芯片竞赛:怎样不被别人踢掉梯子?

钛禾产业观察 · 2020-12-15
建立可持续发展的造芯观。

编者按:本文来自微信公众号“钛禾产业观察”(ID:Taifangwu),作者:张诚信,编辑:熊文明、刘爱国,36氪经授权发布。

“这是一种十分寻常的巧妙手法,当一个人已经攀上高峰以后,就会把之前所使用的那个梯子一脚踢开,以免别人跟上来。”

19世纪20年代,德国经济学家李斯特在《政治经济学的国民经济体系》中用“踢开梯子”来形容先进国家对后起国家的技术和经济压制。

梯子既是后起之秀进步的捷径,也可能成为隐形的陷阱。一旦发达国家在技术和经济等领域树立成功模式,后来者再想要按这种模式发展,往往会在关键节点被前者踢掉梯子,从而坠落。

这个思路可以形象生动地诠释今日的芯片之战。美国作为芯片技术的发源地,主导着游戏规则的制定,其他玩家只能唯其马首是瞻。因此无论听上去多么霸道和荒谬,美国在芯片领域的各种“制裁”和“禁令”总是屡屡得手。

后起者始终要牢牢把住梯子,并且保证“补梯子的速度要快过拆梯子的”。当然还有另外一个办法,就是自己搭梯子,抢先攀顶。 

01美国凭什么踢别人的“梯子”?

半导体产业链的上游是材料和设备,中游是设计、制造和封装测试,下游是物联网、5G、人工智能等各种应用场景。

美国对于中国半导体产业的打压,除了直接断供高端芯片之外,还在材料、设备、设计和制造端轮番发力。

半导体材料可以分为基本材料、制造材料、封装材料,具体包含硅晶圆、光刻胶、电子特气等,目前国产化只占据15%左右,且难以覆盖核心领域,主要被美日企业垄断。

半导体设备中,晶圆制造设备投入占比70%以上,分为光刻机、刻蚀机和薄膜沉积设备。光刻机决定着晶圆加工的工艺水平。我们常说的28nm、14nm、7nm都是指光刻机能够分辨的最小图形尺寸,尺寸越小代表晶圆上能切割的芯片数量越多,集成度和良品率也越高。

光刻机的数十万个零部件产品,整合了世界各国的顶尖工艺,是集成电路产业皇冠上的明珠,荷兰ASML占据了高端光刻机80%以上的市场。

从去年开始,ASML对中芯国际极紫外光刻(EUV)7nm设备搁置交付。尽管今年10月,ASML首席财务官Roger Dassen表示“荷兰无需获得美国许可,就能向中国出货深紫外光刻(DUV)系统”。但从制程范围来看,DUV只能做到25nm,只有EUV才是进入10nm以内的稳定通行证。

在IC设计的上游环节,EDA软件和IP授权工具是芯片设计的基石。而EDA软件基本被Synopsys、Cadence、Mentor Graphics三家公司垄断,前两者都是美国公司。

这三家公司都在2019年5月实体清单之后就停止了和华为的合作,不再继续提供升级服务,仅靠国产软件很难实现芯片设计的全流程替代。12月4日,英伟达正式宣布以400亿美元收购 ARM公司,上层芯片架构供应商也被美国控制,华为的芯片设计更加困难。

IC制造领域最受瞩目,台积电在今年9月15日以后就不得为华为设计的芯片进行代工生产。目前中芯国际能够量产的最精细制程是14nm,而华为目前最先进的麒麟9000芯片,采用了5nm的制程工艺,二者之间的技术差距2-3代。

虽然几个领域的老大都未必是美国人,但美国在半导体产业里掌握着几乎所有核心的环节,在各个细分领域也很少有短板。这决定了美国人有打压别国的底气。

2019年,全球排名前5的半导体设备厂商有三家美国企业,分别是应用材料、泛林科技和科天半导体,这三家都是综合设备供应商,经营产品涵盖沉积、刻蚀、检测等几乎所有半导体制造环节的设备。

阿斯麦(ASML)尽管地处荷兰,但它最大的两个股东都是美国公司,且零部件有55%依赖美国进口,受到美国出口管制的限制。

在芯片设计领域,美国独占榜首。据Trendforce 2019年数据,全球前十大Fabless公司(芯片设计公司)美国占了6家,前三大Fabless公司博通、高通、英伟达全是美国公司。

在芯片制造领域,美国有Intel和格罗方德,掌握着世界最先进的芯片制造工艺。

材料领域虽然整体由日本占据领先,但美国的陶氏化学位居世界化工产业第二名,提供光刻胶等多类半导体产业相关的化学品,也在产业链中占据着重要地位。

可以说,美国人花70余年时间,为自己在半导体领域搭建了一把最为坚固的“梯子”,这把梯子帮助美国人爬上整个芯片制造业的顶端。

站在山顶的美国人,可以看谁不顺眼,或者看着谁快爬上来了,就一脚踢开谁家的梯子。

02美国人的“梯子”是怎么搭起来的?

从晶体管、集成电路、超大规模集成电路,到个人计算机、移动智能终端、人工智能芯片等,在半导体产业步步攀高的阶梯上,几乎所有重要的创新变革都发生在美国。

1925年,时任AT&T总裁华特·基佛德(Walter Gifford)在美国新泽西州成立了“贝尔电话实验室公司”,后更名为贝尔实验室。这个实验室产生了太空望远镜、太阳能电池等许多新发明,而这些重大技术创新大多源自于基础研究的突破。

汇集了世界各国顶尖科技人才的贝尔实验室,在数学、物理学、计算机编程论、材料学、现代通信理论等领域都取得了划时代的成就。

1945年,著名物理学家威廉·肖克利回到战后的贝尔实验室,带领固体物理研究小组,研发制造能替代电子管的器件。1947年圣诞节前夕,受到肖克利的场效应理论启发,他的两位同事沃尔特·布拉顿和约翰·巴丁用几条金箔片、一片半导体材料和一个小纸架制成一个模型,可以传导、放大和开关电流。他们把这一发明称为“点接触型的锗晶体管”,标志着划时代发明——半导体的诞生。

肖克利(下)巴丁(上左)和布拉顿(上右)

肖克利缺席了最后的实验过程,因此1948年申请半导体专利时没有他的大名,这令他大为恼火,并立志要做一种与众不同的晶体管。1950年,肖克利研发出世界第一只PN结型晶体管,直到70年后的今天,我们所用的大多是这种晶体管。

晶体管诞生之初,其应用生态就呈现出多样性。在贝尔实验室的研究基础上,德州仪器于1954年发布了第一个可以量产的结型硅管,具备耐高温、散热强的特性,一举成为美国国防军事领域最主要的硅管供应商。同年德州仪器还推出了第一款便携式的晶体管收音机Regency TR-1,一下子成为爆款,卖出了10万多台。无论是上流社会的明星贵族,还是工薪阶层的一般家庭,少有人能够抵挡得住这款潮流产品的诱惑。

苹果公司联合创始人史蒂夫·沃兹尼亚克(Steve Wozniak)曾经评价Regency TR-1:

“如果没有这项技术,也就没有便携式媒体播放器,今天就不会有iPhone了。”

奥斯卡影后雪莉.麦克雷恩的私人订制版Regency TR-1

1954年到1956年,美国市场上共出售了1700万个锗晶体管和1100万个硅晶体管,价值5500万美元,到了1957年,晶体管的年产量达到了2900万个。

1946年,全球第一台计算机ENIAC由美国宾夕法尼亚大学研制成功,个头足足有一间屋子大。12年后IBM公司制作了第一台使用晶体管的计算机,直接瘦身到衣柜大小,但提升了几百倍的运算速度。

美国在半导体产业初创时期连续夺得世界第一,也与社会资本的大举进入密切相关。美国硅谷是现代投资业的起源地,洛克定律的发明人阿瑟·洛克创办的投资公司Davis & Rock是全球最早的风险投资机构,其促成的第一笔资金就给了初创不久的仙童半导体。Intel公司的初创也受惠于洛克和硅谷的风险投资。

此外,美国联邦政府对半导体的兴致也颇为浓厚,从一开始就高度介入半导体产业。正如经济学家Laura Tyson在1992年所观察到的:

“半导体行业从未摆脱政府干预这只看得见的手。”

20世纪50-60年代,美国军方通过签订合同,为半导体企业提供大量采购订单。据统计,70%以上的半导体研发经费来自政府采购。

基础研究坚实、应用生态繁荣、联邦政府庇护、风险资本加持,使得美国半导体产业在初创时构成了良性、可持续的创新循环。他们只需不断追赶摩尔定律,就可以保持住霸权地位。

03将日本人踹下深渊

1976年,日本政府发展超大规模集成电路计划(VLSI),撮合日立、NEC、富士通、三菱、东芝五大公司设立VLSI技术研究所,以美国为超越目标,举国攻坚半导体产业。

这一计划在早期实施时遇到了重重阻力。日本半导体行业希望得到1500亿日元的政府资助,但实际只拿到737亿日元,其中只有291亿日元来自政府投入。远远不及预期的投入造成了巨大的心理落差,各成员企业士气低迷,各行其道,难以达成合作。当时参与VLSI计划的富士通公司员工福安一美回忆:

“那时,大家都有一种被公司遗弃的感觉,而且也没想到最后研制出向IBM挑战的产品。”

关键时刻,日本半导体产业的开山祖师垂井康夫出面做“带头大哥”,终于力挽狂澜。垂井康夫认为,企业首先需要同心协力才能改变日本芯片基础技术落后的局面,集中力量突破基础技术后再进行自身产品的研发,才能使日本企业在国际具有竞争力。

在垂井康夫的带领和鼓舞下,日本半导体产业开始聚合力量,合作效率越来越高。在VLSI计划实施四年后,日本已经手握千余件行业专利,各公司的技术能力普遍提高。

1980至1986年,日本企业的半导体市场份额由26%上升至45%,而美国企业的半导体市场份额则从61%下滑至43%。与此形成鲜明对比的是,1985年Intel被迫裁员7200余人,宣布退出DRAM存储业务。同年,日本NEC成功占据全球半导体厂商销售收入榜首,甚至计划购买美国仙童半导体80%的股份。Intel创始人罗伯特·诺伊斯哀叹:

“美国进入了衰落的进程,如果这种情况继续持续下去,硅谷将会成为一片废墟。”

半导体产业市场份额变化

美国人显然不会眼睁睁看着自己一手开创的产业就此衰落,随即以雷霆之势对日本半导体进行了毁灭性打击。1985年,美国半导体行业协会向政府诉苦,认为半导体行业的削弱会危害国家安全,引发了美国政府的高度重视。

1986年春,美国认定日本存储芯片倾销。同年9月,在美国各种重压之下,日本被迫签署《美日半导体协议》。协议要求日本停止对美国和其他国家市场的芯片倾销,同时向美国开放市场,到1991年外国公司的份额要达到20%。

美国人认为,日本封闭的半导体市场是导致美国半导体竞争力下跌的最重要因素,日本半导体企业在本土垄断并赚取大量利润,以支持其技术创新活动。

1987年,美国以外国半导体企业进入日本市场机会不均等和日本在第三国市场倾销为由,单方面宣布对从日本进口的电子产品征收100%的惩罚关税。

1991年,日美再次达成了第二次半导体协定,延续前一次协议。至此日本半导体企业的全球市场份额一路狂跌,从1986年的45%跌到2017年的7%,再无此前的竞争力。

在摩尔定律的鞭策下,半导体行业必须追求技术创新的速度。但从日本的遭遇来看,仅仅构建创新循环还不足以维持可持续的造芯体系,还需要由国家统筹,为产业建构应对外部风险和挑战的护城河。

在将日本人一脚踹下深渊之后,心有余悸的美国人开始加固自己的“梯子”。

04美国人的自我反省

上世纪80年代美国被超越,半导体产业向日本转移,这个过程中孕育出一种半导体发展的新型模式。

当时美国半导体企业多聚集于硅谷,其发展模式大致是风险资本为创业公司注入资金,创业公司获得资金支持后,进行持续的技术创新获得市场,提升公司估值后上市,风险资本卖出股票获利,然后退出。

这种模式有助于解决半导体企业初创时的资金问题,效率很高,但不利于各个公司之间整合资源,大家都把对方看做同一赛道上的竞争对手。

日本人首先找到了一种截然不同的模式,国家统筹组建技术共同体,各半导体企业对外竞争,对内合作。超大规模集成电路计划整合了日本半导体产学研资源,打破企业间的壁垒,聚集了当时国内半导体最顶尖的科学家和工程师,这群人集智集力、在一起规划未来的发展路线,往往能产生颠覆式的创举。

如果说美国半导体企业像是一群各有所长的超级英雄,日本半导体产业则像是一群武士为抗击外敌聚在一起,研习新的武学招式,并且共享经验。

1982年,美国数十家半导体企业也意识到了这一问题,结成技术共享联盟研发DRAM,然而为时已晚,在美国企业刚刚研制出256KB DRAM时,对面日本已经批量上市了。

依托这种技术共同体的模式,半导体行业能够集中优势资源面向未来布局,攻克的不仅是当下的主流技术,还有未来的新技术。

当时的日立把一整幢楼用于存储芯片研发,第一层人员研发16KB,第二层人员研发64KB,第三层人员研发256KB。时任Intel生产主管的安迪.格鲁夫沮丧地说:

“从日本参观回来的人把形势描绘得非常严峻。”

日本人这种面向未来的研发布局就像是传说中的三刀流,让习惯了单手舞刀的硅谷企业毫无招架之力。

经历挫折后,美国终于认识到突破未来技术的重要性。1984年,《国家研究法案(NCRA)》颁布,开始启动半导体制造技术科研联合体(Sematech)计划,国家驱动IBM、TI和HP等十几家企业联合成立了SMTRC(半导体制造技术科研战略联盟,Semiconductor Manufacturing Technology Research Consortium)。

Sematech计划成员

SMTRC位于德克萨斯州的奥斯汀(Austin),经费一半由成员企业提供,另一半由美国国防部高级研究项目局(DARPA)提供,研究成果由各成员企业和美国政府共享。期间共计有700名研发人员参加,每年投入2亿美元,主攻IC制造与设备工艺。

除了规模化的投入,精巧的组织设计也推动了共同体的成立。共同体的聚合都需要一个“带头大哥”,在日本是垂井康夫,美国人则推出了有着“硅谷之父”盛名的罗伯特·诺伊斯。现在看来,这在当时无疑是一个明智的决定。

作为一名杰出的科学家,诺伊斯在技术上有能力将各成员不成熟的研发意向,整合成切实可行的研发方案。先后创办仙童半导体和Intel的经历,已经让诺伊斯成长为具有投资和管理意识的企业家,谙熟企业的经营规律。而他“硅谷之父”的地位,足以赢得组织成员们的尊重和信任。

共同体的管理,由企业的技术专家和管理人员共同负责,防止科研与市场脱节,并定期召开会议,研判产业与技术发展的当下和趋势,这种高质量的信息资源对于小企业成员是宝贵的财富,实现了最新的信息和技术在行业的扩散共享。

在SMTRC的引领下,美国半导体产业到1993年已经很大程度上恢复了竞争力。1996年,美国实现全球第一块12寸晶圆的突破,继续引领集成电路行业。

05中国芯片产业的“梯子”

没有一个国家拥有100%完整的芯片全产业链条。解决现实的卡脖子问题,不能完全靠关起门来搞自主创新。这样即便造出来,代价也必然巨大,而且还可能误入歧途。(参见前文《失速的创新引擎:苏联科技是如何被忽悠瘸的?》)

在各项优惠政策的刺激下,近年来如雨后春笋般涌现的芯片制造项目不仅出现了重复建设的问题,甚至还出现了不少烂尾工程,多个12英寸项目和8英寸项目爆雷。全民造芯的滚滚热浪里,需要更多理性规划,避免不计成本的盲目追赶。

美国在半导体产业初创时期,成功构建的可持续性创新循环或许值得我们借鉴。“可持续”指一种可以长久维持的过程或状态,这一概念最初被用于环境保护领域,后被广泛运用于经济学与社会学。对于半导体企业来说,可持续性发展就是进入“技术创新-产品升级-降低成本-市场应用-企业盈利”的良性循环。

企业先要活下来,才能实现技术的持续突破。2019年,中国集成电路设计企业数量为1780家,IC设计销售收入超过3084.9亿元,在全球收入中占比10%,但是其中盈利企业仅780家。

中国工程院院士吴汉明认为,商业成功是检验技术创新的唯一标准,成套工艺是芯片技术水平的集中标志。研究是手段,产业是目的。

新基建的浪潮掀起,人工智能、5G、工业物联网、新型汽车电子等产业也给集成电路的发展带来了新机遇。以人工智能为例,其芯片往往基于某一种特定应用场景进行开发,中国丰富多样的应用场景,反哺终端企业创造各种独一无二的解决方案。

摆在中国芯片产业当前的关键问题是:如何在可持续“造芯”的基础上,逐步赢得在全球产业分工制衡的能力,并抢先布局未来?

一方面,需要继续加强基础研究和培养本土半导体产业人才是根本,这是一个长期持续的工程。另一方面,需要加强在设计、设备方面的全球合作,而在关键的材料和制造工艺环节,重点支持若干团队进行集中攻关。

当前摩尔定律已经走到了历史的界点,芯片制程推进到2nm之后,其它技术路线必然成为产业的突破口,能否在第三代半导体产业中占据主导地位,关键是看手中是否掌握领先行业的前瞻性、颠覆性技术。以面向未来的碳基芯片为例,北大教授张志勇、MIT教授Max M.Shulaker等中外多支团队也都在集中攻关。谁能跑到前面?现在很难说得清楚。

但是提前布局颠覆性技术,也许会帮我们架起一把从背面登山的新云梯。

芯片制程的演变

EE Times:Path to 2nm May Not Be Worth It | EE Times

(“发展2nm或许不值得”)

作为全球最大消费电子产品生产国、出口国和消费国,庞大的市场仍然是我们最大的优势。中国的芯片产业,除了要构建好下游的应用生态,还要在一些领域做到无可替代。

无可替代的含义,就是要在每个关键山头都有能力搭建自己的梯子,还不能被别人踢掉。

参考文献:

[1] 陈芳,董瑞丰《“芯”想事成:中国芯片产业的博弈与突围》,2018

[2] 冯锦航,郭启航《芯路,一书读懂集成电路产业的现在与未来》,2020

[3] 朱贻伟《中国集成电路产业发展论述文集》,2006

[4] 张立恒,刘莲芹《芯跳不止——身边的集成电路江湖》,2015

[5] 先进半导体材料及辅助材料编写组《中国先进半导体材料及辅助材料发展战略研究》,2020

[6] Mariana Mazzucato《创新型政府:构建公共与私人部门共生共赢关系》,2019

[7] 周立《中 美贸易争端:技术封锁与保护主义》,2018

[8] 谢志峰,陈大明《芯事:一本书读懂芯片产业》,2018

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