必贝证券 | 在地缘政治与摩尔定律下求生的芯片产业

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所属分类:投资要闻

2018年12月1日是个特别的日子。这一天,中美两国领导人在G20会议上“握手言和”,表示彼此不再加征新的关税;同是这一天,几起突发事件让这次“言和”显得更加暧昧不清,“芯片”再度成为关键词。无论坊间如何解读,有一点是共认的事实,那就是关于“芯片”的“战争”已趋于白热。下文是今年《经济学人》发表的一篇文章,探讨的是芯片在当下最重要的几个问题。文章最后强调,无论如何,中美之间的经贸合作是难以抵挡的趋势。

硅谷,美国科技产业的心脏,其名字来源于一种化学元素,该元素也是芯片最为重要的成分。如今,芯片正吸引着 Facebook、谷歌和苹果等巨头公司的注意力,而让这些公司闻名于世的并非芯片,而是软件和那些漂亮的硬件设备。然而,正是得益于二十世纪五六十年代晶体管、集成电路等发明的精细化,电脑才从房间大小的巨型机器,逐渐缩小为口袋大小的便携设备,巨头们能有今天的辉煌正仰赖于此。

如今,现代化的芯片已被嵌入汽车、洗衣机、战斗机等各种设备中。据数据提供商「全球半导体贸易统计组织」(WSTS)估计,2017 年,芯片市场规模为 4120 亿美元,较去年增长 21.6%。不过,这些原始数据容易让人低估芯片制造的重要性。比如,对比来看,全球电子商务行业每年的收入约超 2 万亿美元。如果说数据是新的石油,那么,芯片就是把数据变得有用的内燃机。

芯片的无处不在催生了一个庞大的全球产业。现代芯片约含数十亿个元器件,需要在超先进的工厂中生产,其制造成本高达数百亿美元。事实上,能够完全建造这些设备也是专业化和贸易实力的一个体现。

这些极其复杂的产品催生出同样复杂的供应链,全球数千家专业公司都参与其中。美国半导体产业协会(SIA)估算过,其成员之一拥有超过 1.6 万家供应商,其中 8500 多家在美国境外。原材料和元部件是芯片的重要组成部分,在最终成为智能手机、汽车防抱死制动系统或其他数以千计产品的大脑之前,它们会经历一番环球旅行。

如今,两股力量正将半导体产业推到聚光灯下。首先是地缘政治。芯片产业正深受中美日趋敏感的对抗关系影响。其次是物理学。这场酝酿中的技术变革正处于历史性时刻。50 年来,芯片行业一直受到摩尔定律的推动。根据摩尔定律,芯片上可容纳的元器件数量每两年翻一番,芯片性能也将提升一倍。但摩尔定律正在失效,芯片行业的未来似乎也比以往任何时候都更加不确定。

1.电子产业领域的政治角逐

让我们从地缘政治谈起。

长久以来,美国都是芯片制造业的领头羊,芯片产业也是国家重要战略资产。芯片的最早应用之一出自硅谷,主要被用于核弹的导航系统,硅谷将自己的存在归功于五角大楼的赞助,其重要性不亚于风投在其崛起中起到的重要作用。2017 年,一份由白宫发布的报告也放弃咬文嚼字,直接指出「前沿半导体技术对于国防和军方的强大,至关重要。」

如今,中国也将芯片制造视为未来竞争的重要砝码。2014 年,国家集成电路产业基金成立,资本滚滚流入半导体研发领域。「中国制造 2025」战略也将焦点放在提升中国生产力,希望国内芯片产业营收能从 2016 年的 650 亿美元,增至 2030 年的 3050 亿美元,并基本实现自足(当前仅能满足国内需求的三分之一)。

美国当然不欢迎中国入侵自己的利益范围,也正试着阻碍这位对手的前进。2015 年美国禁止向中国实验室出售英特尔高端芯片,并给中国公司收购美国芯片公司使绊子。

今年中兴事件中,特朗普政府利索地表示禁止美国公司向中兴出售半导体部件。这家公司的芯片设计来自好几家美国公司的许可授权,此举一出,无异于让其瞬间瘫痪。当特朗普出乎意料地表示解除禁令时,这家公司才免于破产险境。

2.政治风向摇摆不定,芯片产业也受牵连

美国还指控中国从事商业间谍活动。11 月 1 日,福建晋华公司被指控与其台湾合作方联华电子从事商业间谍活动,盗取一家大型美国公司镁光的商业秘密。官方不断发出警告,使用中国制造的设备存在风险,因为它们可能将一些敏感信息盗取回国内。

10 月 12 日,两位议员公开警告加拿大不要让华为参与该国 5G 移动网络建设。本周,新西兰禁止本土移动网络运营商 Spark 使用华为 5G 设备。在特朗普先生掀起的中美贸易战中,芯片又被置于首当其冲的位置。8 月,美国上调了一系列产品关税,包括芯片。

中国也加强了力度。高通公司收购恩智浦,最终在中国这里流产。中国政府也正在调查美国与韩国内存芯片制造商的价格垄断行为,其中包括镁光公司。

美国挫败中国的努力可能会越来越坚决。最近,中国报道生产出世界最快的超级计算机(「神威太湖之光」),采用了 40,960 个自主研发的申威 26010,田纳西大学的超级计算机专家 Jack Dongarra 表示,主要原因还是英特尔被禁止向中国出售高端芯片,「中国就将更多资金投入到高性能计算研究中。」而使用了更为先进芯片的「太湖之光」的继承者们也已投入使用。

贸易摩擦以及日趋紧张的中美竞争正对最复杂、也最为全球化的产业之一产生负面影响。

「这些(芯片)公司已经明白,过去三十年,全球化确实是机遇。如今全球化突然变成一个国家安全问题,他们不得不针对新的环境,做出调整。」欧亚集团(Eurasia Group)的一位政治风险咨询顾问 Paul Triolo 表示。

然而,重塑一个关乎全球经济核心、正高速发展的产业链条,并非易事。

芯片产业早期,这些制造商们都是在国内完成整个生产流程。1961 年,情况开始发生变化,当时,仙童半导体开始将组装和测试工作移到香港,因为那里的劳动力更加便宜。随着芯片变得更加复杂,这一外包趋势开始加速,越来越多的工序被外包给专门公司。结果,全球几千家公司就这样彼此关联、错综复杂地联系在一起,大致可以被分为三类:设计、制造、组装和封测商。

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从最初的硅到成品芯片,通常需要经过一系列非常复杂的加工流程,从中也可窥见芯片供应链有多么复杂。

供应链的开端,可能位于阿巴拉契亚山脉,这里盛产世界最高品质之一的二氧化硅。接着,二氧化硅会被运至日本,加工成纯硅锭,切割成标准尺寸的晶圆后,又被运至韩国或台湾某个晶圆公司,在这里,由荷兰制造的光刻机器进行光刻显影等工序。

具体的管道设计取决于芯片的整体设计,可能源自 ARM。不过,设计者也能根据该公司多种授权方式之一,针对具体应用进行调整。完成后,芯片会被封装并进行测试。此时,芯片之旅已抵达中国、越南或者菲律宾。

3 低端发力,力争上游

芯片被集成到电路板上,可能发生在另一个地方。接着,产品会被运至从墨西哥到德国、再到中国等不同厂家,安装到工业机器人、智能电表或者云端服务器中。

中国本土芯片产业从供应链低端开始切入,香港理工大学电子工程教授 Jiang Xu 说,比较擅长组装和封测。上海所在的长江三角洲,坐落着十几家封装测试企业。公司名字虽不为人熟知,但是它们的收入却很可观,达数十亿美元。

如今,西方芯片公司离不开这些供应链上的中国公司,另一方面,国内需求也正在快速增长,因此,中国开始朝设计与制造环节发力,并已经打入低端芯片市场,而三星、苹果、英特尔、台积电等公司则针对智能手机、云计算等领域,设计制造功能更为强劲和昂贵的芯片。

但是,「75% 到 80% 的半导体产品用不到如此前沿的技术。」研究机构 ihsMarkit 的 Len Jelinek 说。诸如物联网所需的芯片,其实就是在日常物件中植入传感器和联网功能,「(它们所用的芯片)绝对可以由中国芯片公司设计出来。」

中国公司正在供应链上力争上游。华为海思和清华紫光(国有)已位居世界十大芯片设计公司行列(以收入论)。海思的麒麟系列智能手机芯片已经可以媲美西方公司的设计。

4.告别摩尔定律

中国公司虽然力争减少对海外的依赖,但也没办法完全杜绝这一需求。Xu 教授指出,中国公司非常依赖基于ARM公版设计的修改。ARM 的设计已经占领移动计算领域,并正以类似的姿态进军物联网智能设备。这家公司也在努力进入高性能计算芯片领域。不过,ARM 位于英国,最近被软银收购。英、日本都是美国的盟友。

中国已经发现,在前沿制造业取得进展也越来越不容易,芯片正是其中最难的一部分。中国的新贵势必与那些现有企业竞争,而这些企业不仅拥有令人生畏的技术领先地位,也拥有大批经验老道的技术工程师。Jelinek表示:「实际上,半导体(制造业)其实是不断重复学习周期。」麒麟980是第一个采纳7纳米制程的智能手机芯片,由于中国并无晶圆厂家,像海思这样的公司(其竞争对手是高通、苹果这样的美国公司)不得不诉诸台积电来制造芯片。

摩尔定律的日落西山,也成为限制中国野心的一个手段。芯片组件每缩小一次,制造就变得更加复杂和昂贵。尖端晶圆厂的生产已经变得极其昂贵。三星(Samsung)将斥资140亿美元在韩国平泽(Pyeongtaek)附近建造一座工厂。芯片制造商开玩笑地说,这是摩尔第二定律,即芯片工厂的成本每四年翻一番。

因此,芯片制造的前沿阵地出现了行业整合。根据麦肯锡咨询公司的数据,2001 年,能提供最先进晶圆设备的厂家有29家(见图表),如今只剩五家。这可能更易于西方的技术鹰派阻碍中国的步伐,因为这些晶圆厂由美国、台湾和韩国的公司所有,他们都是盟友。鹰派可资利用的另一个手段就是为这些晶圆厂提供设备的公司,特别是一家荷兰公司ASML。经过十多年的尝试,这家公司成功实现「极紫外光刻技术」商业化,制造最先进芯片离不开该技术。这也可以成为西方政策制定者们的抓点。

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但摩尔定律的终结也给中国带来了希望。曾经,随着元件收缩,芯片能够更快地运行。如今,所谓的缩放定律效应已经开始衰退,也就是说,芯片组件缩减带来的好处比过去要少。芯片行业分析师 Linley Gwennap 表示,正是出于这个原因,如今落后领先者一两步,不如过去那么重要了。硬件设计师 Andrew Huang 表示,与此同时,摩尔定律的放缓也敦促整个行业寻找其它方法来制造更好的芯片。换句话说,人们的注意力正逐渐从改善制造工艺,转向寻求更聪明的设计和新想法。如果这能改变芯片行业的运作方式,那么,中国企业就能试着挺进这个尚未被宣示主权的新领地。

华为海思的芯片就是一个例子。他们的产品包括高度定制化、主要用于加速人工智能算法的芯片,这也是「中国制造」和国家意欲重金投入的领域。量子计算也是被寄予厚望的领域。量子计算,利用量子力学效应加速大规模计算。中国已经为此押上赌注,据报道,已经投入百亿美元在合肥打造一家大型实验室。然而,量子计算需要掌握非常规物理规律,比如超导线、离子阱以及非常不同于芯片所要用到的技术。

随着中国在芯片制造领域的猛进,美国也开始推进前沿技术。包括谷歌、微软、IBM在内的美国公司正在开展自己的量子计算项目。2017 年,总统科技顾问委员会的一份报告建议,对中国崛起最好的回应方式就是投资并维持美国的领头羊地位。比如,DARPA正在进行一个电子产业复兴计划(ERI),研发可以商业化的新技术。

5.加快步伐

其中的一些项目也旨在提升既有芯片工艺。比如,据 ERI 项目负责人 William Chappell 透露,让小型芯片设计公司更容易地将其特殊设计集成到大公司产品中的技术,能减低芯片成本。不过,ERI也会投资一些更具探索性的领域,比如利用光(而非电子)设计芯片的光子计算芯片;依靠量子效应发挥作用的自旋电子晶体管,以及牺牲精确性以换取节能的近似计算。

探索更加前沿的芯片设计与制造,会让美国继续保持领导者的角色。无论如何,较之调整全球产业链的做法,这种策略更容易实现。实际上,抵制中国的举措并未受到美国国内欢迎。高通三分之二的收入来自中国;镁光收入的 57% 来自中国。随着微软、亚马逊相继在中国开设研究结构,中美之间的合作是难以抵挡的趋势,这也意味着大洋两岸之间持续不断的资金往来。

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