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韩国芯片产业已经是世界第一「起步晚了20年韩国芯片凭什么打破美日封锁做到世界第1」

奇闻趣事2023-5-30阅读:352

韩国芯片产业已经是世界第一「起步晚了20年韩国芯片凭什么打破美日封锁做到世界第1」

◆逆袭的路,一定充满血和泪。

正解局出品

芯片多重要,不用再说,大家想必也很清楚了。

下面这幅图是1985年以来,全球十大半导体芯片制造商排名。红框标记出来的就是我们熟悉的:三星。

韩国芯片产业已经是世界第一「起步晚了20年韩国芯片凭什么打破美日封锁做到世界第1」

从中间可以清楚地看到三星跨越的过程:在1985年,还不见影子;到1990年代,已经挤进前十,2000年后更是一步一个脚印,最终取代制霸芯片行业20多年的英特尔,成为芯片行业老大。

我在先前一篇文章里(《5G芯片战:华为示好被拒,苹果宁愿牵手老仇人》)也说过,全球第一款商用5G手机是三星推出的Galaxy S10 5G,搭载的正是三星自己的芯片Exynos5100。

三星,是如何在重围中杀出一条血路,硬生生登上芯片行业巅峰的?

这是当下,很值得细究的一个题目。

韩国芯片产业已经是世界第一「起步晚了20年韩国芯片凭什么打破美日封锁做到世界第1」

三星自研的5G基带芯片——Exynos5100

1. 韩国也要搞芯片

二战后,世界产业转移有一条主线:美国→日本→韩国、新加坡和中国香港、台湾(所谓亚洲“四小龙”)→中国大陆→东南亚、南亚……

虽然我们习惯把韩国和日本并称“日韩”,但其实,韩国不论是在经济社会发展上,还是产业上都差日本至少一个档次。

这样并不难理解,二战后,韩国战火肆虐,但同样是这场战争,日本却被放松节制,迎来“特需景气”,打下经济腾飞的底子。

在1965年,日本、韩国GDP总量分别为910亿美元、31亿美元,日本将近是韩国的30倍,哪怕是人均,日本也是韩国的8.5倍。

所有产业发展,都要受制于宏观环境。

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韩国首尔1960年代街头

电子产业1950年代左右在美国兴起,截至1956年,美国电子设备销售额超过30亿美元。

因为朝鲜战争,美国开始支援日本产业发展,并开始大规模转移技术,在1955—1970年的十几年里,日本电视机、洗衣机、冰箱、吸尘器、收音机等产品在国内基本普及,还大量对外出口,最大的出口地就是美国。

到1971年,日本电子工业产值已达94.5亿美元,位居世界第2(仅次于美国)。

随后,日本在半导体芯片等更有技术含量的领域,也取得重大进步。1985年,日本DRAM芯片几乎占据全球市场份额的80%。

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现在,人们把韩国叫做“三星共和国”,因为三星拥有160多家子公司,市值相当于韩国GDP的1/5。三星的产品和服务涉及韩国人生活的方方面面,每个韩国人在一生中几乎都没有办法不和三星打交道。

但在二十世纪六七十年代,三星却主要生产化肥,做些农产品贸易。

1969年5月,三星成立电子公司。说是电子公司,其实也主要是生产电冰箱,给日本的三洋代工12英寸黑白电视机。

但三星创始人李秉哲很早就敏锐地做出判断:

由于受到世界各国经济长期不景气以及贸易保护主义增强的影响,依靠大量出口增强国力的发展模式已经达到了一定界限。电子产品是最适合韩国经济发展阶段的产业。

三星,要在韩国搞芯片。

2. 借钱可以,借技术不行

对于韩国人要搞芯片的打算,日本人在某种程度上觉得可笑。

直到1974年,三星也只是建立了冰箱、空调、洗衣机等白电生产线而已。

核心电子器件,基本靠进口。

外部环境方面,1961年,朴正熙发动5·16军事政变,建立军人政府,开启了推动韩国经济长足发展的“江汉奇迹”,但韩国当时的工业也主要集中在钢铁、造船等重工业上,人均GDP也不过400多美元。

同时,在芯片领域,已经显得有些拥挤了。美国镁光、日本三菱、夏普等巨头占据着产业的顶端。

所以,当时日本三菱CEO直接说“对于GDP水平较低的韩国,半导体产业并不适合”,并说三星不能开发芯片的原因有四个。

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三星电子1970年代的电视机生产线

但同时,对于三星的试探,美日芯片企业都开始警觉起来。

镁光一度愿意以400万美元的价格,把较为落后的设计图纸提供给三星,到最后关头,又无情反悔,打发走了三星方面人员。

夏普客客气气,面上答应,实际上却处处提防,不允许三星员工接近最先进的生产线。

甚至,夏普连工厂的基本信息都不肯透露。三星前去考察学习的研究员只能通过自己的手指间距离、身高、步数,来估计工厂的面积等数据。

但对于制造精密的芯片,这样得来的数据显然是没有多少价值的。

李秉哲向老交情日本NEC(日电)会长要求学习技术,得到的答复是:“钱我可以借给你,但是技术不能借给你。”

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三星创始人李秉哲

作为追赶者,要在核心领域、关键技术上有所建树,是非要花一番力气不可的。

3. 每卖一片芯片倒赔1美元

知易行难。

芯片,是世界产业史上最复杂的大规模生产过程。一是技术密集,生产工艺复杂,难度大,需要很多精密设备和核心材料。二是资本密集。需要大量的研发投入。

而根据著名的“摩尔定律”:

当价格不变时,集成电路上可容纳的元器件的数目,约每隔18-24个月便会增加一倍,性能也将提升一倍。

这些无疑都让追赶者的追赶难上加难。

也正因这样,三星管理团队对于三星进军芯片领域,一直举棋不定。但李秉哲和他的儿子李健熙坚信,三星不能只是买芯片,而是应该有自己的芯片。

机会稍纵即逝。

1973年石油危机重创西方经济体。1974年12月,李氏父子不顾管理层的劝告,自掏腰包入股当时已经濒临破产的美国Hankook半导体公司。

到1977年,业务实现整合,成为三星半导体。

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三星在1979年投资建设水原研发中心.

期间的磕磕碰碰很多,就不展开了。

将近15年后,1983年,三星终于成功开发出64位芯片,但却落后日本技术4年。

对于日新月异的电子产业领域来说,这种技术不仅落后,还意味着不能有多少经济产出。由于日美技术的发展,芯片价格从每片四五美元,暴跌到25美分,而三星当时的生产成本是1.3美元。

也就是说,三星即便卖出去产品,每卖一片芯片,不光不赚钱,还要倒贴至少1美元。

三星在拼命奔跑,但整个1980年代只是一个追赶者、陪跑者。

1980年代,三星电子财报几乎年年报亏,股权资本全部亏空。

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4. 26年后终于逆袭

1987年11月,李秉哲去世。

几个月之后,三星推出4M KDAM,但仍然比世界先进水平慢了半年。

越是尖端技术,越没有捷径可走,明明知道没有经济效益,却偏偏要做过一番才行:因为,技术是靠积累来实现迭代升级的。

16M KDAM,三星仍然落后3个月。

64M KDAM,三星已经追赶上日美先进企业。

检验三星技术实力的时刻也到了。美日韩,几乎同步投入256M DRAM芯片研发。256M DRAM容量是64M的4倍,芯片上Cell个数达到2.56亿个,线路宽度精准至头发的1/400即0.25微米。要做到这些,必须在设备上创新。

三星投入了1700亿韩币研发,工程师加班加点,终于抢在美日企业前面推出256M DRAM。

三星从追赶,到超越,逆袭的路走了26年。

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在这漫长的追赶途中,三星在芯片、制造、封装、检测等关键环节也建立起自己的技术,完全摆脱外部依赖。

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三星突出重围,靠的远不只是死磕。

1990年代前后,三星曾经连续五年在200mm晶圆上投入超过5亿美元,最终,成为全球DRAM市场的领军企业。

直到今天,不惜血本投入研发仍然是三星成功的底气所在。

今年4月,三星宣布,在未来10年内将在逻辑芯片领域投入133兆韩元(近1200亿美元),以超越台积电,成为全球第一大芯片代工厂,并对英特尔保持领先,坐稳全球第一大半导体厂商的宝座。

这需要长远的眼光,才能不急功近利,追求眼前的回报。

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作为追赶者,闭门造车是行不通的。

李健熙曾说:

我的一生,80%时间都用在育人选贤上。

三星一开始就注意从国外吸收先进技术,李健熙先后50多次到美国硅谷,引进技术和挖人。

三星还曾在美国、韩国成立两个研发团队,同时开展工作,相互竞争。

现在,三星在全球数十个国家(地区)成立三星综合技术院(SAIT),在中国就设有10个研究所。

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追赶者,也离不开更强大力量的支持。

韩国政府一直注重吸引到欧美国家留学的韩国学生回国,在第一轮回国潮里,三星就招聘了近140人,也为三星电子产业打下了人才基础。

政府还为大财团提供资金,来支持这种风险大、资金投入大的产业,甚至不惜动用日本的战争赔款。

1999年,韩国又推出BrainKorea21,耗费3.6万亿韩元,支持人才培养。三星电子和成均馆大学合作,创办半导体工学系,韩国教育部将其列为“创新型专业”,专门为韩国企业培养芯片产业人才。

其实,日本半导体产业兴起同样离不开通产省(现在的“经济产业省”)的鼎力支持,1976—1980年,日本对半导体做出的预算高达700亿日元,国家直接拨款就有290亿日元。

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5. 追赶的路,从来就没有好走的

40来年前,韩国三星还在为日本企业代工黑白电视机,即便倒推20多年,三星的芯片技术还在被日美企业吊打。

而今,三星已经成为世界芯片行业的霸主,在全球量产芯片市场的占有率已超过50%。

2018年三星芯片部门营收高达86.29万亿韩元(约5000亿人民币),利润44.57万亿韩元(约2590亿人民币),利润率达到51.7%。

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三星丰富的产品选择

但这让人羡慕的利润背后,是三星在芯片领域二三十年的苦苦追赶。

李氏父子远见卓识,极富企业家精神。李秉哲至死也没有看到三星芯片的胜利,最终在李健熙手中实现成功。

还有一批批孜孜不倦的研发者。三星第一台半导体生产线只用了半年完工,而国际同行往往要花两三年,这背后是研发人员、管理者的通宵达旦。

当然,还有政府的强力支持。

这世界上,追赶的路,从来就没有好走的。

道阻且长,但,行则将至。

正解局,一个有见识、有深度、有诚意的时势财经大号。在这里,穿透信息的迷雾,在这里,发现真实的中国。局长是各种报告爱好者,收集了上千份各行业报告,关注正解局回复关键词“行业”,可获得多行业最新报告。

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华为芯片即将断供?50年前,韩国曾为了芯片拼尽所有

1、芯片危机

前几天,“华为没有芯片了”登上热搜,牵动亿万民心。

华为业务总裁余承东在中国信息化百人会2020年峰会上表示,华为手机上半年发货1.05亿台,销售额高达2558亿元。本来可以超过三星,但在美国的制裁下未能如愿。

与此同时,他还发布了一个坏消息。由于美国的第二轮制裁,华为高端的麒麟系列芯片只能支撑到9月15日,这可能是最后一代麒麟。

▲ 余承东

美国的制裁,事实上非常精准。华为可以设计芯片,但是无法生产。5nm高端芯片,目前只有两家公司拥有成熟的技术,那就是台积电和三星。

台积电的停止代工,确实是一场灾难。

而三星作为对手,当然更指望不上。然而,三星的发家史,却可能带给我们帮助。

在以芯片为核心的半导体行业,有两个让人震惊的事实。

一是当今的霸主竟然不是美国,而是我们的邻居韩国。早在2017年,三星就在半导体领域问鼎世界第一,推翻了稳占25年龙头的英特尔。不仅如此,SK海力士还占据了第三名。

二是半导体产品比石油还要暴利。同样在2017年,中国进口了2601亿美元的芯片,竟然比石油还多。而芯片,占据了大约80%的半导体市场份额。

如此顶尖的产品,天下三强有其二,小小的韩国为何有如此大的威力?

更恐怖的是,韩国在半导体领域的起步比美国晚了20年,他们为什么能够后发先至呢?

我们不妨从韩国的代表企业三星身上寻找答案,也许这个答案能够为中国的企业带来启示。

2、始于足下

三星的发家史,比韩国的 历史 更加曲折悠长。1938年,李秉喆在大邱市创建了三星商会,主要往中国东北出口干鱼、水果和蔬菜。

为什么叫三星呢?这里包含一个远大的志向。

“在中国,一为最大,在韩国,三为最大。太阳有冷热之变化,而星辰却永恒不变,我就是要建立一个庞大而永恒的企业。”

▲ 当年的三星商会

乱世之下,企业连生存都是难题。1941年日本偷袭珍珠港后,为了应对美国的反击,三星95%的产品被收为军饷,商会摇摇欲坠。

好在福祸相倚,二战后日本被迫归还了朝鲜半岛,同时把产业转让给了韩国人。李秉喆也凭借政治上的关系,购买日方产业成为了崛起的财阀势力。

后来韩鲜战争的爆发,再一次让三星梦碎。但在韩国政府的强力扶持下,战后的三星迅速恢复了元气,在制糖、毛纺和肥料方面成为了韩国的龙头。

▲ 三星创始人李秉喆

对于雄心远大的李秉喆来说,韩国被殖民与吞并的 历史 ,一直是心头的大痛。他时刻不忘实业报国,寻找着适合韩国发展的高附加值道路。

有一次,他前往日本东京电子工业团地参观,三洋电机会长井植岁男的话让他豁然开朗。

“电子工业从以沙子为原料的硅片到录像机,都是从无到有的产业,其附加值高达99.9%。”

1969年1月,他回国就建立了三星电子,把电子产业的心脏——芯片,当成了毕生的事业。

▲ 韩国首尔1960年代街头

对于起步落后美国20年的三星来说,要发展芯片谈何容易。高端产品早就发展为城堡,有层层专利筑起来的坚固壁垒,对方可以轻易地击杀攻城者。

在当时的芯片界,美国的仙童、镁光、摩托罗拉,日本的三菱、东芝、夏普,早就抢占了制高点,哪里还有新手的位置?

但千里之行,始于足下,李秉喆大胆地迈出了第一步,默默地积蓄着力量。

3、血亏不弃

1973年,第一次石油危机爆发,油价狂涨两倍多,引发了严重的经济危机,美国的工业产值下降了14%。

李秉喆却在一片混乱中看到了机会,他无视管理层的警告,竟然在第二年自掏腰包,入股濒临破产的美国半导体公司Hankook。

这一冒险至极的举动,为公司推开了芯片的大门。1978年,他又成立了三星半导体,决心进军芯片领域。

原先忠告“韩国经济水平低、不适合发展半导体”的日本企业,见此情形后立刻警觉起来,尽一切手段防止技术的流失。

70年代,三星的电视机畅销世界,但只是些边缘的技术,李秉喆对芯片仍魂牵梦萦。念念不忘,必有回响,在等待了十几年之后,他终于等到了机会。

1982年,他前往美国考察时,敏锐地发现了美日关系的裂痕。日本的256K DRAM内存芯片已经批量生产,美国的256K DRAM才研制出来。

美国感到了威胁,于是上升到了政治层面,美国商务部决定调查日本芯片的廉价倾销。

李秉喆趁着美国对日本的敌意,在1983年建立了首个芯片厂,并在年底研发出了64K DRAM,成功在第二年出口到了美国。

64K DRAM在技术上落后了4年,属于最低端的芯片,本身没有多少竞争力。日本企业更如群狼,他们联合起来降低价格,从每片4美元降到了0.3美元,企图消灭一切对手。

▲ 日本夏普

当时三星的成本为每片1.3美元,每卖一片就要血亏1美元。面对着巨额的亏损,李秉喆并没有后退,反而加大了赌注,以逆周期投资的方法研发更大容量的芯片。

1986年底,他已经赔了3亿美元。但形势正如他的预判,英特尔等厂商因为持续掉血退出了DRAM市场,谁能够撑下去谁就有可能赢得未来。

美日的半导体战争持续升级,三星则静待时局的变化。恰如猛虎卧荒丘,潜伏爪牙忍受。

4、渔翁得利

由于日本厂商DRAM的低价策略,眼看着就要成为半导体行业的王者。力不从心的美国在1987年3月,宣布对日本产品实施反倾销关税。

面对美国的制裁,日本只能减少产量以提升价格,结果导致了美国市场的供不应求。三星生产的256K DRAM则趁机填补了空缺,一举摆脱了亏损,站稳了脚跟。

令人始料未及的是,美日的半导体大战,笑到最后的却是韩国。在扭亏为盈之后,三星继续全力研发更大容量的DRAM存储芯片。

到1992年,三星已经和美日并驾齐驱,并抢先研究出64M DRAM,成为了行业引领者,从此晋升为世界第一大DRAM制造商。

▲ 时至今日,三星自研的5G基带芯片,同样为世界顶级

从1969年的芯片梦,到1983年的首个芯片厂,三星用了23年时间实现了梦想。

它究竟是怎么做到的呢?

首先,当然是美国的大力扶持。 美国不仅仅在技术上帮助了韩国,更拱手把美国市场让给了韩国。

当美国对日企征收100%反倾销关税时,对三星的关税只有0.74%。如此大的差别对待,使原本处于劣势的三星反败为胜,攻陷了原本日企占领的美国市场。

其次,三星重金吸收全世界的顶尖人才。 1986年,三星就挖走了日本东芝的生产部部长。

等到1990年日本经济泡沫破裂后,他们更是以3倍的工资挖日本的技术人员,配备4室1厅的公寓,还安排了秘书、厨师和司机。

然后,三星还建立了情报机构,专门收集美国和日本的技术动向,并秘密拉拢两国的技术人员。

日本经济泡沫破裂后,三星通过情报知晓了东芝在闪存芯片方面的突破,果断向东芝发出了合作邀请。经济窘迫的东芝为了续命,只得答应了请求。

▲ 日本东芝

正是东芝的闪存技术,帮助三星赶超了竞争对手,最终问鼎了DRAM和闪存领域的世界第一。

不得不感慨三星的深谋远虑,这完全是一场经典的战役。从全局出发,不计较一城一池的得失。待时机成熟时,不仅全面收复失地,而且发起了反攻。

5、技术至上

当然,三星芯片的成功还有一个重要因素,那就是韩国政府的鼎力支持。

比如1982年到1987年的“半导体工业振兴计划”,韩国政府提供了3.46亿美元贷款,极大地刺激了行业的发展。

在研究4M DRAM时,直接由政府部门牵头,联合了六所大学,配合企业界的三星、LG、现代共同技术攻关。在三年的研发里耗资1.1亿美元,政府承担了57%的费用。

许多人看到三星时,会下意识地轻蔑,觉得三星不过是依靠美国的全力扶持,才走向了崛起的道路。

但是,世界上许多国家或公司,正是以这种方式发家。日本也是得到了美国大量的经济援助,美国独立更是多亏了法国的帮忙。

关键在于,当机会来临时,你有没有准备好,能不能抓住它。

比起运气来,三星崛起更大的原因是对技术的尊重:冒险收购先进企业、重金吸收顶级人才,哪怕多年亏损也不改初衷。

因为有了这些充足的准备,韩国才抓住了美国赐予的良机。

正如同李秉喆所说: “技术的支配者将支配全世界。”

李秉喆去世于1987年,并没有看到韩国芯片的称霸,但他的儿子李健熙带领三星实现了他的梦想:

“摆脱个人企业的范畴,为了通过技术的先进化,给后世留下一个富裕的祖国,向最尖端的半导体事业进军。”

从一片荒芜,发展成为枝叶葳蕤的森林。三星的霸业,成就了无数韩国人心中的世界第一。

任何一个国家想要摆脱贫困,都必须借助技术。而发展技术离不开唯才是举、知已知彼,还有实业报国的志向、破釜沉舟的勇气。

不管前路有多么危险,发展技术是华为唯一的出路,也是每一家有远大志向公司的出路。

作者:令狐空

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美日韩在芯片领域的霸权是如何一步步确立的

2020年8月7日,华为余承东公开表示海思麒麟高端芯片已经“绝版”,中国最强的芯片设计公司,就在我们眼皮子底下被锁死了未来。

华为海思推出第一款麒麟(Kirin)芯片是在2009年,虽然当时反响一般,但奏响了麒麟腾飞的乐章,随后每一年都有不小的进步:麒麟925带领Mate7打入高端阵营;麒麟955助力华为P9销量过千万……自己研发的芯片,成为华为手机甩开国内友商的最大武器。

然而到了2020年8月7日,麒麟系列的高端芯片却被迫提前退休,余承东表示麒麟系列中最先进的Kirin 990和Kirin 1000系列,在9月15日之后将无法生产,华为Mate40将成为麒麟高端芯片的绝唱。绝版的原因很简单:受到美国禁令影响,台积电将不再为华为代工。

台积电并非没有抗争。全球高制程工艺一线难求,台积电话语权其实很强,而且几周前刚刚超过英特尔成为世界第一大半导体公司。所以面对美国禁令,台积电也曾斡旋过,但只要美国提起一个公司的名字,就能让台积电高管们吓出冷汗。这个公司就是: 福建晋华。

福建晋华成立于2016年,目标是在存储芯片领域实现突破。福建晋华是IDM一体化工艺,即设计、制造、封装都要做,一旦产品落地,对大陆整个半导体工艺的都会有所带动和提升。晋华一期投资款高达370亿元,还和台湾第二大代工厂台联电进行了技术合作。

研发人员日夜奋战,成立一年多后,晋华就打造出了一座12寸的生产线,并准备投产,不料却迎来了 资本主义的铁拳。

2017年12月,美国镁光 科技 即刻以窃取知识产权为由开始狙击晋华,晋华也不甘示弱,双方在中国福州和美国加州互相起诉。就当局势焦灼之时,早就虎视眈眈的特朗普政府在2018年10月29日发起了闪电战: 将福建晋华列入实体名单,严禁美国企业进行合作。

禁令发出后,和晋华合作的美国应用材料公司(Applied Materials)的研发支持人员当天就打包撤离,另外两家美商科磊和泛林也迅速召回了前来合作的工程师。更严重的是,由于设备中含有美国原件,欧洲的阿斯麦、日本东京电子也暂停了对晋华的设备供应。

晋华员工回忆外资撤退场景时,总结说:“这些人根本给我们时间道别。”

福建晋华官网上的生产进度,停留在了2018年试投片日,迟迟没有更新,而产品页则直接显示“页面在建设”中。去年5月10日,英国《金融时报》称,晋华已经开始寻求出租或者出售自己的工厂。仅仅一个回合,担当中国存储突破的种子选手,就被打倒在了起跑线上。

“实体名单”就像是一份死刑通知书,可以瞬间让企业坠入地狱。美国制裁的决心、打击的力度,令同样采用美国核心零部件和核心技术支撑的台积电不寒而栗。同样,本来兴致勃勃要来抢台积电蛋糕的三星没了下文;中芯也含蓄地表示,可能不能为“某些客户”代工。

为什么这些公司不愿意去触碰美国“逆鳞”?半导体领域,美国真的就独霸天下吗?其实并不然。

虽然美国半导体行业产值大约占全世界的47%,体量上处于绝对优势;但韩国、欧洲、日本、中国台湾、中国大陆等其他“豪强”也各有擅长,与美国的差距并不是无法越过的鸿沟。

比如, 韩国 在产值1500亿美金的存储芯片领域,占据压倒性优势,双强(三星、海力士)占据65%市场;

欧洲 在模拟芯片领域有三驾马车(英飞凌、意法半导体、恩智浦),从80年代起就从未跌出全球二十强。

日本 不但有独步天下的图像识别芯片,以信越日立为首的几家公司,更是牢牢扼住了全世界半导体的上游材料。

中国台湾在千亿美元级别的芯片代工领域,更胜美国一筹,台积电和联电占据60%的规模,以日月光为首的封测代工也能抢下50%的市场;

中国大陆依托庞大的下游市场,近年芯片设计领域发展迅速,不但诞生了世界前十的芯片设计巨头华为海思,整体芯片设计规模也位居世界第二。

这些企业从账面实力来看,甚至可以让芯片行业“去美国化”,合力搞出一部没有美国芯片的手机。 但美国515禁令一下,各路豪强却莫敢不从。

一超多强的局面似乎就像“纸老虎”,在美国霸权之下,众半导体商分封而治可能才是目前的“真相”。大家忌惮的,其实是美国手握的两把利剑:芯片设备和设计工具 。 这两把剑又和日本的材料一起,组成了威力极强的美日半导体霸权三张牌: 设备、工具和材料。

那么,美日手中握的这三把剑究竟可怕在何处?是如何能挟制各路 科技 巨头豪强?了解这些答案,才能了解华为们的突围之路。

一、设备:芯片制造的外置大脑

设备商对于一般行业而言,就是个卖铲子的,交钱拿货基本就完事儿了;但 半导体设备商却不同,不仅提供设备卖铲子,还要全程服务卖脑子,可谓是芯片制造商的外置大脑 。

芯片制造成本高昂,只有将良品率控制在90%上下,才不会亏本。但要知道,芯片制造,工序一千起步,这就导致,哪怕每一步合格率都有99%,最终良率都会在0.9*0.9的多次累积下,趋近于0。因此,要想不亏本, 每个步骤的合格率就得控制在99.99%乃至99.999%以上。

要达到这个状况,就对设备的复杂度提出了超高要求。 就目前最先进的EUV光刻机来说,单台设备里超过十万个零件、4万个螺栓,以及3000多条线路。仅仅软管加起来,就有两公里长。这么一台庞大的设备,重量足足有180吨,单次发货需要动用40个货柜、20辆卡车以及3架货机才能运完。

而更为重要的是,即使设备买回来,也远不是像电视冰箱一样,放好、插电就能开动这么简单。一般来说,一台高精度光刻机的调试组装,需要一年时间。而零件的组装、参数的设置、模块的调试,甚至螺丝的松紧、外部气温都会影响生产效果。哪怕一里外的一辆地铁经过,都能导致多数设备集体失灵。

这也是所有精密仪器的“通病”。比如,十年前,北京大学12个高精度实验室里价值4亿元的仪器突然失灵,而原因居然是位于地下13.5米深的北京4号线经过了北大东门产生了1Hz~10Hz的震动,为此北大高精度实验室不得不集体搬家。

因此, 半导体制造设备每开动一段时间,就必须联系专门原厂服务人员上门调校。 荷兰光刻机巨头ASML阿斯麦曾有一个客户,要更换光器件;由于当时阿斯麦的工程师无法出国,便邀请客户优秀员工到公司学习,用了近2个月,才仅仅掌握了单个零部件更换的技能。

因此,阿斯麦、应用材料等半导体巨头,不只是把设备卖掉就结束了,更是在中国建立了2000人左右的庞大支持团队。其中应用材料的第二大收入就是服务,营收占比超过25%,而且稳定增长,旱涝保收。

而设备厂的可怕之处正在于, 不但通过“一代设备,一代工艺,一代产品”决定了制造厂的工艺制程,更是通过售后服务将制造厂牢牢的拿捏在手中 。 随着工艺越来越越高精尖,设备商的话语权也正在进一步提升。

设备商的强势,可以从利润上明确的反映出来。过去5年,芯片制造厂的头部效应越来越明显,但上游设备商的净利润率反而大幅提升:泛林利润率从12%提升到22%,应用材料从14%上升到18%。代工厂想要客大欺店,那是根本不存在。

也正因如此,在长达六十年的时间里,美国一直都在以各种手段,来保证自己在设备领域的绝对主导地位。

根据2019年全球顶级半导体设备厂商排名,全球前五大半导体设备商占据了全球58%行业营收。 其中,美国独占三席;其余两席,一席是日本的东京电子,另一席荷兰的阿斯麦,恰巧,这两家又都是美国一手扶持起来的。

具体来说,应用材料(AMAT)和泛林(LAM)、科磊(KLA),是根正苗红的美国企业。

其中,泛林在刻蚀机的市场占有率高达50%以上。应用材料则不仅在刻蚀机领域与泛林平分秋色,在离子注入、化学抛光等等细分设备环节也都占据半壁江山,甚至高达70%。科磊则在半导体前道检测设备领域占据了50%以上的市场,并在镀膜测量设备的市占率达到了98%。

而光刻机巨头阿斯麦,看似是一家荷兰企业,其实有一颗美国心。 早在2000年前后,光刻机市场还停留在DUV(深紫外)光刻阶段,日本尼康才是真正的霸主,但到了EUV(极紫外)阶段,尼康却在美国的一手主导下被淘汰出局。

原因很简单,EUV技术难度登峰造极: 从传统DUV跨越到EUV,意味着光源从193nm剧烈缩短到13.5nm。这需要将20KW的激光,以每秒5万次的频率来轰击20微米的锡滴,将液态锡汽化成为等离子体。这相当于在飓风里以每秒五万次的频率,让乒乓球打中一只苍蝇两次。

当年,全球最先进的EUV研发机构是英特尔与美国能源部带头组建的EUV LLC联盟, 这里有摩托罗拉、AMD、IBM,以及能源部下属三大国家实验室,可谓是集美国科研精华于一身。 可以说,只有进入EUVLLC联盟,才能获得一张EUV的门票。

美国彼时正将日本半导体视为大敌,自然拒绝了日本尼康的入会请求,而阿斯麦则保证55%零部件会从美国供应商处采购,并接受定期审查。这才入了美国的局,从后起之秀变成了“帝花之秀”。

美国不仅对阿斯麦开了门,还送了礼:允许阿斯麦先后收购了美国掩罩技术龙头Silicon Valley Group、美国光刻检测与解决方案玩家Brion、美国紫外光源龙头Cymer等公司。 阿斯麦技术心、研发身,都打上了星条旗烙印。那还不是任凭美国使唤。

而早年的东京电子,只是美国半导体始祖仙童半导体(Fairchild)的设备代理商,后来又与美国Thermco公司合资生产半导体设备,直到1988年才变成日本独资,但东京电子身上也已经流着美国公司的血。

因此,在2019年六月,面对第一轮美国禁令,东京电子就表示:“那些被禁止与应用材料和泛林做生意的中国客户,我们也不会跟他们有业务往来”,义正词严表明了和美系设备商共进退。

至此,美国靠着多年的“时间积累”和超高精密度“工艺技术”,在设备领域形成了牢牢的主动权。而时间和技术,都不是后进者可以一蹴而就的。

二、EDA(设计软件):生态网络效应下的“幌金绳”

如果说设备是针对芯片生产的一把封喉剑,那么 EDA无疑是芯片设计环节的“幌金绳”,虽不致命但可以令“孙悟空”束手束脚、无处施展。

EDA这根“幌金绳”分三段: 首先,它是芯片设计师的“PS软件+素材库”, 可以让芯片设计从几十年前图纸上画线的体力活,变成了软件里“素材排列组合+敲敲代码”的脑力活。而且,现在仅指甲盖大小芯片,也有几十亿个晶体管,这种工程量,离开了EDA简直是天方夜谭。

20年前的英特尔奔腾处理器的线路图一角,目前晶体管密度已经上升超过1000倍

其次,EDA的奥秘,在于其丰富的IP库。 即将经常使用的功能,标准化为可以直接调用的模块,而无需设计公司再重新设计。如果说芯片设计是厨师做菜的话,软件就是厨具,IP就是料包。

而事实上,EDA巨头公司,往往是得益于其IP的独占。比如Cadence(楷登电子)拥有大量模拟电路IP,而其也是模拟及混合信号电路设计的王者;而Synopsys(新思 科技 )的IP库更偏向DC综合、PT时序分析,因而新思在数字芯片领域独占鳌头。

而在全球前三的IP企业中,EDA公司就占了两个,合计市场份额高达24.1%。在Synopsys的历年营收中,IP授权是仅次于EDA授权的第二业务。

EDA还有一项重要的功能是仿真 ,即帮设计好的芯片查漏补缺。毕竟一次流片(试产)的成本就高达数百万美金,顶得上一个小设计公司大半年的利润。业内广为流传一句话: 设计不仿真,流片两行泪。

加州大学教授有一个统计测算,2011年一片SoC的设计费用大概为4000万美元,而 如果没有EDA,设计费用则会飙升至77亿美元,增加了近200倍。

因此,EDA被誉为半导体里的最高杠杆,虽然全球产值不过一百多亿美元,但却可以影响全球五千多亿集成电路市场、几万亿电子产业的发展。

EDA如此高效好用,那我国自主化状况如何呢?很可惜,比操作系统还尴尬 。

我国最大的EDA厂商华大九天在全球的份额差不多是1%,而美国三大厂商Synopsys(新思 科技 )、Cadence(楷登电子)以及Mentor Graphics(明导 科技 ,2016年被西门子收购)则占据了80%以上的市场。

这也就导致了虽然我国芯片设计位居世界第二,但美国一声令下,芯片设计就会面临“工具危机”,巧妇难为无米之炊。不过,既然软件已经交过钱了, 用旧版本难道不行吗?

很可惜,并不能。

因为这背后有一张EDA商、IP商、代工厂们互相嵌合的生态网。EDA是不断更新的。新的版本对应更新的IP库和PDK文件。而PDK即工艺设计包,则又包含了芯片工艺中的电流、电压、材料、流程等参数,是代工厂生产时的必备数据。 新EDA、新IP、新工艺,互相促进、互为一体。

因此,用旧版的软件就会处处“脱节”:做设计时无法获得最新的设计IP库,找代工厂时又无法和工艺需要最新的EDA、PDK进行匹配。长此以往,技术越来越落后,合作伙伴也越来越少。不过既然EDA不过是0101的代码,从破解小组里找几个高手不就好了吗?

很遗憾,也几乎不可能。

每个EDA软件出厂时都会内嵌一个Flexlm加密软件, 把EDA和安装的设备进行一一锁定 ,包括主机号、设备硬盘、网卡、使用日期等信息。而Flexlm的密钥长度达239位,暴力破解的难度非常大。如果用英特尔高性能的CPU来破解的话,需要4000左右的核年(core-year),也就是说 用40核的CPU,需要100年 。

当然,也可以采用分布式的方式,继续增加CPU数量减少时间。然而,即使破解成功了,来到了全新的IP库门前时,也会被EDA厂商通过“修改时间、文件大小、确认IP来源”等方式,再次进行验证,然后被拒绝。油然而生一股挖了百年地下隧道、却撞到石头上的酸爽。

破解并不有效,也不敞亮,还和我国知识产权保护的态度相违背。因此,依然还是要靠华大九天等公司自研崛起。那么, 这条出路有多宽呢? 其实单纯写出一套软件,难度并不大。关键还是要有海量丰富的IP、PDK,以及产业上下游的支持配合。单点突破未必有效,需要军团全面突围,而这并非一朝一夕之功。

三、材料:工匠精神最后的堡垒

2019年,日韩闹了矛盾,双方都很刚,但日本断供了韩国几款半导体材料后,没多久韩国三星掌门人李在镕就飞往日本恳请松口了,后来他更是跑到比利时、中国台湾,试图绕道购买或者收点存货过日。

按理说,韩国也是半导体强国,三星在设计、制造领域更是主要玩家,但面对区区几亿美金的材料,却被闹得狼狈不堪。

材料真的有这么难吗?讲真,半导体原始材料是非常丰富的,比如硅片用的就是满地球的沙子。但要实现半导体的“材料自由”,却并不容易,必须打通任督二脉: “纯度”、“配方” 。

纯度是一个无止境之路。我国已经实现自产的光伏硅片,一般纯度是6-8个9,即99.999999%,但半导体的硅片纯度却是11个9,而且还在不断提高。小数点后多3到5位,就意味着杂质含量相差了1000到10万倍。

这个差距有多大呢? 假设,光伏硅片里包含的杂质,相当于一桶沙子洒在了操场上;那么半导体硅片的要求则是在两个足球场大的面积里,只能容下一粒沙子。

那么, 为什么必须将杂质含量降到这么低呢? 因为原子的大小只有1/10纳米,哪怕仅有几个原子大小的杂质出现在硅片上,也会彻底堵塞一条电路通道,导致芯片局部失灵。如果杂质含量更高的话,甚至会和硅原子混在一起,直接改变硅片的原子排列结构,让硅片的导电效率完全改变。

经过刻蚀后的硅表面和锡颗粒,如同明月在金字塔后升起

要达到如此纯度,需要科学和工艺的完美结合。

一方面,需要大量基础科学仪器来辅助。比如在材料生产过程中,设备自身就会有金属原子渗透影响纯度,因此需要不断改良。而要确认纯度,也是高难度。就像特种气体,就需要专门的仪器来检测10亿分之一(PPB级)的杂质含量水平。实现这个难度,就不仅需要半导体企业,还需要奥林巴斯等光学企业出马助力。

另一方面,从实验室到工厂车间也需要工艺积累。材料制造,不仅对生产设备要求高,就连工厂里的地垫、拖把,也都是高级别特供。而且,生产车间温度、湿度的不同,也会影响材料纯度,就不得不反复尝试后得出标准。

而高纯度只是第一步,复合材料(比如光刻胶)的配置更是难以跨越的鸿沟。如果说 “纯度”是个艺术科学的话,那么“配方”就是玄学科学 。

其实,无论提纯、还是配置,基本的理论原理、工艺技术都不是难事儿。但如何选材、配比,从而实现极致的效果,却需要高度依赖经验法则,即业内常说的 “know-how” 。

同样的材料,不同的配比就会有不同的效果;就像我们用红黄蓝三色去搭配,不同的配比就能得到不同的颜色。而即使用同样的配方、采用同样的工艺, 在不同的湿度、温度甚至光照下,也会有不同,甚至相差很远的效果。

这些影响材料效果的参数,无法通过精密计算获得,只能是实验室、车间里一次次调配、实验、观察、记录、改良。有时候,为了得到10%的效果改良,可能需要花费几年。然而,这提升的10%,虽然抢占的只是几百亿规模的市场,但却影响着万亿半导体行业。

因此, 无论是提纯,还是配方,其实需要的都是超长的耐心待机、极致专注。 这不禁令人会想到日本的寿司之神,一辈子只做寿司,而一个学徒仅拧毛巾就要练五年。虽然在生活中,这种执着看起来有些迂腐可笑,但事实上,材料领域做得最好的,正是日本企业。

据SEMI推测,2019年日本企业在全球半导体材料市场,所占份额达到66%。19种主要材料中,日本有14种市占率超过50%。而在占据产值2/3的四大最核心的材料:硅片、光刻胶、电子特气和掩膜胶等领域,日本有三项都占据了70%的份额。最新一代EUV光刻胶领域,日本的3家企业申请了行业80%以上的专利。

日本在材料产能上占据优势后,又用服务将客户捆绑得死死的 。

许多半导体材料都有极强的腐蚀性和毒性,曾有一位特种气体的供应商描述,一旦气体泄漏,只需一瓶,就可以把整个厦门市人口消灭。因此,芯片制造商只能把材料的运输、保存、检测等环节,都交给材料的“娘家”材料商。

而另一方面,材料虽小、威力却大。半导体制造中几万美金的材料不达标,就能让耗资数十亿美金生产线的产品大半报废,因此制造商们只会选择经过认证的、长期合作的供应商。新进玩家,几乎没有上桌的机会。

而对于材料公司而言,下游用得越多,得到的反馈就越多,就有更多的案例支持、更多的验证机会来提升工艺、改善配比,从而进一步拉大和追赶者的差距。对于后进者而言,商业处境用一句话来形容就是:一步赶不上、步步都白忙。

日本能取得这个成就,其实离不开日本“经营之圣”稻盛和夫在上世纪80年代给日本规划的方向:欧美先进国家不愿再转让技术的条件下,日本人除了将自己固有的“改良改善特质”发扬光大之外,别无出路;各类企业都要在各自的专业领域内做彻底,把技术做到极致,在本专业内不亚于世界上任何国家的任何企业。

这种匠人精神,令日本在规模不大的材料领域,顶住美国、成为领主。

四、何处突围

我们在做产业研究的时候,有个强烈的感受, 中国似乎在美国的打压中,陷入一个被无限向上追溯的绝境:

发现芯片被卡脖子后,我们在芯片设计领域有了崛起的华为海思,但随后就发现:还需要代工领域突破;当中芯国际攻坚芯片代工制造时,却又发现:需要设备环节突破;当中微公司、北方华创在逆袭设备、有所收获时,却又发现:设备核心零部件又仰人鼻息;当零部件也有所进展时,又发现:芯片材料还是被卡脖子。

而当我们继续一步步向前溯源、“图穷匕见”时,才发现一切都回到了任正非此前无数次强调的 基础科学 。

回顾来看,如果没有1703年建立的现代二进制,那么两百年后的机器语言就无从谈起;如果没有1874年布劳恩发现物理上的整流效应,那么就没有大半个世纪后晶体管的发明和应用;而等离子物理、气体化学,更是刻蚀机等关键设备的必备基础。

而在美国大学中,有7所位列全球物理学科排名前十,有6所位列全球数学学科排名前十,有5所位列全球材料学科排名前十。 基础科学强大的统治力,成为美国半导体公司汲取力量的源泉。

在强势的基础学科背后,却又是1957年就已经埋下伏笔的美国基础学科支持体系—— 对大学基础学科进行财政支持;通过超级 科技 项目带领应用落地。

当年美苏争霸,苏联的全球第一颗人造卫星升空刺激了美国执政者,这也成为美国 科技 发展的重要转折点:

一方面,为了保持“美国领先”,政府开始直接对研究机构发钱。美国国家科学基金会(NSF)给大学的基础研究经费从1955年的700万美金,飙升到1968年的2亿美金。在2018年,NSF用于基础研究的经费,更是高达42亿美金。这长达50年的基础研究经费里, 美国联邦政府出了一半 。

尤其值得一提的是,NSF每年为数以千计的基础学科研究生提供奖学金,这其中诞生了 42位 诺贝尔奖得主。

另一方面, 美国启动了超级工程来落地研发成果。 1958年,NASA成立,挑战人类 科技 极限的阿波罗登月和航天飞机工程也就此启动。

在研究需要250万个零件的航天飞机过程中(作为对比,光刻机零件大约是10万个,一辆 汽车 只有1万多个零件),大量尖端技术找到用武之地;而这些当时“冷门”的尖端技术,又在条件成熟时,相继转化为杀手级民用品(比如从航天飞机零件中诞生的人造心脏、红外照相机)。

航天飞机的技术外溢,并不是孤例。 医院核磁共振设备中采用的超导磁铁,也正是在美国粒子加速器“Tevatron”的研发中应用诞生。美国的超级 科技 工程,成为基础学科成果的试验田、练兵场和民用转化泉。

事实上,通过基础研究掌握源头 科技 ,随后一步步外溢建立产业霸权,这条路径并不只是美国的专利,也应该是各个产业强国的选择,更是面对美国打压时一条真正可行的道路。王侯将相,宁有种乎。 避免无穷尽的“国产替代向上突破”的陷阱,实现和“基础研究向下溢出”的大会师。

事实上,我们面临的困难、打压,日本也经历过。

上世纪八十年代后期,美国对日本半导体产业发起突袭:政治封杀、商业打压、关税压迫无所不用其极,尤其是培养了“新小弟”韩国来挤压日本半导体产业。没几年,日本就从全球第一半导体强国宝座上跌落了。日本半导体引以为傲的三大楷模,松下、东芝、富士通的半导体部门先后被出售。

面对美国的压制,日本选择 进军高精尖材料,用时间换空间、用匠心换信心。

1989年,韩国发力补贴存储芯片,而日本通产省制定了投资160亿日元的“硅类高分子材料研究开发基本计划”,重点补贴信越化学为首的有机硅企业。

1995年,韩国发动第二轮存储价格战前夕,而日本东京应化(TOK)则实现了 KrF光刻胶商业化,打破了美国IBM长达10余年的垄断,并在随后第五年,其产品工艺成为行业标准,全球领先。

2005年,三星坐上存储芯片老大的位置,而日本凸版印刷株式会社以710亿日元收购了美国杜邦公司的光掩膜业务,成为光罩龙头。

在韩国全力扩张产能,和其他半导体下游厂搏杀的日子里,日本一步步走到了材料霸主的宝座前。从看似掌握着无解优势的美国人手里,硬生生抢下了一把霸权剑。

但日本的成功仅仅是因为换了一个上游战场吗?显然不是。在过去30年,三大自然科学领域, 日本共计收获了16个诺贝尔奖,其中有6个都属于是化学领域 ,而这些才是日本崛起的坚实地基。

我国的基础研究怎么样呢?2018年,我国基础研究费用,在全年总研发支出中仅占5%,而这还是10年来占比最高的一年。而同期美国基础研究占比则是17%,日本是12%。 在国内各个学校论坛上,劝师弟师妹们从基础学科转向金融计算机等应用学科的帖子,层出不穷。

所以有人笑称,陆家嘴学集成电路的,比张江还多。

今年7月份,更是爆出了中科院某所90多人集体离职的迷思。诚然,每个人都有择业的自由,但需要警示的,是大家做出选择的理由。基础学科研究的长周期、弱转化、低收入,令研究员们在日益上涨的房价、动则数百亿利润造假套现面前,相形见绌。

任正非曾经感叹道:国家发展工业,过去的方针是砸钱,但钱砸下去不起作用。我们国家修桥、修路、修房子……已经习惯了只要砸钱就行。但是芯片砸钱不行,得砸数学家、物理学家、化学家……

64年前,苏联率先发射的一颗卫星让美国惊醒。美国人一边加码“短期对抗”,一边酝酿“长期创新”,从而开启了多个领域的突破、领先;而今,一张张禁令也让我们惊醒,我国不少产业只是表面上的大,急需要的是骨子里的强。

这些危机之痛,总是令人后悔不已。过去几十年,落后就要挨打的现实一次次提醒着我们, 要实现基础技术能力的创新和突破,才能赢取下一个时代。

 

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