中國的半導體產業究竟差在了哪裡?
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從美國用晶片掐住中興的脖子後,晶片產業成為全民關注的焦點,民眾對國內的晶片產業寄予厚望,期待能夠突破技術封鎖,實現國內的產業結構升級。
由於大家對晶片的應用場景比較陌生,因此很難對國內晶片產業的現狀有客觀認識,網友們對國內晶片產業的真實實力一直爭論不休。
首先給一個總結:國內IC市場規模大,自給能力不足;中低端產品發展迅速,細分領域實現突破,核心受制於人。
我國是世界工廠,承接了全世界電子產品的加工製造,每年需要大量進口晶片。
晶片已經超過原油,成為我國進口的第一大品類。
首先要解釋兩個概念:晶片設計與晶片代工
它們是有區別的,在這裡舉個例子:高通、三星、華為都可以設計晶片。
這其中,三星是可以自己生產晶片的,而高通和華為,是需要找代工的。
三星和台積電,是兩家最廣為人知的晶片代工廠。
比如美國高通的晶片,是自己設計的。
但它並不生產晶片,比如高通的高端晶片,是交給三星來代工的,華為設計的高端晶片則是交給台積電來代工。
為什麼大陸目前生產不了高端晶片?
論晶片設計,我們已經不弱了,華為的麒麟晶片就是自己研發的,在高端晶片上已經算是很強了。
但麒麟晶片的代工卻沒有找大陸廠商。
因為即使是大陸目前第一的中芯國際,現在也沒有能力生產麒麟970晶片。
華為麒麟970晶片,工藝製程是10nm。
關於工藝製程後面會有詳細介紹,就是數字越小,說明製程越先進。
我們手機里的晶片,製程工藝好不好,決定了晶片的性能。
7nm的晶片,必然比10nm的強,10nm的又強於14nm工藝的。
在2017年,三星和台積電,都掌握了最先進的10nm工藝。
所以現在10nm 的生產工藝,是壟斷在英特爾、三星和台積電手裡的。
而大陸最先進的中芯國際,只能生產最高規格28nm工藝的。
國產晶片為何發展的如何艱難?
這還得從上世紀開始說起,當時中國產生了一批的計算機企業,但是他們都沒有選擇自主研發晶片,而是直接從海外進口,用做自己的核心晶片。
一來,節省了大量的研發投入,節省資本;二來,能加快企業的發展,在短時間內迅速擴大市場,確立自己的市場地位。
這麼一來,早期的晶片研發業務就被耽擱了。
雖然國產的電腦不斷的升級進步,但是核心仍是對於國外晶片的需求,用外來技術來幫助產業升級。
按照產業鏈環節劃分,具體可以分為設備、材料、IC設計、晶圓代工、封裝測試五個領域,每個領域都有一定的門檻,下面我分別介紹每個領域的發展情況。
一、材料
晶片實際就是搭建了集成電路的矽片,製造晶片,首先要有矽片。
先進晶片的製程已到了納米級別,這就對矽片的純度和平整度有極高要求,因此製造矽片並不容易。
製造矽片大概需要以下三個步驟:純化、拉晶、切割。
主要難度在拉晶這個環節,拉晶就是將純化得到的多晶矽融化,用單晶矽種接觸液面表面,然後旋轉拉升,得到單晶矽柱。
做出的晶柱越粗,可切出的矽片直徑越大,晶片製造時的效率就會更高。
主流的矽片為8寸和12寸兩種,國內做的比較好的是新昇半導體和中環股份,去年底時新昇半導體的12寸矽片已經通過中芯國際認證,這個領域未來國產替代的空間很大。
除矽片外,晶片製造過程中還需要用到電子氣體、靶材、工藝化學品、光刻膠、光刻膠除膠劑、CMP、掩模板等材料。
我國廠商在濺射靶材、研磨液上有所突破,但大多數材料仍需依賴進口。
涉及相關業務的國內上市公司有:南大光電、雅克科技、中環裝備(電子氣體);南大光電、晶瑞股份(光刻膠);江化微、晶瑞股份(電子化學品);鼎龍股份(CMP);江豐電子、有研新材(靶材)。
二、IC設計
IC設計類似於做圖紙,設計師根據系統、邏輯與性能的要求,製作具體物理版圖的過程。
有些企業會將製作的圖紙交給代工企業製造,有些則擁有自己的製造廠,華為海思、高通等屬於前者,而Intel、三星等屬於後者。
IC根據功能的不同,可以分為多個子類:
1、存儲器:這塊主要被韓國的三星、海力士和美國的美光壟斷,最近幾年存儲器漲價讓幾家巨頭賺翻了。
存儲器國產化率非常低,我國最近幾年在存儲器領域投入巨資,最具有代表性的是紫光集團旗下的長江存儲,未來有可能會打破國外的壟斷,但還需要時間來驗證。
2、微處理器:在PC端,國產實力較弱,暫時沒有能力實現國產替代;在移動端,華為海思已經可以設計出世界先進水平的處理器,而紫光展銳的中低端處理器已經成功應用於許多手機廠商。
不過無論海思、展銳還是高通、蘋果,設計晶片時都使用了ARM的架構,ARM是這個領域的隱形霸主。
3、微控制器:MCU廣泛運用在多個領域。
目前國內高端市場被國外廠商占據,國內僅有中穎電子和兆易創新在中低端MCU領域迅速實現國產化,主要是鋰電池管理晶片,小家電主控晶片等。
4、數位訊號處理器:這塊同樣被國外壟斷,國內僅在軍用領域有一些突破,民用領域差距很大。
5、模擬電路:與國際巨頭差距明顯,且追趕難度巨大。
另外在一些更細分的領域,國產廠商也實現了突破,例如匯頂科技的指紋識別晶片已經成功登頂世界第一。
三、製造
有些晶片公司只做設計(Fabless),並沒有自己的工廠(Foundry),因此要找製造企業代工。
台積電是全球Foundry中的絕對霸主,一家拿到了50%的份額,台積電先進位程的開發進度幾乎決定了行業的發展速度。
目前台積電已經試產了5nm,三星為了與台積電競爭,稱要研發3nm製程。
大陸工廠與台積電的差距大約在2代以上,最先進的中芯國際今年一季度剛剛可以量產14nm製程,目前正抓緊攻克12nm;至於排行老二華虹半導體,距離先進位程仍有距離。
另外也有一些晶片企業採用了IDM模式,國內長江存儲自建了存儲器晶圓生產線,製造工藝同樣較為先進。
四、封裝測試
封測是集成電路產品的最後一段環節,技術相對容易。
封裝和測試是兩道工序,封裝是把電路包起來,外部留出接觸的pin腳;測試則是檢測晶片的性能滿足設計要求。
國內封測領域有三大龍頭,分別是長電科技、華天科技和通富微電,三家均進入了全球封測行業的前十,2017年時三家總共占了全球封測市場份額的19%。
得益於2015年收購了國際封測巨頭星科金朋,長電科技無論技術還是規模均牢牢占據國內第一位。
可惜蛇吞象併購後並沒有給長電科技帶來現金回報,星科金朋2015-2018年累計虧損了20.73億,也是非常難受。
五、設備
所有的生產都離不開設備,IC對設備的依賴更強。
設備可分為晶圓製造設備、封裝設備和測試設備等。
晶圓製造設備又分為刻蝕機、光刻機、薄膜沉設備、CMP設備、檢測設備等。
光刻機的技術難度最高,目前被荷蘭廠商ASML壟斷。
EUV是先進位程IC製造的重要設備,目前僅有ASML可以製造,筆者認為EUV是人類科學史上的奇蹟,短期國內在這個領域實現突破的可能性幾乎為0。
另外一個比較重要的設備就是刻蝕機,刻蝕設備的難度遠遠低於光刻機,準備在科創板上市的中微公司的等離子體刻蝕設備已被廣泛應用於從65nm到7nm 的IC加工製造及封裝。
另一個國產IC設備龍頭則是北方華創,北方華創的優點在於全面,目前可以製造等離子刻蝕、物理氣相沉積、 化學氣相沉積、氧化/擴散、清洗、退火等半導體工藝裝備。
可以說在晶片設備領域,除光刻機外均有所突破,未來也是國產替代的重點。
不過在背後,依然有國產晶片在不斷地進行研發,龍芯就是其中之一。
2001年後,國產CPU晶片正式啟動,代號:龍芯。
到目前為止,龍芯已經進行了3代的更新,不過並未投入到個人消費市場中,原因就在於龍芯毫無競爭力。
現在的龍芯已經很優秀了,可以滿足一些日常的辦公,看視頻,聽音樂需求,但是對於電腦晶片要求更高的程序,龍芯還是無法滿足。
根據相關的測試者反映,現在的龍芯相當於2009年的英特爾與AMD的CPU性能,這也就意味著目前的龍芯和主流的晶片還是有十年的差距。
不過回過頭來,我們也應該對龍芯充滿希冀,龍芯CPU晶片已應用到航空航天、國家安全、國防、交通、金融等很多領域。
對於晶片的心更要求並沒有那麼高,地下鑽井平台,交通指示燈晶片等。
在北斗二號衛星上面就使用了龍芯3號晶片。
胡偉武表示在2020年前持續投入研發升級,與更多的企業進行合作,擴展適用範圍。
爭取在2030年國產CPU晶片實現國際一流水平,並進入個人消費領域與英特爾、AMD等競爭,實現真正的國產芯崛起。
對於國產晶片,我們應該懷有更多的讚許,畢竟國產晶片的研發之路在網際網路科技發展的前期幾乎為0,能夠在短時間內取得這麼大的成就已經實屬不易。
值得慶幸的是,等到2030年我們就可以用的上國產的電腦CPU晶片了。
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