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魏少军:芯片产业再成长100年,摩尔定律长期有效!
发布日期:2020-04-09 浏览次数:次 字号:[ ]
2020-04-09

4月1日,清华大学微纳电子学系主任、微电子所所长魏少军教授在清华五道口在线大讲堂进行了主题分享《芯片还将伴随我们一百年》。

(图源:清华五道口高管教育)

魏少军教授以武侯祠中赵藩的一副对联开篇:“能攻心则反侧自消,从古知兵非好战;不审势即宽严皆误,后来治蜀要深思”。他指出审时度势的重要性,对于时势的判断和选择,会影响个人的发展。就当前的时势来看,信息技术推动了过去20年GDP的发展,但在信息技术的背后,是半导体在推动着这个产业的发展,如今集成电路产业已然成为一个重要的行业。

芯片的前世今生

庄子有言:“一日之锤日取其半,万世不竭”。这句话的意思是指一尺的东西今天取其一半,明天取其一半的一半,后天再取其一半的一半的一半,总有一半留下,所以永远也取不尽,这体现了物质是无限可分的思想。魏少军教授讲到,半导体和芯片的发展,恰好就是按照这样一半一半的往下缩小,而且缩小的过程到现在为止还没有停止。

但是,缩小过程当中必须按照某种规则来进行,也就是要按照规矩,没有规矩,那就不能成方圆。这就印证了孟子在离娄章句上所说:“离娄之明、公输子之巧,不以规矩,不能成方圆”。芯片缩小所沿用的规则正是摩尔定律。

梁启超在莅山西票商欢迎会学说词当中讲到:“夫旧而能守,斯亦已矣!然鄙人以为人之处世也,如逆水行舟,不进则退”。魏少军教授解释到,正如逆水行舟,不进则退,在芯片发展的过程当中,有很多产业就是因为没有跟上技术发展,最后真的就是不进则退,甚至退出历史舞台。魏少军教授对此举了几个有趣的例子:

举例一:胶卷的消失。三四十年前彩色胶卷是稀罕之物,国际著名的柯达公司成立于1880年,但一个百年老店却在2012年1月申请了破产保护。那么打败胶卷的是什么呢?“杀死”胶卷的正是CIS和数码相机。1921年,奥因斯坦因发现了光电效应而获得了诺贝尔物理学奖;48年之后,1969年有两位科学家boyle和Smith,发明了世界上首个电子成像技术—电荷耦合器件,也就是摄像头;1991年柯达发明了数码照相机,当时价格高达13,000美元,重量5公斤,很少有人买得起,所以柯达觉得数码相机没有什么发展前途,故没有生产,但是半导体技术发展之快超乎想象,数码相机的重量和价格都得到了快速的发展,数码相机也渐渐地普及开来,遂而许多人都不再买胶卷。现在看来,当时的“杀死”胶卷的技术从根本上来说正是半导体技术。


举例二:机械钟表的消失。发明于15世纪的机械钟表,从纯粹的计时功能看,已经完全没有存在的价值。毫无疑问杀死机械钟表的是电子表。1971年,当摩托罗拉推出第1款电子手表芯片的时候,大概他们也没有意识到,过了几十年以后,电子手表已经开始取代,甚至基本上把机械手表从计时功能领域当中赶过去。

举例三:磁存储被电存储逐步取代。磁存储的代表产品如磁带、磁盘和计算机中的磁盘等。在1960年代,计算机存储单元的主流是磁芯存储器,并不是今天的半导体内存。如今磁芯存储器早已被半导体内存取代。

举例四:苹果公司的崛起。由于半导体技术的发展,电子产品得到了极大的发展,以苹果公司为例,其芯片和软件的发展实现了iPhone的价值。在同期曾经非常知名的市场占有率高达60%的诺基亚的手机“失宠”的原因就在于逆水行舟,不进则退。事物的发展都这样,我们要跟上事物的发展,否则只能被世界的大潮所淘汰。

过去四十年还有很多东西都消失了,如MP3、DVD、电子词典、随身听等等。由此来看,任何集成电路能够参与竞争的技术,最终都不可避免地成为“失败者”。


不可思议的芯片技术

《论语·学而》当中有一句话叫“如切如磋、如琢如磨”。宋代的大学者朱熹有这样的注语:“严治骨角者,即切之而复蹉之;治玉石者,既琢之而复磨之,治之已精,而益求其精业”。这句话的意思也就是精益求精,这个词用在集成电路或者芯片上是最贴切不过的。

下图是2007年国际半导体技术路线图。图中纵轴指的是可以沿着摩尔定律一直不断的微缩下去,到今天为止,工艺技术节点已经来到了7nm,很快5nm也将随之而来。横轴是各种不同半导体技术和传感器等产品多样化的发展路径。


技术前进的脚步永不停歇,当下我们还在探索更进一步的技术。7nm和5nm甚至更低的工艺之后是什么?后CMOS时代,将有新型晶体管的问世。芯片尺寸的微缩还远远没有走到尽头。例如人们已经基于二维材料制备出了1nm晶体管。

但魏少军教授也提到,作为一个唯物主义者,任何一个单一的事物总要走到尽头,特别是今天的线性技术,它事实上存在4个重要的极限:

  • 物理极限:就是最小尺寸,现在看起来如果我们的材料上没有太大突破的话,我们最小尺寸可能在1nm左右,到2030年前后,晶体管的特征尺寸可能会接近1。5nm;

  • 功耗极限:是指在物理极限下的器件功耗密度将达到上千瓦/cm²;

  • 工艺极限:将CMOS推向极限需要革命性的材料和器件创新,在这过程中,必然遭遇巨大的技术和工程障碍;

  • 经济极限:要实现上述各类技术创新必将引起制造和开发费用极急剧上升,因而只有少数全球化的企业才可以支撑。

2019年全球半导体市场陷入萎缩,而中国可圈可点

经常会有人问半导体产业是什么样的一种产业?魏少军教授用奥地利经济学家约瑟夫·熊彼得的一句话来引出,那就是“创新不是一个技术概念,而是一个经济概念”。半导体或者芯片产业,恰恰是一个创新驱动的产业,它的发明最终变成了钱,它是靠创新的方式来发展。所以它是个创新驱动的产业。

了解了半导体产业的形式之后,再来看下半导体产业的发展情况。以史为鉴,从1987年到2019年的这段时间中,我们不难发现半导体产业的发展并不是一路高歌猛进。以2019年为例,去年半导体销售收入位4121亿美元,比上一年衰减了12.1%。这是2012年经历小幅衰退后,时隔7年再次出现的衰退,也是2001年后最大的一次衰退。


从全球半导体市场分布来看,2019年全球的市场萎缩到了4121亿美元,美国市场为785亿美元,欧洲市场398亿美元,日本市场360亿美元,中国市场是1446亿美元,其他的亚太地区是1133亿美元。总体而言,全球半导体市场都有所衰退,但非常有趣的是,中国的占比增加到35.1%。

去年全球各类半导体产品也有所萎缩,其中存储器萎缩了34.2%,存储器衰退之后与逻辑芯片的市场份额一致,大约占比25.8%。

从全球半导体产品应用来看,2019年除了政府应用增长之外,其他应用都发生了萎缩。那么是不是因为中国政府买了很多芯片,魏少军教授解释道:“从数据上看还真不是,是因为美国政府的采购量增加才使得政府采购量的上升。所以其实半导体的应用,除了我们常规知道的消费类汽车、计算机、工业应用通讯,政府也扮演了非常重要的角色。”

是哪些企业的销售额衰退才使得2019年全球半导体下滑如此严重?这点我们可以从2019全球前十大半导体厂商的销售收入中找到线索。在全球前十大芯片厂商中,销售额下滑最严重的四家企业有三星、海力士、美光以及东芝,他们分别下滑了37.3%、40.4%、36.9%、42.9%,由于这4家厂商的大幅萎缩,才使得全球的萎缩比例如此高。而且有趣的是,全球前十大企业在2018年的占比还占到了65.5%,去年就萎缩到56%。

而相比全球中国的半导体情况要好的多,中国半导体是全球很重要的部分,2019年,中国集成电路产业继续维持两位数成长,相比与2018年增长了16.2%,达到7991亿元人民币。从全球范围看,中国集成电路产业的增长仍是最高的。

从我国集成电路产业链各个环节发展情况中看,2019年,在贸易环境发生动荡的大背景下,中国集成电路产业各个环节均维持了两位数的增长率。设计业增长率最高,为16.31%;封测业紧随其后,为16.26%;芯片制造业的增长率为16.07%。在过去几年中,第一次三个细分行业的增速都低于20%,但也是第一次三个行业的销售均超过了2000亿元。

2019年,我国芯片制造业全年销售达2110.4亿元,第一次超过2000亿元,但增速却下降到16.1%。值得指出的是,这一统计中包含了在华外商独资企业的营收数据,所以,制造业的快速增长也包含这些企业的贡献,在中国集成电路制造业销售统计中,预计约50%是由外资和台资在华企业贡献。

同样,在封测业中,也有外商在华独资企业的贡献,但可以预计的是,这些企业在封测领域要比在芯片制造业领域所占的比例要低一些,外资和台资在华企业的贡献约为30%。

而芯片设计业作为我国的在半导体领域的第一大产业,超过99%是由中国本地企业贡献的。芯片设计业是我国本土企业贡献占比最大的一个细分行业,2019年设计业销售达2930亿元,比2018年增长16。3%。

高端芯片进口依赖难摆脱

虽然我们在集成电路领域取得了一些成绩,但我国的芯片占比还很低。按价值计算,占比仅在10.3%左右;按照本地市场计算,占比为29.5%;所以大部分还是要进口。从2013年开始,我国进口集成电路超过2000亿美元,2018年超过3000亿美元,到2019年继续保持超过3000亿美元,虽然降低了2.6%,但仍然非常高。魏教授还特意讲到,进口的3000多亿美元,我们本地只用1000多亿美元,其中间的差值便是装到整机中出口到国外中去。


中国是个芯片进口大国,那么我们都进口了哪些芯片?魏少军教授进一步分析指出,2019年我们使用了168亿美元的微处理器和微控制器,416亿美元的存储器,356亿美元的逻辑电路,以及213亿的模拟集成电路,这4大类产品加起来大概占了我们进口电路本地市场的百分之七八十。但进口的芯片并没有完全用到本地,我们用只掉了三分之一,剩余的部分被装成整机再次出口。

总体来看,我国对一些高端芯片产品对外依赖性还很高。在过去20年中,我国集成电路设计业的主要动力是靠智能卡芯片、通信芯片以及移动智能终端芯片的发展。相关通信、智能卡、计算机、导航和消费电子等五个领域的企业数量有所增加。

从我国市场主要芯片产品的销售情况中看,主要为微处理器和控制器、半导体存储器、逻辑集成电路以及模拟集成电路。这种情况说明,我国半导体产品还不够丰富,竞争力不够强,尤其是在传统领域,我们的技术能力还有欠缺。

美国仍是半导体产业的领头羊,中国该如何追赶?

毋庸置疑,半导体产业已是全球化最彻底的产业,美国、欧洲、日韩以及中国均是全球半导体产业的聚集地,代表了全球95%的产能以及近乎100%的产品和98%的市场。但我们也要认清现实,在这个全球化的产业中,我国半导体与半导体强国之间还存在着一定的差距。从美国半导体发展情况中看,美国现在依旧是半导体领域的领头羊,在很多应用领域,依旧是美国企业占据着主导地位。


美国半导体发展的优势在于,美国半导体企业投资的强度大、规模也足够大。据相关统计显示,美国的半导体企业会将其17%—20%的收入用于研发,而其他地区只有7%—14%。还需要指出的是,美国半导体企业的毛利可达62%。

但我国半导体企业已经在奋力追赶,一个好消息是中芯国际在2019年的研发支出约占销售收入的22%,但总额仅为6.87亿美元,相比美国还有很大差距。这主要是因为我国半导体企业的规模偏小,而且毛利不高,这也影响了公司在研发上的投入,增加了向高端芯片发展的难度。

魏少军教授进一步指出,美国是通过高额的研发投入来获得最先进的技术和最先进的产品。再通过产品的竞争力来获得更大的市场份额。由于有更好的市场份额就有更高的毛利,就可以拿出更多的钱来支撑研发,以此进入一个良性循环。而我国又将如何打破怪圈实现良性循环的发展呢?

魏少军教授点明,唯有中国半导体投资不再缺位,不断的加大投资,尤其是加大研发投入,才可打破这种怪圈实现良性发展。好在中国开始呈现出这样一种态势,特别是大基金的投入,2019年10月22日,国家集成电路产业投资基金二期已成立,注册资本为2041.5亿元人民币。但是资本投入并不代表研发投入,我们现在研发投入还是不够的,这方面还需要重视起来。


集成电路再成长100年

很多人都在质疑摩尔定律已走到尽头,还有学芯片的必要吗?魏少军教授借用清代学者陈澹然的一句名言:“自古不谋万世者不足谋一时,不谋全局者不足谋一域”来建议,做一个决策的时候,一定要看全局,而不能看只看眼前的一点。半导体著名学者胡正明教授曾在2015年的一次论坛中指出,集成电路产业可以再成长100年。

“就目前而言,我们还看不到有新的技术能够替代半导体,不但现在没有,我们预测在未来的二三十年当中大概都很难出现,而且也没有任何产品可以代替今天的CPU和存储器。如果出现,则意味着要花数十亿美元和数十年时间来替代尽头的技术。因此,对集成电路产业来说,还有很长的历史要走。”魏少军教授认为。

未来几十年当中,半导体会越来越重要。5G、全自动驾驶、类脑计算和深度学习、智慧芯片将成为半导体产业下一阶段的推动力。其中,在物联网中,都会用到传感器,低功耗无线射频将会有较大的发展机会。

《礼记·中庸》中讲:“凡事预则立,不预则废”。魏少军教授再次强调,其实我们做任何事情都不能头脑发热,不能想一出是一出,而是凡事都要做好准备,预则立,不预则废。

魏教授最后总结到,芯片是支撑数字经济发展的基础,在可以预见的未来,尚不会出现能够代替集成电路的其他技术。同时芯片也不再是传统的电路小型化的技术,而是技术创新的高地。芯片已经成为电子信息技术的基础核心。芯片在新一代信息技术中扮演着决定性的赋能作用。新技术因芯片而生,老技术因芯片而亡,摩尔定律将长期有效。

如果不重视芯片技术,我们就失去了对未来发展的有效驱动力。芯片是大国间竞争的制高点,芯片技术和产业的发展必然成为国家战略。政策制定者必须抱有坚定的信念和决心,具备正确的战略判断力、实现路径的预见力和长期发展的战略定力。

来源:本文由半导体行业观察整理自清华大学五道口视频直播,魏少军教授主题分享“芯片还将伴随我们一百年”。

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