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中国芯片的极限突围

中国芯片的极限突围

2018年初,日本时报发表了一篇《为什么中国造不出像样的半导体?》的文章,提到中国大陆目前是世界最大芯片市场,但国内使用的半导体只有16%是国产,大陆每年在芯片进口上要花2000亿美元,甚至超过了石油进口。

  文章还提到中国大陆在发展芯片的路上有以下障碍:

  1、时间障碍: 中国大陆在70年代才开放商业,而现代芯片是1958年左右发明的,存在20年的发展时间差;

  2、资金障碍: 几十年来,劳动密集型产业是中国大陆致富的途径,而半导体需要动辄几十亿的前期投入,而且要10年甚至更久才能见效,鲜有中国企业有这等财力或经验能进行这种理性投资;

  3、技术障碍:日韩可以从美国购买技术或者与之结成伙伴关系,但中国大陆没法那样做,收购美国半导体公司常被否决,日韩等也对中国大陆的收购采取类似严厉的审核。

  从以上陈述,我们大概能知道为什么国家在芯片上这么焦虑。

  芯片对于国家是头等大事,但对于一个普通人却远在天边,很多人不知道芯片到底是个什么玩意,这里挖数试着通俗讲一下。

  芯片的由来

  说到芯片,这也跟发明大王爱迪生有关,1883年,爱迪生正在为寻找电灯泡的灯丝材料而犯愁,他无意中做了一个小小的实验,在真空电灯炮内部碳丝附近装了一小截铜丝,希望铜丝能阻止灯泡的碳丝蒸发。

  实验失败了,但却发现没有连接在电路里的铜丝,竟能因接收到碳丝发射的热电子而产生微弱的电流,他为这一发现申请了专利,命名“爱迪生效应”。

  后来爱迪生的助手,英国物理学家约翰·弗莱明利用“爱迪生效应”发明了世界第一只电子二极管,又称真空二极管。

  电子管起到对电流信号的放大作用,是早期电视机、收音机等电子产品不可或缺的元件,但电子管的体积跟手掌一样大,耗电又多,世界上第一台计算机就是用电子管做的,用了1.8万只电子管,占地170平方米,重30吨。

  为了把电子管的体积缩小,1947年美国贝尔实验室的三个科学家肖克利、布拉顿和巴丁发明了可以替代电子管的晶体管,这是一种用锗和硅等材料做成的元件,它可以做的非常小,有多小呢? 用现在的技术,60亿枚晶体管所占的面积不过是一张银行卡的大小而已。

  三个人因此而获得了1956年的诺贝尔物理学奖。

  有了晶体管,各种电子设备才可以做得足够小,但晶体管是分散独立的,大批量制造耗时耗力,1958年美国德州仪器的工程师杰克·基尔比发明了集成电路,这种技术可以把很大数量的晶体管印刷到一块硅片上,从而实现了晶体管的规模化生产。

  基尔比和他制作的第一块集成电路

  基尔比由此获得了2000年的诺贝尔物理学奖,而集成电路也就是我们常说的芯片。

  芯片是把晶体管等器件小型化,并集成到一块硅片(又称晶圆)上的一种电子器件,它是一种非常精密的器件,对制造工艺的要求非常高。

  英特尔和高通

  英特尔是PC的芯片霸主,高通是手机的芯片霸主,提到芯片都绕不开这两家美国公司。

  1.英特尔

  1955年,上文提到的晶体管发明者肖克利离开贝尔实验室,在硅谷创建了肖克利半导体实验室,后来公司的八名员工联合辞职,于1957年创建仙童半导体公司,到了1968年,仙童半导体其中两位创办人罗伯特·诺伊斯和高登·摩尔辞职,同年创建英特尔公司。

  随着个人计算机崛起,英特尔将自己的业务专注到个人计算机的芯片,也就是CPU,从此业绩起飞,成为全球在PC领域最有利可图的硬件供应商。

  90年代PC开始普及时,英特尔的股价也跟着飞涨,巅峰时期的市值达到 3233亿美金,垄断了全球PC芯片超过90%的市场份额。

  英特尔目前在PC芯片的主要竞争对手是AMD,有趣的是AMD也是仙童半导体的离职员工创建的。

  1965年,上文提到的英特尔创办人之一高登·摩尔在《电子学》杂志发表了一篇文章,预言半导体芯片上集成的晶体管和电阻数量每年将增加一倍,这就是著名的“摩尔定律”。

  2.高通

  1985年由美国加州大学圣地亚哥分校的两位教授创立,一开始主要专注于无线电通信技术的研发,积累了非常多这方面的专利。

  随着智能手机的崛起,高通开始了手机CPU的研发,2007年发布了第一款骁龙芯片,随后骁龙芯片迅速适用于各种智能手机、平板电脑和智能手表。

  截至2017年底,高通在智能手机芯片的市场份额是 42%。

  其股价随着智能手机的普及而狂飙,截至目前的市值是928亿美金。

  高通2017年收入为222.9亿美金,其中65%来自中国大陆,可见我们对芯片进口的依赖。

  日本、韩国、中国台湾接棒

  1.日本

  冷战期间,为了对抗苏联,美国开始了对日本的大规模援助,由此日本以极低廉的价格获得了美国大量技术授权,其中就包括晶体管的技术。

  在政府的补贴下,日本晶体管得到突飞猛进的发展,1959年,日本包括索尼、NEC、三洋、东芝在内的企业一年生产了8650万颗晶体管,这一规模已经超过了技术发源地美国。

  1960年日本利用逆向工程的方式研发了日本第一块集成电路,这距离集成电路在美国的发明仅过去2年。

  1962年,日本的NEC公司从美国仙童半导体公司那以技术授权的方式学会了集成电路的批量制造工艺,在日本政府主导下,NEC又将技术开放给了三菱、京都电气等公司,由此日本芯片产业正式起航。

  到了1989年,日本芯片在全球的市场占有率达到53%,超过了美国的37%。

半导体企业

  1990年全球十大半导体企业,日本占了6席,数据由云锋金融整理

  日本的快速发展惊动了美国,为了改善美国本土的贸易逆差,美国与日本及另外3国签订了《广场协议》,加速了日元的升值。

  由于日元快速升值,芯片出口变得无利可图,日本国内资金转而涌入了房地产和金融,泡沫越来越大,最后泡沫破裂,日本进入“失落的十年”,芯片行业从此一落千丈,而美国也在1993年重新夺回芯片份额全球第一的地位。

  日本的衰退给了同样拿到美国技术授权的韩国和中国台湾可趁之机。

  2.韩国

  由于战争原因,韩国起步晚,1969年,当日本的NEC、三菱已经在批量生产集成电路时,韩国的三星还只是一家经营纺织、化肥、制糖的传统公司。

  在朴正熙的铁腕治理下,韩国以举国之力发展芯片,80年代,韩国电子通信研究所牵头,联合三星、LG、现代和韩国的6所大学,一起对DRAM(内存)这个芯片领域进行技术攻关,投入了1.1亿美元的研发费用,其中政府承担其中的57%。

  1983年,三星电子在韩国本土投产了全国第一座半导体工厂。

  为了平衡日本,美国大力扶持韩国,短短3年时间就援助了韩国超过20亿美金,并且在技术授权方面非常慷慨。

  到了1989年,韩国的三星成功实现了4M DRAM的量产,与日本几乎同个时间投放市场,自此韩国成功追上日本。

  日本泡沫期间,韩国开始疯狂扩张,1990年开始,三星建立了26个研发中心,LG建立了18个,现代14个,在芯片领域的研发投入从1980年的850万美金飙升到1994年的9亿美金,专利数方面也从1989年的708项飙升到1994年的3336项。

  到了2008年,单韩国的三星和SK海力士两家公司就占据了全球DRAM市场75%的份额。

  3.中国台湾

  台湾的芯片起步比韩国稍晚一些,1975年,当时的经济部长孙云璇访问韩国时看到韩国政府高薪聘请美国的韩裔工程师回国发展,受到了很大触动。

  回台湾后,他便成立了台湾工业技术研究院,并选派一批工程师到美国RCA公司学习集成电路的设计和制造技术,这批工程师中就有后来创办了联发科(MTK)的蔡明介。

  台湾芯片产业的半壁江山归属于台积电。

  1987年,已经55岁的张忠谋创立了台湾积体电路制造公司,简称“台积电”,在这之前,他是美国德州仪器公司的资深副总裁,毕业于麻省理工学院,27岁即加入德州仪器,有着非常深厚的半导体技术积累。

  当时全球很多芯片公司都是IDM模式,即从芯片的设计、制造到封装一条龙都自己做,投资巨大,门槛极高,台积电没有采取这种模式,而是颠覆规则,专注于制造这个环节,把自己定位为全球各大芯片公司的晶圆代工厂,这种模式叫做Founry(代工)。

  依靠张忠谋的人脉,1988年,仅成立一年的台积电就邀请到时任英特尔CEO的安迪格鲁夫过来参观工厂,经过一番严格审核后,台积电顺利拿到英特尔的认证和订单。

  依靠“代工”这种创新模式,台积电能够比其他芯片公司更加专注,从而抓住机会疯狂成长,到了2002年,台积电以超过50亿美金的营收进入全球半导体产业前10名,并成为全球最大的晶圆代工公司。

  台积电“代工”路线的成功,催生了芯片行业Fabless(专注芯片设计,不建厂)的模式,2000年全球前20大芯片公司中有4家采取了Fabless模式。

  截至目前,台积电在晶圆代工的全球市场占有率达到6成,远远领先第二名的三星。

  从股价也可以看到台积电的快速崛起,截至目前其市值达到 2325亿美金。

 

脚注信息
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