芯片產業只用五分鐘從三個維度理解

芯師爺|Core master|

2022-10-20 09:00:00 1

我們為什么要了解芯片產業？

如果你是芯片行業的從業者，這當然是你的必修課；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屬于科技前沿的領域呢？答案是肯定的。

這不僅因為芯片的運用在日常生活中無處不在，更因為芯片是數字*的基礎，在數字化技術深度嵌入人類社會的當下，理解芯片，也就理解了社會前進的方向。

一

芯片技術及給人類帶來的改變

簡單來說，芯片的本質就是半導體+集成電路。

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

半導體材料的運用是芯片能將人類帶向信息時代的根本原因。在此之前，人類只能用機械開關控制電，而半導體被發現之后，人類實現了用電控制電（在施加電壓變化的情況下，半導體能在導體和絕緣體之間切換）。

人類控制電的效率得到質的躍升，也意味著使用電子完成指令、處理事務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門，現在，卻有種神奇的魔法能讓大門在你準備進來的那一瞬間消失，又在你進來之后，自動恢復。

但是想要實現復雜的控制，僅有一個晶體管并不夠，必須將很多晶體管連到電路中，而其中*有效的辦法就是采用集成電路——在半導體底襯底上用激光直接刻出線路。

一個指甲蓋大小的芯片上有多少個晶體管呢？舉個例子，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

至于為什么一系列開關連接到一起，就能實現計算、存儲的功能，是因為計算機中所有智能的運算，都能還原成*基本的0和1，分別對應晶體管電流的中斷和連接。因此，晶體管數目越多，芯片能處理的運行越復雜。

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

并且，芯片產業的熱潮還將持續延續下去。過去三十多年中，全球芯片產業保持了年均近10%的增速，2021年全球市場規模約為5600億美元。

在可預見的未來，通過硬件、軟件的協同發展，摩爾定律還將繼續生效（摩爾定律，芯片每18個月性能就會提高一倍，成本會降低一半），芯片仍然是人類處理信息*主要的工具。

二

“卡脖子”與芯片產業的全球化分工

許多人關注到芯片，是因為美國針對華為的芯片禁令。為什么芯片產業會有“卡脖子”問題呢？

因為芯片是一個高精尖和專業化的產業，需要全球分工來協同完成，而美國在整個芯片產業梯隊中處于*地位并且壟斷了核心技術。

芯片的生產過程可以分成三個步驟，分別是設計、制造和封測（封裝和測試）。

芯片設計

芯片的版圖設計就像建筑工程里的施工圖，按照圖紙廠商就可以開始生產。產業鏈上游的芯片設計是知識密集型行業，需要經驗豐富的*人才，這個領域的巨頭企業有美國的高通、英偉達、超微等。

與設計階段緊密相連的一個關鍵工藝是被稱之為“芯片之母”的EAD（電子設計自動化）軟件，這是芯片設計過程中必須使用到的軟件，并且EDA軟件的算法會直接決定芯片設計的優劣。

因此EDA軟件也是芯片產業中*容易被“卡脖子”的關鍵領域，目前美國企業楷登電子（Cadence）、新思科技（Synopsys）和明導國際公司（Mentor graphic）是EDA軟件三大龍頭企業，占據了全球78%和中國77%的市場份額。

芯片制造

芯片的制造就是按照版圖設計，通過上千的工藝步驟，從無到有在硅片上做出芯片（此時還是裸片）。

制造環節是投入巨大，進入門檻極高的一環。在這方面占據全球超一半產能的企業是中國臺灣的臺積電，目前臺積電*先進工藝可將制程推進到5nm級別，而國內以中芯國際為代表的晶圓代工廠能實現量產的制程是14納米。

在制造環節，想要將設計的電路從版圖轉移到硅片上，依靠的工藝是光刻，這就少不了另一個關鍵設備——光刻機，其中*高端的EUV（極紫外線光刻機）只有荷蘭的阿斯麥爾（ASML Holding N.V）能生產。

封裝測試

封測是芯片制造的*后一步，也就是芯片完成封裝保護和性能測試，至此，一顆芯片制造完成。

國內封裝業起步早、發展快，目前在全球已經具備一定的競爭力。2020年全球前十大封測企業中，中國大陸企業長電科技、通富微電和華天科技分別位列3、6、7名。

芯片生產環節及主要生產模式

圖源：艾瑞研究院

三個環節中，設計是創新需求*高，變化*快，附加值*高的部分，占據產業鏈條中超一半的附加值（53%），遠高于制造（24%）、封測（6%）和設備（11%）等環節，而美國、荷蘭、日本、韓國、中國臺灣占據著芯片產業鏈中附加值更高的設計、制造和設備環節。

如果一家芯片企業可以同時獨立完成芯片的設計、制造和封裝，其采用的是IDM（Integrated Device Manufacture）的生產模式。IDM模式的優勢在于資源的內部整合，美國的英特爾、德州儀器和韓國的三星便是全球*具代表性的IDM企業。

不過，由于芯片生產的每個環節都有極高的技術要求和進入門檻，尤其是在生產高端芯片的賽道上，因此，分工協作是目前芯片產業的主流。

相應的分工模式有Fabless模式，即專注于芯片設計業務，將生產、測試、封裝等環節外包，以及Foundry模式，只負責制造、封測的一個或多個環節，不負責芯片設計但可以同時為多家設計公司提供服務。

正因為芯片生產的每一步都需要非常高精尖的技術支持，并且每個環節都有把持該項前沿工藝的龍頭企業和*，因此中國在實現高端芯片比如手機處理器芯片的制造上，依舊道阻且長。

此外，目前全球半導體設備市場主要被美國及日本壟斷，中國半導體制造設備整體自給率比較低，尤其在光刻、涂膠顯影等*設備方面，國產化率均在5%以下。

除設備，半導體生產還會用到大量的材料，而日本是全球半導體材料的龍頭，在全球半導體材料市場占有的綜合份額高達52%，生產半導體必備的19種材料都離不開日本企業的生產，與此同時，國內半導體材料的自給率整體不高，其中光刻膠、電子特氣國產化率同樣不足5%。

三

芯片技術前沿與中國芯片產業的前景

當前，中國是全球*大的半導體芯片消費市場，根據美國半導體產業協會（SIA）發布的數據，2021年全球售出1.15萬億顆芯片，銷售額達到創紀錄的5559億美元，其中在中國市場的銷售額同比增長27.1%至1925億美元。

近年中國及全球半導體市場銷售規模

圖源：艾瑞研究院

不過，在全球芯片產業格局中占據主導地位的依舊是美國，日本則次之，歐洲、韓國和中國臺灣也分得了比較大的一杯羹。

作為后起之秀，中國的芯片產業雖然在短期內難以實現EDA軟件、光刻機*制程等工藝的自主突破，但巨大的市場規模同樣是發展芯片產業的關鍵要素，疊加資本投入和產業人才，在國際環境較好的情況，中國芯片產業在未來一段時間內實現快速追趕并非不可能。

根據半導體行業協會的數據顯示，截止2021年底，中國Fabless企業達到2810家，同比增長27%，銷售額超4500億元，其中銷售規模比較大的企業有華為海思、豪威集團、中興微電子、紫光展銳、比特大陸、匯頂科技、兆易創新、華大半導體、瑞芯微、全志科技等。

此外，有專家認為目前國內芯片產業發展還有兩個關鍵的機遇窗口。一個是在成熟制程領域，并非所有領域的芯片運用都需要*先進制程，汽車領域大部分芯片都可以由28nm以上的成熟制程滿足。

據IC Insights的數據，2021年，28nm及以上的成熟制程工藝所制造的芯片，在芯片市場中仍然占有近50%的份額。近年來，臺積電、三星等多家芯片制造廠商也將成熟制程芯片作為主戰場，紛紛擴產，可見成熟制程的市場占比十分巨大，仍有較大發展空間。

占據全球超一半芯片產能的企業臺積電

圖源：臺積電官網

另一個機遇是，隨著摩爾定律極限的逼近，*企業在制程推進上可能快要跑到終點。一直以來，晶體管的性能水平幾乎就代表了芯片的性能水平，工藝越先進的芯片，晶體管的溝道越短，即制程越短。過去幾十年摩爾定律的不斷推進，主要就是依賴縮短溝道的長度。

但晶體管的溝道并不能無限縮短下去，研究表明，溝道長度的理論極限是0.2納米，單個硅晶體管器件的理論極限是1納米。目前臺積電已經能量產制程5納米的芯片，但在向更小量級演進過程中，勢必會越來越困難，且邊際成本將大幅提高。

不過，國產芯片要實現真正的趕超，可能需要依靠重大技術的突破或產業發展賽道的切換。其中，清華大學微電子學研究所副研究員李鐵夫認為這四個技術方向值得重點關注。

碳納米管或者石墨烯等新原理器件

這類器件*大的優勢是電子在其中的傳輸速度比在硅材料當中要更快。這樣，就算不把器件制程做到5納米，器件也能達到同樣的信息處理效率和低功耗。運用新材料，也可以有效延緩上文中提到的摩爾定律極限逼近。

可重構芯片

所謂“可重構”，就是芯片內部的電路結構可以根據適用軟件進行動態調整，使原本只能用于某個領域的專用芯片適應更多不同場景，*終降低生產成本。

經典芯片和量子計算芯片的結合

先通過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，*后把兩個系統的答案拼裝起來，得到*終答案。

類腦計算

目前芯片通用的運算模式是馮諾依曼體系，特點是數據的存儲和運算分開進行，不過整個過程的效率非常低，而大腦的運算模式叫做“存算一體”，都在神經元中進行，并且功耗遠低于現在的CPU芯片。通過仿照大腦的模式進行運算，類腦芯片很有希望實現高性能低功耗的智能運算。

從長遠來看，美國在芯片生態鏈中的核心地位依舊難以撼動，但中國通過加大投資及人才培養，有望建立自主產業鏈，建設本土可控的成熟制程產線，而新技術、新賽道上的突破，則能幫助國產芯片更好地迎頭趕上。

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