畸形的中国芯片产业楼宇究竟哪里缺砖少瓦?

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由于中国各种电子消费产品的应用发展快速,市场需求规模庞大,而缺乏自有供应链与技术核心的情况下,导致半导体产业以进口为导向,且贸易逆差呈扩大趋势。据中国半导体协会统计,2017 年中国半导体贸易逆差再创新高,达 1932 亿美元,增速高达 16.4%,进口额约占全球 68.8%,而出口占比仅为 9.8%。

2017 年国内半导体市场规模估计为 13829.2 亿元,规模增速保持常年在两位数以上。供给上看,国内半导体领域自给率严重不足,尤其在高端装备、材料、存储等领域国内替代率极低。

根据 SEMI 数据,2017 年中国芯片自给率仅为 27%,过度依赖外来现成方案,导致产业中的许多核心环节被掌握在外来者手中,也因此当中兴被制裁,半导体料件的供应马上断了链,整个中国半导体产业甚至找不出替代方案可以让中兴苟延残喘下去。

探究中国半导体产业,如果整体半导体芯片产业是一个层层叠叠的大楼,从最高层开始是 IP、IP 库、设计工具、制造、材料,然后才是设计,以及最底层的芯片成品,这个大楼形状就像个金字塔,越上面的厂商越少,而越下层的产品竞争越大,且越有可能脱离不了上层的箝制。

 

畸形的中国芯片产业楼宇究竟哪里缺砖少瓦?

 

当然,目前政府仍然努力在寻求能够在不同半导体技术供应层次上掌握更多话语权的方法,但过去的作法往往太过急功近利,不论自行发展,或者是寻求收购,成果总是不如预期,另外,前几年中国产业的圈钱气氛,带起了不少新创服务事业,但是各种雷同的商业模式吃掉了大笔资金,一波新创死在沙滩上,另一波又马上涌出,过于讲求速成,投资者和人才看不上需要长时间技术积累的高科技产业,因此造成各种自有技术发展的停滞不前。

 

中国要在半导体产业中突破欧美的封锁,恐怕还是得实打实的从基本功夫练起,包括教育、就业环境、生态产业链的布局、技术的发展、专利的掌握,更重要的是,要鼓励创新思考,而不是因循旧规,并且要能够让钻研技术的能够得到更合理的报酬,让科研可以成为更多人的终身志业,而不是只能想着圈钱。

 

发展中国半导体技术会是个长期的目标,需要产官学各界通力配合,过去各行其是,或唯利是图,抑或短视近利的作法,已被证明并不可行。半导体产业发展策略必须要有所变革,否则中兴事件恐怕只是开始,笼罩在整体产业长期发展上空的警报声仍将持续。

 

中国半导体楼层发展脉络:从自有 IP 发展到 IC 设计的兴起

 

中国在半导体产业发展过程中,其实早有自己盖大楼的想法,而最早着手重点在于 CPU 核 IP、芯片设计,然后制造。

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在IP发展分为两个阶段,从大约 2000 年开始着手推动,最早其实是想要从无到有自行发展,但后来发展状况其实并不理想,因此放弃完全自主开发的想法,转而以策略合作和并购的方式来取得现有 IP,比较出名的案例就是 arm 和中国合资创立专对国内授权的企业,另外兆芯取得来自威盛的X86核心,而海光则是拿到来自 AMD 的 X86 架构。

 

不过,中国还是有些厂商成功打造完全自有的IP核心,比如说前几天被阿里巴巴买下来的中天微,但主要是针对嵌入式应用等场景。

 

但中国还是缺乏掌握度够高,可被国际市场认可的 IP,arm 、MIPS 或 X86 虽拥有足够市场地位,但最终话语权还是在相关国家的外商手中,这些供货商虽为中国市场的商机想方设法开了不少门户,让 IP 的授权业务不会受到各类贸易战的影响,但问题恐怕不只是能不能用而已。

换个方向思考,arm 这家 IP 供应商虽因本身市场基础极为庞大,使其几乎不可能受到制裁牵连,虽确保了与其合作的中国厂商 IP 来源,但同时中国企业也很难与这家 IP 来源有着对等的谈判基础,虽说兼容 arm 体系等同于拿到进入市场的基本门票,但如果个别厂商哪天触怒 arm,那么由 arm 自身发起的”制裁”同样也会影响个别企业的发展。

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另外,arm 架构所有生态的建立几乎都掌握在 arm 自家手中,近来相关开发环境或者是软件应用的布局也逐渐踏入过去客户的技术领域,虽然说可带给客户开发上的便利,但缺点就是各家基于标准方案的产品可能就很难差异化。而客户如果要进一步深度定制产品,就必须要付出高额授权费,更会大幅增加产品的成本负担。

 

开源 IP 成潜力方案?

 

实际上,开源 CPU 核心在过去十几年都持续的在发展,但因为商业化的困难,且 arm 在商业布局上的太过强势,不只是开源 IP,就连传统 MIPS、Open Architecture 等商业化 CPU 核 IP 都遭到沉重的发展压力,像 MIPS 后来就几乎到无以为继,甚至被迫求售的局面。

而 arm 的服务报价也逐年提升,目前已经是最昂贵的 IP 来源之一,当然,以 arm 的经营模式而言,同时要兼顾这么多生态的软硬件平台开发,成本自然居高不下,因此自然就必须以提高售价来因应。

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另一方面,中国虽也拿到来自诸如威盛以及 AMD 的 X86 内核 IP 授权,但 X86 专利基本上掌握在英特尔手里,若英特尔动用法律战阻止这些 IP 未来更进一步商用化,那这些 X86 IP 用得也会不安稳。

由于 arm 与英特尔的强势,导致市场缺乏选择,就变成这些收费 IP 的原罪。

那怎么不选择 MIPS?虽然生态较弱,但好歹也是发展相当久,在生态也有一定的积累。MIPS 目前所有权已经回到美国厂商手里,所以来源问题还是一样存在。

这时,RISC-V 就成了一线曙光。

RISC-V 是加州大学伯克利分校工程师在 40 年前开发的,现在由一个基金会管理,这个基金会就是 RISC-V Foundation。基金会成立于 2015 年,是一个非盈利组织,它的目标是推广 RISC-V 指令集架构 (Instruction set architecture;简称 ISA),这种架构是开源免费的。基金会希望能通过新架构为芯片产业带来更多创新。

 

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RISC-V 指令集可以自由地用于任何目的,允许任何人设计、制造和销售 RISC-V 芯片和软件。虽然这不是第一个开源指令集,但它具有重要意义,因为其设计使其适用于现代计算装置(如仓库规模云端计算、高端移动电话和微小嵌入式系统)。设计者考虑到了这些用途中的效能与功率效率。该指令集还具有众多支持的软件,这解决了新指令集通常的弱点。

RISC-V 使用 BSD 许可证,自由地提供数种 CPU 设计。该许可证使 RISC-V 芯片设计等衍生作品可以像 RISC-V 本身一样被公开且自由发行,或者被闭源或专有。

而 RISC-V 基金会的两大重要人物都在 Google 任职,其 TPU 架构便使用了 RISC-V 内核,且诸如 WD、IBM、三星、高通,甚至华为也都相继投入 RISC-V 的发展与经营,希望能够拱出一个可和 arm 相提并论的生态。

中国采用 RISC-V 可以说是天时地利人和,首先,RISC-V 拥有国际大厂的背书,并努力发展相关生态,中国厂商可获渔翁之利。

二来,RISC-V 本身是完全开放的设计,它可以修改,可以根据特定需求进行裁减,这样一来芯片的效率就会更好,成本更低,弹性也更好,非常适用于中国这种电子、电机、计算应用量级庞大且非常多样化的市场,除了免去核心来源的中心化问题,只要符合 RISC-V 的标准设计规范,相关的电子产品,甚至以 RISC-V 为基础设计出来的方案都能够理所当然的跃上国际舞台,很好的解决过去中国厂商使用非 ARM 体系 CPU 核所遭遇的最大难关。

更重要的是,这种内核完全免费,理论上以之打造的芯片产品成本也更低。而中国 IC 设计厂商也有机会在不受箝制的状况下通过现有生态打进国际市场,而不是只能关起门来自家人打自家人。

不过,RISC-V 也不是没有缺点,虽然有国际大厂的背后支持,但这个指令集的发展还在相当初步的阶段,生态也还完全无法与 arm 、X86 相提并论,另外,目前 RISC-V 的项目集中在 MCU 核,缺乏高效的 64 位架构。

但国际大厂看的是未来,看的是未来数十年的半导体产业生态,而在发展初期,若中国厂商能对 RISC-V 的发展导向有利于自己的方向,通过技术的革新与贡献,帮助 RISC-V 站上世界舞台,同时掌握更多产品开发技巧,一来对国际影响力也会有效提高,也能带动国内芯片设计产业的发展。

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消费性电子产业兴起带动芯片设计产业

 

中国这十数年来经历了光盘机产业、功能手机到智能手机等产业兴衰的历程,智能手机的发展更是相当程度主导了世界智能手机市场的走向,不要只看苹果的高大上以及营收多么庞大,如果没有中国的创意和制造,智能手机市场不可能成长到如今的规模。

 

随着智能手机的发展,芯片设计掀起了一波高潮,从主控方面,展讯、锐迪科,过去联芯等,都因为市场的火热而趁机掌握了相当大的市场规模,展讯后来甚至还打进国际供应链,成为包括三星,以及印度、东南亚等地手机厂商的方案供应商。

 

伴随着手机主控而来的,包含面板主控、触控主控,以及电源管理,也在这一波产品热潮中抢占市场。

 

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由于应用需求过于庞大,而技术发展虽快,但很难一步到位,因此中国早期半导体产业发展也经历过如美国、日本、台湾半导体产业发展那种打磨掉封装,仿制芯片布线的作法,甚至像汉芯,直接打磨掉购买自市场或者是二手回收的现成芯片LOGO,换个贴纸就变成自家产品。

 

仿制的作法方面,早期结构比较简单的仿真与控制芯片很多都是通过这种方式设计出第一代产品,但通过这种仿造出来的成品效果通常其差无比,因此都只能低价抢市。而打磨 LOGO 通常都蒙混不了太久就会曝光,后来这两种作法后期就几乎没有了。

 

任何技术或者是专业的发展都是由模仿开始的,不论是任何国家都是这样,中国已经走过了模仿的阶段,在经历长久的发展之后,芯片产业类型已经相当丰富,从电源器件、信号转换传输、感测、逻辑、存储等,都有不少厂商在耕耘,而部分如指纹识别、面板主控芯片、手机处理器等,在市场上都有相当出色的占有率表现,但是产业的发展往往太过一窝蜂,大家都争着发展最能争夺眼光的热点产品,反而一些非常基本的半导体产品,如 ADC/DAC、LNA 及 SerDes 等外围器件都没有太多着墨。

 

而即便是在 5G,大厂也是争着做最被注目的专利以及主控部分,PA 这种外围器件也都是想着能用外来的就用外来的,一来关键材料与技术专利较难突破,二来利润较薄,而且做得好也很难吸引到投资人的眼光,以致于供应链对于此类料件的自研兴趣缺乏。

 

当这些不被中国厂商重视的料件供应环节被海外供货商把持时,在面临类似中兴的被制裁时,恐将无法应对,这也是目前中国需要改善的地方。

 

而近两年 AI 议题的火热,推动各种专有型、通用型 AI 计算芯片如雨后春笋般不断冒出头来。

 

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AI发展下的另一波半导体产业高潮

 

论是独立型,或者是嵌入式 AI 计算单元,中国目前发展的 AI 芯片其实和 Google 的 TPU 概念上很类似,都是属于专注于数学计算强化的结构,占据这些 AI 芯片面积最大的部分是大量的乘加器 multiplier-accumulator(MAC),乘加器的结构大家都大同小异,不过可能会针对不同应用而有所调整,配合少数数据交换与总线 IP 后就能设计出芯片成品,这类产品的重点在于算法的效率表现上。

中国过去在算力核心、主控以及传感组件方面的相关设计、制造一直都相当活跃,但问题在于,过去中国半导体产业的布局一般都没有太长远的规划,而且讲求速效,很难有跨度较长的计划,加上行业太过容易一窝蜂。比如说数年前手机、平板芯片企业的盛况亦不逊于现在 AI 生态的蓬勃发展,但能留存下来的厂商仅是少数中的少数。

目前,中国 AI 产业,尤其是 AI 计算硬件的发展的确是飞速成长,相关供应商也越来越多,但仅有少数厂商不是依靠国家政策的帮助来打进国际客户的供应链中,甚至多数 AI 方案设计公司只做国内的生意,其实这会产生可持续性的问题。

 

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国内市场虽大,但只是单一市场,且相对封闭,若届时如同当初手机相关方案供应链市场面临饱和,势必会走向自相残杀的局面,而且不要忘了,当初手机相关方案市场的饱和仅经过短短三四年的时间而已,AI 产业应用虽要比手机产业更广,但是在目前光速进展之下,可能只需要更短的时间就会面临类似的困境。

当然,这对一个生态发展而言是再自然不过的事情,但中国 AI 产业的核心算法与芯片设计能力其实已经具有国际水平,如果就这么死在国内,而没有机会出去伸展手脚,其实是相当可惜的事情。

 

中国半导体楼层发展脉络:制造方面困局仍待突破,自有技术需要时间耕耘

 

制造方面其实与材料有一定的联动,这方面包括了像中芯这类的芯片代工事业,华虹宏力、华力微、长江存储、士兰微等各类半导体器件生产厂商也都即将投产,对硅晶圆的需求也不断攀升,过去硅晶圆的供应主要来自日本和台湾,但上海新升半导体、安集微电子、上海新阳与江丰电子等厂商在政策支持之下也纷纷投入硅晶圆的制造和供应,未来数年可望补足半导体供应链中这个非常关键的环节,毕竟巧妇难为无米之炊,即便有了IP、设计和制造,但缺了原料,产品一样出不来。

另外,在设备供应方面,最重要的国产光刻设备也正式迈入 14nm 世代,甚至要比工艺进展的脚步更快,这方面的布局已经相当完整。

 

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硅晶圆供应将摆脱外商垄断

 

IC制造中,最关键的原材料该属硅晶圆,过去这方面材料的供应集中在日本以及台湾厂商手中,但在政策推动,以及像张汝京创立新升半导体等硅晶圆设厂潮流的带动之下,已经有相当明确的进展。

 

硅晶圆最关键的技术在于加工时对材料的纯净以及表面加工处理工序和精度,这方面技术难度相对较低,主要还是在长晶机台的来源掌握,这部分也有相当多中国本地厂商可以供应,因此整个环节已经是相当完整。因此发展虽较制造短,但可能是未来中国半导体产业发展较快的类别之一。

 

中芯发展终遇明灯,但人才的确保仍是关键

 

中芯的发展一波多折,在工艺发展方面屡屡遭遇困难,早期甚至被台积电以法律手段掐着脖子难以呼吸,且因为人才缺乏,加上内部管理问题,发展至今工艺世代差距领导厂商三代以上,保守估计需要十年的时间才有机会追上一线大厂。

 

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这方面不是单纯资本的问题,而是技术难有积累和突破,芯片制造的工艺雕琢很多时候倚赖的是经验的积累与不断尝试错误、修正,并不是工序的简单复制就有办法达成,很多时候甚至不同环境也会影响到工艺的发展,比如说台积电曾经为了要把竹科的工厂的工序搬到南科,却遭遇挫折,良率无法有效提升,而后来才发现是因为南科的空气品质较差所导致。

另外代工厂的工作环境太苦,且需要长时间加班,而中国待遇更高的工作机会太多,比如说APP应用产业、新创媒体事业、高大上的还有BAT企业等,相较于言待遇不仅较好,工时也不会过度压榨到个人作息。人才选择工作会考虑到这方面的现实问题,因此代工厂通常不会是顶尖人才的首要考虑。

 

资本的投入虽可用来改善待遇、购买设备,但真正的技术积累无法用金钱买到,能得到如梁孟松之流的奇人相助则是机缘,若当初台积电没有蔡力行之乱,梁孟松也不会辗转成为中芯人,过去中芯技术发展不算成功,产能和良率无法有效提升,因此即便是国内厂商的芯片代工订单,多半还是流到台积电、联电、Global Foundries等外人手中,使得制造无法自主。

 

而梁孟松能带给中芯多大的变革,也还有待观察,但以梁孟松过去在台积电与三星的经验,可以指出正确的发展方向,让中芯少走些冤枉路是可预期的。

 

至于在半导体存储器件的生产方面,基本上专利几乎都是外来授权,没有自主的,这方面其实还是要确保中国半导体产业链未来即便遭遇困难,还是能靠自己的力量运作下去,可能在不短的期间之内都还是以内需市场为主要目标。

 

半导体关键生产设备仍掌握在外商手中,但设备供应的本土化已经有所突破

 

过去半导体生产设备主要掌握在美国、日本、荷兰等国家的厂商,而因为高科技设备的出口限制,中国其实拿不到最先进的机台,虽然目前中国在半导体制造的工艺还没到位,拿到机台也没用,但作为实验性发展的目的也同样受到阻碍,使得中国半导体制造技术受到限制。

 

既然对外难有突破,中国政府也推动各种关键设备的自产化,而且脚步相当快,比如说北方华创(北方微电子与七星华创合并之企业) 北方华创微电子装备有限公司28纳米工艺设备陆续实现商用化,14纳米工艺设备开发也取得了突破性进展。

 

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由北方华创微电子自主研发的应用于14nm先进制程的等离子硅刻蚀机、单片退火系统已正式进入集成电路主流代工厂并获得订单,LPCVD(低压气相沉积)和Hardmask PVD(硬掩膜沉积)设备也已获得集成电路主流代工厂订单即将进入生产线。可以说,北方华创微电子已全面进入14nm时代,只待中芯生产厂商工艺发展脚步追上,就能满足其需求。

 

中微半导体亦是中国另一家进入14nm工艺的蚀刻设备厂商,而在其他关键设备方面,各家厂商或研究机构进展脚步也都很快,这部分请见下表。

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图|中国集成电路设备研制与生产厂商概况。图片来源:华通证券

 

中国半导体楼层发展脉络——EDA工具是最大难题

 

但是在设计方面,EDA(电子设计辅助)工具的欠缺是中国芯片产业最难以突破的壁垒。

 

国产 EDA 的发展分几个阶段,首先是 80 年代初期,以 CAD、PCB 为主的电子设计自动化开始在中国逐渐起步;到 1988 年代,以熊猫系统开发为标致,加之后期的不断升级改版,包括继承了熊猫 EDA 系统——九天系列工具软件,总体来看中国 EDA 的起步并不算晚,但由于关键 IP 的缺乏,以及缺少与晶圆代工厂的跨业合作与 IP 开发匹配经验,导致发展缓慢,目前功能上还远追不上国际业者的方案,在小规模简单的芯片设计中或许还堪用,但如果芯片复杂度高,牵扯的 IP 数量太大,恐怕就派不上用场了。

而目前主流设计工具供货商有 Cadence、Synopsys、Mentor Graphics,除了 Mentor Graphics 因为被西门子收购而成为德商外,其余两家都是美商,且因为设计工具本身就是由庞大设计专利和 IP 库所组成,因此进入门坎极高,虽然除了这三大 EDA 工具厂商,中国也有些 EDA 供应业者,但由于 IP 库的巨大落差,以及设计工具本身的支持能力还是稍嫌不足,难以对三巨头造成影响。

中国若想要进一步发展 EDA 工具,就必须先补齐专利与 IP 库,并且与主流芯片代工厂商深化技术交流,而考虑到目前芯片制造技术与国际水准仍有落差,发展必须协同前进,这个任务的难度恐怕比建立金字塔的其他部分难度都要更高一些。

半导体产业链金字塔,中国仅处于底层生态

 

中国目前在半导体产业发展的最好的集中在最接近使用者的最低层(应用层)少数几层楼,越往上发展,其实就越不成熟。 而这也是目前中国芯片产业链所面临的最大困境,底层的芯片应用虽然涵盖的消费体量大,但核心技术与专利都掌握在高层的手里,中国虽然就像孙悟空,在应用层面可以做出千奇百怪的变化,但不论怎么变,还是逃不出如来佛的手掌心。

 

也因此,中国在半导体发展的路上如果要继续走下去,恐怕还是得将发展的路径往上层延伸,掌握更多产业规格制订话语权,才有办法突破未来包括IP、设计、生产、制造上的各种瓶颈。

 

另外,中国虽然是个很大市场,但仅依靠内需不足以养成具备竞争力的半导体产业,封闭型经济并不是能让中国产业发展茁壮的道路,走开放,创造并遵守合理规则,让国际贸易伙伴能够信任中国产业创造出来的科技生态才是推动中国芯成为世界芯的关键。

 

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始发于微信公众号:DeepTech深科技

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slduo
  • 本文由 发表于 2018年4月29日16:03:32
匿名

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