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解读中国芯片真实水平 与世界顶尖差多少?

http://www.ec.hc360.com2018年05月15日09:42 来源:互联网T|T

    总体来说,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。但的确有些高端的产品难以买到,主要集中在高端DSP、高端AD/DA变换器等领域。

    最近中兴公司被美国政府禁售电子元器件,网上对我国的电子元器件行业的讨论突然多了起来,各种自媒体也批量制造大批文章,但是很多消息并不准确。我觉得我应该写点什么了。

    本人是无线电专业本科,留学的通讯硕士专业,近二十年都做通讯行业的研发和管理工作,以软件为主,硬件也长期接触供应链,平时注意搜集电子元器件行业的新闻,所以有一些心得。由于本人实际上不属于电子元器件行业,文章中有差错在所难免,不过我相信大方向是不会错的。

    总体来说,我国电子元器件行业近年来进步很大,尤其在军用电子元器件上,但是行业整体仍然面临很多挑战,不缺钱,主要缺技术积累,缺人才,仍然需要很长时间才能赶上世界先进水平。对我国电子元器件行业的前景,我是谨慎乐观的。

    什么是电子元器件

    电子元器件所包含的产品范围非常广阔,从用量最大的各种电阻电容电感,到各种集成电路(CPU,FPGA,DRAM,Flash闪存芯片等等),再到各种屏幕,各种接插件,连接器,各种光电元器件,感光元器件,摄像头模组,各种电机,麦克风,各种射频元器件(射频功放,滤波器,分频器,开关器件,天线,电缆等等),各种传感器,各种功率器件,等等等等,甚至一些生产电子产品的材料都算,范围超过一般人想象。当前世界上正在量产的电子元器件SKU有两三千万种,如果加上过去几十年间人类总共生产过的电子元器件,估计SKU有1.6亿种以上。

    电子元器件的生产厂家全世界也有大大小小数千家。有大厂如三星和英特尔,员工数十万人,也有小厂只有几个人(这还不算我国大量的山寨企业)。是的,有些欧美名牌射频天线和波导产品的生产企业员工只有十几到几十个人,名副其实的作坊式企业,但技术都有独到之处。  

    从生产厂的投资额来讲,需要投资最大的是拥有最先进工艺的集成电路厂和各种屏幕厂,投资额基本在数百亿人民币到一千多亿人民币,这是建设一个厂的价格!当然,如果不选择最先进的工艺,投资额要小很多。实际上大部分的集成电路产品并不需要采用最先进的工艺,这点我下面详细讲。

    大量的电子元器件品种并不需要像生产集成电路那样的生产设备,也不需要那么大的投资。这些电子元器件说白了就是对金属和一些材料的高精度加工,但要做好并不容易。下面举几个例子:

    我们最常见,最低档的,电子产品中用量最大的电阻和电容。普通民用的电阻和电容有两大特点:

    第一,需求量极大,每个电路板少则用几十颗,多则用几千颗。第二,价格极其低廉,贴片电阻和电容都是用纸带包装卷在圆盘上卖,可以直接用在SMT机的进料口上,国产货通常五千,一万颗一卷的卖十几元到几十元。没错,每颗的价格还不到人民币一厘钱。

    但是,请记住,无论这类元器件有多便宜,只要焊到你的电路板上,只要有一颗坏了,就会让你整个电路板报废,无论你的电路板有多值钱。所以,我国的电子产品生产大厂,尽量避免使用国内小厂的电阻电容产品,宁愿使用进口的如三星,TDK等名牌厂家的产品,因为实在承担不起损坏的风险。

    TDK和三星等名牌厂家的电阻电容,虽然他们的生产厂投资都不像集成电路那么大,我国中小企业一样能投资得起,但在材料配比,生产工艺方面人家也有长期的积累,人家就是能生产几百亿颗都保证质量的一致性,次品率极低。这是国内厂家所达不到的。据说有国内厂家去挖日本和韩国的电阻电容工程师,人家给多少钱都不来。所以虽然这类产品非常简单,但直到现在国内厂家在质量上还是赶不上欧美日韩台企业的产品。

    今年年初以来,由于种种原因,国内国际的电阻电容产品价格暴涨了好几倍,华强北又暴富了一批炒货的人,我国各大电子产品生产企业非常头疼却没有办法。

    再举一个例子,射频滤波器和波导类产品。这类产品除了有几个大厂外,还有大量的欧美日中小企业生产。这类产品是通过电磁波的辐射,传播,反射,感应等原理来工作的,基本上就是金属材料加工而成。在一个电路板上有几条导线排成特殊的形状,有特殊的尺寸,封装到外壳里,焊接到电路板上就能起到滤波器的作用。这类产品的生产设备也简单,也不需要大量投资,我国中小企业也投资得起。但是,为什么金属线排成这样就能滤波?为什么形状稍微变化一点性能就急剧下降?这里面有大量的基础知识和经验积累,即所谓的know-how,那些欧美名牌企业都是积累了几十年的经验,有他们的核心技术,我国在这方面积累实在太少。欧美日这类企业往往养着一批有多年经验的老工程师,五六十岁的都有,人家一辈子就干这个,生活平静,一心做技术.这样的人靠砸钱是很难挖出来的.。这里我想问一下国内的电子产业或者IT产业,中国有这样的社会环境,能让五六十岁的普通工程师安心做技术,同时享有较高的社会地位么?中国媒体上净是”30岁的总裁身价十几亿,你再不创业就晚了”“存款几千万才能财务自由”……有几个工程师能安心到五六十岁还做技术?有几个企业愿意养这样的老工程师?

    总之,电子元器件的品类太多了,即使是生产厂投资不大的,我国也缺乏技术积累,没有办法很快赶上去。关键是缺乏这方面的人才,很多时候,人才靠钱来挖都是挖不到的。

    集成电路是怎么回事

    这是重点。先来一段百度百科上的介绍:

    集成电路(integratedcircuit)(缩写IC)是一种微型电子器件或部件。采用一定的工艺,把一个电路中所需的晶体管、电阻、电容和电感等元件及布线互连一起,制作在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上,然后封装在一个管壳内,成为具有所需电路功能的微型结构;其中所有元件在结构上已组成一个整体,使电子元件向着微小型化、低功耗、智能化和高可靠性方面迈进了一大步。它在电路中用字母“IC”表示。集成电路发明者为杰克·基尔比(基于锗(Ge)的集成电路)和罗伯特·诺伊思(基于硅(Si)的集成电路)。当今半导体工业大多数应用的是基于硅的集成电路。

    集成电路技术包括芯片制造技术与设计技术,主要体现在加工设备,加工工艺,封装测试,批量生产及设计创新的能力上。

    下面是我自己写的:

    人人都听说过摩尔定律,当价格不变时,集成电路上可容纳的元器件的数目,约每隔18-24个月便会增加一倍,性能也将提升一倍。有一段时间,人们说摩尔定律失效了,英特尔自己都做不到了,也有人说实际上IC行业发展比摩尔定律更快了。不论如何,全球半导体企业一直投入巨资研究新的制程工艺,其标志就是集成的半导体元件的线宽。每一次制程工艺的进步,都带来更小的线宽,更小的功耗,更高的工作频率,能够集成更多的元件,有更强的性能。

    线宽: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。

    投资和行业:摩尔定律只告诉你了IC工艺如何进步,但没告诉你建造IC工厂的投资如何增长。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,等等等等。网上有人说华为海思的芯片是台积电代工的,所以华为海思不牛,这个观点是错的。通讯行业霸主高通就没自己的IC厂,所有产品都是台积电或者三星代工生产的,你敢说高通不牛?华为不止是手机CPU是自己设计,它的网络产品中用的交换机芯片,路由器芯片,和电源管理等等很多芯片都是自己设计找FAB厂代工的。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。

    中国的IC行业水平:

    这里就是重点中的重点了。中国的经济实力是在最近十年左右才爆发性增长的。由于ICFAB工厂所需投资额巨大,十几年前中国实际上没有多少钱投入,水平落后是必然的。再加上科研体制的问题,早期有一帮公司靠打磨进口芯片冒充自己的产品,造成了极其恶劣的影响,首当其冲的就是“汉芯”,以至于网上一有新闻说中国什么芯片获得突破,立即有人蹦出来说:是打磨掉人家的标打上自己的标的吧?这种情况直到近些年才有所改观。

    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,时间上落后三年多(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。但是美国政府又的确有禁运的指示。那么,到底禁运不禁运?这个问题得这么看:ASML每年光刻机的产量只有不多的几十台,每台卖一亿多美元,只能优先供应它的主要股东。对,就那三个最先进的IC厂家:三星、台积电、英特尔,中国企业如果订货得排在后面等,交货期将近两年,交货后生产线调试,工艺调整还要一年左右,加到一起,从下订单到量产要至少三年。这样通过正常的商业逻辑和流程,就能达到美国政府制定的,让中国落后于最先进IC工艺至少三年的目标。那美国政府何必要蹦出来说禁运呢?

    但是在这里必须说明,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生产工艺异常复杂,是人类目前生产的最复杂的产品,没有之一,有了最先进的生产设备,就比如给了我最高级的画笔和颜料,我仍然画不出一幅能看的画来,因为我根本不会画画,不知道怎么落笔,怎么钩线,怎么涂色。用IC生产设备生产IC,需要经过大量的工艺研发,需要知道用什么材料,制作成什么形状,怎么布局,等等,才能保证良品率。而中国懂这些技术的人才太少太少。中国自己的大学微电子专业离业界先进水平太远,培养出的合格工程师太少。这也解释了,为什么中国的IC制造企业大量高薪挖台湾日本韩国的IC制造人才。指望买到最先进的生产设备,短时间就赶上世界最先进水平是不现实的。技术的积累和人才的培养都需要很长时间。

    那么到底有没有机会赶上呢?也许未来5年左右是个弯道超车的机会,但要看运气。原因在于,新一代制程工艺对于半导体线宽的缩小不是无限制的。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。各大领先企业都投入巨资研发全新的工艺和技术,试图突破这一限制,媒体上经常能见到某某公司又有什么突破。但到目前为止,还见不到实用的技术突破。所以,也许,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。但是也有可能,未来5年真会有技术突破,那么领先企业还会继续领跑,中国还得在后面苦苦追赶。

    不过IC制程工艺未来有一个发展方向是实用的并且已经在闪存行业应用了:那就是向多层发展,3D堆叠。目前三星已经量产64层堆叠的NANDFlash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NANDFlash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。

    但是,除了对速度和功耗有极致要求的一些IC需要追求最先进的制程工艺外,比如各种CPU和GPU等,其它大部分的IC产品实际上并不需要使用最先进的制程工艺。实际上,目前业内公认性价比最高的制程工艺是28纳米,而这一工艺正在被中国大陆企业掌握。还有一个事实就是,28纳米工艺的营业额目前是台积电所有工艺里最高的。只要把这块市场拿下,做大,中国的IC企业就能占据大半江山了。

    再说说FABLESSIC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IPcore),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970CPU开始向联想K9Plus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IPcore,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。

责任编辑:刘婷婷8

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