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《前沿课·数字产业10讲》04 芯片产业链2:要效率,还是要安全?

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上一讲我们说到,全球“缺芯”持续了两年,在当前这个时点上,需求的增长已经出现了拐点,消费电子芯片供应紧张的情况可能2022年年内会得到缓解。应该说,芯片产业也已经感受到了这个需求增长放缓的趋势。

但是,芯片产业并没有因此而放慢扩产计划,反而是加紧扩张产能。比如,台积电宣布3年内投入1000亿美元用于扩产,三星计划在2026年前把产能提高到现在的三倍,中芯国际计划建设3座先进制程晶圆厂。全球13家半导体制造头部企业,2021年的支出比2020年增加了60%,2022年还要再增长52%。2020年到2024年,全球要建成60座先进制程晶圆厂,25座成熟制程晶圆厂。这个扩产力度,可以说是半导体历史上最大的。

你肯定会有疑问:既然半导体是个周期性行业,我们已经能看到这一轮小周期的拐点,这样扩产,新增产能两三年后才会投入市场,到时候难道不怕出现产能过剩的情况吗?我的回答是,这个情况大概率会出现,并且业界也知道。那为什么还要继续大规模扩产?

这是因为,这两年芯片产业链布局的底层逻辑发生了重大变化,从效率优先转向了安全优先。

2019年之前,半导体是一个全球化的大产业链,形成了非常有效率的合作模式。比如一颗芯片,可能由美国设计、中国台湾生产、马来西亚封装,制造它的光刻机由荷兰生产,显影液来自日本。

但在2019年之后,在贸易争端、美国制裁、疫情冲击下,半导体产业链的脆弱性充分显现出来,加剧了缺芯问题。于是,全球主要国家和区域都开始思考自己的芯片供应安全问题,政府投入巨资来自建完备的芯片供应链。比如,拜登政府在《2022年美国竞争法案》中提出,计划拨出520亿美元来补贴和投资芯片行业。欧盟也公布了《芯片法案(草案)》,计划投入430亿欧元,布局自己的芯片产业链。

也就是说,目前全球芯片扩产的底层逻辑,并不光是考虑市场需求,更是考虑区域内的芯片供应链安全。芯片作为现代社会的战略资源,作为数字经济的底层技术,正在从高度分工的全球化产业链,变成区域内自足的产业链。

了解了这个大背景,你就明白了,我们国家推进芯片国产化,不是一个选择,而是一种必然。注意,芯片国产化并不只是突破某几个卡脖子的工艺,而是要建立一个国产化率更高的全产业链。目前,中国芯片的自给率只有30%,大幅提高芯片国产化率,将会是一个长期的、巨大的产业链机会。下面,我从芯片产业链上几个重要环节——设计、设备、材料,来详细讲讲芯片国产化带来的机会。

 

第一,先来看芯片设计环节。

芯片的类型非常多,根据处理的信号不同,可以分为数字芯片和模拟芯片两大类。数字芯片主要用来做计算,比如CPU、GPU、内存芯片等等。模拟芯片负责把物理世界的信号,也就是模拟信号转换为数字信号,最典型的,比如电源管理芯片、射频芯片等等,这也是通信的底层原理。

数字芯片的竞争,集中在先进制程的突破上,国产替代的难度比较大。相比之下,模拟芯片短期看,机会更大。这类芯片的特点是,品类多、应用广、产品生命周期还特别长。中国模拟芯片的市场很大,但国产厂商的占有率很低。德州仪器、亚德诺这样的大厂牢牢占据全球市场,它们不管是在产品品类、工艺还是成本规模上,都有非常大的优势。所以国内的下游应用厂商也习惯了直接采用国外的芯片,缺乏替换的根本意愿,这类芯片原本的国产化率是非常低的。

而现在,在芯片国产化的大趋势下,下游应用厂商会更倾向于使用国内厂商的产品,加快国内厂商的认证进度。再加上,华为、海康威视这样被列入实体清单的厂家,也会带头采用国内厂商的芯片,这给国内的芯片设计业带来了重要的机会。我们看到,国内模拟芯片的设计厂商的发展非常快。

 

第二,再来说说芯片制造设备。

一座晶圆厂的所有投入中,设备能占到80%,这是相当重要的一个环节。目前,国内的晶圆厂设备还是高度依赖进口的,特别是在先进制程芯片的生产设备上,国内外的差距尤其明显。最高端的极紫外光刻机,国内还没有实现从0到1的突破,谈不上国产化;刻蚀设备和清洗设备这些,国内厂商能生产,国产化率也只有20%左右。为什么国产化率这么低呢?

主要是成本问题。不是指采购设备本身的成本,而是安装测试的时间成本。进口国外,设备非常成熟,生产线可能一个月就能调试好。而如果引进国内自研的新设备,需要设备厂商送来样品, 测试生产。如果测试出了问题,就需要改进设备,再进行下一轮测试,直到能够生产出合格的产品。整个生产线调试好,可能需要两三年,这是个巨大的时间成本。

怎么解决这个问题?首先,是靠那些不得不采购国产设备的头部厂商的带动。比如国内最大的代工厂中芯国际,被列入了美国商务部的实体清单,采购国外设备会受到很多限制,甚至无法购买。所以它会有意愿去更多认证国内的设备。再比如华为,原本只做芯片设计,没有自己的制造厂,但现在,华为也在自己牵头做国产化的芯片制造产线,它也有很强的意愿导入国产的设备厂商。

其次,很多晶圆厂都有各地国资委的投资,“国家队”的选手肯定要响应国家的战略方向,更多地引入国产设备。哪怕一时的经济效益没有那么高,也必须要花时间、花成本去磨合。还是那句话,要自主,要可控,要安全。

还有一个契机是,现在国内晶圆厂进入密集建设期,2022年国内要新建8座高产能晶圆厂,现有工厂也在增加产线。在扩产时,就已经规划好了一部分产线要上国产设备。还有一些多出来的产线会成为测试线,专门做国产化设备的磨合。这样,就可以在测试的同时不耽误生产。

 

第三,再来看材料领域。

半导体制造用到的材料种类繁多,五花八门。按市场规模,排在前三的材料是硅片、电子气体和光刻胶,其中技术含量最高的光刻胶,基本上被日本垄断,这也是国内薄弱的环节。当然,国内的厂商也在做研发突破,但像高端光刻胶这样的产品,要提供稳定的产品需要反复的验证和测试。2020年、2021年这两年,所有晶圆厂的产能都是吃紧的,所以国内材料的测试进度没有那么快,必须有空余的产能才能有机会去做测试。和设备的情况很相似,国内晶圆厂的加速扩产,也是在测试和生产中导入国产材料的重要契机。

同时,在芯片设计、设备、材料这三个环节,国家也正在加大投入力度。2014年,国家成立了专门投资半导体产业的“国家集成电路产业投资基金股份有限公司”,简称大基金。大基金5年一共投入了1300多个亿,主要投资的是芯片设计和制造商,孵化出了一大批行业龙头,比如设计端的紫光展锐、中兴微电子,制造端的中芯国际和华虹半导体。2019年,大基金二期成立,瞄准的就是设备和材料,要加快这两个领域的国产突破。

总之,国产化,毫无疑问是未来国内整个半导体行业发展的主线,将会带来巨大的机会和空间,当然,也会有很多挑战。未来10年,可能是国内半导体行业发展的一个黄金机遇期。

 

最后,我还想单独说说汽车芯片产业链的情况,国内厂商将会享受到芯片国产化和国内新能源汽车厂商崛起带来的双重红利。

相对于消费电子芯片,汽车芯片是一个相对独立和封闭的产业,以IDM模式为主,也就是芯片大厂自己把设计、制造、封测一条龙做完,不做生产外包。目前,汽车芯片产能集中在汽车芯片三巨头——瑞萨、英飞凌、恩智浦。三巨头之外,只剩下30%的汽车芯片产能,由晶圆代工厂生产。

同时,汽车芯片的要求也很高,认证标准非常严格。目前国内的芯片设计、生产商基本没有进入这个领域,车规级芯片的国产化率不到5%,国内也没有一条经过认证的大规模车规级芯片量产产线。

不过,现在这个节点,正赶上国产车厂崛起的大好机会,这让国产芯片的突破有了一定可能。车厂可以加大国产芯片的认证,也可以逐步设置国产芯片进入的比例,比如今年达到5%,明年达到8%。对于国产汽车芯片厂商而言,这就相当于,一个原来完全不开放的市场,出现了一个入口。未来几年,一定会有能够媲美三大巨头的国内汽车芯片厂商崛起,我个人非常有信心。

 

总结一下,这一讲,我带你观察了芯片产业链的新趋势。

第一,全球芯片扩产的底层逻辑,并不光是考虑市场需求,更是考虑区域内芯片供应链的安全问题。

第二,提升产业链国产化率的要求,给国内芯片业带来了巨大的机会,尤其是设计、设备、材料这三个原本比较薄弱的环节。

第三,汽车芯片这条特殊的赛道,会享受到芯片国产化和国内汽车厂商崛起的双重红利,国产汽车芯片正在实现从0到1的突破。

好,以上就是我对芯片产业链的观察。我是武超则,下一讲再见。

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