激荡六十年，芯片风云

文/陈根

芯片是市场的灵魂，也是信息产业的三要素之一，芯片起则科技起，科技兴则国家兴。

新冠疫情让我们深刻感受到了芯片对于一个国家的重要性，像红外体温检测仪、红外成像监控和测温仪等紧缺物资，其最核心的原件就是红外线温度传感芯片，采用生物芯片技术的试剂盒为病毒的检测大大缩短了时间。

此外，火神山、雷神山的“云监工”、智慧医疗平台等各种信息化手段和技术也都离不开通讯芯片的保障， 芯片产业也早已成为各国竞相角逐的“国之重器”，甚至逐渐成了国家竞争的抓手。

那么芯片发展至今，都经历了怎样的变革？后疫情时代，全球芯片产业地图是否会变化？是一切恢复如初还是面临行业的洗牌？中国在经历了2018年中兴事件和美国对华为的断供升级事件之后，能否一改弱势地位，在芯片界崛起？

芯片风云

信息时代，人们对高科技电子产品的神奇功能赞叹不已，而赋予这些产品奇特功能的核心器件，就是人称“生命之石”的集成电路芯片。

那么什么是芯片？芯片就是采用几百道复杂的工艺，把一个电路中所需的晶体管，包括二极管、电阻、电容和电感等元器件及布线互联形成一个电路，集中制作在一小块或几小块硅片上，然后封装在一个壳体内，成为具有所需电路功能的微型结构。

芯片最大的特点就是需要把数量巨大的电子元器件做到像指甲盖那么小的一个芯片上面去，对技术难度要求之高可想而知。

1946年，世界第一台通用电子计算机“埃尼阿克（ENIAC）”诞生。埃尼阿克重达30多吨，占地面积170多平方米，肚子里装有18000只电子管，含有成千上万个二极管、电阻器等元器件。其内部有电路的焊接点多达50万个，机器表面布满了电表、电线和指示灯。

令人哭笑不得的是它的耗电量，据说超过174千瓦小时，每次使用时全镇的电灯都会变暗。更要命的是，电子管平均每隔15分钟就要烧坏一只，科学家们不得不满头大汗地不停更换。

尽管如此，这台我们如今依然觉得奇怪的庞然大物的计算速度却是当时手工计算的20万倍、继电器计算机的1000倍。在埃尼阿克的运转中立下汗马功劳的，就是实现了计算功能的真空电子管，而存储器的存储介质是一种打孔卡片。

尽管拿出了计算机“绝活”，但由于体积过大，信息存储速度太慢，所以人们对缩小计算机体积、提高运算速度的渴望越来越强烈。

于是就有了晶体管的诞生：1947年美国贝尔实验室的约翰·巴丁（John Bardeen，1908—1991）、沃尔特·布拉顿（Walter Brattain，1902—1987）、威廉·肖克利（William Shockley，1910—1989）三人发明了晶体管。

作为划时代的发明，他们因此获得了1956年诺贝尔物理学奖。晶体管的发明揭开了半导体器件的神秘面纱，开启了芯片的发展历史，引发了第三次工业革命，使人类社会步入了电子时代。

1952年5月，英国科学家达默（G.W.A.Dummer）第一次提出了集成电路的设想。

1958年，德州仪器的科学家杰克·基尔比(Jack Kilby，1923—2005)与仙童公司的罗伯特·诺伊斯（Robert Noyce，1927—1990）先后独立地发明了集成电路。

2000年，诺贝尔物理学奖授予基尔比等人，以表彰他们为现代信息技术所做出的基础性贡献。

1958年，美国德州仪器公司展示了全球第一块集成电路板，这标志着世界从此进入到了集成电路时代，也揭开了20世纪信息革命的序幕。

如今，我们使用的电脑已经是早期巨无霸的1/N。集成电路在人类历史上也起到了非同一般的作用，芯片更是渗透到我们日常生活的方方面面。

早上唤醒我们起床的电子闹钟，音乐和液晶屏都是芯片在控制；打开床头的LED台灯，小小的芯片在帮助稳定电压；打开手机，好几块芯片在同时工作；走进厨房，冰箱、微波炉都由芯片控制。

无论是小到日常生活的电视机、洗衣机、移动电话等家用消费品，还是大到传统工业的各类数控机床和国防工业的导弹、卫星、火箭、军舰等，都离不开芯片。

全球芯片产业地图

从全球角度来看，由于应用市场的多样化需求、产业链的模块化、分工的国际化，芯片产业的整体垄断性正在减弱，不同国家的行业布局联系紧密，力量此消彼长。

美国在全球芯片产业保持先发优势的同时向综合生态演进，2018年，美国的无厂芯片商和有厂芯片商共占整个半导体市场份额的52%，并且凭借先驱地位成为几乎全芯片品类、生产设备、材料等全产业链布局的市场，把持着上游高附加值端。

不仅如此，巨头们已经开始部署从设计到应用的封闭体系，比如英特尔收购了以色列Mobileye，涉足无人驾驶。终端企业如谷歌、亚马逊等也着手自主研发芯片，打造自身产品的生态闭环。

欧洲和日本则在占领材料和设备高地的基础上开辟差异化战场，欧洲强大的基础研发能力以及传统的芯片IDM厂商模式，再加上发达的机械工程为汽车制造提供了广阔的应用市场，强大的优势让其领先于工业半导体和车用半导体的设计与制造。

日本避开主流的云计算AI芯片竞争，转而研发面向边缘计算的终端AI芯片；欧洲则在2016年启动了6200万欧元的“SemI4.0（功率半导体制造4.0）”项目，以实现多种先进制造技术混用的智能制造。

韩国和中国台湾则重点巩固自身在产业链中的地位。从历史来看，韩国和中国台湾的芯片发展得益于以美国为中心的第二次产业转移。韩国“政府+大财团”的模式扶持了由三星、SK海力士引领的庞大产业链。在模式上属于美国前一个时代的复刻与延续，比如三星设计与制造于一体，超越了英特尔成为全球第一。

中国台湾的重点则是在下游的晶圆代工与封测。在封测方面，台企日月光等2018年拿下了全球54%的市场份额；台积电领先量产7nm工艺，在2019年第二季度拿下市场近50%的份额，并且完成了全球首个3D IC封装。

在第三次产业转移中，中国大陆异军突起。综合内需与外销来看，中国大陆是芯片第一大消费地区，但从产业链来看，还是两头重、中间轻，即设计与封测增长快，而制造的核心技术仍极度依赖进口。

在2018年，以华为海思为代表的中国IC设计行业收入2515亿元，年增长率23%。封测领域虽吞下了全球12%的市场份额，但集成电路贸易逆差却高达三倍。

风雨兼程60年

宁可做过，不可错过。

20世纪50年代以来，世界集成电路产业的持续高速发展，一度将中国远远甩在身后。

钱学森说，20世纪60年代，我们全力投入“两弹一星”，我们得到很多；70年代我们没有搞半导体，我们为此失去很多。

技术进步是颠覆式的，每落下一步，就很快会被甩下一大截。

中国芯片产业的发展，最早要追溯到上世纪50年代。在黄昆、谢希德教授的主持下，北大创办了中国第一个半导体专门化培训班。经过一整年的时间，两位教授合著的《半导体物理学》问世，这也是我国在该领域的第一部著作。

在最初的发展阶段，中国大陆早期集成电路电气发展走的是自主研发的道路。在国际的技术封锁下，研究人员、技术人才和产业工人自力更生奠定了集成电路的发展根基，建立起自己的半导体专业，殊为不易。

“文革”开始后，所有的研发进程不可避免地被拖慢了。当计算机技术和芯片业进入了快速发展阶段，我们的技术却落了不止一两代。

改革开放以后，中国集成电路产业的发展，由全部依靠自力更生，转变为“引进、消化、吸收、创新”。后来，我国逐步加大资金和技术的引进与投入，可以说中国集成电路产业的发展走过了最为艰难、曲折的道路。经过60余年发展，中国集成电路产业已取得长足进步。

2018年中国进口的芯片元组数量达到4000亿个，同比增长10%，消费金额达到2.06万亿元人民币。这个数字究竟有多大？

2018年中国进口商品总额为14.09万亿元，芯片的消费量占比14.62%，这个比例已经足够大。而去年中国进口石油总额为1.59万亿元人民币，石油消费还赶不上芯片消费。这一点就足以说明，中国早已从传统工业向智能科技产业转型，成为新的科技大国。

十九大报告提出，我国经济已由高速增长阶段转向高质量发展阶段，正处在转变发展方式、优化经济结构、转换增长动力的攻关期。受益于“芯片国产化”趋势，半导体行业也正加快转型升级步伐，呈现出诸多新的趋势和变化。

中国“芯”突破

值得一提的是，疫情期间，我国的芯片业界也发生了许多大的改变。

首先，华为将向中芯国际转交更多芯片代工订单。当然，这些订单有些本来是要交给华为的“老朋友”台积电的。

芯片生产的全流程涉及设计、制造、封装和测试，其中设计环节华为一直在自己做，而最重要的环节制造，则只能外包给代工厂。

之前能承担华为、高通、苹果这类手机芯片设计公司代工订单的，基本上仅有中国台湾公司台积电（三星也有一些订单）一家。如今，华为是台积电的第二大客户，是仅次于苹果的金主。

而美国威胁对华为断供升级，有可能会影响台积电未来对华为的供货。因此，近期频频传出华为减少台积电订单，将更多中低端产品（低端手机芯片、物联网芯片、机顶盒芯片等）订单转交大陆晶圆代工厂中芯国际来完成的消息。

由于目前中芯国际最高只具备14nm制程芯片的量产能力，因此华为7nm甚至未来的5nm制程高端芯片还只能交给台积电，不过，目前来看，华为向中芯国际转交更多芯片代工订单也是扶持了中芯国际。

其次，工厂位于疫情最严重地区武汉的国内存储大厂——长江存储于4月13日官宣，正式发布自研128层NAND闪存，并已经通过多家行业内权威机构与厂商的认证。

NAND闪存（非易失性闪存存储器），是手机、笔记本电脑等电子产品里非常非常重要的存储介质，手机、笔记本、PAD容量是256GB还是512GB，就是这个东西决定的。目前NAND闪存市场已经完全被国外公司占领，龙头老大是韩国第一财团三星。

而仅仅成立于2016年的武汉长江存储，本次推出的是128层QLC 3D NAND闪存，已达到业界最先进水准。简单来说，QLC是NAND闪存的第四代最新技术，具有时下最高的存储容量。

而3D NAND技术则是一种将存储单元堆叠在芯片上进而实现更高存储密度的技术。当然，层数越高，容量越大，技术越复杂。

目前长江存储推出的128层QLC 3D NAND闪存，是使用自己的专利技术开发的完全达到行业最顶尖水平的NAND闪存芯片。也就是说，用了4年时间，直接追上了三星、东芝、美光等大厂N个时代的代差。

近日，我国光刻机研究进度也取得令人欣喜的进展，安芯半导体公司上月向海康威视交付了第一台国产光刻机，主要用于耳温枪的制造。紧接着又成功交付第二台光刻机，即将投入互补金属氧化物半导体领域的研究。毋庸置疑，这是我国在半导体行业实现了一次质的飞跃。

一直以来我国的半导体行业一直掌握在别人的手里，目前全球能够掌握光刻机技术的国家只有寥寥几个。由于国内光刻机技术的局限性，我国的光刻机一直依赖荷兰ASML公司。

更过分的是中国大陆地区受到出口限制，我国光刻机陷入“千金难求”的困境。此前中芯国际斥巨资8.4亿人民币向ASML公司订购了一台极紫外光刻机，这台天价光刻机拖了两年之久还未交付。面对遥遥无期的交付期，我国不得不着急加快光刻机技术研究的脚步。

好在我国光刻机技术的研究终于传来好消息，两台面世的光刻机迈出了打破垄断的第一步。虽然在一些高精度的元件上还无法用国产的元件替代，但中安芯所生产的光刻机已经实现了70%的国产化。

一路跋山涉水 一路风雨兼程

回顾芯片历史，就是回顾是一部市场牵引和技术推动的发展史。

政策在完善，资本在汇集，人才继续培养，活力继续释放。越来越多的空白已经被填补，越来越多的梗阻正在被打通。

“大厦之成，非一木之材也；大海之阔，非一流之归也。”可以预见，芯片创新的机遇期即将到来，但关键是我们如何去抓住它。科技创新，最核心的是人才。哪怕错过一个领域的发展，只要有人才，追赶也还来得及。

随着新一轮科技革命和产业变革的孕育兴起，一些重要的科学问题和关键核心技术不断被突破。产业更新迭代的速度不断加快，也对全球经济结构和竞争格局产生重大影响。

得益于“集中力量办大事”的制度优势、改革开放40年的综合实力优势以及新中国成立近70年来累积的人才优势，加之广袤的国土和开阔的市场。正如我在《华为河图，穿越300年言论背后的智慧感知》一文中所论述的，只要我们能客观的正视自己的不足，正视自身的问题，我们就能有办法克服困难，缩短差距，中国就有希望，有底气在新一轮科技变革中挺立潮头。

历史不会重复自己，但会押着同样的韵脚。

我们用几十年的时间走过了西方发达国家几百年走过的现代化历程，实现了创新的历史性跨越。中国创“芯”亦会书写同样激荡的篇章，就像接力赛，需要一棒接一棒地跑。我们始终坚信：一路跋山涉水，一路风雨兼程。