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芯片历史的4次拐点,一部后发者崛起史

2019-07-29 09:33
小生漫谈
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最重要的事不会成为新闻。

它们发生时往往无声、微小,而新闻不过是“重大事件”经历了漫长蛰伏后的爆发时刻。

对全球半导体产业来说,上世纪70年代,就是一个“悄然无声”的变革开端。

1973年,第四次中东战争打响,石油危机爆发,全球经济放缓,美国工业生产下滑了14%。

彼时的欧美,自由市场经济重获主导,哈耶克主义开始盛行,美国各半导体公司盈利受损,受市场所限,放缓了对新技术的投资。

而同样经济受挫的日本,却开启了一场逆势反超。

如今,日本人总爱把“古き良き時代”(逝去的美好时代)一词挂在嘴边。当他们说起这个词时,脑海中有一幅共同回忆:二战后至上世纪80年代末泡沫经济破灭前的昭和后半期。

在那段痛并快乐着的岁月,日本人有强烈的目标感:他们亟需一场战后废土中的复兴。外部条件也相对有利:1950年朝鲜战争爆发后,美国开始扶持日本,日本陆续以低价引进了美国最新的晶体管和集成电路技术,打下了日后发起冲刺的基础。

到70年代,日本已建立了“官、学、研”一体化的产业发展制度,采取了闷声追赶的“举国模式”。

日本要举国重点攻克的领域,正是半导体。

1974年,石油危机后的第二年,日本政府就批准了“VLSI(超大规模集成电路)计划”,并在1976年联合日立、NEC、富士通、三菱、东芝五大公司筹集720亿日元(2.36亿美元),设立“VLSI技术研究所”,开启了一场蔚为壮观的、针对DARM存储器(动态随机存取存储器,目前最常见的系统内存)的大攻坚。

昭和一代的日本名企展现出了空前的团结,攻坚体系由6大实验室组成:

日立(第一研究室)负责研制电子束扫描装置和微缩投影紫外线曝光装置;

富士通(第二研究室)负责研制可变尺寸矩形电子束扫描装置;

东芝(第三研究室)负责研制EB扫描装置与制版复印装置;

电气综合研究所(第四研究室)负责对硅晶体材料进行研究;

三菱电机(第五研究室)负责开发制程技术与投影曝光装置;

NEC(第六研究室)负责进行产品封装设计、测试、评估研究。

对一些关键技术难点,日本各公司像《流浪地球》里对地球发动机的饱和式救援一样,开启了“饱和式攻坚”:多个实验室群起而上,以各单位的竞争保证研发成功率。

VLSI成果惊人,计划开启第4年(1980),在惠普对16K DRAM内存的竞标中,日本的NEC、日立和富士通完胜美国的英特尔、德州仪器和莫斯泰克(当时美国存储器领域最主要的玩家),美国质量最好的DRAM的不合格率比日本最差的公司还高6倍。

VLSI开始的第6年(1982),日本成为全球最大的DRAM生产国;

VLSI开始的第9年(1985),NEC登上全球半导体厂商榜首(按收入),并在之后连续7年稳坐头把交椅;

同年,被日本厂商压着打的英特尔关闭了7座工厂,裁员7200人——这家11年前市占率达80%的公司从此关闭了存储器业务。

不过,这并不是故事的全部。

1970年,还悄悄发生了另一件小事:年初,一家日本计算器公司Busicom给了英特尔一个单子——做一款定制芯片的设计和生产。

Busicom最初的方案是一套由12块集成电路组成的系统;而英特尔工程师Ted Hoff看了后觉得太复杂,他创新地提出,可以把计算单元集中到一枚芯片上,以简化电路和降低生产成本。

正是在这个项目中,英特尔开发出了于1971年面世的Intel 4004,这是世界第一枚商业化的微处理器,即CPU——当今半导体产业的桂冠明珠。

Busicom的订单起初并不被英特尔重视。

70年代,英特尔和它的竞争对手日本一样,把主要精力放在存储器上,英特尔创始人,时任CEO罗伯特·诺伊斯甚至说过:

CPU是一个有趣的想法,英特尔有能力做,但是脑子坏了才会真的去干。卖CPU的话,每台电脑只能卖一块,我们现在做内存,每台电脑能卖几百块芯片。

可谁能想到,偏偏这个不受待见的新业务,在之后力挽狂澜。

新兴的CPU业务如出笼猛兽,带领英特尔于1986、1993、2002、2010年创下4次业绩高峰——英特尔不仅起死回生,还发展成日后的半导体常青树,成就了如今美国在半导体产业中的话语权。

回顾那段历史,无论是日本的“有心追赶”,还是美国的“无心插柳”,背后有一个共性:它们都是全球商贸合作、产业分工的受益者。

如果没有自由、开放的贸易全球化和技术交流,日本难以在最初引进半导体先进技术,也就没有日后赶超的基础;美国也难以在服务全球产业需求的过程中,阴差阳错地找到大有前景的CPU“边缘市场”。

半个世纪过去,对今天的中国而言,一个可能导致半导体产业变革的关键时期已在眼前。

站在“中国芯”的拐点上,两种观点正互相争锋:

一种颇有市场的声音是:另起炉灶,全产业链自己干。

在AMD等厂商被传停止向中国授权新一代x86架构IP(IP是芯片可复用的逻辑单元,是芯片设计最核心的部分)等新闻后,就有大量对中国“承包半导体全产业链”的遐想:

而另一种声音则认为,以中国现有的技术实力,不能“狭隘地”自己闭门造车。

如任正非日前接受采访时所说:

我们永远需要美国芯片。美国公司现在履行责任去华盛顿申请审批,如果审批通过,我们还是要购买它,或者卖给它(不光买也要卖,使它更先进)。因此,我们不会排斥美国,狭隘地自我成长,还是要共同成长。

是从最底层开始重建一遍,还是继续拥抱全球分工?

抉择时刻,同样作为半导体产业后发国家和地区的日、韩、台“崛起史”,为中国大陆提供了难得的借鉴。

回顾历代后来居上者,其共性是:遵循科技产业发展的自然规律,顺“势”而为——这个“势”,就是站在全球分工、技术合作的基础上,敏锐抓住并卡位新一波周期或新市场机会。

本文将分以下5部分,展开讲诉半导体产业4次拐点中经历的沉浮:

1. 第1次拐点:抓住产业转移机会,日本超美

2. 第2、3次拐点:抓住半导体分工的两次裂变,韩、台逆袭

3. 两派探索:中国大陆半导体的南北殊途

4. 匍匐向前:海思的自研之路

5. 第4次拐点:当下中国半导体产业面临的3种“势”及选择

它们的故事中,包含着可能的、“赶超先进水平”的最佳姿态。

第1次拐点:产业转移,日本超美

作为在美国之外,最先从半导体市场分得一杯羹的国家,日本顺势而为的方式是:

在外部条件有利时,不断引进技术,获得存储器领域的绝对优势。

乘着战后美国“援日抗苏”的有利外部条件,日本从50年代开始以低价获取了大量美国技术的授权。

1953年,日本“东京通信工程株式会社”在晶体管专利被受理仅5年后,以900万日元(约2.5万美元)的低价从西屋电器引进了晶体管技术——要知道肖克利最初研发晶体管时,贝尔实验室在其上连续砸了2.23亿美元(用于1948-1957的连续研发和优化,其中美国军方承担了近40%的费用)。

借助晶体管技术,东京通信在1955年发布了第一款袖珍收音机TR-55,公司也正式更名为索尼。“索尼大法”由此发扬光大,成就一代传奇电子企业。

当时,去纽约与西屋签约的索尼联合创始人盛田昭夫在逛了帝国大厦、布鲁克林大桥后,曾向同行友人感叹:

“日本和这样的国家交战,真是鲁莽呀!”

不过20年后,日本就在半导体存储器领域和美国打了一场惊人的大战,这得益于日本在60年代引进的另一项技术:集成电路。

日后成为日本半导体霸主的NEC在1962年从美国仙童半导体公司购买了平面光刻生产工艺,解决了集成电路制造生产的问题,效果立竿见影:

1961年,NEC集成电路的产量只有50块,1962年暴增至1.18万块,1965年达到了5万块。

同一时期,日立与RCA,通用电气和东芝纷纷签订了技术转让协议;索尼和德州仪器也在历经4年磋商后,于1968年在日本成立了各自占股50%的合资公司。

日本采取了“以市场换技术”套路,成立合资公司的条件就是德州仪器必须在3年内向日本公布与IC制成相关的专利。

于是,外有“向先进学习”的敏锐抓手,内有举国体制下的“VLSI计划”,这一系列举措,打下了日本在70年代埋头苦干、80年代一鸣惊人的基础。

从1980年到1984年,日本半导体对美国的出口额从不到90亿日元,增至400多亿日元,陡峭的上扬曲线震动世界。

1985年的出口量下降与美国启动针对日本存储器的“反倾销诉讼”有关

由此,日本成了半导体史上的第一次“产业转移”的赢家,夺得了存储器市场的垄断地位;而美国顶尖公司如英特尔,则转向了技术壁垒更高的CPU领域。

不过,日本半导体的辉煌是短暂的。

90年代,日本半导体产业开始节节败退——韩国成了新一代存储器霸主:1992年,三星将NEC挤下DRAM世界第一的宝座;2000年前后,富士通和东芝先后宣布从DRAM市场退出。

这背后有诸多原因:

在外,美国像如今对付中国一样,对日本耍起了“贸易战”:通过1985年的反倾销诉讼、1986年的《美日半导体协议》、1991年的《日美半导体协议》,全面打压日本半导体产业;在内,日本在80年代末达到泡沫经济顶峰,资本大量流向房地产,减少了对技术领域的投资。

而另一个常被忽略的关键原因是,日本错失了一个萌芽于上世纪80年代的半导体产业新趋势。

这一回合,台湾和韩国却抓住了机会。

第2、3次拐点:分工裂变,韩、台逆袭

台湾和韩国逆袭的故事,源自一场涉及美、欧、亚多国的半导体行业“分工裂变”。

一切的开端仍是不起眼的小事:诞生于欧亚大陆两端的两家小公司——台积电和ARM。

成立于1987年的台积电开创了Foundry模式,即只进行芯片生产制造的晶元代工厂。

而3年后,诞生于英国剑桥一座谷仓里的ARM,又开创了另一种全新的商业模式:IP授权。

Foundry和IP授权的出现,是偶然中的必然。

从集成电路商用化的60年代开始,半导体产业就像细胞生长一样经历着“裂变”——从垂直整合到垂直分工,分工越来越细,各环节越来越专业。

第一次重要裂变发生在70年代:半导体和软件行业从计算机中分化出来。

行业的初始状态,是“一个公司造所有”的高度垂直整合。

比如IBM蓝色巨人,既自己造计算机用的芯片,还做操作系统、软件,同时生产计算机终端。

在1961年底IBM启动的“System-360”项目中,凭一己之力,IBM就攻克了指令集、集成电路、可兼容操作系统、数据库等软硬件多道难关,获得了300多项专利。

而到70年代,随着技术进一步普及、市场对软件需求的增加,软件开始成为单独的行业;微软(1975年成立)、甲骨文(1977年成立)等公司陆续出现。

这同时催生了半导体从计算机中分化,产生了一批主要做芯片硬件(芯片设计、制造、封装测试)的公司,英特尔(1968年成立)是其中代表。

在1970年代开始萌发的PC(个人电脑)市场上,英特尔与微软的“Wintel联盟”悄然生长,前者做计算机CPU,后者做Windows操作系统,软硬配合,逐渐获得了垄断地位。

这又带来半导体产业的一个重要生态现象:“指令集壁垒”。

有种说法是:三流公司做产品,二流公司做品牌,一流公司做标准。指令集,就是芯片硬件和底层软件代码之间沟通的一套“标准”。

就像只有灰姑娘能穿上水晶鞋:相应的软件操作系统,通过相应的指令集跑在相应的芯片上,才能达到最佳效果。因此指令集和操作系统之间能形成其他玩家难以攻破的生态联合。

随PC浪潮崛起的英特尔,是第一个建立起了“指令集壁垒”的公司。

PC时代之前的小型机主要在数据中心处理专业的计算工作,市场分散,操作系统常常是各做各的(或在开源系统上做优化),井水不犯河水;指令集也各自为营,IBM有Power,Sun有SPARC,DEC有Alpha等等。

随着PC时代到来,大量个体沟通、协作的需求开始涌现,操作系统市场开始向头部玩家集中,Windows最终突出重围,坐上了“铁王座”;与之绑定的英特尔x86指令集也跟着取得“指令集霸权”。

2000年之后,英特尔又进一步利用自己在PC市场出货量大、成本低的优势,向更高端的“小型机服务器市场”进军,以价格战打败了Power、SPARC、Alpha等老牌指令集,改写了整个服务器市场的生态基础。

对x86指令集这一电子产业基础性标准的掌控,也让英特尔多年来屹立不倒,连续25年(1991-2017)登顶全球半导体第一厂商的宝座。

这便是行业第一次裂变时,新一代“软硬双打”撂倒老一代垂直型巨人的故事。

但在芯片制造内部,英特尔仍是一家“垂直整合”的公司:自己做指令集,自己在指令集上设计IP核,自己做生产制造。

这就给第二次分工裂变创造了空间:

上世纪90年代之后,台积电的Foundry模式+ARM的IP授权模式兴起,打碎了英特尔的“垂直整合”。半导体产业上游的IP研发、设计和下游的制造各自分化成了单独的行业。

ARM能产生IP授权的奇思妙想,也得感谢英特尔。

1981年,ARM的前身Acorn计算机公司想生产一款供英国中小学校使用的电脑,向英特尔求助,希望能购买80286处理器的设计资料和样品,但英特尔没搭理它。

Acorn于是基于当时学界提出的RISC精简指令集概念(英特尔x86使用的是CISC复杂指令集),研发了一颗32位、6M Hz,使用自研指令集的处理器,命名为ARM。

到1990年,已更名为ARM的新公司开始专注于半导体业务。但英特尔等厂商已占据了大量市场,直接卖芯片的ARM生意惨淡,被迫踏上一条新路:自己不生产芯片,只将IP核授权给其他公司。

欧亚大陆的另一端,台积电的成功则得益于其创始人张忠谋在德州仪器积累了丰富的半导体工厂建造与管理经验。

与开头提到的日本通过引进技术发展存储器;英特尔因为完成日本客户订单阴差阳错开启CPU市场一样,全球技术、人才的自由流动,再次促进了整个产业的进化。

进化是不可逆的。

Foundry和IP授权模式的诞生,永久地改变了世界半导体产业的版图——它大大降低了半导体产业的准入门槛。

在高度垂直整合的60年代,IBM为开发System-360,在3年多时间里投入了52.5亿美元,开支甚至超过造出原子弹的曼哈顿计划。实力雄厚如IBM也差点被这个项目搞得资金链差点断裂,其他小厂家更是被完全挡在了电子产业的门外。

随着垂直分工的开始,ARM和台积电承担了产业链一头一尾的工作,中间的“芯片设计”环节便逐渐发展成一个独立赛道——不做生产,无需重资建厂或做底层研发的Fabless厂商(Fabless的字面意思就是“无工厂”)。

目前全球排名Top 20的半导体厂商中,近一半是1990年后成立的Fabless新贵:

1985年成立的高通(美国)(高通是无线电通信技术研发商,1994年开始销售芯片);

1991年成立的博通(美国);

1993年成立的英伟达(美国);

1995年成立的美满(美国);

1995年成立的联发科(台湾);

1999年独立的英飞凌(德国)(前身是西门子半导体部门);

2002年成立的瑞萨电子(日本)(NEC和瑞萨科技的合资公司)

这进一步给行业带来两个变化:

一方面,更多轻资产玩家的涌入,使市场竞争更充分,促进了全球半导体产业的进化;

另一方面,这些新公司多是ARM和台积电的客户。ARM以开放的IP授权模式已在移动端CPU市场占比超95%,与服务器端CPU的霸主英特尔屹立两头,构成了当下全球半导体产最底层的两大标准。

这场新的分工裂变,终于让高端的CPU领域不再是“美国人自己的游戏”,台湾和韩国顺应新的分工趋势,成了全球半导体产业的新高地。

在制造环节,台湾依靠台积电牢牢把握了话语权。

自从在1989年搞定了英特尔的背书和订单后,这家最初连募资都很艰难的台湾“小公司”快速成长,每年营收增长率都保持在50%至100%之间。

近年来,台积电的工艺水平已赶超了传统垂直厂商英特尔、IBM,占据了超过50%的市场份额,在最新的5nm制程上领先全球。

在CPU、MCU等主控芯片设计环节,另一家台湾企业联发科从2003年开始购买ARM IP,进入手机和平板芯片市场,并在2000年之后成为亚洲最大的Fabless厂商。

韩国也抓住了分工裂变的机会。

其半导体标杆企业三星,从2000年开始就通过购买成熟IP,在原本的强项存储器之外,开辟了CPU的新增长点。

2007年,第一代iPhone的芯片就是三星和ARM分工合作的产物——三星在ARM 11 IP上开发的S5L8900芯片。

谁能想到,iPhone这个不被看好的“边缘产品”,一手撑起了智能手机时代,在推出后第二年,创下了超过700%的销量增长。

乘此东风,三星巩固了其在智能手机芯片市场的地位;随后又在2010年推出蜂鸟系列CPU(后改名Exynos),奠定了其在Android设备阵营的龙头芯片提供商地位。

其实,中国大陆的许多公司也在不知不觉中赶上了行业分工裂变的大势。

由于“IP授权+Fabless+Foundry”模式降低了手机芯片整体成本,国产手机厂商,如华为、小米、vivo、OPPO在2010后崛起,成了这场绵延近30年的新分工潮流的受益者。

这就是全球产业链的神奇所在:牵一发而动全身——一些起初看来微小的变化,经时间陈酿,可能孕育巨大的机会。

但是,“势”能助人也能伤人:如果你要和它对着干的话。

在韩国、台湾崛起的90年代,日本半导体产业迅速败落,原因之一就是错过了垂直分工裂变的趋势。

当时,日本的优势项存储器遭美国狙击,并被韩国趁虚而入;但在CPU领域,日本本可与IP授权商、晶圆代工厂合作,发展Fabless业务,再一次“后发制人”。

但日本公司在90年代还瞧不起技术相对落后的台湾代工厂;另一方面,正如日剧《半泽直树》所展示的,日本的实业融资依赖于银行贷款,银行在评定资产时,倾向于工厂、生产线这些看得见、摸得着的东西,单独的芯片设计公司不好找钱。

于是,保持着垂直整合形态的日本半导体企业既要研发,又要生产,还要维护、更新设备,投资大,周期长,技术更迭落于Fabless之后。

在发现市场新机会上,自由、灵活的小公司往往更有潜力,团结大公司一起攻坚的日本模式此刻反而成了短板。

在美国的打击和Fabless模式的双重挤压下,日本半导体丢掉了旧优势,错失了新的增长机遇,只留下“失去30年”的叹惋。

回看这段历史,冲击垂直整合的两大角色——台积电和ARM都诞生在腹地狭小的岛屿,这有其必然性:

正因内部市场有限、地理位置边缘,台积电和ARM才“光脚不怕穿鞋”,各自发明了全新商业模式。借承担新的分工角色之机,它们既实现了自身的商业成功,也共同促成了一个更开放的全球半导体产业生态。

万一,2019年的半导体仍是一个被美国少数巨头把持的产业,那中国会面临什么局面?

想都不敢想。

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