芯片行业的非连续性_半导体_芯片

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根本材料与商业模式的互动

引子

8月7日，华为消费者业务CEO余承东在中国信息化百人会中指出，由于美国制裁令，华为的芯片在今年9月15日之后将无法制造。
因此，华为在今年秋日发布搭载麒麟芯片的Mate40后，这将是麒麟高端芯片系列的末了一代。

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（图片来自网络侵删）

华为投入重金研发的麒麟系列芯片，很有可能至此就画上了句号。

纵然能够设计，仍旧不能制造。
华为芯片的断供，成为了高科技卡脖子的最新热点。

感叹之余，我想借着这个话题，来回顾一下芯片行业的发展历史，看一看这个中的非连续性。

方寸之间

芯片是集成电路的普通说法，英文名Integrated Circuit，因而常简称为IC。

大略来说，集成电路便是把大量的电路浓缩在半导体芯片的方寸之间。
用一个形象的比喻，芯片的制造可以看作是微雕的过程，寻衅着人类科学技能的极限。

我们用几个数据，让大家先直不雅观的感想熏染一下。

从1946年人类第一台打算机出身算起，集成电路家当经由了70年的发展。
如今，条记本电脑中2.0GHz的CPU，运算能力高达20亿次/秒，相称于人类第一台打算机5000次/秒运算速率的40万倍，然而其大小只有5平方厘米旁边，仅相称于第一台打算机150平方米占地的30万分之一。

再比如，华为自主研发的麒麟980芯片，最高主频2.6GHz，仅有1平方厘米，大约为一个拇指盖大小。

时至今日，芯片已经广泛运用于日常生活之中。
比如，在我们的手机里，就有着数十颗芯片，掌管动手机性能的方方面面，诸如运行速率快烦懑，显示效果好不好，存储速率与容量，游戏画质高不高，无线旗子暗记稳不稳，指纹识别安不屈安，等等。

所有这统统，都来源于集成电路家当在芯片小型化上的不懈努力。

与之相对，我们会常常听到，台积电/中芯国际等芯片代工企业，其前辈制程工艺进入了14nm、7nm、5nm乃至3nm之类的说法。

大略来说，这些数字代表了晶体管的尺寸大小。
越小的晶体管尺寸，意味着单位面积上可以容纳的晶体管数量越多，芯片的整体性能也越好。

因此，这些数字在集成电路家当内，也被称为芯片的工艺节点。

最近十多年来，芯片的工艺节点走过了如下的进化进程：

350nm -> 250nm -> 180nm -> 130nm -> 90nm -> 65nm -> 40nm -> 28nm -> 20nm -> 14nm -> 10nm -> 7nm -> 5nm -> 3nm

如果我们把前后两个节点的制程尺寸相除，就会创造它们坚持着0.7倍的等比关系。

随着工艺节点的不断缩小，芯片制造技能正在逐渐触及物理理论的极限。
每一次工艺节点的升级，都意味着研发韶光与本钱的指数级提升。

我们再来看几个数字，感想熏染一下。

先看一下投资体量：支持180nm工艺的8寸晶圆厂的投资价格大约为100亿元公民币，匹配10nm工艺的12寸晶圆厂的投资价格则达到了100亿美元，而台积电的5nm工艺的厂房投资则高达250亿美元。

再看一下生产耗电：中国最大的集成电路生产中央，上海市浦东新区张江镇，占地面积42平方公里，其年耗电量达到了6千万千瓦时，和全体上海市居民用电一个量级。

以是，集成电路家当聚拢了科技密集、成本密集、能耗密集等多个特点。

如今，伴随着集成电路家当发展的摩尔定律，也越来越难以匹配18-24个月的进化周期。
业内普遍估量，2025年前后摩尔定律将走向终点。

材料的代际

芯片家当的发展，和半导体材料的改造，息息相关。

1833年，英国科学家法拉第创造了一种分外材料：硫化银。
随着温度的上升，硫化银的电阻降落了。
这是人类历史上，第一次创造半导体材料。

常日的晶体，随着温度的提升，晶格震撼加倍厉害，电阻便会增加。
对半导体材料而言，温度的上升会使自由载子的浓度增加，反而有助于导电。

这便是半导体的奇妙性子之一，在常温下导电性能介于导体与绝缘体之间，且其导电性可控。

随后的半个世纪里，科学家陆续创造了半导体的其余三个性子：光照下产生电压（光生伏殊效应，光伏发电的事理）、光照下电导增加（光电导效应）和电导与所加电场的方向有关（整流效应）。

1911年，半导体这个名词被首次利用。
直到1947年12月，贝尔实验室首次完全的总结出半导体所具有的这四个特色。

到目前为止，半导体材料被划分为三代。

第一代半导体，又称为“元素半导体”，代表性的有硅基和锗基半导体。
个中，硅基半导体技能最为成熟，运用也最为广泛。

以硅材料为代表的第一代半导体材料，取代了笨重的电子管，引发了集成电路家当的发展和全体IT 家当的飞跃，广泛运用于信息处理和自动掌握等领域。

目前，环球95%以上的半导体芯片和器件是用硅片作为根本功能材料而生产出来的，这也是芯片制造厂称为晶圆厂的缘故原由。

硅片的尺寸不断变大，从1960年的0.75寸（约20mm），1965年的1.25寸，到1975年的4寸，再到2001年的12寸，直到2020年的18寸（450mm）。
当前的主流，是8寸和12寸硅片。

硅片占全体半导体材料市场的32%旁边，行业市场空间约76亿美元。
这一领域紧张由日本厂商垄断，近年来我国在硅片领域不断国产化，8寸和12寸的国产化率持续提升。

第二代半导体，是化合物半导体，代表性的有砷化镓（GaAs）和磷化铟（InP），还包括许多其它III-V族化合物半导体。

20世纪90年代以来，随着移动通信的飞速发展、以光纤通信为根本的信息高速公路和互联网的兴起，以砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）为代表的第二代半导体材料开始崭露头脚。

这些化合物中，商业半导体器件中用得最多的是砷化镓（GaAs）和磷砷化镓（GaAsP），磷化铟（InP），砷铝化镓（GaAlAs）和磷镓化铟（InGaP）。
个中以砷化镓技能较成熟，运用也较广。

GaAs、InP等材料适用于制作高速、高频、大功率以及发光电子器件，是制作高性能微波、毫米波器件及发光器件的优秀材料，广泛运用于卫星通讯、移动通讯、光通信、GPS导航等领域。

化合物半导体不同於硅半导体的性子紧张有两点：其一，电子迁移率较硅半导体快许多，因此适用于高频传输；其二，具有直接带隙，适用发光领域。

但是GaAs、InP材料资源稀缺，价格昂贵，并且还有毒性，污染环境，InP乃至被认为是可疑致癌物质，这些缺陷使得第二代半导体材料的运器具有很大的局限性。

目前，环球GaAs 半导系统编制造商市场份额最大的五家企业分别是Skyworks、Triquint、RFMD、Avago、穏懋，约占环球总额的65%。
而在GaAs 原材料领域，IQE、全新、Kopin 三家公司霸占市场67.3%的份额。

第三代半导体，又称为宽禁带半导体，代表性的有碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、金刚石等，其禁带宽度（Eg）大于或即是2.3电子伏特（eV）。

当前，电子器件的利用条件越来越恶劣，要适应高频、大功率、耐高温、抗辐照等分外环境，这成为第三代半导体材料研发的运用背景。

和第一代、第二代半导体比较，第三代半导体具有高热导率、高击穿场强、高饱和电子漂移速率和高键合能等优点，可以知足当代电子技能对高温、高功率、高压、高频以及抗辐射等恶劣条件的新哀求，是半导体材料领域有前景的材料。

在国防、航空、航天、石油勘探、光存储等领域有着重要运用前景，在宽带通讯、太阳能、汽车制造、半导体照明、智能电网等浩瀚计策行业可以降落50%以上的能量丢失，更可以使装备体积减小75%以上，对人类科技的发展具有里程碑的意义。

从目前宽禁带半导体材料和器件的研究情形来看，研究重点多集中于碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）技能，个中SiC 技能最为成熟，研究进展也较快；而GaN 技能运用广泛，尤其在光电器件运用方面研究比较深入。

碳化硅器件和电路具有超强的性能和广阔的运用前景，因此一贯受业界高度重视，基本形成了美国、欧洲、日本三足鼎立的局势。

目前，国际上实现碳化硅单晶抛光片商品化的公司紧张有美国的Cree 公司、Bandgap 公司、Dow Dcorning 公司、II-VI公司、Instrinsic 公司；日本的Nippon 公司、Sixon 公司；芬兰的OkmeTIc 公司；德国的SiCrystal 公司等。

此外，GaN 光电器件和电子器件在光学存储、激光打印、高亮度LED 以及无线基站等运用领域具有明显的竞争上风，个中高亮度LED、蓝光激光器和功率晶体管是当前器件制造领域最为感兴趣和关注的。

举个例子，氮化镓基蓝光LED的发明使高效白光LED照明得以实现，引起了人类照明光源的又一次革命。

目前，全体GaN 功率半导体家当处于起步阶段，各国政策都在大力推进该家当的发展。
国际半导体大厂也纷纭将目光投向GaN 功率半导体领域，关于GaN 器件厂商的收购、互助不断发生。

与发达国家比较，中国发展第三代半导体家当的起步较慢，但是随着政策勾引效应逐步显现，中国第三代半导体家当正迎来高速发展。
值得一提的是，2017年中国第三代半导体家当取得了本色性的发展，据CASA初步统计，2017年中国第三代半导体整体产值约为6578亿(包括照明)，较2016年同比增长25.83%。

在第三代半导体方面，海内代表性的上市公司是三安光电，氮化镓正是其豪掷330亿旁边投资的七大核心项目之一。
此外，扬杰科技、国民技能、海特高新等多家上市公司均开始布局第三代半导体业务。

与此同时，海内支配的多条第三代半导体干系产线相继启用或投产。

在SiC领域，中车时期电气6英寸碳化硅(SiC)家当化基地技能调试圆满完成；环球能源互联网研究院6英寸SiC中试线进入安装调试阶段；世纪金光SiC和GaN生产线开始安装；中电科55所6寸SiC中试线投入运行。
在GaN领域，江苏能华和英诺赛科的8英寸Si基GaN生产线相继开始启用；三安集成、海威华芯、天津中环、江苏华功、大连芯冠、聚力成半导体等均在有序推进中。

模式的演化

根本电路家当自出身之初，便是科技与成本双密集的家当。

早期的企业，须要自行完成从芯片设计、到芯片制造、再到芯片封装测试的百口当链过程，以元器件的形式向市场供应芯片产品，可谓大包大揽。

这种模式，也被称为IDM（Integrated Device Manufacture）模式。
用现在的话来说，便是家当链垂直一体化。

IDM模式的优点紧张有两方面：其一，通吃家当链各环节的利润；其二，统揽家当链各环节的技能要点（Know How）。

IDM模式的代表性企业便是英特尔（Intel）。
其核心产品CPU芯片，从设计、制造、封装、测试，到器件成品，全部由公司一家完成。
电脑制造商从英特尔那里直接购买CPU成品，就可以组装电脑产品了。

进入1980年代，摩尔定律推动工艺节点提升，所带来的成本开支的指数级增长，开始让IDM模式面临寻衅。

产品价格的线性下跌，与产品本钱的指数型增长，开始发生具有迁移转变点意义的碰撞。

在此之前，IDM模式的芯片企业，通过发卖产品赚牟利润，再将利润的一部分投入到下一代制造工艺的研发之中，由此形成良性循环，支撑摩尔定律18-24个月的迭代周期。

然而，上世纪80年代中期之后，指数级增长的成本开支开始吞噬越来越多的企业利润，使得大量生产规模有限的芯片企业入不敷出，逐渐陷入经营困境。

同时，由于芯片的种类繁多，纵然是大型芯片企业，也只有旗舰级产品的生产规模能够覆盖成本开支，因而只能坚持部分产线的工艺升级。

1987年，时任德州仪器（TI）资深副总裁的张忠谋，辞去美国的高薪职位，回到台湾，动手创办环球第一家专注于芯片制造的工厂台积电，从此首创了Foundry模式。

这是一次划时期的转变。

当时，环球的芯片企业处于百分百的IDM模式，创新的Foundry模式鲜有人看好。

事实证明，张忠谋独具眼力，凭借着对集成电路家当链的深刻洞察，台积电重新定义了芯片行业的主流商业模式。

至此，芯片行业开始了专业化分工，形成了专注于设计的Fabless公司+专注于制造的Foundry公司的全新模式。

Foundry模式的涌现，让大量的中小型芯片公司如释重负，不再须要投入重金升级产线，而是把有限的资源投入到芯片设计之中。

而集中了全行业制造需求的Foundry公司，则可以凝聚更多的成本，与少数头部IDM公司一道，共同推动产线的升级换代。

这种模式之下，由于搜集了浩瀚中小芯片设计公司的制造需求，Foundry公司可以更大的规模进行生产，从而让飙升的成本投入通过更大的规模效应加以对冲，形成良好的商业回报。

直至今日，台积电都是芯片制造行业的绝对领先者，其前辈制程工艺领先对手1-2代。

至此，我们梳理一下当前芯片行业的商业模式：

纯设计公司（Fabless）：代表性企业高通、英伟达，海内华为海思、汇顶科技、韦尔股份（收购了豪威半导体）、紫光展锐等；代工厂（Foundry）：代表性企业台积电（TSMC），海内里芯国际、华虹半导体等；封测厂（Testing & Assembly）：代表性企业安靠、日月光，海内长电科技、通富微电、华天科技等；一体化公司（IDM）：代表性企业英特尔、意法半导体、英飞凌、德州仪器，海内士兰微、闻泰科技（收购了荷兰恩智浦标准半导体奇迹部）等。

整体来看，从垂直一体化走向专业分工，是芯片行业过去四十年商业模式转型的大方向。

总结

纵不雅观芯片家当的发展简史，我们会创造有两个维度：

材料端：第一代硅片，第二代化合物半导体，第三代宽禁带半导体；模式端：家当链垂直一体化IDM模式，家当链专业分工Fabless+Foundry模式。

实际上，模式真个蜕变是和材料真个进步息息相关的，特殊是不同技能路线的成本开支。

8月4日，中芯国际的创始人之一张汝京博士，在“中国第三代半导体发展机遇互换峰会”上，针对提问表示：

“第三代半导体是后摩尔定律时期，线宽不是很小，设备不特殊贵，但它的材料不随意马虎做，设计上要有上风，投资也不须要很大。
”

基于此，张博士判断第三代半导体将以IDM模式为主流。
同时，Foundry模式也有机会，重点是要有长期互助的设计公司。

从张博士的这段表述来看，第三代半导体，由于成本开支有限，最适宜的模式又切换回了IDM。

在这个赛道上的芯片企业，又开启了一轮新的循环。

后记

面对美国的围堵，中国的芯片家当正在迎来前所未有的寻衅与机遇。