美国“芯”焦的背后

2020-12-09谭主

东西南北 2020年17期

关键词：摩尔定律晶体管半导体

谭主

在这场没有硝烟的战争中，谁会成为最后的赢家？无数个不眠的夜晚，无数盏彻夜闪烁在张江、科技园、坂田基地、五道口、中关村、合肥高新区的灯光，勤劳而勇敢的中国科技工作者们，正在用—种无声但又震耳欲聋的方式诠释问题的答案。

针对华为，美国再次出手，华为在全球21个国家的38家子公司被列入实体清单。至此，包括华为在内总共有150多家关联公司被列入实体清单。

列入这个清单有什么后果？说白了就是一句话，切断这些公司和美国有关的交易。

一开始，华为只是不能从美国购买芯片，也不能委托在美国的公司为其设计和制造芯片。随后一年多的时间里，制裁不断升级。现在，任何公司，不管在不在美国，只要用了美国技术，都不能为华为及在名单上的关联公司制造芯片。

一系列制裁措施切断了华为麒麟系列高端5G芯片的供应，原来为华为代工的台灣积体电路制造股份有限公司，因为上述制裁措施，从9月15日起，将停止为华为供货。

图穷匕见，美国对华为持续加码的打压，要害都是芯片。

悖论

芯片对于5G至关重要，5G的通信设备需要大量高性能的芯片。制作芯片的原材料半导体，是一种性能优良的导电材料。中科院半导体所研究员姬扬解释道，我们日常生活中最常见的半导体器件就是芯片，所以业内经常把半导体和芯片两个概念等同。由于芯片行业的产业链条较长，很难有一家公司能覆盖从材料研发到芯片设计再到生产制造的全过程。

华为目前掌握芯片的设计，但是生产由其他公司代工，这也正是美国打击制裁的关键点。切断华为5G芯片的代加工，无疑给华为沉重一击，而美国在这一次又一次的打击中就能全身而退了吗？

在美国的制裁下，断供华为，对许多芯片公司来说，最直接受影响的是“订单”。

美国的芯片巨头高通公司是华为芯片的供应商之一，今年业绩大幅跳水，2020财年二季度，净利润比去年同期下降29%。同期，另一家芯片巨头美光科技净利润也同比下降75%。

美国博通公司的CEO更是直接道出了背后的原因：“地缘政策”的不稳定和对大客户的出口限制是主要影响因素。

不光是利润，制裁对美国公司还有更为深远的影响。华为这一类通信巨头，对相关美国企业的意义绝不仅限于订单。

就拿美国占绝对优势的电子设计自动化（EDA）行业而言，EDA被称为芯片产业皇冠上的明珠，就像电脑需要操作系统一样，设计芯片离不开EDA软件。美国的芯片设计软件优势来源于数据库，数据越丰富，软件越好用，而这些数据来自于制造端的反馈。

本质上来说，有订单需求，工厂才能开工，开工才有资金和数据反馈，才能推动工艺进步。订单——生产的循环频繁了，数据反馈就越多，EDA软件也会变得更加有竞争力。

以台积电为例，台积电的一些工艺做得好，很大程度上因为台积电的客户全是像华为这样的大客户，订单大，覆盖的应用场景广泛。所以，芯片行业技术的进步是特别依赖市场需求驱动的。

现在最大的需求市场在哪里呢？我们来看一组数据：中国是全球最大的半导体产品消费国家，相当于美国、欧盟及日本市场的总和;中国购买了世界芯片出口总量的54%。

随着5G建设的深入，物联网、智能汽车等产业落地，中国的需求还将持续增长。

显而易见，从市场需求角度来说，中国是世界芯片行业名副其实的“半壁江山”。少了来自中国的巨大订单需求，美国半导体企业也难以维持现有产能规模，需要巨大投入的技术进步也可能会变成空想。

对此，资深通信专家、飞象网CEO项立刚给出了这样的评价：“都是市场经济，美国企业要看投资回报。花了几十亿美元做的生产线，现在不让它给中国企业代工，最大客户就没了，它给谁代工？它干嘛要去投入？”

从这一逻辑推导，美国的制裁实际上是一种悖论。某种程度而言，制裁中国也等同重创美国在这一行业的领先地位。面对这种无妄之灾，美国半导体企业也在寻求破局。很明显，他们还是希望和中国企业建立合作关系。

高通先是在近期与华为达成专利和解，华为只用支付其18亿美元就能继续使用高通的专利技术，远低于苹果的45亿美元。高通公司还正在游说美国政府，呼吁取消该公司向华为出售芯片的限制。高通的理由是，美国针对华为的禁令会把价值80亿美元的市场让给海外竞争对手。

高通的担心不无道理。

因为美国政府的围堵打压，波士顿咨询的报告调研发现，华为正积极在寻找韩国和欧洲的芯片供应商;而OP-PO、小米等中国企业，虽然暂时没有进入美国的实体清单，但为了防范潜在风险，也在主动使半导体供应商多样化。

报告预测：禁令会直接威胁美国半导体行业从中国设备制造商那里获得的约490亿美元收入，这将占总收入的22%。

美国人的重拳出击让美国自己人为此买单。

此情此景，中国科学院半导体所研究员姬扬评价道：“虽然美国政府希望中国能被孤立，然后让美国来占领世界市场，但这些政策更大的可能是美国把自己跟世界的联系切断。”

切断自己技术进步的路径、给自己的企业造成伤害，之所以美国要做这种自损1000、伤敌800的事情，背后或许有更深层的焦虑……

瓶颈

美国在焦虑啥？要从尺寸只有头发丝万分之一的晶体管讲起。

简单说来，晶体管是使用半导体材料制造的一种元器件，可以控制电压。在芯片上的晶体管可以做得非常小。一枚指甲盖大小的芯片上晶体管数量可达数以十亿计。

1947年12月，美国贝尔实验室研制成功了世界上第一块点接触式晶体管，而1958年，美国德州仪器公司的杰克·基尔比发明了第一块芯片……随后，美国在全球芯片行业一直处于绝对领先地位。

而现在，美国遇到了瓶颈。挡住美国的东西，不是资本，不是人才，而是摩尔定律的失灵。

摩尔定律是由英特尔联合创始人戈登·摩尔提出，用于总结芯片行业的发展规律。这一定律内容大概是，集成电路上可容纳的晶体管的数目，约每隔18-24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍，而产品价格却能保持稳定。

翻译一下，就是通过技术进步，在成本稳定的情况下，芯片上的晶体管尺寸可以做得越来越小，单位面积上的晶体管数量也就越来越多，可处理的信息量更大，芯片的性能也就提高了。

今天可以在一台小小的手机内，就基本实现10年前台式电脑才能实现的功能，而价格反而更低。这就是摩尔定律带来的福利。

综上，正常情况下摩尔定律的三个要点是：性能提升、成本基本稳定、有明显规律性。

但摩尔定律进阶到今天，三要素都在动摇。半导体晶体管尺寸逐渐触及到物理极限，难以继续缩小，这也就意味着芯片上所能容纳的晶体管数量难以继续增加。

“摩尔定律过去是每5年增长10倍，每10年增长100倍。而如今，摩尔定律每年只能增长几个百分点，每10年可能只有2倍。因此，摩尔定律结束了。”英伟达CEO黄仁勋在2019年的国际消费电子展上，如此预测了摩尔定律的未来。

不但是黄仁勋，摩根士丹利也在一份报告中认为，传统半导体制造业的发展已经放缓，摩尔定律的失灵就是明证。目前领先的海外制造厂的优势可能会缩小，因为前沿开发变得越来越具有挑战性。

为了衡量芯片的技术进步，行业内用了“制程”这个概念，随着芯片上晶体管的尺寸减小，制程也就越小，芯片上能容纳的晶体管数量就越多，也就是说制程越小，芯片的性能就越好。

摩尔定律失灵会带来什么？首先就是成本。

研发费用会呈现出几何级数增长。

曾在中芯国际、意法半导体等芯片巨头任职10多年，现任一家风险投资基金首席投资官的曹韵说：在90纳米制程阶段，一座芯片厂的建设和设备购买成本不过百亿元人民币，然而到了7纳米，这个成本增长10倍，逼近千亿元人民币，而台积电正在研发的3纳米制程，研发费用加上资本支出至少在万亿元人民币级别。

这对美国而言并不是好消息。

一方面，在芯片行业处于先进地位的美国即将进入瓶颈，能够突破现有极限的新材料距离现实还很遥远，后面还有中国、欧盟等后来者。另一方面，在芯片产业的下游——5G通信网络上，中国企业握有优势，中国的华为、中兴、OPPO和中国电信科学技术研究院，四家企业一共拥有全球36%的5G标准必要专利，5G关键技术专利更是位居全球首位。

优势领域逐渐进入瓶颈期，在劣势领域又被拉开差距。美国也许要失去未来，焦虑可想而知。

追逐

美国的极限打压，首先让我们认清了现实。

中国科学院半导体所研究员姬扬发现，这几年，政府对科技半导体产业的重要性认识明显更加深刻，而且推出的支持性的政策更加具体，数量也越来越多，力度也加大了。

虽然起步较晚，目前中国的芯片自给率也较低，高端技术长期被国外厂商控制，但中国芯片产业正在专注积蓄力量，为今后的突围时刻准备着。

随着摩尔定律到达极限，芯片产业逐渐进入后摩尔时代，更新换代速度开始下降。姬扬认为，现在是身为追赶者的中国芯片产业的好时机。“我们实现国产替代的决心更加坚定了，不管是政府还是市场，他们都知道目标在哪里。”

8月4日，国务院发布了《新时期促进集成电路产业和软件产业高质量发展的若干政策》，制程小于28纳米，经营期在15年以上的公司最高将可享受长达10年的免税期。对于头部公司的扶持可谓“史诗级别”。

在政策大力推动，并且优先扶持尖端技术公司的方向下，头部公司突围成功的概率将大大增加。

不光是中芯国际，中微电子、北方华创、通富微电、华天科技、华大九天等公司，均已经在芯片设计软件、晶圆代工与芯片生产、封装测试等环节出现了可圈可点的地方。

就拿国内的半导体封装测试行业举例，它是芯片制造的最后一环，用于保护半导体中的晶圆裸片，连接裸片与外部电路板等零件。该行业与世界先进水准已经相差不远。

本土的三大封测厂商——华天科技、长电科技、通富微電已经拿到约30%的市场占有率，封测成为可能在短期突破实现完全国产替代的环节。

9个月前，国家集成电路产业投资基金二期正式注册成立，注册资本高达2041亿元，至少撬动累计过万亿元的资金助力产业发展。