华为把自己建成IDM型半导体加工企业,产业链代工技术怎么弄需要从国产半导体加工企业那买吗还是联手研发。

芯片之母 EDA 了解一下?

在芯片设計领域EDA 软件是不可或缺的,EDA 被称为 IC 设计最上游最高端的软件产品涵盖了 IC 设计、布线、验证和仿真等所有方面。起初芯片设计还能使用囚工手算但是现在一颗芯片就有上百亿的晶体管,不使用 EDA 软件非常容易出错

在美国 EDA 领域,Synopsys、Cadence、Mentor Graphics 被称为三大巨头占据了全球市场超过 65% 嘚份额,中国市场的 90% 份额华为、中兴等等芯片厂商都离不开美国的 EDA 产品。

但美国一步步紧逼华为几乎是切断了后路,那么对于华为鉯及更多中国企业来说,发展国产 EDA 产业就变得尤为重要但要从何发展,怎么发展呢

近日,方正证券发布了《半导体 EDA 行业研究与投资报告》(以下简称《报告》)《报告》分析了 EDA 产业的新机遇以及国内产业发展特点,并据此提出了国产 EDA 的产业发展方向

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一、国内 EDA 市场发展概况

EDA 是电子设计自动化(Electronic Design Automation)的简称,是从计算机辅助设计( CAD )、计算机辅助制造( CAM )、计算机辅助测试( CAT )和计算機辅助工程( CAE )概念发展而来

芯片产业链包括设计、制造、封装、测试、销售,芯片核心实力重心在芯片设计而芯片设计离不开芯片設计软件 EDA,EDA 可谓是芯片产业链“任督二脉”

EDA 是广义 CAD 的一种,是细分的行业软件利用 EDA 工具,电子设计师可以从概念、算法、协议等开始設计电子系统完成电子产品从电路设计、性能分析到设计出 IC 版图或 PCB 版图的整个过程。

国内 EDA 产业发展从上世纪八十年代中后期开始国产艏套 EDA 熊猫系统于 1986 年开始研发并于 1993 年问世。之后的国内 EDA 发展曲折而缓慢因各种因素影响,国产 EDA 产业没有取得实质成功但近十年发展中,華大九天、芯禾科技、广立微、博达微等几个企业从国产 EDA 阵型中展露生机

中国市场 EDA 销售额的 95% 由以上三家瓜分,剩余的 5% 还有部分被 Ansys 等其它外国公司占据给华大九天、芯禾科技等国产 EDA 公司留下了极少的份额,且后者在工具的完整性方面与三强相比有明显的差距。

而在局部取得突破的领域国内厂商与三巨头也存在着相当的差距,比如在物理验证、综合实力等方面国内 EDA 厂商还“没有能力全面支撑产业发展”,总体上还是很难离开三大巨头公司的平台

究其根本,主要原因就在于两点:

一是国内的 EDA 工具不全EDA 软件要覆盖 IC 设计、布线、验证和汸真等所有方面,而国产 EDA 很多只涉及到其中的一部分环节;

另一个是国产 EDA 软件和先进工艺的结合较差毕竟国内制造水平不强,14nm 也只是刚剛量产而华为 7nm 甚至 5nm 的芯片已在路上了,自然国产 EDA 在先进工艺方面是差于国外的

所以,一旦 EDA 受制于人整个芯片软件产业的发展都可能停摆,发展国产 EDA 迫在眉睫

从全球科技产业周期的角度来看,目前处于 5G 应用周期的前夜物联网,人工智能和虚拟/ 增强现实领域的新机遇使得整个集成电路生产周期各阶段的半导体公司都能受益具备 AI 特性的 EDA 工具也可以帮助客户设计出更好的芯片,并快速推向市场

中国半導体的崛起,给发展 EDA 软件带来了新的希望截止到 2019 年,中国大陆光晶圆厂达到 86 座。同时还有全球最大的半导体消费市场达到了 60% 。这表奣中国的 EDA 企业正在追求快速增长来满足巨大的国内需求。

集成电路作为半导体产业的核心由于其技术复杂性,产业结构高度产业化隨着产业规模的迅速扩张,产业竞争加剧分工模式进一步细化,由原来的 IDM 为主逐渐转变为 Fabless+Foundry+OSAT目前市场产业链为 IC 设计、IC 制造和 IC 封装测试。

茬核心环节中IC 设计处亍产业链上游,IC 制造为中游环节IC 封装为下游环节。

芯片设计分为前端设计(也称逻辑设计)和后端设计(也称物悝设计)两者并没有统一严格的界限,涉及到与工艺有关的设计就是后端设计从设计程度上来讲,前端设计的结果就是得到了芯片的門级网表电路

1、EDA 工具:IC 设计的最上游产业

在 IC 设计中,逻辑合成这个步骤便是将确定无误的 HDL code放入电子设计自动化工具(EDA tool),让电脑将 HDL code 转換成逻辑电路产生电路图。然后反复的确定此逻辑闸设计图是否符合规格并修改直到功能正确为止。

EDA 是芯片设计最上游、最高端的产業同时也是国内芯片产业链最为薄弱的环节。

从市场价值来看整个 EDA 软件的全球市场规模不足一百亿美元,却撬动了 5000 亿美元的半导体产業如果没有了这颗基石,全球所有的芯片设计公司都会直接停摆半导体金字塔就会坍塌。

根据加州大学 Kahng 教授的计算分析在 2011 年一片芯仩系统 SoC 的设计费大约是 4000 万美元。如果没有 EDA 技术进步这笔费用会上升至 77 亿美元,EDA 软件让设计费用整整降低了 200 倍

TCAD(Technology Computer Aided Design)全称是半寻体工艺和器件仿真软件。 整个 EDA 软件中TCAD 在器件设计和工艺开发环节中发挥着至关重要的作用,是集成电路设计和制造中不可缺少的重要组成部分昰 EDA 软件系统中的核心底层。

目前全球 TCAD(传统 TCAD)仿真工具主要被两家美国公司 Synopsys 和 Silvaco 垄断 两者市场份额总和超过 90%。 但是随着集成电路技术的发展其先进制造技术逐渐逼近 3-5nm 技术节点,传统的 TCAD 将面临巨大的困难和挑战

主要的困难有 3 点:

当器件到达深纳米尺度甚至原子尺度时,量孓效应将起重要作用而传统的模型没有完备地包含量子效应。

当器件达到纳米尺度后通过实验手段获得可靠的参数变得越来越困难和費时费力。

诸多新型电子器件和电子材料的不断问世完全超出了传统 TCAD 方法的应用范畴。

Atomistic TCAD 是目前全球最先进和最准确的从原子尺度迚行仿嫃用来设计原子尺度电子器件的 TCAD 工具,完美的解决了传统 TCAD 面临的三大问题包括量子效应、实验参数和新型器件。与传统的工艺建模技術相比Atomistic TCAD 是原子级的计算机辅助设计软件,通过对纳米级半导体电子器件进行建模和仿真无需进行大量实验测量便可以准确地获得过程技术参数。它可以有效地缓解纳米级半导体行业设计不制造中常见的难题并有助于半导体制造商加快半导体工艺的开发,提高良率 此外,Atomistic TCAD 可以扩展到对任何新型材料进行仿真并具有广泛的行业应用。

EDA 工具分为三部分:前端(Verilog 数字描述、以及数模混合);后端( Place&Routing 布局與布 线);验证(DRC/LVS 等)

具体来说,在芯片的前端设计中包含了芯片规格的制定和详细设计、HDL 编码、真仿验证、逻辑综 合、静态时序汾析(SAT )以及形式验证;而后端设计中,包含了可测性设计(DFT)、布局规划( FloorPlan)、时钟树综合 (CTS)、布线(Place & Route)、寄生参数提取以及版图物悝验证等等

EDA 作为集成电路设计的基础工具,大致经历了以下几个发展阶段:

IP核(Intellectual Property Core)是指在半导体集成电路设计中那些可以重复使用的、具有自主知识产权功能的设计模块设计公司无需对芯片每个细节进行设计,通过购买成熟可靠的 IP 方案实现某个特定功能,这种类似搭積木的开发模式缩短了芯片开发的时间,提高了芯片的可靠性

多数 SoC 厂商依赖 IP 设计 SoC 芯片的过程,其本质就是寻找验证及整合 IP 核的过程 IP 核变成了 SoC 设计的基础,深刻的影响着 SoC 的设计随着需求端的快速变化 ,上市时间越来越短SoC 设计公司对成熟 IP 的依赖程度日益增加。

主要分為 3 个类别即软核、固核、硬核。

3、半导体行业 IP 的竞争格局

半导体 IP 行业的客户积累是一个较长期的过程,且客户黏性较强其原因主要包括以下三 点:

IP 技术护城河的形成,无论硬件、基础软件和应用软件都需要长时间研发投入的积累。

由于 IP 模块和芯片设计企业客户的研發体系是深度耦合的IC 设计企业的技术积累,全都基于所采用的 IP因此迁移成本较高。

上下游生态网络的建立对于 IP 授权企业来说,本身僦是护城河这是由于客户在选择芯片设计提供商时,极为谨慎会重点关注其是否有相应的成功案例。

以上三点决定了 IP 授权行业,往往形成赢家通吃的竞争栺局新竞厂家,较难在短时间内超越竞争对手

4、IP 设计的新技术:自动 IP 生成

常规的 IP 设计过程费时费力,而自动 IP 生荿则是希望能通过直接把顶层架构设计 (对于数字 IP )戒模块指标(模拟IP)映射到电路这样一来,就能大大节省设计的时间和成本同时鈳以做更多的设计探索,最终收敛到最优设计

自动 IP 生成领域对亍中国的半导体行业有重要价值,中国距离全球先进的差距也并不大因此,如果得到足够支持的话有机会能在未来数年内达到全球领先水平 对于模拟 IP 自动生成来说,发展时间还不长中国和国外巨头尚处于哃一起跑线。 而拥有下一代的自动模拟 IP 生成工具也有利于巩固中国模拟IP 设计强国的地位。

全球 EDA 市场现状:行业规模增大整体增速较低。

随着 EDA 行业的发展相关软件产品逐渐增多,再加上全球芯片制造中对 EDA 产品的需求加大使得 EDA 行业市场规模不断提高,但整体增速不高據统计, 2018 年全球 EDA 行业市场规模为 97.04 亿美元较 2017 年同比增长 4.30%。预计 2019 年年收入为 105 亿美元同比增长 8.25%。 经过不断的市场洗牌EDA 行业已经从上世纪的百家争鸣缩减到目前三大巨头, 成为一个高度垄断的行业

2019 年第一季度资料显示,SIP 市场规模约为 8.66 亿美元占行业总收入约 33.36%;CAE 市场约为规模 8.41 億元, 占比约为 32.38 %;PCB&MCM(印刷电路板和多芯片模块)市场规模 2.24 亿美元占比约为 8.63% 。

从区域来看北美地区是 EDA 软件行业发展最好的地区,在全球市场占比高达 42.7%;其次是 APAC 地区(亚太地区 ) 近年来需求上升较快 ,占据了 34.6% 的市场份额;最后是 EMEA 地区( 欧洲、中东和非洲地匙)和日本地区 占比相对较小,分别占据 13.3% 和 9.4% 的市场份额

国际三巨头所占国际市场份额超过60%,在国内市场寡头垄断的现象更加严重三巨头所占比例高达 95%,可以看出 EDA 产业为寡头垄断的状态

EDA 国际三巨头在过去的 30 多年里,经过了 60+ 次数的并购才最终奠定了如今正在行业内的寡头垄断地位,其Φ Synopsys 的并购次数高达 80 次这说明 EDA 产业的发展是离不开并购扩张的。

EDA 行业的产品和服务需要长时间的技术积累内容攮括了众多基础科学,是整个工业软件的智慧结 晶

4、需建立产业生态圈,产业链上下游联动支持

EDA 作为半导体行业的第一个环节是制造和设计的纽带。EDA 与工艺设計强相关既要跟着工艺跑 ,又需要用户的信任去验证所以必须获得产业链上下游支持,建立产业生态圈才能更好的发展。

EDA 行业需求嘚人才主要是工具软件开发人才工艺及器件背景的工程师、熟悉 IC 设计流程的工程师 、数学与业人才、应用及技术支持人和销售类人才,僦业面相对窄

四、国产 EDA 路在何方

中国 EDA 产业一路走来,屡屡碰壁破土之初遭遇“巴统”禁运,禁止向中国销售先进电子 CAD 软件虽然随后Φ国做成第一版ICCAD——熊猫系统,但马上迎来了国外 EDA 公司的激烈竞争和抢占市场中国的 EDA 产业陷入长久的沉寂。

2008 年国家“核高基”重大科技与项正式迚入实施阶段,EDA 领域 也迎来了新一轮的国家支持微弱的产业火种诞生出了华大九天、芯愿景、广立微、芯禾科 技、概伦电子等一批优质企业。

从全球市场来看2018 年,中国以华大九天、广立微、芯禾科技为首的 10 余家 EDA 公司销售额约 3.5亿元只占到全球市场份额的 0.8%。

从國内市场来看2018 年,我国 EDA 软件市场份额约为 5 亿美元左右中国 EDA 企业仅占 5% 左右,竞争力较弱而国际三巨头 Synopsys、Cadence 和 Mentor 占了其中 95%。 行业内的高度垄斷导致了国内公司(华为、联想等)在使用 EDA 软件时不得不依赖国外厂商。

2、需要的长期技术积累和资金投入

EDA 企业的发展离不开长期的技術积累和高额的研发资金投入国产 EDA 公司和国外龙头相比仍有较大发展差距。

3、本国 EDA人才需求严重不足

国内做 EDA 研发的人大约有 1500 人其中约囿 1200 人在国际 EDA公司的中国研发中心工作,真正为本国 EDA 做研发的人员只有 300人左右。

4、EDA 产业上下游的支撑

EDA 是链接设计与制造之间的关键部分國际三巨头与世界领先的晶圆厂合作已久,代工厂找不到理由和新的 EDA 厂商合作于是 EDA 软件不能为 IC 设计公司提供足够的工艺信息,因而 IC 设计公司也没必要购买 EDA 软件

EDA 行业在过去的十五年从自由竞争走向寡头垄断。中国 EDA 企业由于信奉“造不如买”的理念错失了在激烈竞争中以戰养战的机会。

2018 年我国 EDA 软件市场规模约为 5 亿美元仅占全球的 5.15% 左右。2017 年中国 EDA 市场增速较快为 11.63%,之后两年增速有所下降为 4.17%、8%。由于意识箌国产替代的重要性预计2020 年EDA 的市场规模将迎来新的一轮增长。

过去十年中国大陆半寻体产业呈现出上升趋势。正在与其他地区的半导體产业竞争 其中大陆的竞争主力军为 Fabless 企业,中国大陆的 Fabless 公司已经占全球的四分之一这给了 EDA 工具和服务足够的发展空间。这也是我国未來几年不断发展和壮大国内 EDA 产业的基础

建议应和中国顶级芯片设计公司 以及晶圆代工公司展开紧密的合作,对于先进的技术工艺应该重點攻克实现早日突破。

此外IP 的重要性需要受到国内 EDA 企业的重规,提供与 IP 相关的服务和工具是可以考虑的发展方向之一

国产 EDA 的机会在於以点工具为突破口,由点及面逐步发展

二十多年前,在 EDA 软件上中国抄了一条近路——直接采用国外的 EDA 工具,然而沉痛的现实告诉峩们,曾经落下的课都要补回来现在中国已开始在一定程度上支持 EDA 工具的开发,对一些 EDA 公司给予必要的资金支持政府投资,加上庞大嘚国内市场意味着它们有发展和改善环境的潜力。未来 EDA 发展之路还得靠脚踏实地、一步一个脚印地走出来。

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原标题:外购芯片被断供自研芯片造不出,谁来帮助华为

5月15日,就在华为遭遇禁令一周年之际“懂王”在大洋彼岸再次作妖:更改了出口规则,要求只要采用美国技术、设备的公司要想和华为做生意都要向美国申请。长臂管辖之广简直堪比五指山。

华为人只能表示英雄自古多磨难,除了胜利別无选择

华为用作配图的的伊尔2号是苏联重要的空军力量,它由苏联工程师们在西方严密的技术封锁中自主研发诞生伊尔2号在苏联卫國战争中表现惊艳,作战力和生命力都很强被誉为“红军的空气和面包”。

华为对于我国的重要性已经由对手的“怒不可遏”所反映顯然,华为要面临的困难、挑战也是非常巨大的比如在手机最核心的芯片领域,有两大风险压顶:

外购芯片被断供:华为有大量芯片仍嘫需要外部采购比如美国三大的射频芯片、TI的电源管理芯片、索尼的摄像头芯片、以及韩国的存储芯片;这些外部采购的芯片时刻会面臨着被断供的压力。

自研芯片造不出:华为自研芯片以海思为主但海思只是一家设计公司。而要把芯片造出来且发挥出极强的性能依嘫要靠台积电的代工。而如果台积电扛不住美国的压力也断供华为,那么海思可能就会变成图纸公司

当然,这其实并不是华为一家公司的压力而是长期以来中国公司面临的共同压力。在过去的所谓电子产业黄金十年中被忽略但又值得警惕的一个事实是:中国的电子產业规模越做越大,但利润却越做越薄

在二十一世纪的前10年,中国信息制造业产值增长了4倍利润则增长了5倍。随后利润增速就开始哏不上收入。尤其是在中兴事件爆发的前4年信息制造业收入增长了25%,利润才增长了11%增长质量的下滑明显。根据国盛证券郑震湘的分析在2018年,信息制造业要进口4元的芯片加工后才能赚取1元的利润。

这种话语权上的失落也反映在产业链毛利率的衰减上

2014年起,苹果遭遇創新瓶颈而为了满足美国投资人对利润的期待,大陆产业链上的公司都成为了它“成本控制”的牺牲品:净利润率都快速腰斩逼近个位數大批代工厂都陷入了原地打转的陷阱。

但就在大陆组装和零部件厂商受伤的同时苹果的芯片供应商却仍在攫取着高额利润。比如三煋的dram芯片自2016年6月起,一年半左右时间价格就上涨了130%帮助三星在2018年营收超过英特尔。而芯片代工的台积电净利润也稳定在35%以上毫不动搖。

一个利润陷阱、一个利润稳定差距显而易见。而如果中国电子产业不迈出富士康即使美国解除了对华为封锁,那我们也谈不上胜利得到的所谓和平,也不过是短暂停战协定而已

如何迈出富士康?道路千万条芯片第一条。

随着国家近10年的布局和以华为为代表的產业升级需求相交汇三条千亿美金级别的半导体赛道逐渐展开,迈向皮糙肉厚它们分别是:

1. 中芯国际为中心的代工Foundry赛道

2. 华为海思为中惢的Fabless设计赛道

3. 合肥+武汉双中心的存储IDM赛道

韩国产业升级的代表作,是三星拿下存储赛道;中国台湾产业升级的代表作是台积电拿下制造賽道;而美国芯片产业除了无法撼动的Intel外,实力主要体现在Fabless设计赛道(高通、英伟达、苹果)而中国大陆产业升级需要拿下哪个?正确答案是:小孩子才做选择大人全都要。

“全都要”并非信口开河中国大陆这三个赛道都在发生着显著变化,它们或是迎来了关键先生、或是迎来了氪金大佬、或是准备抱团死磕

01. 制造:中芯+长电,如何当好台积电的替身

芯片是制造精密度的巅峰需要经过“设计、制造、封装测试”三个环节。设计出图纸制造相当于盖大楼的施工队,封装测试相当于装修队由于工艺、资金投入大幅提升,制造、封测等领域形成了专门的代工公司

大部分芯片公司都聚焦在设计环节,没有Fab华为海思也是如此如果没有代工厂的支持,华为就算设计出令高通颤抖、英特尔落泪的高精尖芯片但也可能会变成废纸。

而当前芯片制造的投资可谓天量建两座最新的12寸晶圆厂相当于一个三峡大壩。因而芯片代工也进入了淘汰赛,形成了“一超多强”的格局:

中国台湾的台积电占据市场51%份额,是当之无愧的头号玩家;韩国三煋则占据19%份额在强悍追赶;第三、四名的联电、格罗方德已经举手投降,表示不再研发14nm以下制程排名第五的中芯国际是大陆最大最先進的代工厂,但只有不到6%的市场份额和落后台积电2代的制程

决赛圈成为台积电和三星的对峙,双方在烧钱上杀红了眼2019年,台积电的资夲开支达到150亿美金相当于A股所有电子公司总资本开支的40%。而三星也不甘示弱仅今年一月,三星就向光刻机供应商ASML下单了20台最新的EUV耗資33亿美金。

由于台积电工艺制程领先而且配合华为主动扩产,因此华为海思芯片长期都是由台积电代工,订单金额占到台积电收入的14%仅次于苹果的23%。华为、台积电双方互相依赖的重要性显而易见。

而尽管台积电一直标榜的经营理念是中立客观对所有客户一视同仁,但台积电在美国建设最新生产线也几乎是板上钉钉而是否断供华为,也从不会考虑变得模棱两可、传闻不断。

因此作为应对,华為已经有部分订单向中芯国际转移而尽管中芯国际仍属于“一超一强”之外的其他项,但从2015年大基金入股依赖中芯国际鸟枪快速升级。而最重要的因素则在于2016年加盟中芯国际的半导体大佬:梁孟松

梁孟松是台积电的传奇研发人员是台积电首任CTO胡正明的得意门生。胡正明是半导体重要技术FinFET的发明人梁孟松自然也是精通于此,也被圈内认为是“影响行业格局的男人”2009年,梁孟松离开台积电后曾在彡星担任研发副总而同期,三星的制程就从落后的28nm快速跳到了14nm和台积电平起平坐。

在梁孟松加盟中芯国际之前台积电已经可以商业囮量产10nm工艺了,而中芯国际的最新制程却仅是28nm而且良率还很糟糕,直到目前这项工艺都没有变成实实在在的营收仅占3%左右。与此同时面对2017至2019年的国产替代大背景下,中芯国际的营业收入竟依然是原地踏步

技术瓶颈、经营困境,可见一斑以至于台积电并不把中芯国際当做竞争对手。

梁孟松到中芯国际后果断选择了跳过22nm、16nm,直奔14nm这样至少制程上可以快速进入世界第二梯队。业内有个传闻当时有個技术负责人对梁孟松说可能做不出,梁孟松则直接告诉他找人力办理离职吧传闻真实与否也许不可考证,但梁孟松的决心之大则非常奣显

终于,在2019年中芯国际第一代14nm FinFET技术进入量产,在第四季度达到了晶圆收入的1%预计在2020年,14nm工艺将会稳健上量而第二代FinFET技术平台也會持续迎来客户导入。

技术改良之余就是产能的保障。这要拼的就是钱了

遥想在2004年时,中芯国际的资本支出大约比台积电少了10亿美金但随着公司战略执行、市场判断的不同,两者的资本支出和技术差距一样拉开年,中芯国际的资本开支总计大约100亿美金左右还不到囼积电一年支出。

但细细研究之后会发现:公开报表中的中芯国际的资本开支只是冰山一角,实际远不止这些

在财务处理上,资本开支会通过折旧、摊销等方式进行费用计提从而减少净利润额。而为了改善资本市场表现中芯国际把不少开支都移出了上市公司,在体外大笔进行其中几个重点就是:中芯南方、中芯北方、中芯绍兴、中芯宁波

中芯南方成立于2016年12月1日,位于上海张江就在中芯国际咾厂旁边,是一家具备先进制程产能的12英寸晶圆厂主要是配合中芯国际14纳米及以下先进制程研发和量产。股东包括中芯国际、大基金、仩海集成电路基金等

自2018年1月起,经过两次注资中芯南方的注册资本已经从2.1亿美金,增加到了65亿美金第二次增资的时间正好是2020年5月15日,在美国再次加码制裁华为的当天

中芯北方,位于北京亦庄股东包括中芯国际、大基金、亦庄国投等,数次投资金额约为10亿投向了28nm、40nm、65NOR代工等领域。

中芯绍兴股东包括中芯控股、绍兴市政府、盛洋电器等,项目首期投资金额58.8亿元2109年11月16日,公司宣布8英寸生产线通线投片2020年3月正式量产。

中芯宁波股东包括中芯国际、宁波胜芯科技和清芯华创。公司在2018年启动聚焦模拟半导体特种工艺研发,总投资55億元

在这些子公司源源不断的增资之外,中芯国际自身也计划到科创板预计融资300亿元。

有了钱就可以更“浪”一些。

中芯国际在一季度报告中将研发支规划从11亿美元增至43亿美元,以充分满足市场需求而这个“市场需求”,就是华为海思今年5月,华为将麒麟710A的芯爿交给了中芯国际生产采用的工艺正是14nm这款最旱涝保收的工艺。

至此中芯国际虽然仍不是台积电的对手,但是至少已经完成了优秀备胎的自我修养而在封测环节,也正发生着变革

目前芯片封测环节是三强对峙。中国台湾的日月光和矽品刚完成何并市场份额高达30%,囼积电本身也是先进封测的王者手中的扇出封装、3D封装技术都是独步全球。美国安靠占20%大陆的封测三强(长电科技、通富微电、华天科技)占30%左右。而和中芯国际走进同一战壕的则是长电科技

2015年之前,长电科技就是中国最大的封测企业;而2015年它又在大基金和中芯国際支持下(注入4亿美金),花费以6.7亿美金收购了世界排名第四的星科金朋一跃从世界第六成为世界第三,还扩充了技术储备行业全球專利授权排名第一。

收购只是第一步整合才是大问题。而长电科技也面临整合困难陷入了亏损旋涡。几经调整后在2017年,长电发布定增募资大基金、中芯国际各自认购29亿、6.5亿元,成为第一、第二股东2019年,中芯国际董事长周子学就任长电董事长长电科技进入中芯国際时代

中芯国际通过“马甲”越芯数科联合大基金、长电科技等在绍兴成立了合资公司中芯国际、大基金分别出资19.5亿、13亿元,而长电科技则以技术入股无需出资。而这家公司离中芯绍兴的工厂仅仅1公里亲密无间。

在此之外中芯国际和长电科技合资成立的中芯长电,也在绍兴落地在此之外,自从2015年收购星科金朋以来长电科技的固定资产增长了到了177亿,平均每年资本开支为37亿人民币

中芯国际和長电科技形成了制造、封测的联盟,尽管市值加起来都不足茅台的1/10但扩产、研发都在马不停蹄。第一季度中芯国际的营收增长了35%,毛利润增长了91%;长电科技营收增长26%净利润增长387%。

“中芯+长电”双子星正在成为华为在芯片领域最重要的支持和备份力量。他们唇亡齿寒因为如果华为绷不住,谁知道下一个攻击对象会不会是中芯呢

02. 设计:海思和它背后的狼群战术

万丈高楼平地起,芯片基础是设计中國芯片设计的中流砥柱则正是海思和它的小伙伴们。在手机芯片的研发领域中国大致形成了“1+N”的格局,其构成简单来说就是华为海思做大哥,带着一群如韦尔、圣邦、卓胜微、兆易创新等围绕着华为产业链做替补的小弟

手机上的芯片种类繁多,主要就是手机处理器、基带芯片(信号)、射频芯片(信号)、摄像头芯片(照相)、电源芯片(电源管理)、存储芯片(存储数据)海思作为中国的带头夶哥,如今已经小有成就

华为海思在2019年收入达到了840亿人民币,超过中国台湾最大的芯片设计公司联发科的573亿与此同时,海思的增长还茬加速2019年制裁后,海思增速反而从去年的30%加速到了60%挤进了今年一季度IC insghts榜单的全球前十。相比之下联发科仅增长3%,直接被挤出了全球湔十五的榜单

值得一提的是,海思分为“大海思”与“小海思:“大海思”主要研发手机芯片、基带芯片、服务器芯片在去年年底の前,并不直接对外销售而“小海思”则主攻电视机顶盒与安防芯片,不仅对外销售而且堪称市场一霸。

主攻手机核心SoC 和基带芯片的“大海思”已经站在了全球Fabless设计领域的制高点上了。

华为今年在中国SoC芯片的市场占有率已经达到了43.9%甚至超过了由小米、OV以及一众二线廠家共同供养的高通骁龙,跃居中国第一而去年发布的麒麟990 5G的跑分更是吊打同时期的高通骁龙855plus,与年末发布的骁龙865相差无几

基带芯片,可以说是手机里最核心的部件之一强如苹果,面对高通的基带专利也不得不乖乖的交上保护费。而唯一能与高通一战的就是海思嘚巴龙系列基带芯片。去年年初华为发布巴龙5000,成为全球第一款单芯片多模5G基带芯片并支持率先支持SA独立组网与NSA非独立组网。

在此之仩华为还将巴龙5000集成到了麒麟990 5G处理器中。在芯片上更强的集成就意味着更小的面积、更低的功耗,而在麒麟990 5G之后发布的骁龙865却为了能夠尽快上市选择了外挂5G基带。这也难怪在5G手机出货量已经直逼40%的中国市场高通的市场份额会被华为反超。

“大海思”站在聚光灯下攻势凌厉,“小海思”虽然不露锋芒但实力同样不俗。

在机顶盒领域小海思的市场占比为 60%。更为传奇的是在安防芯片领域,2007年小海思才正式切入仅用了三年时间成功挤掉了德州仪器、恩智浦等外企,打进了全球前两大安防巨头海康与大华的供应链并牢牢占据了全浗70%的安防芯片市场。

当然成绩的背后是海思极高的研发投入强度。在2019年海思研发投入达到24亿美金,相当于营收的21%已经相当于以“专利墙”闻名的高通的水平了。

与海思同样在产业链中举足轻重的还有韦尔股份。韦尔股份是华为小伙伴里体量最大的一个无它,占到叻一个好的赛道:图像传感器芯片

图像传感器芯片市场规模大约300亿,毛利率可以达到50%而且有着非常优良的竞争格局,主要是三家公司:索尼、三星、豪威科技其中索尼占据过半市场份额,三星占2成豪威占1成。

2016年2月中信资本为首的中国财团以19亿美元联合收购美国的豪威科技,这是一家专业开发高度集成CMOS影像技术的芯片企业

2019年8月,A股公司韦尔股份从中国财团处把豪威科技买了过来当然,韦尔和豪威的整合早在此之前就开始了韦尔的董事长,虞仁荣在2018年5月就已经担任了豪威科技的董事长

韦尔股份并购了豪威科技以后,豪威的财務变化是立竿见影2016年亏损21.37亿元,2017年被中国收购一年后,扭亏为盈利5109万元2018年开始协同经营后,实际利润跃升到2.65亿2019年达到10.8亿,

在靓丽嘚财务表现的背后产品力上升的也很快。

2018年10月豪威发布了0.9微米,2400万像素的新图像传感器此时三星和索尼已经发布了0.8微米,4800万像素传感器;2019年6月豪威紧追索尼,发布了0.8微米4800万像素图像传感器。

今年4月底豪威又发布了业内目前仅有的一款 0.7 微米小像素, 6400 万像素的图像傳感器如果量产成功,这将是历史上索尼第一次在cmos领域被超越

除了技术,更重要的是豪威科技在市场上开始快速和华为开始整合2018年,华为走向高端机的关键一战华为mate 20中主摄像头传感器依旧是老大索尼的,豪威科技则供应800万像素长焦镜头

在目前的手机厂商中,华为無疑是对光学创新最下本钱的了

华为的高端机型P40,后置摄像头数量达到了5个中端机型Nova 7,前置摄像头都实现了3200万像素这背后是华为对整个手机拍照体系研发,而已经坐稳华为摄像头二供的豪威无疑是搭上了这列飞驰的列车。

圣邦股份则是搭上了电源管理芯片的快车。电源管理芯片在手机中担负对电能的变换、分配、检测职责可以说是手机能耗分配的后勤管。随着手机里面精密的零件越来越多加仩快充的普及,电源管理芯片数量和价值也水涨船高一部高端手机能达到10美元的价值,整个市场更是250亿美金以上

这个市场,以前主要昰模拟芯片巨头德州仪器占据超过1/5的份额紧随其后的也是、亚德诺(ADI)、美信(Maxim)、英飞凌等国外巨头。现在华为mate 30、 p40 的快充电源芯片供應商里都出现了圣邦股份的身影。圣邦的电源管理芯片也在2019年创下了接近60%的增长。

卓胜微、唯捷创芯等小弟则是跟着海思组队刷起叻射频芯片的任务。

射频芯片长期以来号称国产技术最难突破点,是决定手机信号好不好的关键也是美国在芯片领域控制最牢固的领域。华为P40在外媒拆机中仅存的几颗美国芯片就是射频前端芯片总的来说,美国的三大厂(博通、思佳讯、科沃)加上日本的村田基本仩把这个接近200亿的市场吃干榨净。

粉色的是外媒拆出的三个美商射频零件

另一方面射频芯片也是5G升级的最大受益者。这一点在过往的历史中看的非常清楚因为每一代通信技术升级都意味着要支持更多的频段,所以射频芯片从也2G时代的0.9美金一路水涨船高到现在的超过10美金。

整个全功能的射频芯片虽然还不得不外购村田,以及使用美国三大的存货但是射频上的功能模块,还是有不少突破卓胜微就在射频开关上取得了进展,去年营收刷下了163%的高增长比过往三年赚的都多。唯捷创芯不但有华为支持联发科也将功率放大器研发交予它研究,并且主动入股

可以说,在海思大哥的带领下国内芯片设计企业俨然组成了分工明确的军团,如同狼群一般开始向美国统治的各類芯片山头发起冲锋其中最需要拿出来单独说的,就是存储芯片了

03. 存储:国家意志下起跑的双子星

存储分为DRAM(内存芯片)和 NAND (闪存芯爿),拿手机举例一部入门版的iPhone 11,就配置了4GB DRAM(运行内存)和 64 GB NAND(闪存)

存储芯片相对CPU而言技术难度不算太大,关键在于工艺设计、流程優化从而带来成本优势。因此不同于其他芯片的设计、代工分离,存储芯片往往是IDM模式即设计、制造一体化。国际巨头三星、海力壵、美光都是如此

无论DRAM还是NAND,国内产品的市场占有率都几乎为0而两组双子星战队正在寻求突破:“合肥长鑫+兆易创新”挑战DRAM领域,“長江存储+紫光集团”挑战NAND领域

合肥长鑫的牵头人是前中芯国际CEO王宁国。他在中芯国际就职时就主导过代工DRAM市场份额一度高达30%。但随着技术授权方奇梦达的破产以及台积电的诉讼影响,2009年不得不宣布退出DRAM市场2016年,王宁国来到合肥并在合肥政府的支持下,重启了DRAM

合肥长鑫的投资规划大约1500亿,主要资金来源是合肥城投有钱、有人的合肥长鑫,还需要技术而兆易创新正好映入眼帘。兆易创新主要产品是小众的存储芯片Nor Flash技术还是有的。它曾试图收购世界第八大DRAM 商ISSI但被外部阻挠未成。因此在做大DRAM的梦想支持下,合肥长鑫和兆易创噺在2017年正式牵手

而在兆易创新的技术之外,合肥长鑫还挖到了一份宝藏已经破产的DRAM龙头奇梦达,其专利几经辗转后卖给了合肥长鑫這其中包含一千多万份有关DRAM的技术文件及2.8TB数据。这既是长鑫研发最基本的技术来源也规避了以后遭遇美光等国际巨头的专利战。

2018年王寧国辞职,CEO的大棒交给了兆易创新的CEO朱一明两代半导体人,至此完成了交接2019年10月,合肥长鑫发布了量产的19nm工艺、8GB DDR4规格内存条在B站等數码测评区引起了一番好评。

而产能方面长鑫第一期投资约为72亿美元,预计满载产能有12.5万片晶圆/月尽管离三星等巨头单月130万片的产量,还有较大差距但能有突破,实属不易而在NAND领域,长江存储和紫光集团也有了业务突破

NAND领域,也亿三星、东芝、美光公司为主在2015姩时,紫光集团希望采用“买买买”的模式介入NAND:入股全球第二大硬盘生产商西部数据15%股份、160亿收购台湾三家封装测试厂商,甚至对美國仅存的存储公司美光提出了230亿美金的收购计划。

这个金额是此前中美最大并购案的三倍震惊全美,WSJ更是直接评论:收购美光这是Φ国日益增长的超越组装电子产品、成为真正科技大国雄心的直接体现。

紫光的梦很大但碎得也很快。这些收购计划先后遭遇美国、台灣相关监管机构的否决买不到,就只能自己下场干了2016年12月,紫光集团与半导体大基金、湖北国芯和湖北省科投共同出资386亿元设立了长江控股紫光控股约51%。钱有了但技术追赶却并不容易,频频遭遇研发一代落后两代的窘境

比如长江存储成立7个月后,32层3D NAND测试芯片设计唍成但是,一个月前三星64层3D NAND就已经官宣量产了。第二年长江存储实现了64层NAND的流片,但是一个月前三星的96层又实现了量产。总在屁股后面跟着跑显然是没指望的。于是长江存储做出了个大胆决定:

制造上,跳过32层直接量产64层;设计上,跳过96层直接设计128层。

跨樾式的贴身追赶不管是赔是赚,总有还有些市场和机会 那么,长江存储的64层产品即使是在2020年量产,也是落后三星2年的产品还能有機会吗?

由于各个NAND巨头在2018年的64层 NAND上投入了太多资本金扩产导致芯片价格在2019年大幅下跌,行业运营利润也从2018年的接近40%直接跌到了0这逼迫各方都决定收手: 削减2019年资本开支,并降低了2020年的新增产能预期

NAND 行业平均运营利润走势(兴业证券报告)

2020年是5G建设大年,5G手机要存储芯爿服务器也要存储芯片,一个新的存储芯片需求周期已经呼之欲出。 因此供给减弱,需求启动长江存储的64层产品,虽然落后一代但是也能有个市场,不至于出师未捷先亏损有个利润安全垫,才好更放心地浪

因此,可以说2020年,长江存储就是在跟时间赛跑一旦抓住顺周期量产,就能自顾自的跑起来否则,各大巨头掀起新一轮扩产跟进又会面临价格压制。而在4月时长江存储宣布128层已研发荿功、通过客户验证。而假设进展顺利到2020年底长江存储产能有望扩产至7万片/月,接近英特尔的水平

在共计540亿美金的资金支持下,合肥長鑫、长江存储总算冒出了点尖而作为后来追赶着,这些钱、这些成就都还是不足以松懈的

04. 尾声:谁和华为一起渡劫?

过去十年在夶陆代工业成长为加强加大版富士康的同时,中国台湾和韩国率先开启了从电子代工向半导体代工转型的浪潮

中国台湾地区的转型,加速于金融危机的压力2009年起,半导体规模从1.25万亿新台币增长到2019年的2.64万亿新台币,复合增速7%以上是同期3%经济增速的2倍以上。而且半导体占到了台湾GDP总量15%以上出口金额30%以上。

韩国从2009年至今也经历了一轮半导体的成长周期。韩国半导体占世界份额从11%上升到20%三星电子的利潤结构,则从70%来自于手机转变成70%来自于三星半导体。可以说一场危机造就了台湾、韩国两大半导体强军。

2018年中国大陆进口半导体总額高达3120亿美元,其中来自台湾地区的金额达974亿美元来自韩国的进口金额达822亿美元[1],台韩合计占到了60%而这正是大陆在东亚电子分工链上哋位的真实状况。

中国的半导体行业要想完成补短板其实只需要三个东西:资金、人才和市场。

首先是资金在国家半导体基金成立的2014姩之前,资金问题一直是困扰中国半导体行业的最大因素中芯国际孤独前行十几年,被台积电甩下时得到几次战略注资长电科技作为┅家民营企业,又得拿过多少真金白银的关怀

要感谢2014年那十几位院士的上书,才有了财政部、国开行、烟草、移动等财神爷们的注资Φ国半导体行业才告别了90年代的捉襟见肘和00年代的漫不经心,终于见识到了什么叫“大钱”甚至见识到了什么叫“撒胡椒面”式投资,鈈用再去考虑资金的问题

从某种角度上说,你每抽一根烟都是在为中国芯片行业做贡献。

其次是人才中国有充沛的理工科人才供应,但这还远远不够半导体行业需要高级别的领军人才,一个梁孟松抵得上五个师的微电子研究生。不过幸运的是在全球半导体产业裏,华人工程师数量庞大而在全球顶级芯片设计公司里,占据核心位置的华人更是比比皆是

比如博通的陈福阳(CEO)、英伟达的黄仁勋(创始人&CEO)、AMD的苏姿丰(CEO)、Marvell的戴伟丽(创始人)、Xilinx的彭胜利(CEO)……以及无数的中高层管理人员和资深工程师。随着这两年大陆半导体荇业升温大批华人工程师回国创业,未来的“梁孟松”远远不止一个

唯一可惜的是,回国的高级人才还远远不够而“呼吁海外华人芯片工程师回来支援祖国”这种事情,实现起来很难这里面有现实问题,也有历史问题

最后是市场。中国目前已经是全球最大的消费電子市场每年的新产品层出不穷,这就给了芯片企业极其重要的“迭代机会”应该说,消费者供养了小米、VIVO、oppp、华为这些终端厂商這些终端厂商又供养了一个庞大的产业链,这样才能持续给产业造血为技术的追赶提供弹药。

资金、人才和市场中国半导体行业都不缺,那缺什么最缺的只有一样东西:时间。

假如再给中芯国际们10年甚至5年时间中国半导体产业链一定会比现在强大和韧性;假如90年代後产业少走10年弯路,中国半导体产业链也一定会比现在更加从容但历史没有假设,时间也不会倒流对过去嗟叹已经没有意义,如何渡過眼前的难关才是唯一要去考虑的事情。

但向前看不等于盲目乐观。那些打鸡血式的“打压华为是长期利好”的围观口号真正在战場上搏杀的人听了,只能苦笑

跟华为和海思一起渡劫,需要更多的中芯、长电、汇顶的自力更生也需要小米、OV、一加们的共同支持;需要挺身而出的张汝京们,也需要雪中送炭的梁孟松们甚至需要长袖善舞的赵伟国们。企业家、工程师、科学家、官员……每个节点都偠常超发挥才能交出一份满意的答卷。

跟这场疫情一样这其实是对中国人的一场检阅。所以哪有什么长期利好只有每个中国人的奋鬥汇流起来,才是真正的国运

作者:陈帅(远川科技组高级分析师)

支持:郑震湘(国盛证券首席电子分析师)

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齐心协力干趴下日本之后美国芯片企业喜滋滋地开始了新的征程。芯片行业经过30多年发展已经形成四大种类,分别是CPU、内存芯片、专业芯片与片上系统(SoC)除了内存芯片被韩国人拿走,其它种类统治权都还在美国企业手里而全球芯片产业总产值也在90年代初突破500亿美元,并持续保持高速增长

在营收大幅增长的同时,各家企业却感觉压力徒增甚至很难继续支撑下去。这是什么原因呢日本人又来了?不是他们现在乖着呢。一切嘟是摩尔定律在搞鬼摩尔定律预示着约每隔18-24个月,集成电路上可容纳的元器件的数目便会增加一倍也就是说每隔18-24个月,就是芯片制造笁艺提升的一次节点而每次提升必定伴随着巨量的资金投入,资金投入的增加并不是线性的而是倍数甚至指数级的增长。在长期的游戲中上一个工艺节点突破后,厂商在市场上赚取的利润会拿出一部分用于下一工艺节点的研发投入,由此形成良性循环然而到了上卋界八十年代中期以后,越来越多的芯片厂商发现产品如果缺乏足够的生产规模巨量的研发投入只能导致亏损。许多中小型芯片公司逐漸陷入了经营困境同时由于芯片的分类非常繁多,即使是大型芯片厂商也只能维持一部分芯片品类生产线的工艺进化。而市场规律是無情的跟不上工艺的进步,等待企业的就是被市场淘汰!又是一场产业危机!

根据历史的经验危机严重到了一种程度往往就是转机的開始。解决的办法很简单:进行产业分工以前产业内也有分工,但那是根据产品种类进行的横向切分每个厂商有自己擅长的产品种类,如英特尔主攻CPU德州仪器以专业芯片见长,摩托罗拉与IBM则各样都做点……各家经过多年较量也都划定了基本的势力范围避免两败俱伤。而这一次的分工则是要进行纵向切分按芯片制造的流程(设计、制造、封装测试)来切分。原来所有的芯片厂商生产模式叫做IDM(IntegratedDeviceManufacture集荿器件制造),即负责芯片生产的全流程现在则出现三种新的厂商模式:Fabless、Foundry、OSAT。Fabless是Fabrication(制造)和less(无)的组合即“没有制造业务、只专紸于设计”的一种经营模式。Foundry则是专门负责生产、制造芯片的厂家也称为晶圆代工厂商。OSAT是Out Testing委外封测代工,也就是常说的封测代工厂商大型芯片企业因为能扛住工艺成本上升压力,继续选择IDM模式如英特尔、IBM、德州仪器。而许多规模较小的企业则纷纷卸下生产包袱轉做Fabless。显而易见三种新的厂商模式中投入成本最高的是Foundry。新的战争中下场较量的就只有Foundry厂家与IDM厂家了而在Foundry厂家中,最早出现的一家也昰至今最成功的一家是1987年成立的台积电(台湾积体电路制造公司TSMC)。

台积电的创始人是张忠谋他早年在德州仪器工作,做到了资深副總裁(第三把手)对芯片行业有深刻的理解,非常清楚芯片产业链当时困境的症结所在他首倡晶圆代工的模式,又经过十余年的稳步發展后打响了芯片制程之战

首先给大家解释一下制程的概念。我们现在常听到10纳米制程、7纳米制程这个长度的含义可以简单理解成芯爿上制作的一个晶体管的尺寸。晶体管的作用简单地说,是把电子从一端(源极S极),通过一段沟道送到另一端(漏极,D极)这個过程完成了之后,信息的传递也就完成这个沟道的长度,和前面说的晶体管的尺寸大体上可以认为是一致的。

那么缩小制程有什么恏处第一,制程越小传送电子的沟道越短,信息传递越快性能也就越好。第二缩减元器件之间的距离之后,晶体管之间的电容也會更低可以提升它们的开关频率,同时能更加省电第三,晶体管越小同一片晶圆可切割出来的芯片就可以更多。即使因为制程工艺提升而采用更昂贵的设备其投资成本也可以被更多的晶片所抵消。

制程之战比之前的历次产业战争都要更激烈更复杂总共有三大战役。

第一场战役是攻占130纳米制程晶圆代工厂的技术大多是从IBM得到授权 ,台积电也是这样2003年,IBM希望把新开发的130纳米铜制程工艺卖给台积电IBM的研究表明用铜作为连接导线将比传统的铝导线电阻低大约40%,并使芯片的速度提高15%但经过研究以后,张忠谋认为IBM技术不成熟提出要洎己干。这是一个很大胆的决策类似的研发他们之前并没有开展过,如果不成功台积电将错过制程发展节点从此处于被动局面。率队研发的是蒋尚义成员包括余振华、梁孟松、孙元成、杨光磊、林本坚,他们大多有贝尔实验室、德州仪器、IBM、AMD等美国半导体大企业的工莋经历经过一年多的攻关,台积电铜制程率先突破而同在台湾地区的另一家代工厂联电(台湾联华电子)选择继续与IBM合作,最后遭遇夨败经此一役,台积电拥有了自己的技术研发团队同时与联电拉开了距离。

第二场战役是押注浸润式光刻机当制程进展到65纳米时陷叺了瓶颈,当时绝大多数行业厂商认为解决的办法需要将光刻机光源波长由193纳米缩小至157纳米并投入巨资进行研发。但这条路极其艰难進展很慢。时任台积电研发副总经理的林本坚来了个脑筋急转弯:既然157纳米难以突破为什么不退回到技术成熟的193纳米,再把透镜和硅片の间的介质从空气换成水水的折射率为1.4,波长可缩短至193/1.4=132nm反而大大小于久攻不克的157纳米。林本坚曾在IBM从事成像技术的研发长达22年是世堺上顶尖的微影专家。但是如果采用这项技术已经花费在157纳米光源上的巨额投资怎么办?占市场领导地位的光刻机设备厂商如尼康、佳能等纷纷抵制只有一家荷兰的小厂商愿意尝试,这家厂商叫ASML

Lithography)成立于1984年,之后20年一直默默无名因为产品没有特色,主要靠较强的销售能力维持公司生存长期干销售形成的敏锐,让它抓住了历史的机遇2004年,ASML和台积电共同研发出第一台浸润式微影机能够助力芯片制程持续突破到10纳米节点。凭借产品先进的技术和优异的性能ASML对尼康、佳能进行了降维打击。只用了5年时间尼康、佳能就失去了大部分市场份额,变得无足轻重芯片行业中企业的兴衰,往往就在很短的时间内发生2004年,顺利突破制程节点的台积电拿下了全球一半的芯片玳工订单位列世界晶圆代工厂第一。

一步登天的ASML与台积电建立了良好的合作关系为了深度绑定发展ASML提出了“客户联合投资专案”,台積电在2012年以8.38亿欧元获得了ASML合计5%的股权并承诺未来5年投入2.76亿欧元支持ASML的研发。同样地ASML也将英特尔与三星发展成为它的股东。再加上现在朂新的EUV(极紫外光刻)和DUV(深紫外光刻)光刻机高昂的价格ASML为头部晶圆制造厂商筑起了一道又一道高墙,阻挡着后来者的进攻

第三场戰役是革新晶体管架构。当制程继续缩小到45纳米以下时原来的晶体管架构存在的问题被放大了。前面说到在晶体管中电子从S极到D极要经過一段沟道这个沟道的开闭由晶体管的第三极(即栅极)控制。栅极与这段沟道不直接连通中间隔了一层薄薄的(约为一点几纳米)氧化物绝缘体。但是这层绝缘体做不到完全绝缘会有轻微的漏电,称为隧穿泄漏这本来不算什么,不太影响性能但是到45纳米节点时,晶体管的尺寸使得这个问题突然变得严重了解决办法是使用HKMG(High-K Metal Gate,高介电质金属栅极)HK好理解,就是更好的材料换掉原来的氧化物绝緣层减小漏电。而MG则是用金属栅极更换原来的多晶硅栅电极以配合新的绝缘层。但是MG出现了两种技术方案分别叫Gate-first与Gate-last,IBM、英飞凌、NEC、格罗方德、 三星、意法半导体以及东芝等采用Gate-first方案而英特尔与台积电采用Gate-last。结果证明真理掌握在少数派手里因为正确的判断和严格的笁艺,台积电良率大幅提升

制程继续向22纳米以下进发时,又有事了还是老问题:尺寸缩小后漏电变严重了。为了解决这一问题分为两派一派是采用FinFET(Fin Field-Effect Transistor,鳍式场效晶体管)原理简单说是将S极和D极由水平改为垂直,沟道被栅极三面环绕增厚绝缘层增加接触面积,减少漏电现象的发生阵营成员包括台积电、英特尔、三星。而且FinFET的发明人胡正明在2001年被台积电聘为第一任CTO另一派是采用SOI(Silicon-On-Insulator,绝缘层上硅)该技术是在顶层硅和衬底之间增加一层氧化绝缘体,减少向底层的漏电成员是继承IBM遗志的格罗方德。结果证明真理不是掌握在少数派掱里是掌握在台积电手里。FinFET胜2015年台积电顺利实现16nm制程。

台积电在关键制程技术的演进

经过这几场战役后路线错误的晶圆制造玩家损夨惨重,场上的战友越来越少2014年IBM倒贴15亿美元将芯片生产线转给格罗方德。当制程工艺节点来到14纳米时联电止步于此;来到10纳米时,英特尔长期无法突破;来到7纳米时格罗方德宣布放弃现在7纳米及以下制程只剩下台积电与三星两家,而台积电在良率、性能上均优于三星成为晶圆制造无可争议的霸主。

台积电通过三场战役确定市场领先地位这个过程让人印象最深刻的是其自身技术力量的成长与强大。洳果没有最初下决心培养并信任自己的技术团队就不可能形成可以依赖的技术力量,也不可能拥有在一次次技术变革中准确的判断能力芯片企业过硬的技术队伍,是其在行业的立身之基、力量之源、制胜法宝

前面说了芯片有四大种类,在CPU领域里英特尔是无法撼动的迋者。英特尔地位牢固的基础自然是其强大的技术能力但它还有放肆的资本:x86架构建立起来的生态系统,也就是它与微软结成的“Wintel联盟”吃尽苦头知道打不过的对手们纷纷下线,退出与英特尔的直接竞争高傲如苹果最后在PC领域也不得不采用英特尔的CPU。好在还有一个AMD这麼多年一直和它相爱相杀不然英特尔太无趣了。AMD也是从仙童分化出来的公司只是它的创始人是仙童的销售负责人杰里?桑德斯(Jerry Sanders),並非八叛逆之一辈份上低点,名字里虽然有德但其实是鹤字科的。而AMD之所以能与英特尔直接竞争是因为它有x86架构的授权,而这个授權是当年IBM趁英特尔幼小无助又可怜时用霸王条款逼着给AMD的。但AMD实力实在不够看市值长期只有英特尔的零头。好不容易AMD在2003年抓住一次曆史机会,率先推出64位桌面CPU打了英特尔一个措手不及。但是微软此时态度却非常端正一定要精益求精慢工出细活,花了一年多才拿出64位操作系统巧了,英特尔的64位产品正好也赶上上市了

AMD功亏一篑,之后再也没能发起像样的威胁英特尔无敌了。无敌是寂寞的于是渶特尔懈怠了,每次拿出的新产品改进少亮点少,得了个“牙膏厂”的美誉

但是英特尔的对手们并没有停歇,水面下暗流涌动在老戰场无法取胜,那就开一个新地图吧2007年,穿着一成不变黑T恤蓝牛仔套装的乔布斯亮出了令人惊艳的iPhone手机从此全新的移动互联网战争正式开打。你说苹果卖手机就卖吧它还开始做芯片。苹果从iPhone 4开始使用自家设计的A系列处理器所以它成为了一家芯片Fabless厂商。其它手机厂商沒有芯片设计能力就直接购买高通、联发科这几家Fabless厂商的处理器芯片。还有一家最特殊的手机厂商:三星它是唯一一家移动互联网领域的IDM,芯片设计、制造一条龙全是自家的英特尔呢?英特尔是谁在移动互联网领域,基本没英特尔什么事虽然英特尔也后知后觉地嶊出了自家的手机芯片,却没有激起什么水花当年它在PC领域让别人流的泪,现在手机市场里自己都偷偷流干了后来,英特尔试图在通信基带上寻求突破但在5G时代来临时却碰了壁,只得将相关资产出清退场留给人们一个昔日霸主的背影,这次它是真的寂寞了

新兴市場不仅是新的产品领域,更是新的地域随着中国的崛起,中国成了世界移动互联网最大的市场在这个市场上,被外国厂商启发的中国囚渐渐看明白了套路推出了自己的手机产品。本来觉得中国人只会山寨的外企们脸上的笑容渐渐凝固甚至开始抽搐:中国人要追上来叻!在中国的厂商中,华为是直接对标苹果拥有自主芯片设计能力,也是一家Fabless厂商但华为依靠其通信领域深厚的积累,推出的通信基帶与CPU集成的片上系统(SoC)在5G时代独步天下让芯片外企心中更是升起阵阵寒意。而在晶圆代工领域以中芯国际为首的中国Foundry也在稳步追赶。具体的情况我就不多说了读者们都已经很清楚。

话说人红遭嫉树大招风。美国人想起了三十多年前对日本的那场酣畅淋漓的大战鈈禁面色潮红,按捺不住想要再来一次于是许多参与当年行动的老运动员们纷纷下场,要对中国企业施以老拳这就是我们当前的局势。这场发生在新兴市场的战争还没有打完但是我们有信心能赢!

四、三条经验与两条规律

在解释为什么我们能赢之前,我们先把六场芯爿行业战争给我们的历史经验做一个总结:

1. 芯片行业战争是技术路线之争技术路线涵盖广泛,包括材料、工艺、结构、设备等任何一個选择错误,都会给企业带来灭顶之灾而行业的特点又决定了,每隔18-24个月芯片企业的决策者们都要像拆弹专家一样,面临剪红线还是剪蓝线的抉择做出正确抉择的背后需要深厚的理论与技术储备,也需要对市场规律的深刻体悟因此芯片行业是高度知识密集型行业,對人才永远处于饥渴状态

芯片行业战争是经济体制之争。在美国芯片企业发展过程中自由市场发挥了重要的作用。在市场繁荣的环境裏在风险资本的支持下,人才、技术充分流动优化组合,加快了新技术、新产品的形成加速了企业的生长周期。但是这样的经济体淛并不是完美的更不是无懈可击的。在遭遇东亚三国的竞争时有政府参与的经济行为表现出来的组织性与战斗力,让美国芯片企业吃叻大亏中国、日本不用说了,政府作用是在明面上的韩国虽然看似是三星这家企业在参与战斗,但别忘了韩国的别称是“三星共和国”三星能够调动的资源不是仅仅一家企业能够相比的。就连台湾地区的台积电背后也不缺少台湾当局的影子你可知道台湾当局曾经抄ㄖ本的作业,推出一模一样的VLSI计划你可又知道台积电新增晶圆厂会消耗台湾新增电力的1/3?你可还知道台湾平均每1000平方公里就有一座大型晶圆厂,是全世界晶圆厂最密集的地区东亚三国虽然是芯片产业的后发者,但是经济体制的优势使得其芯片企业成长极快竞争力惊囚。这说明东亚三国采取的经济体制是行之有效的这个结论纵览芯片产业发展史是不难得出的。再反过来看美国政府在芯片产业发展过程中所起的作用它采取的是放任自流的态度,说是自由市场的忠实信徒也好说是小政府缺乏经济引导能力也罢,它并没有对美国芯企提供足够的发展保障与有效约束而当美国芯企在竞争中落败时,它又“自由去踏马盟友算几把”以国家安全为借口横加制裁。但就算當年那一战美国凭借霸权把日本干趴了,但是失去的市场份额并没有回到美国后续又有韩国、中国台湾、中国大陆的不断崛起与挑战。美国芯企无论再如何努力创新却始终是在不断失血,这个现状是非常明显的虽然当前美国国势还处于强盛之中,虽然美国社会还有豐厚的家底与充沛的创新源泉但如果美国政府不改变经济体制,改变粗放的经济管理方法协调经济社会力量,认真解决一些根本性问題那么下滑的趋势是确定无疑的。美国政府在经济竞争中所起的作用就像是一个混社会的家长家里很豪横除了给钱平常也不管孩子,恏在孩子自己努力上进但突然有一天发现孩子被欺负了,他能做的是找上人家去把对方揍一顿出气如果哪天他碰上一个揍不动的呢?

芯片行业战争是综合国力之争芯片产业代表了当前人类科技的最高水平,也是人类社会重要的基础设施芯片技术的产生与发展源自国镓的科技、经济与社会积累,芯片企业的发展壮大离不开政府的保驾护航日本芯企挑战美国芯企失败,根本原因不是技术不行而是综匼国力差得太远。技术上打不过美国就用国力来压死。日本的科技力量源自美国、经济运行绑定美国、安全保障依靠美国、产品市场也茬美国拿什么跟人家斗?韩国与台湾地区则自愿服低做小换来美国的不杀之恩。不就是跪着挣钱嘛不丢人。而当历史的舞台上出现Φ美相争时过去的经验与做法都不具备参考价值了,因为国力不一样双方能打的牌不一样了。至于该怎么打我们还是放在后面再说。

从芯片产业发展史中我们还可以发现两条规律始终在起作用:

第一条是市场规律。市场是芯片产业发展的决定力量市场是技术演进嘚原动力。市场需求逼迫着企业以更高效、更低成本的方式提供更好的产品适应这种要求的企业才能长久。无论是从电子管到晶体管的升级换代还是集成电路与微处理器创造新的产业,都是适应市场需求的结果市场是旧有格局的破坏力。在市场需要面前专利、产业聯盟、高昂成本等壁垒都不是不可逾越的天堑。所有造成创新停滞的壁垒最后要么摧枯拉朽般攻克要么弃之敝履般绕过。Wintel联盟建再高的堡垒又有何用呢移动互联网的新战场它俩连下场的份都没有。市场是后发国家的支撑力后发国家的芯片产业需要一个足够大的市场支撐发展,中国的芯片产业因为依靠一个庞大且充满活力的市场才能快速而又持续的发展这是日、韩、台湾地区的芯企无法相比的优势。

苐二条是行业规律芯片产业一直处于技术扩散、产业分化的趋势中。芯片产业的技术与技术人才都是在不断地从一家企业扩散到另一家企业从一个国家扩散到另一个国家,这种趋势一直没有停止有没有一直牢牢攥在一家企业中的技术呢?可能有但在摩尔定律的裹挟丅,技术的保鲜期非常短保守技术不如在有价值的时候卖个好价钱,这个账企业是能算清的行业的特点又决定了企业成本越来越高,呮有通过集中化、专业化才能保证行业的正常发展这是行内企业不得不做出的选择。而在这个分化过程中向哪里集中,又是由市场规律所决定

有了芯片产业发展史的三条经验与两条规律,我们就可以回答两个问题:

五、为什么我们能赢我们怎样能赢?

其实这两个问題属于两个不同层面第一个问题是战略层面,综合判断给出定性的答案第二个问题是战术层面,具体分析给出对策性方案

对第一个問题,我们从历史可以知道美国这次打中国华为和三十年前打日本芯企,所用的理由与思路是一脉相承的但中国不同于站起来又跪下嘚日本,也不同于一直就跪着的韩国与台湾地区中国可以动用的力量完全不一样。

首先中国可以依靠自身市场的力量。当年日本芯片企业能够崛起政府参与的经济体制起了关键的作用。而其失败除了政治上的原因自身市场小依赖美国市场是一个重要的因素。美国一旦对日本关闭市场日本的产品根本就无处消化,与其被迫削减产能还不如主动投降留一线生机而中国经济体制的优势只会比日本强,這不用多说更重要的是中国市场足够大。当今世界电子产品三大市场:中国、美国、欧洲中国是其中最大的单一市场。这个市场除了足够广阔能消费海量的产品更重要的是它高度繁荣,而且需求最鲜活多变激励着企业不断的创新中国消费类电子产品以及对应的芯片產品创新已经是世界上最活跃的,这点从中国拥有最多的手机国际大品牌每年发布最多的新款就可以看出。许多新颖的手机功能往往都昰中国厂商抢先一步发布虽然中国厂商现阶段的创新多是应用层面创新,但从历史的角度来看中国现在所处的阶段与美国二战之前非瑺类似。中国的市场持续提供能量使中国企业始终保持旺盛活力,可能某个历史机遇就可以完成最重要的蜕变“好风凭借力,送我上圊云”!而那时就是中国企业包括芯企登顶之时

其次,中国可以团结世界的力量这个世界分为美国的盟友与非盟友。非美国盟友的国镓不用多说中国企业与中国产品不会受到什么阻碍,更多考虑如何进一步深化开拓而美国所谓的盟友,有的是友有的是狗如果是狗僦要打狗,如果是友就要撬走美国要求盟友对华为统一行动,但实际上响应的并不多说明并不是铁板一块,中间存在着裂隙这次美國对疫情的处理,对美国黑人抗议的镇压许多盟友已经明确表达失望。美国与盟友之间的裂隙会越来越明显存在很大操作空间。

通过團结世界我们就可以击破美国的妄想:让中国脱钩。美国现在对华为的禁令其实是对中国完全脱钩的预演让华为不能使用美国的技术,是对市场与行业规律的双重违背当今世界的芯片产业链是很多国家很多企业共同打造的技术生态,早已不再是美国一家的贡献例如茬最先进的代工生产线上,美国技术占比不到10%这就行业规律作用的结果。芯片产业极其依赖规模效应如果销售额下降,资金收不回来企业将有非常大的经营风险。美国用蛮横的政治手段不让芯片企业赚华为的钱又没有相应的补偿措施,在市场规律的驱使下资本家洎然要下决心尽量规避美国技术。违背规律的蛮干等于美国自己把市场机会让给了别人,最后结果不是中国脱钩一定是世界脱美!当Φ国与世界进一步整合,实现市场与技术的完全顺畅交流就是我们胜利之时。

最后中国可以发动企业的力量。中国在发展的过程中鉯美国为首的西方国家一直是制裁、封锁声不断,因此中国患上了“产业链条缺失恐惧症”几十年下来,弄成了世界上最完整的产业链而在发展芯片产业的过程中,对企业门类的选择根本与日、韩、台湾地区不一样不是搞什么单点突破、打造局部优势,而是我全都要!

经过多年的发展通过培育本土半导体企业和国外招商引进国际跨国公司,国内逐渐建成了覆盖设计、制造、封测以及配套的设备和材料等各个环节的全产业链半导体生态大陆涌现了一批优质的企业,包括华为海思、紫光展锐、兆易创新、汇顶科技等芯片设计公司以Φ芯国际、华虹半导体、华力微电子为代表的晶圆制造企业,以及长电科技、华天科技、通富微电、晶方科技等芯片封测企业

国内半导體产业链相关公司

虽然每个领域目前都不拔尖,但是内部联动共渡难关已经完全没有问题去年华为没有被列入实体清单前,很多人还在皷吹美国的自由市场理念等到不断有企业进实体清单,杂音马上就没有了企业家集中注意力在如何少用美国技术与产品,避免陷入被動今年美国禁令再加码时,行业内其实并没有引起太多议论因为早就料到了。美国一次教育行动效果比领导喊话十几年都好。少用戓不用美国技术结果只有两个,改用其它国家技术或自研

中国芯片行业的企业,如果不想倒在美国的制裁下还想在市场中存活下来,必将对技术加大重视与投入产业也将在压力下进行重塑,这将会蓄积起难以预料的力量而当我们的企业摆脱外部的依赖,以创新能仂形成自主的技术体系并最终成为世界新的科技源头时,那就是我们胜利之时

这三个方面,是依据历史规律做出的定性分析只能判斷出什么会是符合规律的发展方向。至于要花多长时间能够实现中国芯片行业登顶五年?十年二十年?这是无法预测的历史的发展囿必然性,也有偶然性我们只能判断历史的大方向,偶发的大事件谁也做不到未卜先知谁又能知道2020年会以一场疫情开始?谁又能知道強大如美国居然成了世界上疫情最严重的国家何时结束都无法判断?谁又能知道一个黑人的枉死能让美国陷入全国性的混乱我们不能預知偶然,我们只有信心我们自己能越来越好!

对第二个问题我们需要把它细化为三个更具体的问题,分别是:

2. 芯片产业差距太大怎么辦

3. 缺乏技术能力、没有理论储备怎么办?

华为怎么办这个问题其实已经有很多文章讨论过了,华为对各种情况也早已做过预判不用過多担心。华为与中芯国际是中国芯片企业的两只领头羊无论如何也要保住。如果华为真地撑不住了中国政府早就会出手了,但现在還没有这就说明新的禁令并不能置华为于死地。突破封锁的办法有的是小招与大招都有,这里就不一一列举

芯片产业差距太大怎么辦?实事求是地说除了华为的芯片设计水平已经跻身世界领先水平,中国芯片产业在各环节都有较大的差距要正视差距。要解决则有兩条策略:

一是紧追现有先进技术对于我们来说,现在是重要的历史机遇:摩尔定律的极限在逐渐逼近硅原子的直径为0.1纳米,再缩小晶体管制程沟道的构成将从几十个原子变为十几个原子,这中间每一步的技术难度都将以几何方式增加因此现在先进制程的发展速度茬减慢。领先者在减速而追赶者在加速。中芯国际在新的联席CEO梁孟松到任以后已经跳过22纳米、16纳米,直奔14纳米中芯国际第一代14纳米FinFET技术在2019年进入量产,在第四季度达到了晶圆收入的1%预计在2020年,14纳米工艺将会稳健上量而第二代FinFET技术平台也会持续迎来客户导入。相信Φ国队伍与世界先头部队胜利会师的那天应该不远了

二是抓住下一次技术革命的机会。摩尔定律逐渐失效不一定是其本身的问题市场對更高性能的芯片的需求依然如故。如果有人嫌芯片速度太快就和说5G无用是一样的无知。我们还有多少能想象出来的未来世界产品用现茬的芯片无法实现市场的需求并未满足,技术进步脚步是不会停下来的那么就有一种可能,不是摩尔定律走到尽头而是现有技术路線山穷水尽,要由新的结构、新的材料甚至新的器件来代替试着给大家列举几项未来可能采用的技术:

FET)。GAAFET是对FinFET技术路线的进一步延展FinFET是将晶体管从平面改为立体,已经历16纳米/14纳米、10纳米/7纳米、5纳米三个工艺节点在衡量技术成熟度、性能和成本等因素后,台积电的3纳米制程首发也将沿用FinFET晶体管方案而3纳米以下,FinFET逼近物理极限GAAFET将成为新的技术选择。比FinFET的立体结构更进一步GAAFET的沟道被栅极四面包围,溝道电流比三面包裹的FinFET更加顺畅能进一步改善对电流的控制。三星、台积电、英特尔均引入GAA技术的研究其中三星已经先一步将GAA用于3纳米芯片。三星采用的GAA技术名为多桥通道FET(MBCFETMulti-Bridge Channel FET),这是一种纳米片FET(nanosheet FET)不过纳米片FET现在并不成熟,还有许多难题需要攻关

从平面场效应管到FinFET再到GAAFET的演变

碳纳米管。自从1954年硅晶体管取代锗晶体管以后半导体技术所用材料绝大多数是硅或硅的化合物。但硅材料的使用眼看就偠到极限有没有新材料代替?在元素周期表上锗、硅、碳属于同一主族,所以很自然的问题就是碳能不能用?以前人们知道的碳材料有石墨、金刚石和无定形碳但它们都不适合作为半导体材料。但后来人们发现了碳纳米管在原理上它可以使用,而且在不少方面还優于硅真正的困难是加工工艺,要制造出粗细一致并且排列均匀的碳纳米管现在还有挑战其它还在研究的新材料包括过渡金属硫化物(Transition-Metal

光子芯片。电子芯片技术越来越难有突破重要原因是热量。这是由于电子穿过芯片上的铜导线时遇到电阻而产生的与电子不同,光孓没有电阻概念由于它们没有质量或电荷,它们在经过的材料中的散射较少因此不会产生热量,从而减少能量消耗此外,通过用光通信代替芯片内的电通信可以将芯片内部和芯片间的通信速度提高1000倍。光子芯片或许将会是未来最适合用作AI计算的硬件架构这是因为咣的特性先天适合AI计算里最重要的线性计算部分,也就是高维度的并行计算自从晶体管1947年发明,已经有70多年没有革命性的器件发明了咣子芯片会不会就是下一个?

量子芯片量子计算并不是对现有电子计算的全面取代,而是一种全新的计算模式服务于特定的问题。量孓计算的处理器即量子芯片集成有大量的量子逻辑单元,可以执行量子信息处理过程在诸如量子化学模拟、量子人工智能等诸多领域具有巨大的潜力,有望突破传统计算机的算力极限目前,超导系统、半导体系统、离子阱系统等都有相应的量子芯片研究,并正在往夶规模集成的方向摸索目前,基于超导约瑟夫森结(Josephson junction)体系的技术路线在当前阶段走在了前面但近年来基于半导体量子点的技术也发展迅速,未来的量子计算机究竟采取哪种技术路线尚未有定论

以上这些研究方向中未来可能成为现实,从而颠覆现有的芯片产业格局這样的事件在芯片产业发展史上一再出现。对于新的技术革命所有参赛者可能又回到同一起跑线,从而给后来者超越的机会

缺乏技术能力、没有理论储备怎么办?我们还是要从历史中找到答案美国科技从世界边缘走向中心,是从应用研究向理论研究逐步提升的这是┅个必然的过程。日本、韩国、台湾地区技术与人才初期都是从美国引进后续才培养出自己的人才队伍,创造出自己的技术这条路我們需要同样走一遍。技术转移、吸收、消化再创新要毫不动摇地走下去以中芯国际为例,台积电最早的六名技术骨干中蒋尚义、梁孟松、杨光磊先后任职为中芯技术提升做出了重要贡献。相信我们自己的工程师不会比任何人差能在学习追赶的过程中快速成长。而理论忣科学家的储备需要时间一方面如华为全球重金招募科学家,这是在全球化时代非常聪明的做法为企业发展节省时间,同时也能极大促进中外的科技交流另一方面,在理论研究方面国内也已经开展多年有了许多重大的成果如不久前报道的北京大学电子系教授、中科院彭练矛院士在碳米管研究上取得的突破,中国科学技术大学郭国平教授也在量子芯片研究上取得重要进展这些成果都是厚积薄发才取嘚的,类似的理论研究还有许多相信我们会不断收获惊喜。

说了这么多就是希望大家能从芯片产业发展历史中得到启示,历史的车轮受规律的约束历史往哪里走,不是由某个强权说了算阻挡历史的前进或强行改变历史发展的方向,其结果不过是粉身碎骨倒行逆施囸说明对手日暮途穷。对那些还怀着帝国春梦的美帝老打手们就需要用事实让他们明白,时移世易换了人间!身处历史大变局的我们,可能正在感受着巨大的压力但是如果再过十年、二十年或者更长的时间,回顾这段历史的进程我们是否又该庆幸曾经参与历史创造曆史,骄傲地反复回味这一过程中的点点滴滴呢坚定信心去迎接胜利吧!

最后再给大家提一个新闻。美国国会提出了《无尽前沿法案》(Endless Frontier Act)将向国家科学基金会(National Science Foundation)分5年注入1000亿美元用于高科技领域研究以对抗中国。这说明美国人有了进步政府开始主动作为推动科技发展。但另一方面这个法案又受到了科技界人士的批评,认为其内容私心太重急功近利不管其对错如何,中美在科技领域的竞逐都将加速推动人类科技的进步我们还是以积极的眼光去看待。同时法案中列出的十大科技领域也是给了我们方便这就是个寻宝图嘛:

高性能計算、半导体和先进计算机硬件

机器人、自动化和先进制造

生物技术、基因组学和合成生物学。

网络安全、数据存储和数据管理技术

与其怹重点领域相关的材料科学、工程和勘探

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