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中国“芯痛”终极十问:我们能造原子弹,却造不出一枚小芯片?
2021-03-11 11:19:29   来源:    点击:
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近期,一股缺芯潮流席卷全球,很多行业都面临着无芯可用的情况。比如晶圆厂8英寸和12寸晶圆都处于全球性的紧张状态,芯片面临着供需失衡的局面。

早在2020年12月,大众公司就曾警告称,由于半导体短缺,2021年第一季度公司将遭遇大规模生产中断,届时将调整中国、北美和欧洲工厂的生产。虽然部分业内人士已经预料到芯片将面临短缺的状况,但显然缺芯潮已远远超出了行业预估,减产效应正在全球多个行业之间蔓延。再加上美国寒潮和日本地震的影响,让本来缺芯的状况雪上加霜。

而近期,美国接连对中兴,华为,中芯国际等企业实施封锁,导致国内的芯片行业也陷入困境。这些种种现象,都不得不让我们关注到一个大问题:全球面临着缺芯的局面!为什么造芯是一件如此困难的事情?针对缺芯和造芯,我们主要有十个主要问题要重点关注。

Q1:现在缺的是什么芯片?是汽车芯片还是手机、电视等消费电子芯片?

A:目前芯片的短缺已经蔓延到了多个行业,包括手机、平板、游戏机、个人电脑等消费电子产品,汽车行业应用的传感器,MCU等。除此之外服务器挖矿用的显卡也非常紧缺。手机供应链人士透露,高通全系列物料的交付期限已延长至30周以上,其中CSR蓝牙音频芯片的交付周期已达33周以上。高通的客户包括小米,华为,诺基亚等众多国内外公司,可以预见的是,多家终端商的交货也会受到影响。而小米集团副总裁,红米Redmi品牌总经理也在微博表示,今年的手机芯片极缺!近日红米K40采用了高通骁龙888和875处理器,目前在官网及电商平台也是一机难求!

据悉,大众,本田,福特,丰田等车企已经减产。根据调研机构IHS Markit最新报告,芯片短缺预计将导致今年第一季度全球近100万辆轻型车辆延产。

Q2:缺芯主要是哪个环节的问题?是原材料供应还是生产环节,还是测试等其他的环节?

A:缺芯主要还是属于制造环节。目前在高端芯片领域,全球的主要产能都在台积电和三星。也只有这两家能制造7nm及5nm的芯片。但是IC设计公司的订单已排满了,包括高通,苹果,英特尔,AMD,英伟达等。在中低端领域,由于新能源汽车,自动驾驶,IoT等行业的兴起,对芯片的需求也有所增加。而设计和封测环节并不是此次缺芯的原因,封测在芯片整个产业链相对简单,注意只是相对,也是国内优先发展的方向,目前国内封测在全球也处于领先地位。

Q3:是什么原因造成的缺芯?是疫情还是芯片的生产周期问题、供需不平衡问题,抑或是政治问题?

A:缺芯的原因很复杂,其中疫情的影响最大,主要体现在两方面。一方面是因为去年疫情的爆发,隔离的需要,很多Foundary和其上游的材料供应商不得不停工,造成交货周期延长。另一方面是因为疫情以来,很多公司采取在家办公,同时学生在家上网课,这就导致笔记本、平板电脑需求量的显著提升。

当然缺芯还有其他的原因,2020四季度以及2021年是5G手机大面积铺开的时间,换机潮的来临也让手机市场异常活跃。在这种背景下,囤芯片也成为了一种趋势,这造成供需失衡,进一步加剧了芯片的短缺。

Q4:当前的解决方案是什么?生产手机芯片的流水线,能否用来生产汽车芯片?或者是生产汽车的芯片来生产手机芯片?预计多久能缓解这个问题?

A:当前芯片短缺的问题受到了全球的关注。目前想直接通过增加产线,扩大制造规模解决芯片短缺问题很困难。因为芯片制造流程极其复杂,需要光刻机,刻蚀机等众多高精密仪器的支持,同时需要大量的高端人才投入进去,这其中消耗的资金都以数十亿计!在新冠疫情和美国制裁等黑天鹅事件的背景下,芯片制造商能做的有限。如果盲目扩张产线,订单填不满,就可能会带来巨额亏损,在芯片短缺缓解以后,过剩的产能同样会面临诸多问题。

基于此,台积电表示,可以通过优化芯片生产流程,以提高效率,进而增加产能。为了缓解国内汽车芯片的短缺现状,2月26日,我国工信部牵头相关单位编制了《汽车半导体供需对接手册》,收录了59家半导体企业的568款产品。覆盖计算芯片、控制芯片、功率芯片、通信芯片等10大类,53个小类产品,占汽车半导体66个小类的80%。《手册》还收录了26家汽车及零部件企业的1000条产品需求信息。这样在供应侧和需求侧之间,由政府搭建起桥梁,可以缩短供应链,缓解芯片的短缺问题。

手机处理器一般都用的是14nm以下的先进制程,而汽车所用到的芯片大多是14nm以上的成熟工艺。芯片在设计之初就要确定工艺制程,比如我们设计一款5nm的手机芯片,设计完成后,把GDSII文件交付给28nm的汽车芯片产线,会导致很多电气和工艺参数不匹配,导致无法生产。在目前手机芯片和汽车芯片都处于短缺的状态下,需要分别提高其产能,从一方为另外一方挪用产能并不是一个很好的策略。

根据业内分析师提供的数据,目前全球芯片的需求比产能高约10%~30%,要填补这个缺口,制造商需要3~4个月提升产能。测试芯片封装到系统应用,可能需要近半年的周期,产品再到消费者手中,可能需要一年时间,乐观估计的话,缺芯的状况可能持续到2022年第一季度。

Q5:本轮的芯片危机,更多是暴露了中国芯片产业存在的短板,还是更多展示了中国芯片产业存在的机会?中国芯片产业在这一轮危机下,应该重点做什么?侧重生产汽车芯片,还是手机芯片?

A:本轮芯片危机,既暴露了我国芯片产业的短板,我们也从中看到了巨大的机会。

从贸易角度来看,在过去我国的关键芯片长期依赖进口,中国芯片多年进口总额超过了石油。2019年中国芯片进口总额约3000亿美元,而石油进口总额约2400亿美元。操作系统、高端光刻机仍被国外公司垄断,90%以上传感器来自国外。以手机SoC芯片为例,手机终端商如果使用高通手机芯片,除了要支付芯片购买费用外,还需向高通缴纳专利使用费。即使手机终端商不使用高通芯片,仍需要向高通定期报备手机出货情况,并缴纳专利费。高额的进口费用,也造成了每年2000多亿的贸易逆差。

从发展角度来看,国际局势风云变化,半导体供应链脆弱,任何一环出问题都会严重影响到整个产业链。无论是汽车芯片还是手机芯片都存在随时断供的风险。所以芯片的国产替代化势在必行。从国家的层面来看,目前已经出台了一系列政策,比如把集成电路设为一级学科,给予半导体企业税额的减免,建立集成电路标准化委员会等。但是仅仅这些还不够,集成电路是一个前期投资高,回报周期长的行业,很多公司在最初几年很难盈利,即使流片成功,如果销量不佳依然会面临亏损的尴尬局面。所以个人认为国家可以加强政策上的激励,从而为行业注入新的活力。与此同时,要加大监管力度,设立准入门槛。近年来,芯片烂尾的现象频发,在中美半导体产业博弈的关键节点,这样的行为可以说造成了极为恶劣的影响!

半导体作为技术密集型的产业,也希望国家能建立一套完整的知识产权保护机制,在半导体产业链的薄弱环节,积极鼓励创新,营造良好的产业环境。比如,EDA作为芯片设计的支撑点,我国起步的较早。1993年,我国集成电路设计中心发布了首套EDA工具 “熊猫系统” ,但是因为各种原因,发展缓慢,时至今日,也只是在芯片设计的某些点具有不错的工具以及优化能力,缺少全面支持产业发展的工具。目前,国内的EDA市场大部分都被三大EDA厂商Cadence,Synopsys和Mentor瓜分,国内的芯片设计严重依赖于国外的EDA。

(注:2020年全球EDA市场占有率)

EDA企业可以先从某点入手,比如芯禾科技,在后端方面水平突出,国家可以多引导国内的中小企业使用,然后再争取境外高端客户,以客户需求驱动发展,实现产品的快速迭代,进而形成良性的生态循环。

与此同时,要加强国际方面的合作。美国对中国芯片的一系列制裁,也间接的打击了欧洲的半导体公司。从最近的新闻“欧洲17国联合发展半导体”来看,欧洲也在寻求半导体破局。而中欧合作,是一个双赢的局面。对欧盟来说,中国拥有全球最大的半导体市场,这么大的一块蛋糕是非常具有吸引力的。而对中国来说,目前的半导体技术与国际的先进水平还存在较大差距,短时间内无法完全靠自己实现独立自主。而与欧盟合作,不仅可以弥补我们技术的短板,也会大大促进我国半导体技术的发展。

Q6:国际的芯片巨头,在这一轮危机中应该做什么?

A:对芯片设计公司和终端需求公司来说,要合理地安排产品的生产节奏,调整备货周期,增加供应商选择,优化供应链布局,从而提高公司的抗风险能力。对制造公司来说,优化制造流程,尽快提高产能为当务之急。从公司之间来看,在这场全球缺芯的危机中,国际的巨头应该保持开放合作,才能更快的缓解目前的局面。

Q7:美国寒潮和日本地震对这次缺芯危机的影响有多大?主要影响的是什么芯片?

A:美国德州是半导体大州,拥有15家晶圆代工厂(FAB),著名的德州仪器总部就坐落于此。除了德州仪器,此次受影响的半导体企业包括三星,恩智浦,英飞凌,Skorpios,X-FAB,Qorv,以及知名的模拟芯片代工厂TowerJazz等。

美国半导体FAB分布 图片来源:SIA(美国半导体工业协会)

据悉,目前关闭的工厂主要是位于奥斯汀的5家FAB厂,分别为三星12英寸厂(建于1996年)、恩智浦橡树山8英寸厂(1991年投产)、恩智浦奥斯汀技术与制造中心8英寸厂(1995年投产)、英飞凌8英寸厂(1995年投入使用)以及Skorpios 12英寸工厂(1989年投入使用)。

三星位于奥斯汀的12寸晶圆厂,是三星较老的制造厂之一。其主要工艺节点为14nm、28nm等,主要生产DRAM、NAND等存储芯片和系统芯片,同时也为美国芯片商提供代工服务,约占三星逻辑芯片总产能的28%。根据其工艺技术可知,该工厂目前并未制造先进工艺的芯片,比如7nm及5nm的芯片。而三星10nm及以下的先进芯片仍主要在韩国本土生产,亦不会受到德州断电危机影响。最近,三星赴美建厂的消息传的沸沸扬扬,新晶圆厂的计划被称为Project Silicon Silver(PSS), 预计新晶圆厂将设计用于先进的3nm工艺节点。该新工厂原本计划在今年第二季度破土动工,最早预计在2023年第三季度投入运营。不知这一计划是否会因断电事件有所延误。

恩智浦在奥斯汀的两家工厂主要生产各类传感器,微处理器(MPU),微控制器(MCU)等。这些芯片主要应用于汽车行业。根据半导体行业观察的数据,MCU在传统的燃油汽车的半导体器件中占比为23%,可见MCU在汽车中的重要性。

英飞凌坐落于奥斯汀的工厂是收购赛普拉斯的晶圆厂,其主要生产13nm的存储芯片(NOR Flash),其也主要应用在汽车和工业市场内存芯片,占公司去年总营收的5%。虽然营收不高,但是基于目前芯片短缺的现状,无疑进一步加剧汽车芯片缺货趋势。而日本东北地区地震,也造成日本汽车芯片龙头瑞萨电子宣布茨城工厂暂停生产,信越化工、三井化学等为芯片制造商供应原料的化工企业在福岛地区的工厂也暂停生产。

Q8:如何看待3月3日中芯国际与ASML签订12亿美元的协议购买光刻机?这次能购买到极紫外光刻机(EUV)吗?

A:目前这份协议并未透漏具体是什么型号的光刻机,但大概率是DUV光刻机。EUV光刻机所需要的极紫外光源是由美国Cymer提供的,目前还受美国的出口管制,所以不会出售给中国。

(图片来源于网络)

即使是DUV光刻机,也分很多个型号,预计这次的采购会包含NXT 1980Di,NXT2050i等高端型号,可以用于制造14nm或者制程更先进的芯片。

这次和ASML协议的签订,说明国内的DUV光刻机并未成熟,需要从国外引进。但可以预知的是,国内DUV光刻机在某种程度上也取得了一定的进展,否则也不会允许ASML向中国出口DUV光刻机。

此次协议的签订,对国内的的芯片制造来说是有利的。中芯国际可以继续研发14nm及以下的工艺,同时为中端芯片带来更多的产能,缓解目前芯片短缺的压力。

Q9:有人说中国能造的出来原子弹、天问一号、嫦娥,却造不出来芯片,这些东西和芯片有可比性吗?

A:中国不是造不出来芯片,而是不具备先进工艺制程如7nm,5nm的芯片制造能力。而在高端芯片制造上面,依赖ASML的光刻机。

目前先进工艺制程的芯片主要用于消费电子产品,如手机,平板,电脑等。而在我国的军用,国防以及航空航天等领域,使用的芯片都是成熟工艺,比如90nm,65nm等,这些芯片的特点是要抗干扰性强,并且不太在乎芯片的面积。所以并不要求最先进的工艺。可以说这些芯片完全是自给自足的。

与其说芯片与原子弹哪个更难造,不如说光刻机与原子弹哪个更难造。

ASML光刻机采用了多个国家顶尖技术与高精尖硬件,光源技术是美国的、光学设备是日本的、轴承是瑞典的、阀件是法国的、机械工艺和蔡司镜头是德国的、制造技术则是来自台积电和三星。

(图片来源:ASML)

所以现如今最好的光刻机其实并不是一个国家的技术,而是整个西方最先进的工业体系,托举起了如今的ASML。所以其难,难在要光刻机所需要所有零部件都达到国际一流的水准,难在产业链中。

原子弹难在原材料不足,需要国家的基础工业支持以及众多高层次的科技人才参与,还有一个就是政治因素。虽然原子弹也难,但两者对于一个国家的意义是完全不同的。一个是搞出来就能存活下来,一个是只有最优秀的能存活下来。氢弹是军用品,没有商业竞争,也不需要考虑消费者是否满意。而光刻机是商品,最终看的还是经济收益。

所以说,光刻机和氢弹的难度方向,以及战略意义不在一个方向上,也无法简单的去比较。

Q10:我国能研发出成熟的光刻机吗?要多久?

A:事实上,我国已经有自己的光刻机了。目前最先进的光刻机是上海微电子装备(SMEE)的90nm制程光刻机。据传,今年将交付可以制造工艺为28nm芯片的光刻机,不过,目前并未有任何相关的消息。

(图片来源:大众新闻网)

目前我国产业的困境在于高端光刻机,包括DUV和EUV等。但并不意味着我们没有机会。光刻机的原理其实并不难,追赶比创新容易得多。也许第一台EUV光科技的研发需要大量的金钱和科研资源投入,但是如果知道了原理,或者有原理图后,再模仿出来一台光刻机要容易很多。并且,时间在中国这边。半导体技术已经接近成熟。新技术的发展放缓,中国就有机会迎头赶上。只要加快科研经费以及人才的投入,稳扎稳打,相信未来十年我们可以达到世界先进水平。

此次的缺芯潮显然是处于各方都始料未及的一个状态,而芯片短缺造成的后续影响也不断凸显。据伯恩斯坦(Bernstein Research)研究机构表示,由于 2021 年全球范围内的汽车芯片短缺,预计将造成 200 至 450 万辆汽车产量的减少,这相当于近十年以来全球汽车年产量的近 5%。我国作为拥有最大汽车市场的国家,自然也收到了严重的冲击。在未来,车企如何构建零件采购体系,芯片行业如何自主可控成了我们必须要面对的问题,而在消费电子产品方面,未来一年也将面临涨价的隐患。但是,我们作为消费者也不必过于恐慌,毕竟缺芯只是一种暂时的情况。

面对芯片卡脖子的问题,国家层面也给予了高度重视。两会期间,政协委员周玉梅表示,我们国家跟世界拥有先进技术的国家相比仍然存在差距,这表明我们需要加大加快投入力度,重视技术研发和芯片改造升级。集成电路是从业人员的长征路,科技工作者一直在与时间赛跑,我们的芯片从无到有,从有到成,不断前进。集成电路产业对一个国家来说至关重要,关乎现在也影响未来,希望能有更多的目光关注集成电路产业,更多优秀人才投身于集成电路产业,也希望更多学子能够报考集成电路专业,为国家培养更多的技术人才。

过去十年,我们在半导体领域已经取得了长足的进步,未来十年,中国芯片也存在着巨大的发展空间。芯片已经渗透到了人们生活的每一个部分,新技术如5G,人工智能,VR,边缘计算的出现也必将带来巨大的市场,而国产替代化,也将催生一大批新的半导体企业。只要我们稳扎稳打,刻苦攻坚,就一定会迎来属于我们自己的“芯”时代!

(转载:腾讯财经)

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