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【半导体估值-卷一】半导体产业——历久弥新的科学魔方

2020-07-14 15:44
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前言

“基础研究将导致出新的知识,它将提供科学上的资本。它创造了这样一种储备,而知识的实际应用必须从中提取。今天,基础研究已经成为技术进步的带路人,这比以往任何时候都更加明确。一个在新的基础科学知识方面依靠别国的国家,其工业发展将是缓慢的。而不管他的机械技术如何,在世界贸易竞争中所处的地位将是虚弱的。”

——万尼瓦尔·布什

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半导体产业——历久弥新的科学魔方

1947年圣诞节前两天的一个中午,物理学家肖克利和两位同事美国物理学家沃尔特·布拉顿(Walter Brattain)和约翰·巴丁(John Bardeen),一起完成了“理论家+实验家”的合作,发明了双点接触型晶体三极管。晶体管被誉为“20世纪最重要的发明”。三位科学家也共同获得了1956年的诺贝尔物理学奖。

事实上,三极管并非由上述三位发明。美国发明家德福雷斯特早在1906年就发明了热电子三极真空管。为了实现产业化,美国工业界非常渴望能用有整流作用的晶体制成三极管, 从而减小体积和功耗,同时提高可靠性, 延长寿命。

如果能够达到这个目的,将会带来一个必然结果:降低成本。这意味着巨大的经济利益。

但历时四十余年几乎毫无进展,直到物理学家巴丁出现。巴丁熟知量子理论,同时融会贯通了1930s的三项半导体理论(1931年英国威尔逊电子能带理论, 1938年英国茅特及德国肖特基金属半导体接触整流理论, 以及1935年苏联理论物理学家弗朗克尔的光致导电性理论),同时与肖克利和布拉顿完美的合作,最终才发现了晶体管效应。

这直接导致了接触型晶体三极管的诞生。然而,初始的晶体三极管依然无法工业化。如果当时没有肖克利这位“实验家”的话,半导体产业的发展可能就会延迟了。经过肖克利的改良,最终发展成面接触NPN结型晶体三极管。这里面有两种晶体可供选择:锗和硅。

这里想表达一个观点:看似“最简单”的晶体管,也需要完成理论的跨越以及多种理论的融合,同时需要达到可产业化的程度。对于人类来说,发展一门能够推动人类社会前进的工程科学技术不仅仅需要全面而广阔的研究,而且不能够依赖特定应用的技术发展,最终能够为工艺过程和产品的开发提供理论指导。

这是极为困难的过程,属于人类对于完全未知领域的探索。这意味着半导体产业从诞生伊始,就拥有着极高的知识含量。

终于在1952年,美国TI公司生产出了工业上适用的硅晶体三极管,从此美国出现了真正的半导体工业,这让电子技术小型化成为可能。五年后仙童建立,之后仙童的蒲公英(中芯国际的朋友圈和仙童的蒲公英)飘向了全世界。

到1960年,美国TI公司和费尔柴德半导体公司的工程师们创制出半导体集成电路, 为电子技术微型化开辟了道路。TI工程师基尔比因此获得了2000年诺贝尔物理学奖。这里也有仙童和IT的集成电路专利之争的故事,八仙童之一、后来Intel的创始人诺伊斯和基尔比的竞争也让美国因为拥有这么多卓越的科学家而陷入“甜蜜的烦恼”。

半导体技术正在飞跃发展。随着集成电路和微处理器带来了电子技术革命而外, 还衍生出了发光二极管、二极管激光, 功率整流器, 以及各种半导体探测器等等丰富的工业产品。我们之前文章也提到了1970s年代DRAM(【上篇】荣耀、财阀与政治:存储器战争的阳谋)等等的发展。

事实上,半导体三极管的发现是在二战后,依托于贝尔实验室的固态物理学的基本理念做出的一项研究计划。这是当时的实验室系统的主席凯利制定的,而做这计划的缘由是:

凯利认为通过对量子力学的理解,人们有可能改进一些材料的性能。1979年,贝尔公司已经拥有了一张由17个实验室组成的、遍布美国各地的庞大科研网。在19300多名工作人员中,博士2580人,硕士将近400人。

这是一种难以置信的公司科研能力,更是直接推动了美国半导体产业的飞速发展。结果是,贝尔公司使全美国用上了“十二键”的集成电路按键式电话,将转盘式电话彻底淘汰。

换句话说:如果不是形成了如此强大的基础科学研究能力,半导体产业恐怕也无法快速发展。

自从巴丁发现表面处理和接触技术在发明晶体三极管过程中的关键性后,半导体集成电路和半导体激光器技术的发展是同表面科学研究成就有密切相关性的。

如何更好地制造半导体元件材料成为极为重要的学术以及工业研究课题。而半导体材料领域的研究,又回到了基础科学研究的范畴。从某种程度上说,这又回到了人类对于未知领域的探索上了。

除此之外,美国的17个国家实验室中,有大量的关于半导体技术的研究项目。例如能源部旗下大名鼎鼎的劳伦斯·利弗莫尔国家实验室、桑迪亚国家实验室、洛斯·阿拉莫斯国家实验室和美国商务部国家标准与技术研究院(NIST)。美国半导体工业协会(SIA)认为这4个实验室对美国半导体工业未来的成功发挥着至关重要的作用,例如光刻、建模和仿真,包括设备设计。1993年,这4个实验室将价值约1.2亿美元的资源用于与商业半导体行业的合作研究与开发协议。

而半导体产业发展到现在,事实上已经进入了一种更加极致的状态。2019年10月11日,位于比利时的微电子研究中心(IMEC)在东京举办的年度研究结果介绍会上,发布了新的半导体技术路线图。

图1:迈向1nm节点的技术路线图(来源:IMEC)

在1nm节点,IMEC提出了基于CMOS结构的Complementary FET(CFET)方案。同时,IMEC对材料和晶体结构进行着持续的改良,未来采用high-NA EUV光刻可能使晶体管结构继续微缩。而在全新的领域里,需要科学界、产业界以及社会各个领域更多的资源投入。

到这里有一个明显的结论:半导体是这样一个产业,它蕴含着极高的知识含量,融合着多个学科的研究成果,最终还要和工程技术实现完美的结合一起进行大规模的民用方面的生产。

同时做到这三点的产业,目前基本上只有半导体产业。这对于半导体产业的估值尤为重要。也就是说:

估值来自于对未来的认识和看法。一个可能会持续颠覆人类现有生活方式的产业,估值怎么给?IMF测算过,每1美元半导体业的产值可带动相关电子信息产业10美元的产值,并最终能带来100美元的GDP。2019年全球的GDP为87.75万亿美金,就以全球半导体销售额4121亿美金来计算,可撬动的GDP高达40万亿美金。

这种价值链的放大效应奠定了半导体行业在国民经济中的重要地位。很明显,极高的知识含量、对未来的缔造以及由此带来的巨大的经济利益形成了科学魔方的三条变量,这让半导体产业存在持续突破“估值天花板”的合理性。

我们需要做好充分的心理建设,因为这个产业的估值将会持续的让你“无法接受”。更深的含义,在这里就不展开说了。

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