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《芯片行業(yè)備忘錄》

什么是芯片？

廣義的芯片指的是半導(dǎo)體。

那么什么是半導(dǎo)體呢？半導(dǎo)體就是介乎于導(dǎo)體和絕緣體之間的材料，比如硅、鍺（zhe）等物質(zhì)，我們可以通過(guò)改變電壓來(lái)控制這些物質(zhì)的導(dǎo)電和絕緣，實(shí)現(xiàn)0和1的轉(zhuǎn)換，有了0和1，就可以進(jìn)行二進(jìn)制運(yùn)算。數(shù)字、文字、圖像、聲音等信息都可以轉(zhuǎn)換成0和1，因此0和1就是目前計(jì)算機(jī)最底層的運(yùn)算邏輯。

按產(chǎn)品功能來(lái)分類(lèi)，半導(dǎo)體又分為分立器件、光電器件、集成電路（IC）、傳感器。

狹義的芯片行業(yè)指的是集成電路（IC）行業(yè)。

我們手機(jī)里的CPU，電視機(jī)里的GPU，指的是狹義的芯片。

芯片就像是電子設(shè)備的大腦，比如說(shuō)我問(wèn)手機(jī)小狗長(zhǎng)什么樣？手機(jī)得到指令之后，用CPU（中央處理器）把問(wèn)題轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)語(yǔ)言（0和1），然后通過(guò)計(jì)算機(jī)語(yǔ)言調(diào)用儲(chǔ)存在本地或者云端的各種數(shù)據(jù)，找到匹配的數(shù)據(jù)之后，再通過(guò)GPU（圖形處理器）把計(jì)算機(jī)語(yǔ)言又翻譯成圖像，輸出到屏幕（光電器件）上，所以說(shuō)芯片是電子設(shè)備的核心部件。

半導(dǎo)體行業(yè)下游（終端）

半導(dǎo)體行業(yè)的下游是半導(dǎo)體應(yīng)用。

智能手機(jī)、PC、平板電腦、通信設(shè)備等電子產(chǎn)品占半導(dǎo)體消費(fèi)的75%，汽車(chē)、工業(yè)、政府應(yīng)用占25%。

智能手機(jī)是目前半導(dǎo)體下游最大的應(yīng)用。

2016年全球智能手機(jī)出貨量達(dá)到峰值14.7億部，2020年下滑到12.4億部。

2018年，全球智能手機(jī)銷(xiāo)售額達(dá)到4833億美元峰值，2019年，回落到4582億美元。

2020年，各品牌智能手機(jī)出貨量排名如下：

三星2.5億部，市占率20%，同比14%；

蘋(píng)果2.07億部，市占率16%，同比+5%；

華為1.88億部，市占率15%，同比22%；

小米1.47億部，市占率11%，同比+17.6%；

OPPO 1.2億部，市占率8%，同比7%；

VIVO 1.1億部，市占率8%，同比5%。

半導(dǎo)體行業(yè)中游

半導(dǎo)體行業(yè)的中游是分立器件、光電器件、集成電路（IC）、傳感器。

其中，集成電路是整個(gè)半導(dǎo)體的核心，規(guī)模占整個(gè)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的83%，狹義的芯片行業(yè)指的就是集成電路。

由于其技術(shù)的復(fù)雜性，產(chǎn)業(yè)高度專(zhuān)業(yè)化。主要包括芯片設(shè)計(jì)、晶圓制造、封裝測(cè)試三大環(huán)節(jié)。

一、芯片設(shè)計(jì)

芯片設(shè)計(jì)公司有幾種類(lèi)型：

1、像IBM這樣的“自用型模式”，自己設(shè)計(jì)芯片給自己的設(shè)備使用；

2、像intel這樣的“IDM模式”，自己設(shè)計(jì)自己制造，然后把芯片成品賣(mài)給下游消費(fèi)電子公司；

3、像高通、聯(lián)發(fā)科這樣的“無(wú)工廠模式”，只設(shè)計(jì)芯片，然后給臺(tái)積電、三星這樣的晶圓代工企業(yè)生產(chǎn)，最后賣(mài)給下游；

4、像蘋(píng)果、華為海思這樣的“自主設(shè)計(jì)模式”，自己設(shè)計(jì)芯片，然后交給第三方制造，最后又應(yīng)用到自己的終端設(shè)備上面。

設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)占集成電路行業(yè)產(chǎn)值的26%，是行業(yè)中最有話(huà)語(yǔ)權(quán)的環(huán)節(jié)，技術(shù)積累耗時(shí)最久，也最難以替代。

比如蘋(píng)果從2007年收購(gòu)了一家芯片設(shè)計(jì)公司，開(kāi)始設(shè)計(jì)A系列芯片。2010年，蘋(píng)果發(fā)布了首款基于自主研發(fā)ARM架構(gòu)的A4芯片。2011年，發(fā)布雙核GPU的A5芯片，采用45納米（nm）制程，應(yīng)用在喬布斯遺作iPhone 4S上，運(yùn)算能力比A4提升2倍，圖形處理能力比A4提升9倍。再到32nm的A6，28nm的A7......一直到iPhone 11搭載的7nm A13，以及被稱(chēng)為地表最強(qiáng)芯的iPhone12 5nm工藝的A14仿生芯片，花費(fèi)了整整14年。

再比如華為海思，從2009年的k3芯片，到Mate7和P8首次使用自主研發(fā)的麒麟芯片，再到2020年，華為發(fā)布了全球首款5G 5nm制程SoC芯片麒麟9000，裝在華為“絕版”機(jī)Mate 40上，也花了12年。

除了時(shí)間，每一代制程的研發(fā)費(fèi)用幾億到幾十億美元不等，門(mén)檻非常高，但正是碰上了智能手機(jī)的普及，使得芯片研發(fā)成本得以攤薄，邊際成本遞減。

芯片設(shè)計(jì)是芯片行業(yè)的核心，是一條難而正確的路。

小米、OPPO、VIVO等手機(jī)廠商最近也表示要自主設(shè)計(jì)芯片，當(dāng)然，對(duì)此還有待進(jìn)一步觀察。

二、晶圓制造

晶圓制造是指以8英寸或12英寸的硅晶圓為原材料，將光掩膜上的電路圖形大批量復(fù)制到晶圓上，使晶圓形成特定電路結(jié)構(gòu)。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是用光來(lái)做刀，在硅晶圓上刻出我們想要的集成電路。

我們說(shuō)的28nm、20nm、14nm、7nm，5nm工藝，指的是芯片柵極的寬度，寬度越窄，需要的制程越先進(jìn)。

每投入一代新制程的晶圓廠，投資額幾十甚至上百億美元。

晶圓制造投資額大，專(zhuān)業(yè)程度高，是整個(gè)芯片產(chǎn)業(yè)鏈的核心環(huán)節(jié)，在整個(gè)芯片行業(yè)產(chǎn)值最高，毛利率最高的環(huán)節(jié)。

2019年晶圓代工行業(yè)規(guī)模427億美元，占集成電路行業(yè)產(chǎn)值的58%，占全球半導(dǎo)體市場(chǎng)的15%。

晶圓代工行業(yè)高度集中，中國(guó)臺(tái)灣占比65%，中國(guó)大陸占比11%，韓國(guó)占比9%。代表性企業(yè)分別是臺(tái)積電、中芯國(guó)際、三星。

臺(tái)積電和三星都已經(jīng)能量產(chǎn)5nm芯片，中芯國(guó)際可以量產(chǎn)28nm和14nm芯片，7nm已經(jīng)研制成功，但由于美國(guó)制裁，缺少光刻機(jī)，7nm目前無(wú)法投入量產(chǎn)。

臺(tái)灣和韓國(guó)晶圓制造為什么這么厲害，這里要講一段80年代末美國(guó)制裁日本半導(dǎo)體的故事。

1981年到1984年，日本半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展迅速，手機(jī)、傳呼機(jī)、計(jì)算機(jī)、電視機(jī)、游戲機(jī)等電子設(shè)備每年以100%的速度增長(zhǎng)。

企業(yè)方面，NEC、東芝、日立、三洋、索尼等電子消費(fèi)公司規(guī)模很大，前10的消費(fèi)電子公司占到日本半導(dǎo)體消費(fèi)總量的50%。

資本方面，80年代日本成立了經(jīng)連會(huì)（keiretsu），大銀行和廠商、政府、供應(yīng)商形成了一個(gè)復(fù)雜的關(guān)系網(wǎng)，解決了研發(fā)（R&D）和制造這兩個(gè)投入最大的環(huán)節(jié)融資的問(wèn)題。

政府方面，日本產(chǎn)業(yè)通商省（MITI）1976年就成立了大規(guī)模集成電路（VLSI）計(jì)劃，把基礎(chǔ)研發(fā)集中起來(lái)。

這是要舉國(guó)發(fā)展半導(dǎo)體的節(jié)奏。

1977年，Intel和其他四家IDM企業(yè)在美國(guó)成立了半導(dǎo)體工業(yè)協(xié)會(huì)（SIA）。

SIA不斷向美國(guó)政府游說(shuō)，如果不通過(guò)行政手段干預(yù)，日本半導(dǎo)體產(chǎn)品將摧毀美國(guó)的半導(dǎo)體行業(yè)。1985年，里根政府開(kāi)始通過(guò)301條款要求日本加大對(duì)美國(guó)半導(dǎo)體的進(jìn)口。

然而當(dāng)時(shí)日本半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鐵板一塊，美國(guó)半導(dǎo)體很難進(jìn)入日本的產(chǎn)業(yè)鏈。

于是便有了1987年的美日貿(mào)易戰(zhàn)，美國(guó)對(duì)進(jìn)口自日本的半導(dǎo)體產(chǎn)品加征100%的關(guān)稅，同時(shí)，美國(guó)還拉著英、法、德等歐洲國(guó)家，通過(guò)《廣場(chǎng)協(xié)議》逼迫日元升值，成本的增加直接影響了出口，而后是日本經(jīng)濟(jì)泡沫破裂，直接進(jìn)入了失去的20年。

1987年還發(fā)生了2個(gè)事情，一是韓國(guó)政府扶持三星李健熙進(jìn)入半導(dǎo)體行業(yè)；二是臺(tái)灣行政院提供1億美元幫助的德州儀器高管張忠謀創(chuàng)辦臺(tái)積電。

當(dāng)時(shí)臺(tái)灣還有句諺語(yǔ)：十萬(wàn)青年十萬(wàn)肝，熬夜加班救臺(tái)灣。

晶圓代工行業(yè)的背后絕不是單純的商業(yè)行為，而是充滿(mǎn)了政治博弈，于是在美國(guó)的引導(dǎo)下，晶圓代工逐漸遷移到了國(guó)家體量更小、更好控制的臺(tái)灣和韓國(guó)。

而近期發(fā)生的中美貿(mào)易戰(zhàn)，中興、華為、中芯國(guó)際同樣也遭到了圍堵，美國(guó)國(guó)會(huì)這幾天還通過(guò)了針對(duì)中國(guó)的《全面競(jìng)爭(zhēng)法案》和《無(wú)盡前沿法案》，同時(shí)要求人民幣升值，又拉著歐盟擱置《中歐貿(mào)易協(xié)定》，這和1987年對(duì)付日本時(shí)的手段如出一轍，歷史總是驚人的相似。

半導(dǎo)體行業(yè)是科技商用的前沿，無(wú)論哪個(gè)國(guó)家威脅到美國(guó)的半導(dǎo)體統(tǒng)治地位，他都一定會(huì)出手遏制。

三、封裝測(cè)試

封裝測(cè)試是指晶圓的封裝和測(cè)試。

光刻出來(lái)的晶圓很脆弱，納米級(jí)別的晶圓里面，每平方厘米的面積里集成了100億個(gè)晶體管，控制著100億個(gè)0和1，因此需要在外面放上一個(gè)外殼包裹起來(lái)，這個(gè)過(guò)程叫做封裝。

另外，由于現(xiàn)在的芯片已經(jīng)到達(dá)納米（nm）級(jí)別的了，比如蘋(píng)果最新的A14芯片就采用的5nm制程，硅原子直徑為0.2nm，兩個(gè)硅原子之間的距離才1nm，那么制造過(guò)程稍有偏差，電子就會(huì)亂竄，產(chǎn)生漏電。

測(cè)試階段就是測(cè)試晶圓制造的良品率，成熟制程良品率可以達(dá)到90%以上，而新的制程有時(shí)良品率不到50%。

封裝測(cè)試只占到集成電路行業(yè)產(chǎn)值的16%，三大環(huán)節(jié)中產(chǎn)值最低，毛利率最低，最容易被替代。

中國(guó)在全球封測(cè)行業(yè)占比20%，擁有比較大的市場(chǎng)份額，但是極易被替代。

半導(dǎo)體行業(yè)上游（支撐業(yè)）

半導(dǎo)體行業(yè)的上游是軟件、材料、設(shè)備等支撐行業(yè)。

軟件方面，EDA軟件是支撐芯片設(shè)計(jì)的上游軟件行業(yè)，美國(guó)三家EDA公司鏗騰電子（Cadence）、新思科技（Synopsys）、明導(dǎo)國(guó)際（MentorGraphics）長(zhǎng)期壟斷全球市場(chǎng)，國(guó)內(nèi)的芯愿景等EDA公司還處在初級(jí)階段，距離主流EDA軟件還有很長(zhǎng)的距離。

材料方面，我國(guó)除了濕制程化學(xué)品國(guó)產(chǎn)化程度比較高，其余如硅片、靶材、CMP拋光材料、光刻膠、電子特氣、光掩膜，基本都由美國(guó)和日本廠商壟斷。

設(shè)備方面，北京屹唐的去膠設(shè)備國(guó)產(chǎn)化率可以達(dá)到90%以上，盛美股份、北方華創(chuàng)的清洗設(shè)備國(guó)產(chǎn)化率為20%，中微公司、北方華創(chuàng)、北京屹唐的刻蝕設(shè)備國(guó)產(chǎn)化率為20%，北方華創(chuàng)、北京屹唐的熱處理設(shè)備國(guó)產(chǎn)化率為20%，北方華創(chuàng)的PVD設(shè)備國(guó)產(chǎn)化率為10%，天津華海的CMP設(shè)備國(guó)產(chǎn)化率為10%，上海微電子的光刻設(shè)備剛剛實(shí)現(xiàn)0的突破。

半導(dǎo)體的上游有很多美日歐的隱形冠軍，比如荷蘭的ASML已經(jīng)完成了1nm光刻機(jī)的研制，而我國(guó)的上海微電子才剛剛完成28nm光刻機(jī)的研制，落后了整整8代。

硅基芯片的極限

半導(dǎo)體行業(yè)有個(gè)摩爾定律，每1824個(gè)月單位面積上能容納的晶體管數(shù)量就會(huì)增加一倍，換言之，每?jī)赡辏瑬艠O的寬度就會(huì)以根號(hào)二的倍數(shù)（大約0.7倍）往下遞減。

比如我們說(shuō)的28nm、20nm、14nm、10nm、7nm、5nm、3nm、2nm、1nm。

但是摩爾定律有個(gè)極限，硅基芯片越接近1nm越不穩(wěn)定，容易產(chǎn)生漏電現(xiàn)象，為什么呢，因?yàn)楣柙拥闹睆绞?.2nm，但是兩個(gè)硅原子核之間的距離是1nm，也就意味著如果柵極的寬度在1nm以?xún)?nèi)的時(shí)候，已經(jīng)小于硅原子核之間的距離，電子就會(huì)到處亂竄不受控制。

因此，想要單純從硬件優(yōu)化的角度出發(fā)，不出10年，我們就會(huì)遭遇硅基芯片的極限。

新的硬件方向：碳基芯片和自旋器件

什么是碳基芯片？就是以碳納米管或者石墨烯這類(lèi)碳元素材料來(lái)刻制集成電路。

碳材料最大的優(yōu)勢(shì)就是電子在其中的傳播速度比硅材料當(dāng)中快得多，因此不用把柵極做到7nm、5nm那么小，也可以達(dá)到同樣的信息處理時(shí)間和同樣低的功耗。

我最近看到一些新聞，北大中科院院士彭練矛團(tuán)隊(duì)在碳基芯片上取得一些實(shí)驗(yàn)成果，我國(guó)25歲天才科學(xué)家曹原連續(xù)在《自然》雜志發(fā)表了2篇關(guān)于石墨烯的文章。

目前在研究碳基芯片的國(guó)家只有我國(guó)和美國(guó)。

什么是自旋器件？就是通過(guò)改變電子旋轉(zhuǎn)的方向，從而獲得0和1的轉(zhuǎn)換。

碳基和硅基芯片的電子是從一個(gè)原子跳到另一個(gè)原子，而自旋器件的電子不用跳轉(zhuǎn)，始終圍繞一個(gè)原子核就可以了。

當(dāng)然，不管是碳基芯片還是自旋器件，目前都還是在實(shí)驗(yàn)論證的階段，要大規(guī)模商用，還要解決材料、設(shè)備、軟件等一系列問(wèn)題，在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，還看不到商用的清晰路徑。

我的思考

硅基芯片不出10年就要到達(dá)物理極限，在新材料和新理論沒(méi)有商用之前，芯片行業(yè)將開(kāi)始暫時(shí)的“內(nèi)卷化”。

這時(shí)候半導(dǎo)體上游的設(shè)備和材料升級(jí)可能會(huì)告一段落，因?yàn)榧幢鉇SML研發(fā)出0.5nm的光刻機(jī)，也沒(méi)有地方可以應(yīng)用。

半導(dǎo)體中游的制造和封測(cè)環(huán)節(jié)可能會(huì)集中度繼續(xù)提升，因?yàn)楣杌酒偕?jí)3代就要到達(dá)物理極限，制程升級(jí)已經(jīng)沒(méi)有必要，因此企業(yè)也不需要再進(jìn)行大規(guī)模的固定投入，那么接下來(lái)為了保住訂單，這一環(huán)節(jié)將會(huì)出現(xiàn)價(jià)格戰(zhàn)，頭部企業(yè)才有可能活下來(lái)。因此在制造和封測(cè)環(huán)節(jié)，國(guó)產(chǎn)替代最大的不確定因素不是美國(guó)“卡脖子”，而是美國(guó)“不卡脖子”對(duì)這兩個(gè)環(huán)節(jié)發(fā)起價(jià)格戰(zhàn)，如果是那樣，我們國(guó)產(chǎn)替代所有的投資都將付之東流。

芯片設(shè)計(jì)和半導(dǎo)體應(yīng)用依然是行業(yè)發(fā)展的制高點(diǎn)，在“內(nèi)卷化”之后，誰(shuí)能基于目前制程開(kāi)發(fā)出性能更高，更符合應(yīng)用需要的芯片，誰(shuí)就能掌握下一個(gè)時(shí)代的話(huà)語(yǔ)權(quán)，也因此蘋(píng)果、華為早早就布局芯片設(shè)計(jì)，不得不佩服喬布斯和任正非的遠(yuǎn)見(jiàn)。

另外，下一代應(yīng)用是可穿戴設(shè)備還是腦機(jī)接口，目前也還是未知數(shù)。

喬布斯1977年組裝了世界上第一臺(tái)個(gè)人電腦，由此開(kāi)啟了PC時(shí)代。2007年，喬布斯在發(fā)布會(huì)上向人們介紹了第一代iPhone，又開(kāi)啟了智能手機(jī)時(shí)代。

兩次半導(dǎo)體應(yīng)用的突破，極大的推動(dòng)了消費(fèi)者的需求，從而使芯片行業(yè)40年來(lái)獲得充足的資金投入不斷升級(jí)。

推動(dòng)社會(huì)進(jìn)步的兩大動(dòng)力，一是技術(shù)進(jìn)步，二是觀念升級(jí)。

技術(shù)進(jìn)步的邊緣是基礎(chǔ)科學(xué)的突破，觀念改變的邊緣是藝術(shù)的嘗試。

在下一個(gè)集藝術(shù)和技術(shù)于一身的天才出現(xiàn)之前，蘋(píng)果仍是電子消費(fèi)領(lǐng)域的統(tǒng)治者。

而擺在我國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)面前的路有兩條，一是堅(jiān)持獨(dú)立自主，想辦法在下一個(gè)時(shí)代彎道超車(chē)；二是和以前一樣，融入美國(guó)主導(dǎo)的國(guó)際體系，放棄尖端科技，老老實(shí)實(shí)做“世界工廠”。

第一條路，就需要我們深化改革、擴(kuò)大開(kāi)放，不然像華為一樣，即便造出最先進(jìn)的手機(jī)和設(shè)備，別人也不敢用。

而第二條路，就需要我們放棄最尖端科技的研究，像現(xiàn)在的歐洲和日韓一樣，老老實(shí)實(shí)做二等公民。

第一條路難而正確，第二條路也不會(huì)輕松。

長(zhǎng)期來(lái)看，芯片行業(yè)對(duì)于國(guó)家來(lái)說(shuō)，是個(gè)好行業(yè)，而對(duì)于股票投資者來(lái)說(shuō)，除了蘋(píng)果，其他公司都充滿(mǎn)了不確定性。