǎo)體制造設(shè)備整體自給率比較低，尤其在光刻、涂膠顯影等[敏感詞]設(shè)備方面，國(guó)產(chǎn)化率均在5%以下。

除設(shè)備，半導(dǎo)體生產(chǎn)還會(huì)用到大量的材料，而日本是全球半導(dǎo)體材料的龍頭，在全球半導(dǎo)體材料市場(chǎng)占有的綜合份額高達(dá)52%，生產(chǎn)半導(dǎo)體必備的19種材料都離不開日本企業(yè)的生產(chǎn)，與此同時(shí)，國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體材料的自給率整體不高，其中光刻膠、電子特氣國(guó)產(chǎn)化率同樣不足5%。

三

芯片技術(shù)前沿與中國(guó)芯片產(chǎn)業(yè)的前景

當(dāng)前，中國(guó)是全球[敏感詞]的半導(dǎo)體芯片消費(fèi)市場(chǎng)，根據(jù)美國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)（SIA）發(fā)布的數(shù)據(jù)，2021年全球售出1.15萬(wàn)億顆芯片，銷售額達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的5559億美元，其中在中國(guó)市場(chǎng)的銷售額同比增長(zhǎng)27.1%至1925億美元。

近年中國(guó)及全球半導(dǎo)體市場(chǎng)銷售規(guī)模

圖源：艾瑞研究院

不過(guò)，在全球芯片產(chǎn)業(yè)格局中占據(jù)主導(dǎo)地位的依舊是美國(guó)，日本則次之，歐洲、韓國(guó)和中國(guó)臺(tái)灣也分得了比較大的一杯羹。

作為后起之秀，中國(guó)的芯片產(chǎn)業(yè)雖然在短期內(nèi)難以實(shí)現(xiàn)EDA軟件、光刻機(jī)[敏感詞]制程等工藝的自主突破，但巨大的市場(chǎng)規(guī)模同樣是發(fā)展芯片產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵要素，疊加資本投入和產(chǎn)業(yè)人才，在國(guó)際環(huán)境較好的情況，中國(guó)芯片產(chǎn)業(yè)在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)快速追趕并非不可能。

根據(jù)半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)的數(shù)據(jù)顯示，截止2021年底，中國(guó)Fabless企業(yè)達(dá)到2810家，同比增長(zhǎng)27%，銷售額超4500億元，其中銷售規(guī)模比較大的企業(yè)有華為海思、豪威集團(tuán)、中興微電子、紫光展銳、比特大陸、匯頂科技、兆易創(chuàng)新、華大半導(dǎo)體、瑞芯微、全志科技等。

此外，有專家認(rèn)為目前國(guó)內(nèi)芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展還有兩個(gè)關(guān)鍵的機(jī)遇窗口。一個(gè)是在成熟制程領(lǐng)域，并非所有領(lǐng)域的芯片運(yùn)用都需要[敏感詞]制程，汽車領(lǐng)域大部分芯片都可以由28nm以上的成熟制程滿足。

據(jù)IC Insights的數(shù)據(jù)，2021年，28nm及以上的成熟制程工藝所制造的芯片，在芯片市場(chǎng)中仍然占有近50%的份額。近年來(lái)，臺(tái)積電、三星等多家芯片制造廠商也將成熟制程芯片作為主戰(zhàn)場(chǎng)，紛紛擴(kuò)產(chǎn)，可見成熟制程的市場(chǎng)占比十分巨大，仍有較大發(fā)展空間。

占據(jù)全球超一半芯片產(chǎn)能的企業(yè)臺(tái)積電

圖源：臺(tái)積電官網(wǎng)

另一個(gè)機(jī)遇是，隨著摩爾定律極限的逼近，領(lǐng)先企業(yè)在制程推進(jìn)上可能快要跑到終點(diǎn)。一直以來(lái)，晶體管的性能水平幾乎就代表了芯片的性能水平，工藝越先進(jìn)的芯片，晶體管的溝道越短，即制程越短。過(guò)去幾十年摩爾定律的不斷推進(jìn)，主要就是依賴縮短溝道的長(zhǎng)度。

但晶體管的溝道并不能無(wú)限縮短下去，研究表明，溝道長(zhǎng)度的理論極限是0.2納米，單個(gè)硅晶體管器件的理論極限是1納米。目前臺(tái)積電已經(jīng)能量產(chǎn)制程5納米的芯片，但在向更小量級(jí)演進(jìn)過(guò)程中，勢(shì)必會(huì)越來(lái)越困難，且邊際成本將大幅提高。

不過(guò)，國(guó)產(chǎn)芯片要實(shí)現(xiàn)真正的趕超，可能需要依靠重大技術(shù)的突破或產(chǎn)業(yè)發(fā)展賽道的切換。其中，清華大學(xué)微電子學(xué)研究所副研究員李鐵夫認(rèn)為這四個(gè)技術(shù)方向值得重點(diǎn)關(guān)注。

碳納米管或者石墨烯等新原理器件

這類器件[敏感詞]的優(yōu)勢(shì)是電子在其中的傳輸速度比在硅材料當(dāng)中要更快。這樣，就算不把器件制程做到5納米，器件也能達(dá)到同樣的信息處理效率和低功耗。運(yùn)用新材料，也可以有效延緩上文中提到的摩爾定律極限逼近。

可重構(gòu)芯片

所謂“可重構(gòu)”，就是芯片內(nèi)部的電路結(jié)構(gòu)可以根據(jù)適用軟件進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，使原本只能用于某個(gè)領(lǐng)域的專用芯片適應(yīng)更多不同場(chǎng)景，最終降低生產(chǎn)成本。

經(jīng)典芯片和量子計(jì)算芯片的結(jié)合

先通過(guò)算法將大問題分解成小問題，再將小問題交由量子芯片解決，最后把兩個(gè)系統(tǒng)的答案拼裝起來(lái)，得到最終答案。

類腦計(jì)算

目前芯片通用的運(yùn)算模式是馮諾依曼體系，特點(diǎn)是數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和運(yùn)算分開進(jìn)行，不過(guò)整個(gè)過(guò)程的效率非常低，而大腦的運(yùn)算模式叫做“存算一體”，都在神經(jīng)元中進(jìn)行，并且功耗遠(yuǎn)低于現(xiàn)在的CPU芯片。通過(guò)仿照大腦的模式進(jìn)行運(yùn)算，類腦芯片很有希望實(shí)現(xiàn)高性能低功耗的智能運(yùn)算。

從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，美國(guó)在芯片生態(tài)鏈中的核心地位依舊難以撼動(dòng)，但中國(guó)通過(guò)加大投資及人才培養(yǎng)，有望建立自主產(chǎn)業(yè)鏈，建設(shè)本土可控的成熟制程產(chǎn)線，而新技術(shù)、新賽道上的突破，則能幫助國(guó)產(chǎn)芯片更好地迎頭趕上。

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