尋找中國半導體

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衣公子的劍
衣公子
剛剛
[ 恒耀導讀 ] 半導體是一場由創新、繁榮、爭奪和大起大落交織而成的大江湖。
芯片,半導體,半導體,晶體管,芯片 圖片來自“Unsplash”

謝希德和張忠謀離開麻省理工校園,幾乎是在同一時間,卻懷著兩種截然不同的心情。

謝希德轉入麻省理工學院(MIT)后,苦讀2年便成功取得博士學位。新中國成立的消息令她興奮不已,可是朝鮮戰爭已經爆發,美方對于科技人才的東歸多有阻撓。直到著名學者李約瑟出面擔保,謝希德,這位后來的“中國半導體之母”才輾轉多地,回到祖國。

相比之下,張忠謀的求學之路反倒沒有那么順利。張忠謀出生浙江寧波,在麻省理工完成碩士學業后申請本校博士竟然被拒。年輕的他將之視為有生以來最大的打擊,站在沒有自己名字的榜單前,多年積累的自尊心、自信心倏忽消滅,十幾年讀書生涯戛然中斷,不知下一步何去何從,何以面對父母,何以面對新婚不久的妻子。

一人滿懷期待,一人沉淪迷茫。從同一個校園出發的兩個人,最終都把一生獻給了半導體事業,把兩人截然不同的人生經歷拼接一處,就是整個中國半導體的故事。

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落榜麻省理工一直是張忠謀的心里陰影,不堪回首,不過多年后,他的看法竟然突然有了180度大轉彎,將那次落榜視作一生中最幸運的事。

求學遭拒的張忠謀被逼無奈地找著工作,陸續到手的offer中,福特汽車的工作邀請最令他心儀。彼時的福特如日中天,列席全球前十大企業。張忠謀作為麻省理工機械專業的碩士,去福特,方是才盡其用。奈何不作死就不會死,由于手中另一個offer給的月薪比福特高1美元,年輕的張忠謀竟然希望福特給自己漲薪,在吃了一個官僚式的閉門羹后,他去了那家月薪高1美元的企業——希凡尼亞(Sylvnia)。這家以生產電燈泡、電視機、收音機、真空管為業的公司,當時正在研究一項新的產品——以半導體為材料的晶體管。

張忠謀學的是機械專業,論及和公司主業的契合程度,遠不如物理專業,因此同一時期也在希凡尼亞的另兩位中國年輕人才是熱門——哈佛大學物理博士黃敞和賓夕法尼亞大學物理博士林蘭英。不過,后二人選擇了謝希德一樣的道路,先后辭別高薪,輾轉回國。

那艘著名的威爾遜游輪,受到美國中央情報局(CIA)的嚴密搜查,甚至連學科教材和學生筆記都被扣下。林蘭英,這位賓夕法尼亞大學歷史上第一位女博士,用藥盒,偷偷帶回了自己提煉的鍺單晶和硅單晶,作為給新中國的獻禮。

在此之前,黃昆已經先從英國登船。曾經,在西南聯大他是和楊振寧齊名的物理系“三劍客”;現在,和量子力學鼻祖、后來諾獎得主馬克斯·玻恩(Max Born)合著的《晶格動力學理論》,已經令他在世界物理界聲名鵲起。

當張忠謀還在為由機械專業轉入半導體職業而挑燈苦讀時,在太平洋彼岸,在新中國聚首的黃昆、謝希德、林蘭英、黃敞、王守武們,已經組建了一支年輕有為、群星閃耀的頂配陣容。

不妨用貝爾實驗室發明晶體管為里程碑,中國半導體起步之處,只落后美國3-5年。

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根據導電性,物質分為導體(比如鐵)和絕緣體(比如木頭),所謂半導體,顧名思義是介于兩者之間的物質,其導電性受到導帶中電子數量的控制。科學界很早就認識到半導體的存在,只是一直不知道怎么利用它。直到1948年貝爾實驗室的威廉·肖克利(William Shockley)以半導體材料發明晶體管,其小、輕、短、省的優點,完美替代電子產業的上一代技術(真空管),至此一場持續至今的產業革命正式起步。

肖克利登高一呼,無數青年才俊慕名而來,加入他的商業化公司。但是除了商業理念不合,肖克利家長式的作風令人作嘔。比如,戈登·摩爾(Gordon Moore,摩爾定律的提出者)回憶,實驗室發生小事故,員工們要通過測謊儀來分辨誰撒謊,誰有錯。終于,以諾伊斯為首的8人組團出走,創辦仙童公司(?Fairchild),史稱:仙童八叛將(The Traitorous Eight)。

盡管仙童歷經短暫的高光,眾人便再次四散,但是無論從事產業、研究還是投資,都頗有建樹,以至于幾乎一半以上的硅谷公司,都有仙童的直接基因,這才有了“先有仙童,后有硅谷”之說。其中,諾伊斯(Robert Noyce)和摩爾新創立的公司,取名英特爾(Intel),在集成電路行業獨領風騷,幾乎歷經了人類歷史上所有的科技爭霸,化成一座高峰矗立至今。

1956年,新中國發出“向科學進軍”的號召,在總理的關心下,恒耀部集合北京大學、復旦大學、吉林大學、南京大學、廈門大學300人,由黃昆和謝希德牽頭,在北京大學開設半導體專門化培訓班。這300人中包括后來的中芯國際董事長王陽元、華晶集團總工程師許居衍、電子工業部總工程師俞忠鈺。如沐春風里,中國半導體事業揚帆起航。

期間,中國獨立提煉的鍺晶體、自主研制的集成電路相繼問世,各項里程碑只和美國差距5-7年,和日本幾乎同步,領先韓國整整十年。

除了北大頂配的半導體班,黃昆和謝希德編寫的《半導體物理學》問世,北黃昆南希德,坐鎮復旦大學的謝希德,推動固體能譜研究,組隊伍,進設備,籌實驗。中國半導體從人才培養,到產業探索,穩步推進。

可惜,正在“仙童播種,硅谷花開”的同一時間,運動席卷中國。謝希德連同劍橋博士的丈夫很快被安上“特務”罪名。 這位“反動學術權威”的新工作是在復旦大學物理樓后面的荒草地上拔草,不許停也不許抬頭。烈日暴曬下,她頭頂那間復旦低溫實驗室被改造成關押科學家的牛棚,液氦設備作為廢物送給了工廠。戴了多頂“帽子”的她,不準接觸研究,不準出席外單位的學術會議,不準訂閱刊物。離科學最近的距離,是被安排到校辦工廠磨硅片。

那“空有射日手,不許挽大弓”的十年,恰恰是西方世界半導體行業騰空而起的十年。

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早期晶體管的半導體材料是鍺,但科學界已經認識到硅是更好的材料,只是受限于技術,煉不出成本合適且足夠純度的硅。

位于美國西南部的得克薩斯州盛產牛仔,民風粗獷,在美國主流人群看來,就是鄉巴佬。當偏居一隅默默無聞的德州儀器(TI)宣布提取出可以用于工業生產的硅,著實令人吃了一驚。

張忠謀也是因為德州儀器的硅材料革命而認識這家公司,在希凡尼亞完成自己由機械系學生到半導體專家的轉型后,張忠謀跳槽到德州儀器。幸運的是,硅材料的革新僅僅是德州儀器的開始,張忠謀親眼見證了另一項開天辟地的發明。

杰克·基爾比(Jack Kilby)身高2米,體型瘦削卻有著一個大頭顱,30多歲年紀卻異常顯老,但是那沖破天際的發際線霸道宣揚著一名卓絕工程師的實力。和張忠謀年齡相仿,又同時加入公司,兩人很快成為每天一起喝咖啡的好朋友。基爾比將晶體管、二極管、電阻,組成一個線路放在同一粒硅晶片上,取名“集成電路(Integrated Circuit)”。

基爾比不僅憑此發明榮膺諾貝爾物理學獎,而且一舉革新行業。半導體行業正是熱火朝天,德州儀器手里有了利刃,從此披荊斬棘,一躍沖天。而張忠謀一干就是30年,期間南征北戰,了卻君王天下事,贏得生前身后名。作為德州儀器的第三把交椅,正值壯年的張忠謀已經是全球電子行業的華人第一人。但是,那依舊還不是他個人成就的巔峰,往后還有更大的輝煌等著他。

很長一段時間,德州儀器從一無所有到割據稱雄的勵志故事為人津津樂道。“以小博大”,“后來居上”,這類看似鑿鑿的商業規律,既是激勵后人前赴后繼的商業雞湯,又是造成行業累累白骨的死亡詛咒。

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電子產業的未來遼闊到沒有邊際,大國間的軍備競賽立即打響。在集成電路發明之后僅僅幾年,日本和中國先后拍馬趕到。

其中,日本以通產省為領導,以富士通、日立、三菱、NEC、東芝5大企業為核心,聯合各大研究院、研究所,推出超大規模集成電力計劃(VLSI)。三年后,攜自行研制的64K隨機存儲器,殺進Intel的主戰場。競爭手段簡單粗暴又實際高效:永遠比Intel便宜10%。

憑借稟賦優勢和價格血戰,日本人迅速在美國發明的市場中殺出一條血路。80年代,日本半導體產值超越美國。打得行業鼻祖Intel宣布退出存儲器市場,玩不起,不玩了。盡管事后來看,Intel憑借斷舍離,聚焦微處理器市場反而走向了更大的成功。但是彼時彼刻,行業明星虧損1.8億美元,解雇8000名員工的消息讓美利堅舉國震驚再舉國焦慮。

美國分別從立法、產業政策、直接干預、貿易戰等多個角度,組織了針對日本的狙擊。除了克林頓力推的“信息高速公路”,美國政府還發起成立半導體制造技術聯合體(SEMATECH),由仙童+Intel創始人、商業和科技領袖諾伊斯掛帥。經費上聯邦政府出一半,企業出一半,研究成果共享。當然更著名的是對日貿易談判,以100%的關稅及各項條件相脅。最終日本承諾自行對半導體產品管制,減少產量,提高價格。

日本商業領袖、索尼創始人盛田紹夫,連同日本右翼政客石原慎太郎寫了一本《日本可以說不》,驕傲神情躍然紙上。可是,隨后日本就滑入“失落的十年”,甚至二十年。盡管電子產品依舊榮光,但是走下神壇的趨勢已經注定。

不得不說,韓國人來得剛剛好。三星李秉哲去渴望牽制日本的美國引進技術,來軍心動蕩的日本高薪挖人,其中東芝半導體事業部部長川西剛的加盟尤為關鍵。90年代正是計算機產業井噴發展的時候,日本的限產限價,為韓國發展半導體提供了極大的便利。

三星不光趁勢利便,還給行業帶來更大的腥風血雨。半導體是典型的強周期行業,價格上漲,大伙砸錢投產加班加點;價格下跌,又裁人關廠賤賣保命。可是三星卻清新脫俗,每每價格下降,行業日子難過,三星偏偏進一步擴大生產,繼續打壓價格,逼死競爭對手,形成壟斷。這套由Intel發明的“逆周期投資法”被韓國人玩出了風格,玩出了水平。

不過三星之所以敢于擺出一副賭徒模樣,拉著整個行業跳懸崖,是因為背后韓國政府的支持。在韓國,半導體行業被稱為“工業糧食”、“孝子產業”;政府以行政方式指示各大財團給企業放貸。之后連續20年,幾乎連年巨虧,但又屢敗屢戰,學生終于打敗了老師。隨著日本爾必達的倒閉,如今DRAM存儲器市場,三星絕對領導,身后跟著海力士(韓國現代集團分拆)、美國美光,除此之外,在世界范圍內拿著望遠鏡和顯微鏡都找不到競爭對手。

通過日勝美、美懲日、韓國逼死所有人的江湖歷史,不難總結出半導體產業的精髓:堅定國家意志、引進先進技術、抓住領軍人才、穿越長期虧損。

可惜,深陷運動的中國沒有條件知道,重回世界的中國走過足夠的彎路才能了解。如今的中國既有清晰的認知,也有積累的實力,但是行業的命題已經不同以往,由于半導體行業的奇葩特性,面前這道積年累月長成的天塹,恐怕要狠狠考驗一番中國。

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縱觀六七十年代取得的成績,言必稱“兩彈一星”。這項在國際封鎖+國內混亂背景下誕生的成就,衍生出一個當代中國的疑問范式:中國人連“兩彈一星”都能造得出,為什么造不出芯片?為什么造不出汽車?為什么造不出中國女孩愛用的美妝品?……

錢學森的話發人深省:20世紀60年代,我們全力投入“兩彈一星”,得到很多;70年代我們沒有搞半導體,為此失去很多。

在我們總結的半導體行業四項精髓之中,最容易模仿的是“引進先進技術”。70年代,中美和中日先后實現邦交正常化。俗話說趁熱打鐵,70年代初,我國從日本引進7條生產線,不過設備有了,技術、軟件能力沒有跟上,因此效果不佳。70年代末,美國產業升級,中國引進淘汰下來的二手設備,組成24條生產線,但是同樣因為技術、軟件能力跟不上,沒有達成預期,成了夾生飯。為什么一模一樣的錯誤可以重復犯?六七十年代舉國封鎖,涉及引進西方技術的事項往往事出有因,但是盡管如此,每當運動來潮,還是要被扣上“洋奴哲學、爬行主義”的帽子,批判打倒一番。時代風雨搖曳,又談何思考總結?

兩彈一星和半導體產業完全是兩種不同的事業,前者是尖端科技的局部突破,靠的是不計成本的運動式投入,而后者是成本收益匹配的規模經濟,靠的是整個社會產業鏈的成熟和效率。

“誰家新燕啄春泥,幾處早鶯爭暖樹”,世界半導體行業日新月異,你方唱罷我登場,可是中國報紙卻沉迷在這樣的宣傳典型:某某弄堂里街道老奶奶靠拉擴散爐做出了半導體。

當我們關上大門時,中國半導體只落后世界5年;當中國再次回到世界,已經落后20-30年。1977年,王守武說:全國共有600多家半導體生產工廠,其一年生產的集成電路總量,只等于日本一家大型工廠月產量的十分之ー。痛心疾首的鄧公問他:你們一定要把大規模集成電路搞上去,一年,行嗎?

怎么把中國半導體產業搞上去?讓謝希德們重回講臺和實驗室,立刻拾起中斷十年的人才培養,肯定是題中之義,算而今正是77、78級半導體學生撐起了當下行業的半邊天。但是在人才培養之外的探索,時代主題恰恰是彎路的起點。

改革開放之初,舉國上下認為只要引入競爭,開放市場,就能解決一切問題。因此整個國家的治理思路是減少直接投入,鼓勵大家去經濟規律中自己找出路。政企分離后,財政撥款沒了,但是有銀行貸款。鑒于中西方差距顯著,也為了短期見效,全國半導體工廠,紛紛放下自主研發,引進國外生產線。同樣的命運也發生在中國大飛機上。

不過,簡單的放任自由并不是良藥。半導體制程一日千里,各自為政的引進,缺乏專業性和談判籌碼。既拿不到最新的工藝,又做不到消化吸收。“引進、消化、吸收、創新”的口號沒有做到,卻形成了“引進、消化、落后,再引進”的怪圈。很快,連年虧損加上銀行利息,企業陷入困境。

認識到錯誤的執政者調轉方向,國家項目531工程和908工程接踵而來。

可惜,目標“普及5微米,開發3微米,攻關1微米”的531,最終還是“引進了設備,卻消化不了技術和管理”。這一次重蹈覆轍,已經不僅僅是認識不足的問題,更大的原因在于,十年運動,中國半導體人才青黃不接,即使清楚軟件和管理更重要,卻巧婦難為無米之炊。

而908的失敗是另一種典型。目標是躋身世界一流的908工程,審批2年,論證3年,建廠2年,7年過去,華晶工廠一落地就落后。不但落后了先進工藝4-5代,月產能也只有可憐的800片,連目標產能1.2萬片的一成都不到,可以說毫無商業價值。面對沉重的銀行利息,華晶后來的選擇很是被動。歷經輾轉和反復,直到新世紀被央企華潤收購,成為現在的華潤微電子。

那注定是中國半導體事業最昏暗的一段時間。論國家投入,改革開放成果積累有限,財政捉襟見肘,心有余而力不足。論激勵機制,社會主義市場經濟制度還在襁褓,國企改革還在摸索,根本吸引不到國際一流人才。而十年恒耀停滯帶來的人才斷檔,陣痛不斷,令人心痛,又無可奈何。

回首531、908,唯一聽上去算作寬慰的評價是,它們真是中國半導體事業的“黃埔軍校”。其實“黃埔軍校”是名副其實的哀辭,其所指往往曾經輝煌,終而沒落,前景索然,因此人才四散。

跌跌撞撞,我國集成電路產量終于邁過了1億塊的檻,進入業內所說的大生產階段。以此為口徑,落后美國25年,落后日本23年。

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集成電路一陣腥風血雨,行業開創者、DRAM存儲器三元老——英特爾、德州儀器、IBM分別在1986年、1998年和1999年退出該領域。其中,由于德州儀器關閉DRAM業務,49歲張汝京提前退休,接任臺灣世大半導體總經理。

舊制度已經被打碎,新制度還未被建立,繼三星的翻江倒海之后,行業即將迎來下一位重塑者。更早之前,中國臺灣成立電子研究所,政府出資從美國RCA購買技術,并無償轉讓給新成立的聯華電子公司(UMC)和臺灣積體電路公司(臺積電,TSMC)。臺灣“科技教父”李國鼎幾番赴美,曾經一個月在硅谷拜訪2000多名華裔科學家和工程師,其中最大的成績是把54歲的張忠謀請回了臺灣。此前,在三星那場著名的世紀豪賭中,李秉哲就在自己的金元戰隊中為張忠謀留了一個關鍵位置,但是幾番盛邀都沒有成功。

不久,張忠謀在臺灣當局的支持下接手臺積電,近30年德州儀器生涯,曾經的麻省理工落榜少年已經是半導體行業華人第一人,用他上任伊始的話來說,自己早已“獨上高樓,望盡天涯路”。

好一個“望盡天涯路”。在我們總結的半導體行業四大精髓之中,“引進先進技術”最容易模仿,而“抓住領軍人才”最可遇不可求。

海峽兩岸半導體淵源頗深,成立之初的臺積電并無過人之處。其大股東是荷蘭名企飛利浦。當時飛利浦剛步入全盛,在其亞洲戰略中,布局了兩家合資半導體公司。除了臺灣的臺積電,同一時間飛利浦和上海無線電七廠合資的上海飛利浦半導體,也就是后來的上海先進。上海先進的英文簡稱是ASMC和臺積電TSMC如此相近,原因也在此處。

如果說謝希德和張忠謀命運迥異,是基于人生選擇——一者獻身新中國恒耀,歷經磨難,當屬開山大師;一者投身最前沿實業,奇遇不斷,終成教父。可是,同宗同源的臺積電和上海先進,卻也有大相徑庭的發展軌跡,真是令人感嘆:千軍易得一將難求。

張忠謀為臺積電設計的道路叫做:專注代工。

“代工”二字,初看之下毫無亮點,細品之后low感十足。它也可以創造奇跡嗎?

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1995年11月中國領導人訪問韓國,在參觀了三星的半導體工廠后,這位曾任職中國電子工業部部長的長者,扶了扶黑框眼鏡,把自己的感受概括為“觸目驚心”。

真是沒想到啊,經過市場激勵和國家工程的輪番攻堅之后,我國集成電路產量和銷售額占世界份額僅僅0.3%左右,不僅低到忽略不計,而且生產水平上停留在4-5英寸晶圓、2-3微米的工藝,落后第一梯隊15-20年。

更令人詫異的是,5年前提出的908工程竟然還拖拖拉拉地處在論證階段。顧不上了,909工程立刻啟動。這一次吸取教訓,審批、經費一切從簡從快,由電子工業部部長親自出任工程主體(華虹微電子)董事長,特事特辦,規格之高難有匹敵。

合作伙伴是日本電子巨頭NEC,當時正是韓國半導體絞殺日本同行關鍵時刻。話說這么多年,即使中日因為歷史問題不共戴天,只要提起另一個鄰國,雙方總能冰釋前嫌,其利斷金。NEC為了展現情誼,不光在合資合同中承擔更大義務,給中方更多實惠,而且把原來擬定的工期一而再再而三地縮短,以一個神奇的速度實現投產。

華虹NEC不僅在工藝上躋身世界一流,而且在2000年實現月投產2萬片規模,第一年就產生利潤。只可惜謀事在人,成事在天,2000年第四季度互聯網泡沫破裂,計算機行業一天之內由盛夏轉入寒冬。拉里·佩奇,花了整整一年時間叫賣Google,都鮮有人搭理。華虹NEC在2001年前8個月巨虧7億,眼看再撐一撐會有轉機,緊接著發生911恐怖襲擊。中國半導體人,眼看著天空中伸出一只巨大的手,把正準備抬頭的半導體行業再次按進冰冷徹骨的寒水里。

唯一沒有懸念的是,三星再次祭出自己的逆周期投資,拽著整個行業跳懸崖。一年之內,合作方NEC面目全非,曾經的西裝革履被整成當下的破衫襤褸,不但業務巨虧,而且剝離了半導體業務。自顧不暇中,哪里還顧得上華虹NEC。

華虹NCE本來的策略是“存儲器起步,轉入邏輯產品”,如今被逼無奈,轉型代工。不過,代工制造的秘訣恰恰在于越虧損越投資。一來,行業低迷,可以用最低的價格買設備,二來工廠建設周期大約18個月,和行業周期基本吻合,等到新工廠投產,新增加的產能正好可以趕上行業繁榮,吃一波大利。可惜,歷經重創,華虹壯志難續,沒有成為帶領中國半導體行業殺出重圍的領軍人。

909工程最終也成了“黃埔軍校”。不過,中國芯片行業的進步還是有目共睹。上海推廣銀行IC卡、公交一卡通、社保卡,原本配套的進口芯片巨貴,但是908、909實現了自主產業鏈,IC卡芯片的價格一路下跌90%。SIM卡片也是如此,由80多元一口氣跌到8元。再后來我國的民生卡和二代身份證都用上了中國自己的芯片。

華虹投產的世紀之交,也是中國半導體事業的轉折。2000年,復旦老校長謝希德在上海去世。2002年,臺積電開始發動針對中芯國際的訴訟。2004年,華為將剛獨立出的半導體業務改命海思……

不妨說,909承前,909啟后。

8

77年的“全國科學大會”,鄧小平用四川話強調“知識分子是工人階級的一部分”,不僅提出“科學技術是生產力”,還說以后要“五天工作,一天政治學習”,以前政治學習太多了,現在減少一點。40歲的徐匡迪、33歲的任正非坐在下面,時而灑淚,時而歡呼。

徐匡迪后來得以去英國帝國理工做訪問學者,成為鋼鐵冶金專家。一次出訪中獲得朱镕基青睞,1995年,同時當選中國工程院院士和上海市市長。909項目,他擔任副組長,見證了華虹以神速落地上海,上海像一個少年學生,狠狠一躍摸了一把世界半導體行業的天花板。至此之后,上海成了集成電路的堅定支持者。

909正趕上上海整個城市大步前進,同一時期,和909一樣超過百億的建設項目還有通用汽車和浦東國際機場。除此之外,南北高架、內外環線、金茂大廈、香格里拉賓館二期、東方明珠電視塔陸續開工,整個陸家嘴在90年代末拔地而起。

盡管臺積電和通聯已是臺灣半導體雙雄,同樣從德州儀器回到臺灣島的張汝京,依舊把世大做得風風火火,以至于張忠謀開出一個明顯偏高、令人無法拒絕的收購價格。離開世大的張汝京繼續在中國尋找創業機會。首先和香港董建華一拍即合,可惜因市民意見,建廠計劃受阻。上海當機立斷,徐匡迪市長親自陪著張汝京在張江選地。城市規劃里,上海的張江微電子開發區,面積上是3個臺灣新竹工業園。

張汝京不愧是世界級的建廠大師,專業素養、領導能力、職業態度俱佳。初期經費節省,張汝京招徠國際人才,讓對方自費機票,最好有事來上海的話“順便”見見。拿過Intel最高成就獎的謝志峰在接到電話第二天就“順便”來了,而且談得不錯,只是中芯國際開的薪資比Intel 12年前發的還少,還不算通貨膨脹。張汝京看他猶豫,讓他回家和太太商量下。臨走前說道:你呀是上海人,我是臺灣人,中芯國際是上海的企業,我一個臺灣人在農田里(張江當時還是遍地農田)每天從8點干到12點,你呢?

話說到這個份上,堂堂上海男兒,豈還用和太太商量?謝志峰當場就接了聘書。

2000年4月,中芯國際成立。8月破土動工,距離華虹只有4公里。3年時間,從無到有,躋身世界四大。張汝京,中國大陸集成電路教父,當之無愧。

(這篇該死的文章,每每寫道中國半導體轉機的喜訊,總要蹦出一個可恨的“但是”)真的不得不感嘆中國造芯的艱難和苦澀。正在一切向好之際,“院士市長”徐匡迪在任期未滿之時被調離上海;隨后,中芯國際在臺積電兩場針對性的訴訟中元氣大傷,張汝京引咎辭職;接棒的江上舟畢業于清華無線電專業,為政精煉,改革銳意,是中國芯、大飛機、電動汽車的重要推動人,可惜因為癌癥英年早逝。

自古燕趙多慷慨悲歌之士,但是這里明明是上海啊!

9

中國人到底能不能造芯?翻翻半導體歷史,華人的貢獻頗為亮麗。集成電路行業中多位巨人,博通(Broadcom)、英偉達(NVIDIA),Cadence、Marvell創始人都有華裔。

婦孺皆知的摩爾定律是電子行業的圣經——每過18個月,集成電路可容納的晶體管數量會增加一倍,性能提升一倍。但是Intel早早宣布,根據物理特性,20納米是晶體管間距的極限,半導體工藝將在20納米到達盡頭。試想一下,如果摩爾定律失效,半導體行業的下場將和紡織、鋼鐵一樣,曾經異常輝煌,如今缺你不可,但是,行業固化,創意平庸,淹沒在存量博弈和機械重復當中。

正當整個產業漸漸萌生世界末日的挫敗感,伯克利大學的胡正明登高一呼:FinFET工藝。這位出生北京豆芽菜胡同的科學家把世界半導體行業帶向新大陸。簡單來說,20納米的極限存在于兩維平面下,但FinFET將半導體器件的設計由兩維擴展到三維。不妨用周杰倫在《雙節棍》中的一段旋律作陪:摩爾定律的極限已被我一腳踢開。

毫不夸張的說,沒有FinFET就沒有今天電子產品的繁榮。難以想象人類停滯在20納米的模樣,作為比較,2019年智能手機的百花齊放是建立在7納米的工藝之上,而越來越近的5納米和3納米,更是物聯網、5G的技術堅石。

張忠謀“望盡天涯路”的自評所言不虛,臺積電第一時間邀請胡正明以技術長身份參與新生產線的布局,把握住了行業內少有的換擋期。當909工程、中芯國際先后落地上海,臺灣島上臺積電和通電還是伯仲之間,但是十年之后,臺積電已經遠遠甩下通電,殺進了世界第一梯隊。

全球范圍內看,有三家企業在集成電路生產能力上遙遙領先。其中元老Intel“此路是我開,此樹是我栽”,賭徒三星“一將功成萬骨枯”,而躋身其中的臺積電不僅毫不遜色,每每代際切換之際,還常常力壓一籌。

需要指出的是,三巨頭的模式并不相同,Intel和三星設計并且生產自己的產品,業內稱為IDM。而臺積電不設計,沒有自己的產品,專注代工模式,業內稱為Foundry。(三星和Intel也有少量代工,但是影響不大,故不展開)

行外人一聽“代工”兩字,常因撲面而來的low感面露小覷之色,再聯想到自己沒買過臺積電品牌的產品,自然更不把這家企業放在眼里。可事實上,臺積電早已深入每個人的生活。你一定有過這樣的經歷——被A總、L總、Y總、C總的發布會忽悠得心花怒放,可是說好6月份上市的旗艦手機要么推遲要么缺貨。不知內情的人只說是“饑餓營銷”,其實真實的原因十有八九在臺積電。沒辦法,高通、蘋果、華為都是客戶,甚至三星和Intel的部分產品也要靠臺積電代工,而產能就那么多,高峰期除了拼關系,難免要辛苦大家擠一擠勻一勻。

半導體行業規模經濟顯著,生產工藝的革新越到后期越是燒錢,正是因為深刻認識行業實質,張忠謀的臺積電專注代工,構筑起頂級芯片生產能力。今天全世界除了Intel和三星,只要你想生產一流芯片,那么就“只此一家,過期不候”。因此,臺積電的估值長時間力壓Intel,收入、利潤至今比另一家中國科技企業華為還要高,足夠令初識者咋舌。

10

世紀末,北京的科協主席和相關領導開始頻繁赴硅谷約見華人精英。1999年,建國50周年大閱兵,在天安門左手邊的第三個格子里,坐了25位硅谷華人。這25人后來幾乎全部回國創業,其中有百度李彥宏,有中興微電子鄧中翰。

新世紀開始,中國繼續探尋半導體,上海和集成電路共進退,設計、封測、設備、零件、化學品等半導體企業在張江如雨后春筍,其中,有紫光趙偉國大收購大整合的資本杠桿,有漢芯造假丑聞帶來的行業超級低谷和超級陰影,同時也有國家集成電路產業基金(俗稱“大基金”)登高一呼的壯心不已。

這些努力在2018年遭受檢驗,美國制裁中興通訊,封鎖一枚指甲蓋大小的芯片,竟然導致這家世界電信巨人直接休克。國人這才震驚,改革開放都40年了,中國竟然還有落后世界30年的產業?!

半導體產業,也稱集成電路產業,在產品上分為處理器芯片,記憶和存儲芯片、特定功能芯片、存儲器、分立器件、設備、材料等等。從生產工序可以分為IP開發、設計、代工、封測等環節。如今已是分工精細、內容繁帙。我們不如化繁就簡,因循幾個疑問,完成文章的總結,首先:當我們在談論中國“缺芯”的時候,具體是指什么?

2018年,中國芯片進口超過3100億美元,數量上是石油的兩倍,大于石油鋼鐵糧食進口額的總和。數字并不能展現全貌,其實中國自主研發芯片在全球占比并不低,僅次于美、韓、日,和德國不相上下。2018年全世界芯片產值4688億美元,這當中的2/3來到中國,考慮到中國負責生產全世界90%的電腦、90%的手機和90%的家電,根據清華大學微電子研究所所長魏少軍的研究,進口芯片中60%再次出口,只有40%是真的被中國消費了。

因此“進口多”并不是問題,更實質的是,在關鍵品類上,中國幾乎空白。除了前文提到的存儲器(三星、海力士、美光)、光刻機(AMSL)要仰人鼻息。再比如最近很火的可編程邏輯芯片(FPGA)基本被Intel和賽靈思(Xilinx)壟斷,還有高鐵缺一不可的(IGBT)、數字信號處理芯片(DSP)、CPU、GPU、MCU、半導體設備、硅片等等都依賴進口。

用通俗的話來講,中國“缺芯”,缺的是高端芯片的生產能力。

除了華虹NEC,909工程還進行了上下游的投資,其中包括一家叫做華為的企業。這家負重前行的民營企業,如今可以算作中國科技產業的擔當。翻看集成電路各細分行業的前十榜單,中國品牌鮮有上榜。但是在芯片設計上,華為旗下的海思已經躋身世界前十,當下談起中國芯片,幾乎言必稱海思。

在電子產品空前繁榮的時代,產品的差異性一定是通過芯片體現。可以引以為幸的是,中國在芯片設計領域已經做出成績。目前,收入過億的中國芯片設計企業已超過百家,放在全行業是不錯的成績。對此,張忠謀頗有功勞,正是由于臺積電把“芯片制造”專業化,從而大大降低了芯片設計的門檻。在次之前,如果沒有工廠和上幾千人團隊談何造芯?但是現在,經常看到一個從硅谷回來的博士帶著3個人就能開一家芯片設計公司。

不過,此景之下有些問題必須指出,第一,借著舉國“芯片焦慮”,中國商業界普遍過渡包裝過渡宣傳。比如所謂的AI芯片,名字很高大上,但實質是該芯片專用于圖像或語音識別,又或者只能用來挖礦。也是就俗稱的特定場景集成電路(ASIC),其設計難度遠遠小于通用芯片(CPU),因此Intel等依舊代表了芯片能力的高峰。用“XX企業自主設計芯片的XX芯片,在XX環境(特定場景)下性能超越的intel”的宣傳標語來消費國人的芯片焦慮,是誤導且惡意的。

第二,芯片設計的上游依賴ARM的IP授權,過程依賴EDA等工具,下游依賴臺積電的生產,是所謂“受制于人”的典型。歐美日的芯片設計公司毛利普遍在50%以上,而國內一般在20%,其一是因為技術不夠unique,其二是因為產業鏈沒有話語權,常常被人“加價不加量”。 

不妨以此為標準,督查一下你身邊繁雜的商業真相——誰在蹭熱點,誰在干實事。中興事件后舉國激憤,幾乎人人言必稱自主芯片,也有很多企業家跳出來承攬擔當人的角色。中國芯片設計行業率先繁榮是好事,是進步,但是并沒有根治行業痛點。最典型的如董小姐,高調宣布“格力造芯,即使500億也要把芯造出來”。業內人聽了都是直搖頭,這句話說得就很外行,500億到底是設計芯片,還是制造芯片? “設計”用不了那么多,“制造”又遠遠遠遠不夠。

事實上,針對每一家中國芯片設計公司,都可以送上關鍵三問:(1)誰來生產?(2)賣給誰?(3)有沒有利潤?

目前來看,這關鍵三問,往往也是死亡三問。

11

造芯為什么那么難?或者更針對地問:屢試不爽的中國模式為什么沒有在半導體行業發揮奇跡?

不得不說,憑借國家力量,統一方向,后來居上,中國堪稱頂級玩家。比如,以技術換市場的高鐵模式。當然,和集成電路更有可比性的是面板行業。就在5年前,“缺屏少芯”還是并列的痛事,面板是和汽車零配件、芯片、石油一樣年進口額500億美元以上的商品。2010年尤其令人沮喪,中國臺灣供應商聯合日韓品牌集體漲價,澎湃向上的中國大陸電子產業咬牙切齒又只能引頸就戮。但是就在這之后,京東方累計耗資3000億,輪番虧損輪番投資,終于迎來回報,不僅逼迫日韓關閉低世代產線,把臺灣企業逐出市場,而且在連年虧損后實現盈利。巧合的是,60年前,在京東方的前身——北京電子管廠,誕生了中國獨立拉制的鍺單晶,那正是中國半導體事業的起點。此番讀來頗有意味。

中國半導體,不僅有大型國有企業的加持,光是2014年大基金5年投資1400億,規模不可謂小,但是卻沒有掀起太多波浪,歸根到底,和半導體行業的奇葩特性有關。

市場份額向頭部集中是普遍存在的經濟規律,而在半導體行業尤其顯著。張忠謀很早說過:當工藝進步到5納米,全行業只有三家公司,英特爾和三星一定會在里面,第三家如果不是臺積電,應該就沒人了。張大帥更有名的一句話是:這個行業,不進前3,沒有太大意義。

隨手翻翻細分行業的市占率,圖像傳感器市場前三名占了90%的市場份額,還算少的。DRAM存儲器市場前三名占了99%的份額,屬于正常發揮。

這種“老大吃肉喝湯,其他人坐等餓死”的局面,原因在于集成電路是一代設備、一代工藝、一代產品。行業一流產線每年都會這樣進化:在多大直徑(越大越先進)硅圓片上,加工間隔多少納米(越小越先進)線寬的晶體管。(并不絕對,集成度是更關鍵的指標)

更可怕的是,工藝研發需要的花費是累進的,32/28納米的芯片制造工藝研發費用在人民幣90億元上下,12英寸晶圓廠的投資額已達200多億元,現在行業主流的14納米或7納米芯片制造生產線的投資額以500億元起步。

就在中興被制裁后,中芯國際向世界頂級光刻機制造商ASML購買了一臺極紫外光刻機(Extreme Ultravidet Lithography),售價是驚人的1.2億美元。只一臺光刻機的價格,就超過了中芯國際一年的利潤。需要注意的是,這還只是一臺設備,并不是整條生產線。一條生產線,除了光刻機,還需要刻蝕機、薄膜沉積設備、單晶爐、CVD、顯影機、離子注入機、CMP拋光機等等。算成本的時候,記得算上每年20%的維護費用,也可以不算,因為如果你想保持在隊伍最前列,基本每年都要更新。

紫光趙偉國說,現在一座先進的工廠,隨隨便便要花上100億美元。再看看行業巔峰的對決,三星和臺積電的在7納米生產廠上的投資都超過了200億美元。

大基金5年1400億的投資看似很多,但是平攤到一年,其實趕不上三星或臺積電一年的研發開支。遑論還要在中國成百上千的集成電路企業上廣撒網。

不僅價格嚇死人,更令夢想窒息的是,由于玩家越來越少,行業逐漸固化。比如前文提到的ASML,市場占有率75%,由于長期專注生產頂級光刻機,搞來搞去全世界也就Intel、三星、臺積電會買,為了保證游戲能一直玩下去,大家逐漸構筑起聯盟。2012年,在一次增資擴股后,Intel、三星、臺積電成為了ASML的股東。

衣公子常說,所有的規矩都是老一輩定下,管住新一輩的。不用展開,已經可以想象作為行業后來者要面對多大的困難。

集成電路產業是當之無愧的“碎鈔機”。行業內有過玩笑,怎么讓一個億萬富翁破產?答案是慫恿他從事集成電路行業。

Intel、三星、臺積電從八十年代開始,每年把賺到的錢全部掏出來,甚至還不夠,真正的狠人再借錢繼續砸。當然,由于產業大投入、長周期、高利潤的特點,只要熬得住,也可以成為“印鈔機”。隨著玩家不斷被沖刷洗禮,每一年賺的錢和每一年需要砸的錢,像雪球一樣越滾越大,30多年后的今天,令人望而生畏。

12

你會關心集成電路代工(Foundry)的第二名是誰嗎?

第二名是格羅方德(GlobalFoundries),2009年從AMD獨立出來。AMD是Intel一生的死敵,卻也是終身的挑戰者,以堅韌和不服輸聞名。在芯片生產上對于親兒子格羅方德一直照顧有佳。不過,最新的7納米制式上,AMD設計的Vega 20芯片放棄了格羅方德,交給臺積電代工。

因為格羅方德(GlobalFoundries)根本沒有7納米制程的生產線,并且在2018年宣布放棄進軍7納米。不只是格羅方德,飛思卡爾、恩智浦、英飛凌、德州儀器等IDM企業陸續分拆制造業務或宣布不再投入研發新一代制造技術。

當年,摩爾的隨口一說,成了貫穿行業60年的金科玉律,也是纏繞在全行業頭頂的生死咒符。18個月晶體管數量翻一倍,性能翻一倍,各人以此為目標玩命沖,凡是跟不上的,就被一腳踹下飛速前進的時代列車,在石子和荊棘上翻騰幾下,從此消失不見。

行業龍頭的護城河越來越寬。臺積電目前在代工市場占有率超過50%,不僅僅是數字上構成壟斷。市占率的計算考慮了所有段位的芯片,如果只看個別頂級工藝,那么臺積電就是100%。智能手機之后,電子產品飛速發展,產能永遠不足,除了2019年1月出現少見的松動,一直都是客戶圍著臺積電要產能,后者成了電子行業名副其實的“爸爸”。

每當臺灣地震,科技界沒人關心地區領導人安危,只關心會不會影響臺積電生產。2017年,老爺子在夏威夷摔了一跤,從深圳、中關村、硅谷、波士頓128號公路都在打聽要不要緊。更有記者日夜守在臺北桃園機場,老爺子是被人抬下、扶下,還是自己走下,直接關系兆億基金對于全球各大科技公司的持倉。

哪里有領先,哪里就有追趕。

梁孟松,是張忠謀手下開發14納米的干將,2008年從臺積電負氣出走,環伺良久的三星n顧茅廬,盛邀其加盟。當時臺積電14納米已經投產,三星還尷尬地研究著20納米。梁孟松甫一到來,就建議三星放棄20納米,直接攻堅14納米,最終不僅順利投產,而且從臺積電手中搶奪了蘋果A9的大訂單。在上演了行業內精彩絕倫的復仇大戲后,2017年梁孟松加盟中芯國際,一年半后,中芯國際從28納米直接邁入14納米工藝。

我們再次重溫半導體行業四大精髓,堅定國家意志、引進先進技術、抓住領軍人才、穿越長期虧損。“引進先進技術”最容易學,“抓住領軍人才”可遇不可求,而剩下兩項才是對舉國智慧和韌性的考驗。

從投資回報期看,集成電路制造行業一般兩年建廠,兩年爬坡,生產線投入5年后開始產生效益。考慮到中國人才梯隊不平衡,團隊里常見“一個大神,帶一群普通工程師”,如果第一個周期消化不佳,往往要第二、第三個周期才能出成績。

穿越長期虧損,這當中的苦果和成果,中國都已嘗夠。2005年,成都和中芯國際合作,建成了中國西部首座、全國僅有三家之一的8寸廠——成芯,虧損之中,賣給了德州儀器。熬過周期的德儀成都如今非常賺錢。而成都政府只能吸取教訓,重復投資,從零開始。

成都之后,武漢遭遇同樣困境,史稱“武漢保衛戰”。2006年成立的武漢新芯,一完工就趕上全球DRAM價格崩盤。2008年金融危機,武漢新芯訂單幾乎為0,美光收購最是積極,幾乎已成囊中之物。

然而,美光帶來的印象不算愉快。先前和中國北方大省談合作,美光提出只技術入股,但是要當大股東,出錢出地出廠房都交給中國地方政府,而且產能和技術不能給別人用。其主席兼首席執行官Steven Appleton是美國境內“中芯阻擊論”的高調鼓吹者。

所幸中央支持、武漢輸血、中芯自救,武漢新芯最終留了下來。考慮到集成電路“碎紙機”的特性,這絕對不是一個可以輕松做出的決定,武漢新芯的持續投資超過三峽大壩,但是也成為了一顆火種。現今的長江存儲,主攻3D NAND存儲器,和主攻DRAM的福建晉華和合肥長鑫一樣,有望填補國內相關技術的空白。

龍爭虎奪70年,世界半導體行業不但沒有沉寂,反而派生出一番新的刀光劍影。中美間的經貿博弈,也給了日本靈感,兩個月前宣布以限制材料出口的方式制裁韓國半導體,風光無限的三星、海力士頓時成了熱鍋上的螞蟻。

2018年東芝出售旗下半導體業務,世人還感慨日本這位曾經半導體巨人的遲暮。如今,驀然發現,盡管在產品上接連撤退,日本卻構建起自己在半導體材料上的霸主地位,扼住了行業的咽喉。在半導體的19種必備材料之中,日本在硅晶圓、合成半導體晶圓、光罩等14種材料中占據50%以上份額,此外還為世界貢獻了1/3的制造設備。

半導體還將是一場由創新、繁榮、爭奪和大起大落交織而成的大江湖。

回到中國,6%的經濟增速,是歷史新低,但是并不可怕。既然低端制造向越南等國的轉移是大勢所趨,那么中國如何辭別舊模式,迎接新突破,是持續拷問時代精英的大問題。

卡爾·薩根(Carl Sagan)說過,判斷我們是否進步,要看我們是否有提問的勇氣以及解答的深度,還有我們對真相的接納,而非那些讓人感覺良好的東西。

在70年前東歸的游輪上,迎著海平面的夕陽,前輩們就開始了思考。在歷經東歸精英、國家工程、合資探索、舉國奮進之后,我們還將繼續探索下去。但沒有疑問的是,半導體產業,沒有彎道超車的討巧,考驗的,是在這個已經習慣熾熱和浮躁的國度,還有沒有十年磨一劍的冷靜和堅持。

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