我们为什么要了解芯片产业？
如果你是芯片行业的从业者，这当然是你的必修课；如果你是一位目光敏锐的投资者，这便是你做出正确决策的前提；但如果你只是路人甲，是否也有必要了解这个属于科技前沿的领域呢？答案是肯定的。
这不仅因为芯片的运用在日常生活中无处不在，更因为芯片是数字世界的基础，在数字化技术深度嵌入人类社会的当下，理解芯片，也就理解了社会前进的方向。
一
芯片技术及给人类带来的改变
简单来说，芯片的本质就是半导体 集成电路。
其中，半导体是芯片的材料，而晶体管就是用半导体材料制造，广泛使用在芯片上的元器件。
半导体材料的运用是芯片能将人类带向信息时代的根本原因。在此之前，人类只能用机械开关控制电，而半导体被发现之后，人类实现了用电控制电（在施加电压变化的情况下，半导体能在导体和绝缘体之间切换）。
人类控制电的效率得到质的跃升，也意味着使用电子完成指令、处理事务的能力得到了空前的解放。
这就好比之前你每次回家都要掏钥匙开锁才能进门，现在，却有种神奇的魔法能让大门在你准备进来的那一瞬间消失，又在你进来之后，自动恢复。
但是想要实现复杂的控制，仅有一个晶体管并不够，必须将很多晶体管连到电路中，而其中最有效的办法就是采用集成电路——在半导体底衬底上用激光直接刻出线路。
一个指甲盖大小的芯片上有多少个晶体管呢？举个例子，华为麒麟990芯片，就是由103亿颗晶体管组成的。
华为麒麟990 5G芯片
图源：华为官网
至于为什么一系列开关连接到一起，就能实现计算、存储的功能，是因为计算机中所有智能的运算，都能还原成最基本的0和1，分别对应晶体管电流的中断和连接。因此，晶体管数目越多，芯片能处理的运行越复杂。
今天，随着智能化的浪潮席卷社会，从目之所及的消费电子、家用电器，到正在风口上的新能源汽车，芯片越来越成为电子设备上不可或缺的器件之一。
并且，芯片产业的热潮还将持续延续下去。过去三十多年中，全球芯片产业保持了年均近10%的增速，2021年全球市场规模约为5600亿美元。
在可预见的未来，通过硬件、软件的协同发展，摩尔定律还将继续生效（摩尔定律，芯片每18个月性能就会提高一倍，成本会降低一半），芯片仍然是人类处理信息最主要的工具。
二
“卡脖子”与芯片产业的全球化分工
许多人关注到芯片，是因为美国针对华为的芯片禁令。为什么芯片产业会有“卡脖子”问题呢？
因为芯片是一个高精尖和专业化的产业，需要全球分工来协同完成，而美国在整个芯片产业梯队中处于领先地位并且垄断了核心技术。
芯片的生产过程可以分成三个步骤，分别是设计、制造和封测（封装和测试）。
1芯片设计
芯片的版图设计就像建筑工程里的施工图，按照图纸厂商就可以开始生产。产业链上游的芯片设计是知识密集型行业，需要经验丰富的尖端人才，这个领域的巨头企业有美国的高通、英伟达、超微等。
与设计阶段紧密相连的一个关键工艺是被称之为“芯片之母”的EAD（电子设计自动化）软件，这是芯片设计过程中必须使用到的软件，并且EDA软件的算法会直接决定芯片设计的优劣。
因此EDA软件也是芯片产业中最容易被“卡脖子”的关键领域，目前美国企业楷登电子（Cadence）、新思科技（Synopsys）和明导国际公司（Mentor graphic）是EDA软件三大龙头企业，占据了全球78%和中国77%的市场份额。
2芯片制造
芯片的制造就是按照版图设计，通过上千的工艺步骤，从无到有在硅片上做出芯片（此时还是裸片）。
制造环节是投入巨大，进入门槛极高的一环。在这方面占据全球超一半产能的企业是中国台湾的台积电，目前台积电最先进工艺可将制程推进到5nm级别，而国内以中芯国际为代表的晶圆代工厂能实现量产的制程是14纳米。
在制造环节，想要将设计的电路从版图转移到硅片上，依靠的工艺是光刻，这就少不了另一个关键设备——光刻机，其中最高端的EUV（极紫外线光刻机）只有荷兰的阿斯麦尔（ASML Holding N.V）能生产。
3封装测试
封测是芯片制造的最后一步，也就是芯片完成封装保护和性能测试，至此，一颗芯片制造完成。
国内封装业起步早、发展快，目前在全球已经具备一定的竞争力。2020年全球前十大封测企业中，中国大陆企业长电科技、通富微电和华天科技分别位列3、6、7名。
芯片生产环节及主要生产模式
图源：艾瑞研究院
三个环节中，设计是创新需求最高，变化最快，附加值最高的部分，占据产业链条中超一半的附加值（53%），远高于制造（24%）、封测（6%）和设备（11%）等环节，而美国、荷兰、日本、韩国、中国台湾占据着芯片产业链中附加值更高的设计、制造和设备环节。
如果一家芯片企业可以同时独立完成芯片的设计、制造和封装，其采用的是IDM（Integrated Device Manufacture）的生产模式。IDM模式的优势在于资源的内部整合，美国的英特尔、德州仪器和韩国的三星便是全球最具代表性的IDM企业。
不过，由于芯片生产的每个环节都有极高的技术要求和进入门槛，尤其是在生产高端芯片的赛道上，因此，分工协作是目前芯片产业的主流。
相应的分工模式有Fabless模式，即专注于芯片设计业务，将生产、测试、封装等环节外包，以及Foundry模式，只负责制造、封测的一个或多个环节，不负责芯片设计但可以同时为多家设计公司提供服务。
正因为芯片生产的每一步都需要非常高精尖的技术支持，并且每个环节都有把持该项前沿工艺的龙头企业和国家，因此中国在实现高端芯片比如手机处理器芯片的制造上，依旧道阻且长。
此外，目前全球半导体设备市场主要被美国及日本垄断，中国半导体制造设备整体自给率比较低，尤其在光刻、涂胶显影等尖端设备方面，国产化率均在5%以下。
除设备，半导体生产还会用到大量的材料，而日本是全球半导体材料的龙头，在全球半导体材料市场占有的综合份额高达52%，生产半导体必备的19种材料都离不开日本企业的生产，与此同时，国内半导体材料的自给率整体不高，其中光刻胶、电子特气国产化率同样不足5%。
三
芯片技术前沿与中国芯片产业的前景
当前，中国是全球最大的半导体芯片消费市场，根据美国半导体产业协会（SIA）发布的数据，2021年全球售出1.15万亿颗芯片，销售额达到创纪录的5559亿美元，其中在中国市场的销售额同比增长27.1%至1925亿美元。
近年中国及全球半导体市场销售规模
图源：艾瑞研究院
不过，在全球芯片产业格局中占据主导地位的依旧是美国，日本则次之，欧洲、韩国和中国台湾也分得了比较大的一杯羹。
作为后起之秀，中国的芯片产业虽然在短期内难以实现EDA软件、光刻机尖端制程等工艺的自主突破，但巨大的市场规模同样是发展芯片产业的关键要素，叠加资本投入和产业人才，在国际环境较好的情况，中国芯片产业在未来一段时间内实现快速追赶并非不可能。
根据半导体行业协会的数据显示，截止2021年底，中国Fabless企业达到2810家，同比增长27%，销售额超4500亿元，其中销售规模比较大的企业有华为海思、豪威集团、中兴微电子、紫光展锐、比特大陆、汇顶科技、兆易创新、华大半导体、瑞芯微、全志科技等。
此外，有专家认为目前国内芯片产业发展还有两个关键的机遇窗口。一个是在成熟制程领域，并非所有领域的芯片运用都需要最先进制程，汽车领域大部分芯片都可以由28nm以上的成熟制程满足。
据IC Insights的数据，2021年，28nm及以上的成熟制程工艺所制造的芯片，在芯片市场中仍然占有近50%的份额。近年来，台积电、三星等多家芯片制造厂商也将成熟制程芯片作为主战场，纷纷扩产，可见成熟制程的市场占比十分巨大，仍有较大发展空间。
占据全球超一半芯片产能的企业台积电
图源：台积电官网
另一个机遇是，随着摩尔定律极限的逼近，领先企业在制程推进上可能快要跑到终点。一直以来，晶体管的性能水平几乎就代表了芯片的性能水平，工艺越先进的芯片，晶体管的沟道越短，即制程越短。过去几十年摩尔定律的不断推进，主要就是依赖缩短沟道的长度。
但晶体管的沟道并不能无限缩短下去，研究表明，沟道长度的理论极限是0.2纳米，单个硅晶体管器件的理论极限是1纳米。目前台积电已经能量产制程5纳米的芯片，但在向更小量级演进过程中，势必会越来越困难，且边际成本将大幅提高。
不过，国产芯片要实现真正的赶超，可能需要依靠重大技术的突破或产业发展赛道的切换。其中，清华大学微电子学研究所副研究员李铁夫认为这四个技术方向值得重点关注。
1碳纳米管或者石墨烯等新原理器件
这类器件最大的优势是电子在其中的传输速度比在硅材料当中要更快。这样，就算不把器件制程做到5纳米，器件也能达到同样的信息处理效率和低功耗。运用新材料，也可以有效延缓上文中提到的摩尔定律极限逼近。
2可重构芯片
所谓“可重构”，就是芯片内部的电路结构可以根据适用软件进行动态调整，使原本只能用于某个领域的专用芯片适应更多不同场景，最终降低生产成本。
3经典芯片和量子计算芯片的结合
先通过算法将大问题分解成小问题，再将小问题交由量子芯片解决，最后把两个系统的答案拼装起来，得到最终答案。
4类脑计算
目前芯片通用的运算模式是冯诺依曼体系，特点是数据的存储和运算分开进行，不过整个过程的效率非常低，而大脑的运算模式叫做“存算一体”，都在神经元中进行，并且功耗远低于现在的CPU芯片。通过仿照大脑的模式进行运算，类脑芯片很有希望实现高性能低功耗的智能运算。
从长远来看，美国在芯片生态链中的核心地位依旧难以撼动，但中国通过加大投资及人才培养，有望建立自主产业链，建设本土可控的成熟制程产线，而新技术、新赛道上的突破，则能帮助国产芯片更好地迎头赶上。
END
参考资料：
1.《前沿技术：芯片技术10讲》——李铁夫
2.《集成电路产业的经济逻辑》——刘劲 刘振东 段磊
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