中国芯片产业大概

中国军用电子元器件国产化率比较高,但还有20%左右需要进口,其中大部分通过特殊渠道是比较容易买得到的。

概念:

线宽:指由特定工艺决定的所能光刻的最小尺寸,一般等于沟道的最小宽度。注意,1毫米=1000微米=1000000纳米,一千倍的关系。从我对半导体行业有印象的时候开始,半导体行业最先进的制程工艺从几十微米到几微米,再到几百纳米, 130纳米,65纳米,45纳米,28纳米,20纳米,16纳米,14纳米,10纳米,直到今年三星就要量产的7纳米, (中间可能还有个别其它的线宽)。每隔两三年就更新一代, 但是基于这些线宽,各个厂家仍然有不同的工艺技术。 有时候线宽也只是一个商业宣传噱头,因为IC电路上的每一个晶体管都是由多种半导体材料搭建而成,每种材料的形状和线宽都可能不同,厂家选择最窄那个宣传,仿佛水平最高,实际上也许不那么高。比如网上有很多讨论,英特尔的20纳米制程工艺在实际效果上要强于台积电的16纳米制程工艺。所以我们在评价一个IC厂的制程工艺是否先进的时候,线宽是一个重要的参考,但不是唯一的。

晶圆(Wafer):晶圆是圆柱形的单晶硅切割成的圆形硅薄片,所有的IC都是在晶圆上加工而成的,然后经过切割和封装、测试,就是芯片成品。显然,晶圆越大,能在晶圆上制造的IC就越多,成本就越低。所以在半导体行业发展的近几十年里,晶圆的尺寸不断加大,从4英寸、6英寸、8英寸发展到现在的主流12英寸,未来会有更大的晶圆。原理上讲,用多少纳米线宽的制程工艺和晶圆的尺寸没有必然的联系,7纳米也可以用4英寸晶圆,但实际上IC工厂通常会采用那个时代最大的晶圆来降低成本。

芯片工厂的投资:实际上每一代制程工艺的进步,新建工厂所需投资都大幅度增长。从70年代的几千万美元,到几亿美元,十几亿美元,几十亿美元,上百亿美元,而最近三星,英特尔和台积电投资的7纳米生产厂,投资额都已经超过二百亿美元。这种天价的建设成本带来两种后果:

第一,是小国或者新进入IC行业的国家,已经没有经济实力追求最先进的制程工艺了。台湾和韩国都是举政府之力全力支持,并且从几十年前IC工厂所需投资还没那么大的时候就进入行业,经过以厂养厂的良性循环,利用旧工厂的高利润才能撑得起对新厂房的投入。而投入稍微不足,便一步落后步步落后,如今欧洲和日本的IC企业都已经无力再追寻最先进的制程工艺了。全世界最先进的IC制程工艺只掌握在三家公司手中:三星,台积电,英特尔。而目前唯一有可能赶上来的,就是中国。

第二个后果,就是如此高价的厂房,靠自家的产品一般都无法填满产能,带来的后果就是自家产品的成本飙升。为了填满产能,摊平成本,所有掌握最先进工艺的厂家都必须为其它公司代工。这就导致了IC行业分化为没有工厂只有设计和市场部门的FABLESS企业,和为其它企业代工生产的FAB公司。台积电是只有代工,没有自己品牌IC产品的。三星和英特尔都有自己品牌的IC产品,但也为其它企业代工。世界上也有一些IC企业,在特定的行业里市场占有率高,而IC工厂的制程工艺并不高,成本也不高,这些企业是不用给别家代工的,自己生产自己设计的IC就够。

没有IC工厂的设计企业有很多,比如华为海思,AMD,NVIDIA,高通,MTK,博通。华为是核心电子元器件自主率最高的中国企业,当然,它也有大量的电子元器件需要进口。

首先看IC制造FAB企业的水平:中国目前(2018年初)最先进的IC制程工艺是中芯国际和厦门联芯的28纳米制程。厦门联芯的28纳米良品率已经超过95%,而中芯国际的28纳米良品率还不高,实际上对这一工艺还没完全搞利索。而中芯国际已经把14纳米制程作为研发重点,争取在2019年底之前量产。另外台积电在南京投资的16纳米工厂,目标是2018年底量产。

那么世界最先进水平呢?上周刚刚爆出的消息,三星的7纳米制程刚刚量产成功,而且是应用了ASML最先进的EUV光刻机完成的。而台积电没有使用EUV光刻机的7纳米工艺要到今年底才能量产,英特尔会更晚些。使用EUV光刻机未来可升级到更先进的5纳米制程。

这样看来,中国的IC制程技术比世界最先进水平落后两代以上,时间上落后4年多(台积电和三星的14/16纳米制程工艺都是在2015年开始量产的)。这实际上就是美国对中国大陆IC制造设备的禁运目标。

IC制造设备种类非常多,价格都非常昂贵,其中最重要的是光刻机。光刻机的生产厂家并不多,在28纳米以上线宽的时代,日本的佳能和尼康都能制造(对,就是造单反相机的那个佳能和尼康),但是IC制程工艺进步到十几纳米以下时,佳能和尼康就落后了,基本退出了光刻机市场。目前,世界上唯一的光刻机厂家就剩下ASML。ASML是荷兰飞利浦公司的半导体部门拆分出来的独立公司(飞利浦半导体部门拆分出的另一家公司是NXP恩智浦,最近美国高通公司要收购NXP,需要得到中国政府的批准,赶上美帝对中兴禁运,那么,就拭目以待吧)。ASML的主要股东是飞利浦,但三星,台积电和英特尔都占有股份。去年底, ASML的中国区销售总监对媒体说,ASML最先进的EUV光刻机对中国没有禁运,禁运不是中国IC制程落后的原因。

中国IC制程落后的最主要原因,并不是买不到光刻机,或者是光刻机到货太晚。最主要的原因在于没有足够的人才和技术!现状就是,即使把所有最先进的生产设备都马上交给中国IC制造企业,中国IC企业在三年内也没有能力量产最先进的IC制程。事实上中芯国际目前就有14纳米制程的全套设备,而他们的28纳米制程都没整利索。再说一遍:最大的瓶颈在于缺乏技术和人才。

IC制程发展瓶颈:业界普遍认为,以目前的工艺技术,到了3纳米以下的时候,电子在半导体内的流动就不是按照我们所理解的理论来走了,而是会遇到神秘的量子效应,当前的工艺技术就失效了。在5年之内,各领先企业都会停滞在3纳米制程附近,正是中国赶上来的好机会。

IC制程工艺新方向:那就是向多层发展,3D堆叠。目前三星已经量产64层堆叠的NAND Flash芯片,正在开发96层堆叠的技术,中国紫光刚刚量产32层堆叠的NAND Flash芯片,64层的计划到2019年才能量产。而除了闪存芯片之外的CPU类IC,目前都是平面的一层,未来肯定会向多层发展,能够成多倍地提高IC的集成度。这种技术也是中国企业需要突破的。

性价比最高的制程工艺是28纳米,28纳米工艺的营业额目前是台积电所有工艺里最高的,这一工艺中国大陆企业已经掌握。

FABLESS IC设计企业:这个行业中国进步是比较快的,当然这也和能买到现成的IC设计方案有关(业内叫IP core),其中最有名的就是ARM架构的CPU了。2017年底,中国大陆的FABLESS企业的营业额已经超过了台湾,而且还在高速发展中。

这里可以举一个每个人都用的产品的例子:手机CPU。目前世界上拥有自主CPU的智能手机厂家只有四个:三星,苹果,华为(麒麟处理器),小米(小米的松果CPU是基于大唐的技术)。而世界上的手机生产企业能外购到的智能手机CPU也只有四家的产品:高通,联发科(MTK),三星(魅族最爱用),紫光展锐。苹果,华为和小米的CPU不外卖。不过,最近华为的麒麟970 CPU开始向联想K9 Plus手机供货了,不知是不是在中国政府的压力下华为才放开的。另外,去年听说,小米的松果CPU也和生产诺基亚品牌手机的HMD公司签订了一个意向书。紫光展锐的智能手机CPU主要用在低端手机上,但是别看低端,2017年紫光展锐的营业额及市场占有率都和台湾联发科MTK相差无几了,在大陆市场的推动下,超过联发科是必然的事。

不要认为国内智能手机CPU企业都靠买ARM的IP core,没什么了不起。要知道,数年以前美国买ARM方案做手机CPU的IC企业可有不少,比如NVidia,Marvell,TI。他们后来都退出了智能手机CPU市场。而中国这几家企业坚持下来了并且发展壮大,很了不起。

在很多产品线上,比如WIFI芯片,蓝牙芯片,交换机芯片,FPGA芯片,中国的FABLESS企业都有布局,都有产品,只不过产品还比较低端,占据高端的都是国际大厂。那么怎么才能走向高端?高端芯片比低端芯片强的主要不在制程工艺上,甚至低端芯片的制程工艺和高端芯片可能是一样的甚至更高。高端芯片高在这几个方面:1.拥有专利,甚至写入了行业标准。 2.能领导行业标准的升级,性能更好功能更多。3.在推出时间上能领先低端厂家,吃掉产品生命周期中利润最丰厚的时段。以WIFI芯片为例:国际大厂如英特尔,博通,Marvell等,都养了一大批研究人员,对未来几年的技术进行研究,同时在IEEE的WIFI标准化组织里投递研究成果,和同行PK,争取把自己的专利写进下一版标准中去。同时工程部门同步做实现,能在IEEE开会的时候拿出样品做成果展示。当WIFI标准一定稿,立即推出产品。国内做WIFI芯片的小厂根本没有这个实力参与这个游戏,只能等WIFI新版标准发布之后, 拿到文档,仔细研究,然后研发生产。更多的时候,最新标准还无法实现,只能生产老版标准的产品。这就是低端产品和高端产品的主要差别。

总之,在FABLESS设计行业,我国企业的布局已经展开,发展迅猛。主要的问题是,仍然有一些空白点需要填补,已有的产品偏向低端,需要慢慢向高端拓展。

中国对民用电子元器件行业的投资:之前经济实力不足,实在没钱投那些天价的工厂。而近些年来的投资,非常有针对性。2017年全球电子元器件的总市场是4000多亿美元,中国占了一半多,约2300多亿美元。这其中90%以上靠进口。进口额最大的是各类屏幕和闪存内存芯片,约有七八百亿美元。屏幕方面,LCD是现在的技术,OLED是未来的技术,韩国三星电子的AMOLED屏幕占了全球95%的份额。闪存和内存方面,三星和韩国海力士占全球70%的市场份额。如果拿下屏幕和内存闪存的市场,我们的进口电子元器件就会减少至少三分之一。那么就看看中国在这两方面的产业布局吧:


中国芯片产业大概_第1张图片


中国芯片产业大概_第2张图片

这是已经开工建设的闪存和内存厂。注意投资额的单位,B是指Billion,10亿美元。是的,长江存储的投资额是240亿美元!是的,紫光南京DRAM工厂投资额是105亿美元。紫光控股了长江存储。说句实话,长江存储的产能只是三星的一个零头,技术上也比三星落后一代(我在前面讲过,三星目前在量产64层堆叠,明年将量产96层堆叠,而长江存储今年刚量产32层堆叠,明年将量产64层堆叠),但是,三星已经无法再控制闪存的价格了。更何况紫光的胃口不止一个长江存储,紫光规划在南京和成都各再建一个3D NAND Flash工厂,总投资500亿美元。

上面总结的只是目前国内大笔投资电子元器件行业的一部分,民用IC企业还有中芯国际的14纳米工厂,还有其他一些公司的工厂,投资额都是动辄四五百亿人民币起。


原文链接:一文读懂中国的芯片产业现状

你可能感兴趣的:(中国芯片产业大概)