核心芯片自给率为0,国产半导体命门何时化解?

和所有企业一样,国产芯片企业也需要从0到1的机会,目前或许就是最好的时代。
2020-03-18 08:07 · 微信公众号:亿欧网  张伟超​   
   

一定程度上说,半导体就是新经济发展的基石与晴雨表。科技的进步离不开半导体的发展。

众所周知,半导体的绝大多数领域都被少数几个国家垄断把持。但这无可厚非,回顾整个半导体行业的历史,从诞生至今,他们已领先数十年。

半导体的百年沉淀

1833年,英国科学家巴拉迪最先发现,硫化银的电阻会随着温度的变化而变化,这种情况不同于一般金属。这是半导体现象的首次发现。

随后的70多年里,众多知名科学家不断发现相关定律与性质。到了1904年,人类历史上第一只电子管诞生。又经过34年的不断发展,1947年,第一块晶体管在贝尔实验室诞生,标志着人类步入了飞速发展的电子时代。众多公司开始涉及半导体业务,例如德州仪器、摩托罗拉、IBM等。

1955年,“晶体管之父”肖克利回到老家圣克拉拉谷(也就是现在的硅谷),建立了自己的公司——肖克利半导体实验室,这是硅谷第一家真正的半导体公司。肖克利实验室为硅谷引来了大批优秀的技术人员。使硅谷取代美国东部,成为半导体产业的中心。

1957年,“八叛逆”离开肖克利实验室,借助仙童照相器材公司的投资,创立了仙童半导体公司,这是硅谷历史上的一个里程碑。仙童半导体公司首次将集成电路技术推向商用化,此后还孵化出包括英特尔、AMD、美国国家半导体、LSI Logic、VLSI Technology、Intersil、Altera、Xillinx等业界众多巨擘。

1965年,戈登•摩尔提出摩尔定律。1968年罗伯特•诺伊斯与戈登•摩尔创立了Intel公司。

1971年,世界上第一片CPU在Intel公司诞生。它决定了全球半导体器件的基础架构,也就是我们常说的X86架构。一代巨头也就此开始了它的野蛮生长之路。1997年,随着Intel奔腾系列这一划时代的产品出现,人类正式进入计算机时代。Intel的芯片王朝也宣告成立,X86架构芯片便横扫世界,统治了个人PC与服务器时代。

与此同时,在王朝的阴翳下,另一颗崛起的种子正在生根发芽。1985年,Acorn公司研发出第一款处理器芯片,型号被定为 ARM1。在强大的X86系列面前,ARM1显得弱小不堪。

1990年,Acorn与苹果、诺基亚、VLSI、Technology等公司合资改组为ARM计算机公司。

但在Intel强大的统治下,ARM并不好过。绝境中,ARM决定改变他们的产品策略,他们不再生产芯片,转而以IP授权的商业模式,将芯片设计方案转让给其他公司。简单来说就是,ARM不再像Intel一样,一颗芯片的设计、制作、封装都由自己来完成,它相当于出售自己的“设计图纸”,剩下的由购买方自己去完成。

没想到正是这种模式,开创了属于ARM的全新时代。随后,越来越多的公司参与到这种授权模式中,与ARM建立了合作关系。其中就包括三星、Cirrus Logic、德州仪器(TI)、夏普等公司。

2007年,真正的划时代产品出现了,那就是iPhone。

苹果iPhone彻底颠覆了移动电话的设计,开启了全新的时代。第一代iPhone使用了ARM设计、三星制造的芯片。iphone的热销,App Store的迅速崛起,让全球移动应用彻底绑定在ARM指令集上。紧接着,2008年,谷歌推出了Android(安卓)系统,也是基于ARM指令集。

至此,智能手机进入了飞速发展阶段,ARM也奠定了移动芯片时代的霸主地位。

如今芯片产业正在经历向AI芯片的转变,2016年被定义为AI元年,是AI蓬勃发展的一年。各类AI芯片也横空出世,呈现出“百舸争流”的态势。

虽然国内外企业都处于同一起跑线,但老牌企业依旧有自身优势。由于CUDA开发平台的普及和较早研发GPU,英伟达目前处于AI芯片领头羊的地位,并在不断扩张。

值得欣喜的是,在AI芯片时代,我国拥有华为海思、联发科、瑞芯微、芯原微、寒武纪、地平线等大量优秀企业紧随其后,国产替代或将自此而始。

国产替代在路上

2018年贸易争端伊始,中兴遭受了沉重的打击。这让人们意识到核心器件被“卡脖子”是多么可怕的一件事,也让“国产替代”的口号变得愈发响亮。

其实不止我国苦“美”久矣,天下都已苦“美”久矣。

20世纪80年代,日本制造商在半导体产业中处于领先地位,他们采用基于DRAM的IDM商业模式。日本几乎占领了全球半导体市场的半壁江山。他们以全面出击的策略来扩张业务,利用成功的内存业务为其创造资源,在MCU、Sensor等领域取得巨大成功。

20世纪90年代初,三星成为全球最大的DRAM产商,随后再成为全球闪存的最大厂商。

20世纪90年代中,我国台湾,智原、联发科、联咏等一批IC公司从联电分离出来,吹响了东方IC企业挑战西方IC产业的号角。

但好景不长,随着PC个人电脑的全球普及,日本、韩国制造商风头减弱,美国IC厂商通过把资源集中到PC业务而取得了长足的发展,Intel和德州仪器等美国制造商抓住机遇。尤其是Intel,通过专心致志发展MPU(MPU为CPU的分支,可简单理解为功能较强大的CPU),从日本电气股份有限公司NEC手中夺得了全球第一的排名,并在此后一直保持。

我国半导体行业起步较晚,在20世纪末的这场半导体行业战争中并无我国企业的身影。但随着时间的推移,目前我国优秀的半导体企业也开始涌现出来。例如上海先进、中芯国际中星微、士兰微、紫光、华为等。

贸易摩擦出现至今已经22个月。正是这些企业,为实现国产替代的理想提供了强有力支持。

今年1月,在华为开发者大会2020(Cloud)预沟通会上,华为高级副总裁张顺茂针对此前华为进军消费级台式机市场的消息进行回应。他表示,华为将为国产台式机提供芯片,型号为鲲鹏920S。华为鲲鹏服务器主板和鲲鹏台式机主板也已上线,搭载鲲鹏920处理器。

张顺茂称,目前全世界绝大部分算力都是基于英特尔的x86架构CPU。华为近年来发力服务器芯片,尤其是在贸易争端后加速了布局,来对标长期主导该市场的英特尔。

张顺茂表示,欢迎国内更多有技术、资金实力的公司投入芯片产业,让国家有一个坚实的计算基础。希望此举能获得“天下云集响,嬴粮而景从。

正视差距,知己知彼

要想实现真正的国产替代,第一件事情就是对目前我国半导体行业现状有所了解,否则容易陷入到盲目乐观或者自卑。

中国推动国产CPU多年,但在市场上的竞争力仍然不足,份额或不到1%。

这张图最初源自清华大学微电子学研究所魏少军所长发表的《集成电路应用》。魏少军将国产核心集成电路和国产芯片的份额,和国外公司的市场占有率进行了比较。并将引用领域划分为计算机、通用电子、通信、存储和视频系统等几个大方面进行了数据比较。

从以上数据可以看出,计算机系统中,国内芯片所占份额最好的是工业应用,单片机主控制芯片份额为2%,在个人计算机及服务器方面国产芯片占有率基本为0。虽然我们有着自己的服务器生产制造企业,但是核心技术层面仍然没有掌握。

在通用电子设备领域,可编程逻辑设备和DSP数字信号处理器的国内份额也为0。虽然我国也研发出了类似华睿2号数字信号处理器面世,但是其在市场工业领域应用还是基本空白。

在通信装备行业,全国最高的依然是应用处理器、通信处理器等产品,所占份额分别为18%、22%。这也是我国目前在芯片领域能够占领到的最好的份额,但在嵌入式的MPU、DSP处理器占有率基本还是0。

在内存芯片方面,DRAM内存、NAND闪存份额也是0,闪存份额也不超过5%,ISP处理器份额也有5%。在显示及视频系统中,显示处理器中国产占有率为5%,驱动IC占有率也是0。

需要指出,这里的0%不代表国内完全没有这个产品,而是与市场主流相比可以忽略不计。比如CPU处理器,国内有龙芯、兆芯以及新近曝光的海光、澜起等等,且不说技术、性能差距,光是产量方面他们就不能跟Intel、AMD之类的公司相比。

贸易逆差和自给率是常被提及的两个数据。2016年,中国集成电路进口额达到2270.7亿美元,连续四年超过了2000亿美元,是价值最高的进口商品。同期出口集成电路613.8亿美元,反而下降11.1%,贸易逆差高达1657亿美元。预计未来几年,集成电路进口额仍将维持高位。

近年来我国集成电路自给率不断提升,2018年为13%,预计2020年有望提升至15%,但总体仍然处于较低水平。

关键元器件几乎没有国产、依赖大规模进口,在这样的大背景下,一些曾经被引以为傲的中国科技公司,在美国的施压下噤若寒蝉。

从零到一的最好时代

和所有企业一样,国产芯片企业也需要从0到1的机会,目前或许就是最好的时代。

集成电路产业涉及设计、制造、封装三个环节,目前国内已实行三业齐驱。制造可以去代工,封装测试与美国的差距也不是很大。差距最大的就是设计环节。

国家八六三计划超大规模集成电路设计专项专家魏少军曾多次公开表示,其实不是中国设计不了芯片,而是因为当下没有芯片迭代的条件。

我国也有优秀的芯片面世,但芯片从不是简单的一个器件,而是一个生态,需要不断去应用,验证,迭代。但此前完全没有机会去给国产芯片迭代。

英特尔、ARM这种大公司,都是通过不断的迭代,最终改进出来好用的芯片。反观国内,国产芯片生存比较困难,重要原因之一,是业界不会给迭代的机会。

这是因为,一般企业等不了漫长的研发周期,或没有耐心去等国产的芯片迭代;另一方面,即使研发出来,市场已经存在性能优越的芯片,甚至成本也低,他们可以通过价格战来竞争,这直接限制了中国芯片设计能力的提升。

“本来有很多人其实可以设计出很好的芯片来,但是由于市场的生态不给你国产芯片迭代的机会,选择性忽视国产,所以国内公司也就不能、也不给工程师去试错的机会,这就是我们的问题所在。”魏少军认为。

一颗芯片诞生后,需要有庞大的生态来支持它的开发,这需要漫长的时间积累。很多国产芯片大多都是停留在实验室阶段,大量产、批量应用基本没有。

所以贸易争端的存在,一定程度上保护了国内众多芯片企业,使得他们可以尽可能少地受外国低价高性能芯片的价格战冲击,能给他们更多的时间去应用,验证,迭代,做到真正的国产替代。

毕竟现实已经足以说明,受制于人的危害之大。

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