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中国半导体突围之路!写在贸易战火正浓时

2019-10-29 09:50
来源: 亿欧网

缘起

始于近代,中华民族命运多舛。因为战争,在上世纪前半叶,除了尊严,这个民族几乎失去所有能够失去的东西。上世纪的后半叶,这个民族奔波于果腹与温饱之间。千禧年后,在我们有机会重回世界之巅时,爆发了中美贸易战。上世纪欠下的债,终要这个世纪来还。在这一次战争中,使用的武器不再是枪炮,而是不足一握的半导体芯片。

半导体是一种特殊的材料,这种材料有时表现为导体,有时表现为绝缘体。地球蕴含许多半导体材料,最常见的是石块。与传统的木匠活相似,将这些石块加工成半导体芯片,需要使用许多设备,经过多个步骤。木匠活三分看手艺,七分看家什儿,芯片的制作也是如此。

芯片制作的第一个环节是设计,等同于木匠活里的手艺。在设计环节结束后,工程师需要向半导体工厂提供刻在芯片上的图形文件。今天的半导体芯片集成了几十亿个晶体管,使用手工绘制这个图形并不现实。工程师需要书写程序,然后借助EDA (Electronics Design Automation) 工具,将程序转换为图形文件。

EDA工具的提供商经过多年的优胜劣汰后,Synopsys、Cadence与Mentor三家瓜分了绝大部分市场,这三家本质上都是美国公司。EDA厂商除了提供工具之外,还为工程师提供了许多组成模块。在今天的半导体芯片内,包含了几亿到几十亿个晶体管,工程师们不可能再从一颗颗晶体管开始搭建,会使用许多已经实现好的组成模块。

有些模块可以从EDA或者其他厂商处购买;有些模块需要自己实现;还有一些模块即便是自己实现,依然需要给他人支付专利费用。高通在通信领域中的一些算法,只要你使用了就要付费,高通不需要为此提供任何技术支持,仅需要派出几名律师。诸如此类的条款,在半导体设计领域随处可见,只是没有高通这样霸道,这样引入注意。

工程师完成设计工作后,将图形文件提交给半导体工厂,半导体工厂需要备齐各类原材料与制造设备,制作出一颗颗芯片。半导体芯片分为两类,一类是分立器件,一类是集成电路。由一个独立的二极管或者晶体管构成的芯片,被称为分立器件;集成电路是将多个晶体管、二极管、电阻和电容等元件互连在同一个晶片上,所构成的芯片。

1947年,John Bardeen,Walter Brattain和William Shockley所发明的第一个晶体管,可视为分立器件;随后Intel的Robert Noyce和TI的Jack Kilby,将多个晶体管组合在同一个半导体晶圆上,发明了集成电路。集成电路是半导体产业发展的重要里程碑,在其后诞生了摩尔定律。

摩尔定律的持续正确,推进了整个产业的发展,也逐步提高了半导体制造的门槛。Noyce时代的集成电路并不难做,使用木匠活的墨斗加斧刨锯凿加工即可。而后集成电路由摩尔定律指引,每两年在同样大小的半导体芯片上集成的晶体管数目增加一倍,使芯片的制作愈发艰难。

摩尔定律推动了集成电路的进步,也使得半导体设备所需提供的精度,从毫米开始,过渡到微米,最后步入到纳米世界。在纳米世界中,半导体材料的通行法则不是传统的经典物理,而是在上世纪初兴起的量子力学。没有量子力学的突破,半导体无法到达今日的高度。

现代智能手机中的处理器,已经集成了几十亿个晶体管,设计复杂度不亚于一座北京城。但是这个北京城需要在指甲见方处搭建,这对设备精度提出了近乎无限的追求。这使得激光——这个至今为止,人类所能控制的,最准的尺与最快的刀——参与半导体制造成为必然。

光刻相当于传统木匠活中的墨斗,主要用来打线测量;加工半导体晶圆的是蚀刻、研磨、切割、打孔这些设备,相当于木匠活中的斧刨锯凿。半导体制作的第一步,是使用激光将准备好的设计图案印在晶圆上,这个过程也被称为光刻,之后斧刨锯凿协力,制作出一颗颗芯片。

在现代半导体晶圆制作中,光刻占据了大约40~50%的时间,其他制作步骤紧密围绕着光刻进行。因此半导体产业的所有制造设备可以简约为两类,光刻与辅助光刻的设备;硅这个主材料之外,剩余的材料也可以简约为两类,光刻与辅助光刻的材料。

半导体设备与材料的进步是摩尔定律持续向前的源动力。摩尔定律的持续正确,使人类获得了更强的计算能力;计算能力的提高进一步促进了设备与材料的发展;设备与材料的持续进步,捍卫着摩尔定律的持续正确。这使得摩尔定律在相当长的一段时间成为真理。整个半导体产业,在这个自身能够驱动自身发展的良性循环中,奋而向前。

在半导体产业中,设计与制造紧密相关,材料与设备耦合在一起。设备与材料的前进步伐缓慢,研制周期漫长。这使得貌似可以通过良性循环,而无限上升的产业总会遭遇波折,使这个产业呈现出一定的周期。从半导体产业诞生之日起,形成这个周期已经成为必然。

源自于贝尔实验室的晶体管诞生后,引发了欧美日所有巨头的关注。IBM、HP、摩托罗拉、飞利浦、西门子、NEC、东芝、日立前后进入半导体产业。在当时,半导体工厂所需要的超重资产对多数小公司可望而不可及。

小公司没有钱,没有好工厂,但是可以加班拼命。上帝是公平的,赋予了小公司以创新。地处德克萨斯州的一个小公司TI,在1954年发明了基于硅的晶体管。晶体管的发明者Shockley,从贝尔实验室来到硅谷后,培养了IT史上著名的八个叛徒。后来这八个人成立了仙童半导体,为首的是Intel的创始人诺伊斯,他与TI的Jack Kilby同时发明了集成电路。

在当时,一个半导体公司或者大公司的半导体事业部中,不仅有半导体设计人员,半导体厂房的工人,还有研发半导体设备与材料的科学家。

那时的半导体公司一定很热闹。一边是歪在椅背上唱着歌,异想着天开的设计灵魂;一边是一根针掉在地上,非要分辨出是针头还是针尾先落地,Copy Exactly工厂哲学的捍卫者;还有一边是两耳不闻天下事的科学家。那时的半导体工厂在管理哲学上存在的一定不止是两难。到后期,这几伙人还能在一起上班的很大一部分原因,可能是在看究竟是谁先挺不住离开这里。

1987年成立的台积电,打破了这个僵局,此后出现了一批仅从事制造而不进行设计的半导体工厂。设计人员纷纷独立,在整个硅谷、美国与欧洲,出现了许多没有工厂,仅从事半导体设计的公司。设计与制造的分离促进了半导体产业的发展,这是一段属于半导体的黄金时代。

半导体产业的进步,推动了处理器的发展。上世纪90年代,Intel的处理器进入奔腾时代;Apple、IBM与摩托罗拉共同发布PowerPC微架构;SUN与TI联手搭建SPARC芯片;还有将计算机体系结构推向巅峰的Alpha处理器。那是一个属于半导体与处理器的辉煌岁月。

处理器很快席卷了整个世界。处理器的性能更加强大,与此相关的生产资料也更加完备,完备的生产资料提高了人的效率。当所有人的效率都得到显著提升后,量变的积累引发了质变,全人类的合力重构了整个世界。电子信息时代终告降临。

在处理器的推动下,出现了程控交换机、以太网与路由器。在这些网络设备的基础之上,互联网崭露头角并迅速泡沫化。互联网产业需要许多服务器与网络设备,这些设备需要大量的半导体芯片。半导体产业在这个需求的刺激下,欣欣向荣也孕育着泡沫。这个泡沫很快与互联网泡沫走到了一起,相互借力,相互配合,搭建了一个巨大的空中楼阁。

2000年3月10日,纳斯达克指数在达到5048这个高点后开始崩塌,半导体产业无法独善其身。至2003年,半导体产业进行大规模的合并重组已势在必行。我愿意相信,推倒合并重组的第一块多米诺骨牌,是发生在2003年10月的摩托罗拉分拆半导体事业部。我愿意选择这个时点作为半导体新周期的标志,也愿意以此作为对摩托罗拉的回忆。

资本的无知叠加着行业的恐惧,半导体产业一片废墟。

互联网泡沫的塌陷,刺穿了半导体产业的泡沫。在2001年,半导体产业出现了大约30%的降幅,直到2004年,半导体产业才逐渐复苏。此后半导体芯片的需求在缓慢地上升,但是摩尔定律也顽强地走了几步,使得半导体芯片的集成度更高,在一定程度对冲了这个需求。

今天的智能手机,复杂程度远超之前的功能机,所使用的芯片数目却没有增加。在iPhone Xs中,半导体芯片不过30个左右。智能手机产业没有使半导体行业受益。随身听、卡片相机、GPS导航仪,还有许多曾经辉煌的产品,最后被塞入了智能手机之中。

智能手机从功能机时代的5亿部提高到15亿部,依然无法弥补这些消失的电子设备对半导体的需求。智能手机一路高歌的时代,也是半导体产业逐步低迷的时代。这个产业在资本的撮合下,在西方进行了大规模的合并重组,以抱团取暖。

在智能手机时代,移动互联网风靡整个世界。智能手机打开了应用之窗,也关闭了硬件之门。应用为王的理念在智能手机时代逐步成立,夺去了硬件创新的接力棒。与应用场景相伴的是各类跨界的微创新,这些微创新会培育许多好公司,但不是伟大的公司。这使得在电子信息产业,我们将长期面临一个缺乏创新的时代。

在历史上曾经出现过的伟大公司,有几个是听从了现有应用场景的意见,然后在此基础之上精益求精,逐步发展起来的?我们之前经历的多数创新,是少数人对未知领域做出了准确预判,提前布局这个未来,是自己创造出新的需求,并指引着这个未来。

这些创新在初期,通常与当时的常理相悖,需要历经叛逆、前卫、流行与怀旧这个必经之路。机会如同小偷,来时悄无声息,走时方知损失惨重。无数公司因为错失一次创新的机会,远离了舞台中央。PC诞生之日,IBM持续质疑着Intel与Microsoft;乔布斯拿出第一部iPhone时,诺基亚的诋毁与否定,不是因为吃不到这颗葡萄。

PC之后不再有PC,iPhone之后不再有iPhone。这两个划时代的产品完成了各自的历史使命。这两个产业不是起始的百家争鸣,而是落幕的孤芳自赏。从2003年开始的,半导体产业的并购重组,伴随着PC与智能手机时代的结束而结束。此时西方已经没有剩下几个半导体公司,可以继续合并重组了。

更少的公司形成了更强的垄断。美国政府拿起这个垄断,作为武器。

在中美贸易战的前夜,美国在很多领域仅剩几个巨头在死撑门面。在中国加入WTO后,勤奋而聪慧的,能过得起苦日子的中国人抓住了一切机会,掏空了原本属于西方世界的下游产业。如今这些下游已经淹没在珠长三角的人海之中,很难再次回归欧美。

下游产业更加庞大的产值,更多的参与者,使应用场景集中于这片古老的东方大地。勤奋的中国人,在下游产业中,没有给欧美这些发达国家,也没有给亚非拉这些相对落后的国家任何机会。西方在PPT层面讨论IoT与AI时,华强北路已经把样品准备好了;西方考虑将产业链转移到东南亚时,中国人在越南与缅甸不知道度过了多少个日夜。

美国人希望拿回自己失去的下游,中国人也不愿意在上游产业被持续勒索。东方的智慧与西方的哲学将再次碰撞,首先在半导体这个战场上一决高下。半导体产业一个全新的周期,将从这次贸易战开始,从东西方的这次碰撞开始,我们这一代人在退休之前,看不到结束。

近邻

日本人口众多,约为1.27亿人,排在世界第11位,因距离中俄太近,使其领土显得非常狭小。日本由本土四岛与周边七千多个小岛屿组成,面积略小于法国,大于德国与英国。日本岛屿大多在本土附近,还有几个向东、南方向辐射的岛屿,深入太平洋腹地。这些岛屿给日本带来了440万平方公里的海域面积,中国可控的海域面积仅为200万平方公里。

中日间在近代多有战事,在这几场战争中我们吃了大亏。日本人在中国人的心目中并不友好,我们却改变不了一个事实,中国和日本是一海相隔的邻邦,中国与日本有近两千年的文化交流。上世纪的前半叶是一个大战争时代,日本人并不幸运。生活在那个年代的人,不分地界、无论种族都是极其不幸的。战后的日本,与中国同样,在满目疮痍中重建家园。

二战后,盟军占领日本,麦克阿瑟要求东芝、日立这些电器公司,大量生产收音机,以保证每一个日本家庭,都能够收听到盟军的广播。在当时,日本这些公司制作的收音机,仅有10%的良品率。为此麦帅专门设置了一个为期八天的质量管理课程,让世界上最著名的戴明博士传授日本人,如何才能制作出合格的产品。至今“戴明奖”仍是日本科技界的最高荣誉之一。

战胜国的权威,使得所有日本企业家俯首帖耳,日本最顶级企业的总经理全部参加了这次培训。这些即将在未来重新塑造日本的企业家,在上课的时候一定不会想到,这位戴明去美国的汽车巨头福特解决质量问题,已是上世纪八十年代的故事了。麦帅的无心插柳,使质量优先于技术的哲学,在日本生根发芽。十年后,美国在多个产业受到了这个国家的直面挑战。

这个坚忍的民族,在很长的一段时间里,始终在模仿着美国,抄袭着美国,并开始逐步超越美国。日美贸易战前夕,物美廉价的日货几乎要全面占领美国。上世纪50年代末,日美贸易战爆发。从纺织品开始,历经了钢铁、家电、汽车、电信与半导体行业。战火还进一步延伸到了金融与汇率领域。

日美贸易战之间最惨烈的战场,发生在半导体领域,这也是日本希望能够负隅顽抗的最后一块阵地。当时日本生产的半导体芯片已经比美国好很多了,在质量与价格这两个层面同时超过了美国。在上世界八十年代,日本半导体产业已占据全球的半壁江山,并在半导体存储行业形成垄断,Intel生产的存储芯片堆积如山。Intel危矣,硅谷危矣,美国危矣。

美国人有力的拳头,将胳膊牵引得很长,强迫日本在1986年签署了一份为期5年的《日美半导体保证协定》。这个不平等的条约重创了日本半导体产业。日本强大的半导体存储行业,逐渐被韩国,甚至台湾超越。日本的一味退让没有换来太平,等待大和民族的是失去的二十年。

在那段时间,日本所接受的条件,除了屈辱,还是屈辱。这份屈辱,日本人忍受了三十余年,日本人没有理由不恨美国人。在中美贸易战爆发之前,这个国家一直在卧薪尝胆,厚积薄发。今天他们终于等来了机会。

2018年,中美贸易战爆发。贸易战打响时,有许多中国人包围了肯德基与麦当劳,准备抵制美国货,后来发现,准备抵制美国货的不是中国人,而是美国人自己,美国不准备卖芯片给中兴通信,这个公司快破产了。中国人是应该抵制美国货,还是抵制美国不卖给我们美国货。

中国购买的半导体芯片数量太多,与当年购买巴西与澳洲的铁矿石类似,多到了丢失了话语权。在半导体领域,我们无论是买,或者是卖,都面临着一个极难翻越的刀锋。不出意外,中国在半导体的设备、材料、制造与设计,这四个领域全面处于下风,面对来自美国发起的半导体之战,中国没有反制措施。这也是美国在贸易战中,选择半导体产业作为先锋的重要原因。

中国半导体产业之殇,始于上游。

半导体产业上游产业的落后,是中国所有产业在上游领域落后的缩影。半导体产业的上游是设备与材料,在这个上游之上,较量的是物理、化学等基础学科。我们的落后,不是因为不够聪明,恰是太过聪明。上游产业不需要聪明人,需要愿意破釜沉舟,十年磨一剑的傻瓜。

半导体的上游,包括与光刻直接相关的设备与材料,及辅助光刻的设备与材料。其中最重要的设备当属光刻机。荷兰的ASML在高端光刻机阵地独占鳌头,日本的Nikon与Canon在中低端有一些存在感。光刻机的上游是激光源与光学系统。高端的激光源仅剩下ASML旗下的美国公司Cymer,与日本的Gigaphoton。

最好的光学系统来自德国的卡尔蔡氏。在中国还在打鸦片战争时,这家公司就在专心致志地磨镜头,至今还在磨。源自于这家公司的阿贝成像原理,奠定了光学系统的理论基础。日本人的执着,使Nikon与Canon在光学系统中,也有一席之地。

光刻机的辅助设备很多,包括蚀刻、研磨、等离子注入、沉积等百余种设备,绝大多数份额被美国的应用材料、泛林科技与日本的东京电子瓜分。在半导体晶圆的生产过程中,还有一个重要的领域是晶圆的前道测试。晶圆的前道测试与制造紧耦合。这个领域的核心设备,是基于经典物理与量子力学的各类探针与显微镜,被美国的科天垄断。

半导体设备是物理的世界,材料是化学的天堂。日本的工匠精神,使其在精细化学领域打遍天下无敌手,也使得半导体材料大多数都在日本手中。高纯度单晶硅晶圆最重要的两个供应商,是日本的信越与胜高。与光刻直接相关的材料,光刻胶几乎被日本的JSR、信越与TOK垄断。剩余的其他辅助材料被日本与欧美企业瓜分。

中国在半导体设备与材料的全面落后,归根于上世纪对物理与化学这些基础科学的忽视。风花雪月的德布罗意的波粒二象性和薛定谔方程,解决不了当时中国老百姓的温饱问题。这个落后是冥冥之中,上帝对中国的安排。至今中国这个产业的落后已是悬崖百丈冰,只可徐徐图之。

在这个领域,日本是我们最好的老师。半导体的上游,曾几何时,由贝尔实验室、IBM等欧美公司掌控,后来逐渐在日本落地生根。今天的半导体上游产业,缺少欧美,大家最多是活得不够舒服;缺少日本,是没有办法活下去的。

日本在半导体产业上游的地位,是美国人逼出来的。最初日本紧跟着美国,弱者向强者取经,本无可厚非。只是在日美贸易战中,这个抄袭被刻意放大了,日本丧失了许多东西。他们只能做些美国也不会的东西,才不会被指责。他们没有失去20年,只是在很艰难地向产业的上游,向基础科学的方向上前行。这些在上世纪的努力,使日本在本世纪获得了许多诺贝尔奖。

这个国家能拿诺贝尔奖的不限于大学教授,还有一些是来自小公司的职员。在日亚工作的工程师中村修二重新发现了蓝光。在岛津制作工作的小职员田中耕一,为他在无意中的发现,生物大分子分析方法,写了一生中唯一的一篇论文,这篇文章使他获得了诺贝尔奖。如果没有这个发现,田中的一生,将与众多日本工程师一样,默默无闻,直到退休。

这些人是傻瓜,他们选择了一条不成功便成仁的不归之路。在日本有很多这样的傻瓜,日本的产业环境也在宽容着这些傻瓜,不断创造着能够培育这些傻瓜的土壤。这个国家,正是因为这些层出不穷的傻瓜,持续创造着奇迹。

在中美贸易战爆发的今天,日本具备了天时与地利。广场协议后,这个国家等待了三十余年,他们失去的,他们会拿回来。在半导体领域,韩国得到的也是日本失去的。中美贸易战之余,日本限制对韩国出口一些半导体材料,包括氢氟酸、光刻胶、与含氟聚酰亚胺。

电子级的氢氟酸较为普通,而半导体级的氢氟酸生产厂家很少。韩国需要的半导体级氢氟酸几乎全部来自日本。光刻胶是半导体制造中与光刻相关的最重要的材料,被日本的JSR、信越与TOK垄断。日本不提供光刻胶,三星电子的半导体事业部可以直接关门。

聚酰亚胺始于美国杜邦的发明,简称PI (Polyimide)材料,是一种工程塑料,因其热、电、力性能独特,广泛应用于机械、电子、航空与航天等多个传统工业领域。标准的聚酰亚胺,因为加工难度、颜色较深、亚胺化温度与介电常数偏高等原因,无法直接应用在半导体领域。

氟化的聚酰亚胺,可以有效克服这些问题,也使PI材料从传统工业进入到微电子、光纤与液晶显示领域。几乎任何高纯化学品,都会有日本人的身影,含氟聚酰亚胺并不例外。对于OLED,这个材料不可或缺。日本禁售含氟聚酰亚胺,三星电子的LCD事业部也可以重组了。

貌似伟大的三星电子,因为3个材料的禁售,面临着破产危机。这几个材料仅是日本上游产业的冰山一角。至今日本完全可以凭借在上游的强势,左右下游产业的布局。

日本对韩国有极强的制约能力,对中国也是同样。从另外一个角度上看,这个国家的上游产业与中国的下游产业的互补极强。如果可以与其合作,中国有机会化解在半导体领域存在的所有危机。中国在上游产业上存在的短板,决定了与这个国家只可结盟而不可用兵。

半导体上游的技术难度远高于下游。半导体设备与材料,在近60余年的发展历程中,已水乳交融,如光刻机与光刻胶,光刻胶与蚀刻液之间都存在关联关系。

材料与设备的研制,试错时间较长,试错机会匮乏。半导体工厂不会将宝贵的生产时间,过多用于新材料试错。新的设备与材料,通常在研发新的半导体制程时,在制造厂商的大力协助下,才有机会导入。对于一个没有老产品的新的材料与设备厂商,这种机会从何而来?

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