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    半導體生意還怎么做下去?
    2021-06-22 20:06
    來源:中國戰略新興產業
    對于半導體而言,在關鍵的時機保持發展的勢頭非常關鍵。我們一直在談芯片技術需要資本、需要人才,其實,更需要的是抓緊時間,去爭取每一次創新和迭代的空間,把握下一波技術革新浪潮的頂峰。

      中國戰略新興產業融媒體記者 陳雯
      半導體幾乎賦能了每個行業,僅2020年全球銷售額就超過4400億美元,集成電路是半導體產業中最重要的一塊。半導體產業門檻高,沒有幾家公司可以獨自完成整個制造流程。
      中國半導體處在一個充滿危機的關口——迎上前,或能搶占市場和話語權;掉下去,就是停滯在中低端制造水平,退讓出廣闊市場空間和發展主動權的深淵。
    外因:馬太效應下難以破局
      “投資”二字對芯片發展至關重要。為什么這么說?一是因為芯片制造確實太燒錢了,二是現下正當追趕最有效也最關鍵的時機。
      當前全球芯片產業鏈主要是分為設計、制造、封裝三大領域,但此前芯片行業并不是以這種垂直分工方式運作的,比如IBM和英特爾,公司本身就能包攬全部環節。在英特爾還沒有被戲稱為“牙膏廠”的20世紀70年代,它是全球最大的芯片公司。1969年,英特爾靠存儲器賺得第一桶金,1970年,英特爾開始自建芯片制造工廠,1971年發布劃時代的4004微處理器。1985年,在修正了摩爾定律以后,戈登·摩爾與格魯夫考慮砍掉在廉價的日本存儲器打擊下的英特爾存儲器業務,將CPU確立為新的戰略重點。此時芯片行業的門檻還不是那么高,英特爾承包了芯片設計制造封裝的全流程,在摩爾定律的領航中,成為芯片領域的佼佼者。
      但是摩爾定律速度飛快,芯片制程從微米進入到納米,研發和制造投入的資本也呈指數型增長。面臨工藝的革新,獨自承擔整個流程的公司,不僅要面臨巨額投資的壓力,還有良率降低的惡果。后來,1984年ASML成立,芯片設計公司可以選擇把光刻設備部分委托給專注鏡頭的廠商;1986年,Synopsis和Cadence成立,芯片設計的軟件被交給專注EDA工具的廠商。1987年,臺積電成立,芯片生產制造被委托給有能力代工的廠商。這個時候的英特爾,還在停留于原來制造模式,高性能新產品的推出進度被戲稱為像是在“擠牙膏”。
      從行業演進的角度可以進一步看出,因為工藝繁復研發艱難,芯片行業需要大量資金的投入,沒有幾家公司可以獨自完成整個過程,同時很重要的是,在芯片重資本這一前提下細分行業開始出現,徹底顛覆了產業原有的格局。
      半導體是一個馬太效應顯著的行業,寡頭壟斷贏者通吃,頭部企業需要快速通過海量資金來鞏固技術優勢?!氨WC半導體研發資金長期、穩定、持續、高強度的投入,是中國半導體產業發展得以成功的根本道路?!敝袊雽w行業協會副理事長魏少軍說。他表示,高額的投入使臺積電擁有最先進的技術,先進的技術又能支撐具有極強競爭力的產品,而強有力的產品就能夠獲得更大的市場份額,市場份額又帶來更好的回報,可以再繼續支持研發,通過研發投入使得產業競爭力持續不斷地得到增強。
      目前,臺積電是全球芯片代工領域的霸主,不僅拿下了大塊市場份額,其先進制程的開發進度幾乎能夠決定整個產業的發展速度。而大陸工程與臺積電的差距在2代以上。
    內因:半導體工藝復雜門檻高
      芯片制造是如何“燒錢”的?我國在芯片制造的各個環節中都處在什么地位?
      在把硅片加工成芯片前,需要進行集成電路設計,華為、高通、IBM、AMD,都屬于芯片設計類的公司,負責定義產品的使用場景和芯片的設計,而ARM公司則是提供設計模板(IP)以及提供工具軟件(EDA)的公司。
      設計完成后就進入制造環節,制造芯片,首先要有硅片。先進制程已經到了納米級別,因此硅片的純度和平整度也非常重要。硅片生產經過純化、拉晶、切割三個步驟。難度最高的步驟是拉晶,過程是將多晶硅融化后,用單晶硅接觸其表面,一邊旋轉,一邊提拉,得到單晶硅柱。這個單晶硅柱越粗,后續制造工藝的效率就越高。
      晶圓制造流程,包括拋光、氧化、沉積等一系列工序,而且是層層疊加、反復進行、環環相扣的,每個環節的良率都互相依賴,每個環節都需要不同的設備和材料。中芯國際聯席CEO趙海軍曾談到,對于晶圓廠投資來說,基本的土建只是一小部分投資,真正的投資是在基臺設備以及相關設備投資,甚至可以按每平米1000萬人民幣來計算。晶圓制造相關設備有刻蝕機、光刻機、薄膜沉積設備、CMP設備、檢測設備等,其中光刻機的難度最高,技術被荷蘭廠商ASML壟斷,最先進制程所需的EUV光刻機也在ASML公司手上。
      短期內我國在光刻機領域實現突破的可能性很低,但在就其他設備領域而言,還是實現了一定程度的國產化。比如刻蝕設備,中微半導體公司的等離子刻蝕設備已經被廣泛應用于從65nm到7nm的芯片加工中。另有設備領域全面開花的北方華創,在等離子刻蝕、物理氣相沉積、化學氣相沉積、氧化和擴散、清洗、退火等多道工序所需設備上都有相應產品。
      半導體產業門檻高,要實現差異化選擇細分投資領域,堅持市場化運作,向資本方、專家學者和領軍企業借智借力,需要有一支專業化的隊伍。目前,討論的聲音集中在對芯片人才現狀的憂嘆、對自主技術研發的呼喚中。不管是從市場的角度還是從產業鏈安全的角度,都可以肯定,半導體生意我們還是要做下去的,但是,處于如此惶惑與浮躁的現狀下,又該怎么做?
    深淵還是制高點 關鍵在于爭取時間
      由于摩爾定律的敦促,半導體領域一直以來都硝煙彌漫,而在關鍵的技術革新的階段,也不乏巧立名目不擇手段搶上位的案例。
      美日雙方就在半導體領域有過一場激烈的戰事。20世紀70年代日本經濟復蘇,如松下、三菱等企業開始騰飛,而后更舉全國之力發展半導體產業。1970年,英特爾研制出C11031K DRAM內存后,日本NEC在第二年就隨之推出了采用NMOS工藝的1K DRAM內存,緊隨美國之后。到了80年代,日本已經能先于美國推出64K的DRAM,也早已超過歐洲國家成為了世界第二大經濟體。80年代到90年代正是計算機初露鋒芒的時候,世界科技史正在翻開新的篇章,此時日本風頭正盛,頗有引領新時代的架勢。加上半導體不僅在計算機領域,在軍事和工業領域也占據核心的基礎地位,對國家在科技和經濟地位的影響至關重大。于是美國使用一系列策略遏制住了日本在半導體領域的發展。
      對于半導體而言,在關鍵的時機保持發展的勢頭是非常關鍵的。在打壓下丟掉了技術革新時機的日本,不僅在半導體領域不再有優勢,國家經濟發展更是陷入了長時間的停滯。
      1982年美國商務部對日本進行反傾銷調查。1985年在美日雙方簽訂《廣場協議》,其中一個條件是日元的大幅度升值,從而減少日本產品出口對美國的貿易順差。1986年,美日兩國簽署了《美日半導體保障協定》,日本被要求開放本國市場,增加進口美國半導體產品,次年美國以日本違規為由增加進口關稅,部分產品關稅的增幅達到了100%。1989年,《日美半導體保障協定》簽署,要求日本向美國開放半導體相關的知識產權和專利,1991年,《第二次半導體協議》簽署,要求日本讓出國內半導體市場份額的20%。也就是在這個過程中,韓國三星的半導體產業得以發展。
      九三學社中央科技委委員、華夏工聯網智能技術研究院院長王喜文在接受采訪時表示,這場技術和經濟的對抗以日本的妥協而告終,在協議的規定下,“匯率升值過快,導致熱錢涌入房地產,房地產泡沫破滅,大量中產階級家庭破產,身后的中小企業倒閉,日本經濟一蹶不振?!?/font>
      也有評價認為美國的做法是“殺敵一千,自損八百”,對其自身產業的發展無益,認為在經濟全球化與多變貿易規則框架之下,全球產業鏈的協作與互動已進一步深化,美國動用貿易保護手段,但操作流程及影響鏈條將于其日本經驗有所不同。但從結果來看,在這樣的打擊中,日本的很多半導體公司為了生存,都主動選擇生產更廉價的DRAM,削減在研發方面的投入,錯失了芯片技術更新換代的重要機會。相比之下,美國至今是全球在半導體領域研發投入最多的國家,也占據了半導體市場的最大份額。據牛津經濟學院的量化研究,2020年,半導體產業對美國經濟的總影響為2464億美元,單是供應商對國內生產總值的貢獻就達到986億美元。而且,半導體工業的經濟貢獻遠遠超出了其設計和生產帶來的價值。在美國,飛機制造業、汽車制造業等超過300個下游產業需要購買半導體產品。對所有類型芯片的強烈需求促進了設備、材料、設計、測試等環節的發展,也推動了各種產生附加經濟價值的活動。
      從產業鏈角度來看,“設計”屬于“制造”的前序工程,“封裝測試”屬于“制造”的后續工程。王喜文告訴本刊記者:“我國在后續工程實力已經具備,但是前序工程,幾乎沒有競爭力?!比绻L期解決不了“設計”問題,在制造環節也受制于光刻機等主要裝備而缺乏先進制程的產品線,中國半導體會陷入怎樣被動的局面呢?一方面,我們可能需要繳納巨額知識產權與專利費;另一方面我們也有可能因為得不到授權,無法開展業務。發展先進制程半導體的戰略意義和重要性不言而喻?!凹橙∪彰蕾Q易戰經驗教訓,我國對美妥協可能性很小?!?/font>
      我們一直在談芯片技術需要資本、人才,其實,更需要的是抓緊時間,去爭取每一次創新和迭代的空間,把握下一波技術革新浪潮的頂峰。那可能是更先進制程的光刻工藝,可能是全新載體的芯片,甚至可能是基于另一個物理模型的消費電子產品,但都是要腳踏實地一步一步做出來才算數。尤其在5G、物聯網、人工智能等技術即將掀起下一場產業革命的今天,芯片作為物理世界的基礎建設,每一點真實的進步都可能帶來行業的新局面。
      在此“成者為王敗者寇”的時間節點上,來自政府的支持就尤為關鍵了。比如三星,它現在是除了英特爾外唯一能夠在芯片代工領域勉強能和臺積電同起同坐的企業了。其實三星做芯片代工的收益很小,之所以能夠持續不斷地研發先進制程,是因為其整個財團涉足的產業還包括屏幕、存儲、手機,也在金融、機械、化工、房地產等領域實力雄厚,可以反哺其在半導體領域的研發費用,扛過產業的周期性波動。
      半導體產業投資大、周期長、風險高,而我國在該領域起步晚、基礎弱,有的項目因不可控因素而停擺無可厚非。有一些看似個案的停擺項目背后,是違背半導體產業發展規律的盲目沖動。但是,我們也看到,正是持續不斷的融資支撐了像中芯國際一類的企業在這一賽道上堅持至今。一些前沿技術的突破早期往往需要大量資金投入,需要政府、企業、研究機構的密切配合,華為已經是這方面做得相當出色的企業,但在基礎科學領域投入還是心有余而力不足。如果能夠完善項目投資的監管,建立起風險防范的制衡機制,政府的支持對于整個關鍵技術所在產業的發展將起到關鍵的作用。

    記者手記:只爭朝夕
      中國戰略新興產業融媒體記者 陳雯

      我們很幸運地生活在這個進步飛快的時代,目睹了從2G到5G的換代,使用過做工結實的“板磚”,曾聽聞電池爆炸的意外,在120倍變焦的鏡頭下飽覽遠方的風景,用15秒的短視頻道盡幾個人的一生。
      我們享用著前所未有的便利,也不幸地被這個時代給卷起來。人都是有惰性的,半導體行業又何嘗不是。日復一日地匍匐掙扎,已經快要耗盡大部分的資源和力氣。芯片行業集合了各種高精尖的技術,需要大量的投資來維持行業的發展,高門檻的特點促進了馬太效應的形成,排名靠后的企業只有極小份額的市場。
      更多的時候我們陷入被動的局面,看上去仍然是在向前進,但僅僅只是跑得沒有別人快就意味著輸。貿易的存在讓要素交換變得理所應當,中國有廣袤的疆土和一度廉價的勞動力,中國還有全世界最大的消費電子的市場,于是交換出去,就得到了先進的技術和發展的空間。長期以來,我們先進制程的芯片,在設計上使用著美國的EDA軟件,在制造上仰仗著荷蘭的光刻機,有的時候還會選擇出讓市場和話語權。
      如果被扼住咽喉,那咽喉就是我們的弱點,也一定是發力反抗的突破點。面對困境,我們有了這樣的一個機會反觀和正視自己。今非昔比,我國的半導體產業也并不全然是處在逆境中。盤點得失,也就能排除錯誤選項,發揮優勢找到下一步棋的落點。
      所以,當臺積電要擴大在南京的產能,爭議出現了,人們不再是漠不關心或者默默接受,而是開始發出了拒絕的聲音。經驗告訴我們,核心技術在誰手上,誰就能左右市場。用業內人士的話來說,“中國沒有辦法量產制程小于14nm的芯片,臺積電也不會提供更先進的工藝給我們抄作業?!敝行緡H目前可以造28nm,所以會在這部分市場上和臺積電形成競爭,從而把大部分精力用于成熟制程芯片的市場——可能是提高良率、可能是提高性能、也可能是降低價格壓低利潤——總之都不是做出一個主動反擊的動作。警鐘長鳴,我們的短板在于先進制程和高端設計,我們的征途本應該是星辰大海。
      人們還欣喜地發現,中國半導體產業正在變得強大起來,雖然有著長期研發投入意識的企業并不多,但是它們給整個行業做出了很好的表率。就算企業現狀并不樂觀,就算人困馬乏露宿風餐,看不見直接效益反饋的研發規劃仍應該被長期置頂。
      一萬年太久,只爭朝夕。產業發展的大好機會就隱于這困苦的危機中,每一次技術迭代的機會都應該去把握。
      一時流轉的暢通并不能換來產業基礎能力和產業鏈現代化水平的提高。不僅是一項技術,一個門類的市場,整個經濟的運行其實都與之相關,日本已是先例。通過日本經濟歷史,我們看到控制、壟斷的打法“不講武德”。但在避免重蹈覆轍的同時,我們也要看清,半導體、基礎材料、精密儀器領域向來是日韓的傳統強項,相比之下中國半導體的發展則是負重前行。我們強調“內外雙循環”,是面對短期的沖擊下做出的長遠規劃。一方面,在半導體產業的周期變動和政策推動下,未來,產業鏈上游會逐步向大企業集中,以期更多地參與國際供應鏈的各個環節。另一方面,經過積累,我國已經有企業站在芯片領域的高地,而這塊高地正是我們需要捍衛的。
      喧嘩之中,我們雖然不能像一線工程師那樣投身半導體技術的前沿,但有我們責任剝開迷霧,和讀者一起理解行業前行的方向。
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