中国芯片产业九问：未来能不能做成？能否、何时赶上美国？

上海微电子SSA600/20光刻机及其技术参数
来源/上海微电子官网

所以我们要讨论的不仅是能不能造，更是够不够好。

原子弹作为一个军事战略层面的话题，能不能造是核心。原子弹在实现了理论突破后，只要攻克了高浓度核原料和离心机等工程难点，就可以引爆，原子弹就算造出来了，它的战略威慑作用就达到了；至于原子弹的当量有多大、航程有多远、精度怎么样，都是够不够好的问题，可以留待以后慢慢解决，即它的技术迭代周期可能会更长。

但光刻机不一样，单是做出来是不够的，必须要足够好才有意义。除了国家军事安全，光刻机还事关全球化背景下的国家经济安全和商业竞争。半导体产业是一个“赢者通吃”的全球性行业，例如，在竞争最激烈的手机市场，如果竞争对手的旗舰手机SOC芯片采用的是最先进的7nm或5nm工艺制程，而你还在用14nm，那你的手机性能肯定会落后，就会丧失市场竞争力。就像现在Intel最新的电脑CPU已经是11代i7了，用i3处理器的电脑，不可能占领高端市场。所以，光刻机的性能要达到与业界最领先的竞争对手差不多的水平，才有竞争力，这意味着光刻机的技术迭代速度要远远高于原子弹的技术迭代速度，大大增加了光刻机的技术发展难度。

光刻机的技术到底难在哪里？难在它是横跨多个学科、产业的最顶级理论、技术与工艺的产物。光刻机被誉为“半导体皇冠上的明珠”，一台光刻机由十万多个部件组成，是集合了数学、化学、精密光学、流体力学、精密机械、自动化控制、软件工程、图像识别、电子电路等领域顶尖技术的产物。因此，光刻机制造依赖于各个学科的进步，只要其中一门学科出现瓶颈，就造不出来。

以制造工艺为例，光刻机最难的是它的精度控制，在纳米级的、极端精准度的要求下，平时很多忽略不计的细节都会成为难题，比如震动、光源频率、反光镜等，甚至连无尘室内的空气都要求比外面干净一万倍。曾有一位美国工程师表示，光刻机仅仅是一个零件调整的时间就长达数十年之久，尺寸调整次数更可能高达百万次以上。当然，这位工程师的说法肯定有夸张成分在里面，但光刻机的精度控制可见一斑。

即使是一家独大的ASML，也无法独立制造光刻机，而是集成全球工艺，十多万个零件中90%都是众多先进的高科技术产业工厂所提供，比如光源系统采用美国的Cymer（已被ASML收购），镜头（光学系统）来自德国的蔡司等等。

中国正在解决上一代的90nm、28nm工艺制程，要发展到7nm、5nm，可能还需要5至10年或更长时间。未来一旦我们的高端光刻机做出来了，就意味着我们国家光刻机相关的所有基础科学都已出现重大突破，那我们整个配套的半导体及其相关产业也跻身全球顶级了。

3/ 实现产业突破的关键因素有哪些？

Q3：要实现半导体产业的突破式发展，关键因素有哪些？

杨胜君：近半个世纪以来，半导体产业的发展主要受以下三大因素的影响：（1）理论和技术体系的建立；（2）工程师和企业家精神；（3）全球产业链。

首先说理论和技术体系。半导体是现代科学和工程技术体系的集大成者。从晶体管发明以来的70年间，经过数代杰出科学家和工程师的努力，半导体基础理论和技术体系已经完成，但是要将这些理论设计转变为制造，再到实现商业化，依然需要解决大量的次基础理论和技术。

半导体芯片是跨学科最广泛的技术领域，从基础物理、数学、化学等现代自然科学到信息论、控制论、通信理论等现代工程理论，再到材料工程、精细化工、光学工程、超精密机械、基础软件等现代工程技术，既需要掌握复杂的理论设计，也需要掌握复杂的工业制造，没有一个企业能单独掌握完整产业链。

相比起来，光伏、锂电池等产业之于集成电路芯片产业，技术体系相对简单，在理论设计、制造工艺、设备精度、材料要求等方面，存在数量级的差异，这些产业中国目前已经基本掌握。

其次是工程师和企业家精神。芯片行业过去几十年的进步更多是来自于杰出科学家和工程师的卓越贡献。半导体是少见的有浓烈个人英雄色彩的行业，少数卓越的企业家扮演了非常关键的角色，甚至有“一将顶一师”之说，因为一个非常好的将帅，基本上就能把一项技术推进几代，最典型的就是中芯国际的梁孟松先生，用了不到一年的时间就实现了中芯国际28nm工艺到14nm的跨越，并实现了14nm良率的大幅提升。

吊诡的是，半导体领域又恰恰是企业家精神比较缺乏的一个行业，Intel前CEO安迪·格鲁夫、台积电创始人张忠谋和英伟达创始人黄仁勋是芯片行业少有的伟大管理者和杰出企业家。

究其原因，主要是高智商技术天才大都自负，不尊重企业经营管理人才和商业化人才的价值，杰出科学家和工程师往往把自己的公司带向灾难和没落。最典型的就是“晶体管之父”，诺奖得主威廉·肖克利。晶体管可以说是20世纪最伟大的技术发明，但肖克利的创业经历却是一片狼藉，因为不懂管理技巧和缺乏商业策略，他的肖克利半导体实验室成立不到一年，手下的八名顶级科学家们就选择自立门户，成立了仙童半导体公司。仙童半导体公司是大部分半导体公司之母，为美国培养了大量的半导体人才，如英特尔创始人罗伯特·诺伊斯和戈登·摩尔、AMD的创始人杰里·桑德斯等。

其三是全球产业链。芯片的成功和成熟需要大量的验证和出货，所以全球性的配套产业链是芯片产业发展的关键驱动力。

芯片技术的演进来自日积累月的迭代，而芯片行业的巨大研发费用和资本开支需要下游产业链长期、持续的利润支持，芯片的跨代发展更是来自于下游应用的强力驱动。比如，没有PC和互联网就没有Intel，而没有智能手机和移动互联网，也无法成就台积电；失去下游强劲增长的Intel，逐渐成为落后于产业发展的“牙膏厂”，如今市值也大幅被台积电和英伟达超越。

4/中国芯片能否、何时赶上美国？

Q4：中国的半导体行业现在到底处于什么水平？从2018年到现在，除了得到资本市场的高期待外，实体层面中国芯片产业都发生了些什么？中国芯片产业有无进步？从定性的角度看，中国芯片能否、何时能赶上美国？

杨胜君：根据美国SIA的数据，近30年在芯片全球产业链中的占比，美国大概占50%上下，中国现在大概有5%，也就是10倍的差距。

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全球芯片产业链占比
资料来源：WSTS, SIA, IHS Global, PWC

看完现状我们再看追赶速度。根据美国官方组织统计的美国上市公司数据，美国芯片上市公司2019年的研发投入和资本支出总计717亿美元，从1999年到2019年，美国芯片上市公司整体资金总投入将近9000亿美金。而中国国家大基金一期二期加起来也就3000亿人民币，差了一个数量级。

另一个数据更加震撼，美国芯片上市公司过去二十年的年均研发投入销售占比是16.4%，而中国芯片上市公司是8.3%，大概只有美国的一半。

由此可见，中国要完成对美国的超越，道阻且长。作为追赶者，我们必须要加大投入，才有可能后发居上。换一个角度看，美国在1894年GDP已经是世界第一了，但直到第二次世界大战后才成为科技第一，中国可能也需要这么一个过程。

近几年来，中国芯片产业的进步是有目共睹的，我们目前已经从中低端解决了有无问题，国产CPU已经在国内获得应用机会，未来将在此基础上，不断迭代、不断升级，从有到好；从制造来说，中芯国际也取得了巨大进步，工艺制程从此前的28nm升级到了14nm，虽然台积电更快，但我们的进步是巨大的，如果没被光刻机卡住，我们肯定在7nm、5nm上实现了突破；目前中芯国际排全球第三名；在半导体设备上，中微半导体、北方华创也实现了一定比例的国产替代；在半导体材料上，8英寸、12英寸的晶圆硅片，也有了一定国产化比例；而在少数芯片领域，国产厂商也开始进入全球中高端应用市场，如华为海思的麒麟手机芯片、豪威科技的图像传感器芯片等。

5/ 如何实现半导体产业的突破式发展？

Q5：既然如此，中国要如何实现半导体产业的突破式发展？如何看待中国芯片产业的发展路径和国产替代的发展空间？

杨胜君：中国芯片产业要发展，有四个基本因素：一是资金，二是人才，三是时间，四是产业链支持。

随着国家政策支持力度不断加大，特别是科创板推出后，资金和人才的情况有了显著改善。巨大的财富效应吸引了大量的海外人才回归，我很多当年留在美国的同学这两年纷纷回国创业。科创板的上市条件比以前更为宽松，只要做到一定规模就可以在科创板上市，这种快速的财富创造带来的财务自由诱惑是极大的。

时间是最难解决的问题，芯片的核心难点是没有捷径，只能依靠不断迭代，而一款芯片的研发周期是很长的，一般一年只能迭代两次，这就大大制约了我们的追赶速度。

还有一个非常关键却常被忽略的因素，就是市场。芯片的上下游产业链一定要打通，这是最关键的问题。西方国家对中国半导体产业的限制和禁运早在瓦森纳协定中就已明确约定，并不是2017年中兴通讯被美国制裁后才突然出现；而国内产业链下游企业尤其是电子信息行业龙头企业们一直冷落甚至排斥国产芯片，才是中国芯片产业迟迟不能快速发展的更为重要的原因。

芯片产业是一个非常成熟的全球性竞争产业，如果是在一个完全开放的体系中跟全球竞争，只要我们的芯片还不如英伟达，就没有客户买，自然也没有厂家设计和生产。这并不仅仅是钱的问题，而是如果没有下游的使用反馈，芯片厂家就无法进行产品迭代，一直闭门造车永远不可能生产出足够好的产品。中国的互联网产业为什么发展这么快，就是因为我们有大量的用户数据，帮助我们以难以想象的速度快速迭代。这也是为什么大型互联网企业基本都在中国和美国。

如果没有外力，放任芯片成为一个完全自由竞争的市场，下游没有企业使用国产产品，将会形成恶性循环，永远发展不起来。

这里我们可以探讨一下政府可以扮演什么样的角色，这也是后发国家产业发展的核心问题。政府应该出台相关的产业政策，对我们自主生产的产品采取一定的保护措施，支持国产芯片的发展，给予低端产品应用和迭代的机会。

对此，我们可以参照国家在上世纪90年代末至2010年间发展国产通信产业的成功经验。黄卫伟教授在《不对称竞争》一书中曾细述这段往事。在2G时代早期，我国移动通信设备基本依赖进口，本土企业发展远远落后于快速扩大的市场。在这种情况下，当时的信息产业部适时提出要求，在条件相当的情况下，优先选用国产通信设备系统，并在其后的实际采购中，协调各方签订了国产程控交换机带量采购协议，为建设民族通信产业打下了坚实基础。后来国家在发展3G/4G产业链的过程中，也沿袭了这种做法，即通过设置国产化设备和终端采购比例，扶持国内通信设备产业。华为、中兴等企业的通信设备初期都是这样发展起来的。

黄卫伟《不对称竞争》

政府可以通过“不对称竞争”策略，采取适当的政策方式来支持国内下游企业采购和使用国产芯片和核心零部件，鼓励国产化产业链的发展。虽然国产芯片可能与顶尖产品有一定性能差距，但在很多场景下，已足以满足国内厂商的要求。我们可以为芯片制定合适的质量标准，让国产厂商能够放心使用满足标准的国产芯片。只要有客户，企业的技术会不断迭代，不断进步。

这两年，贸易摩擦也助推了芯片国产化率提高。美国针对华为发布禁令后，大众对国产芯片的认知得到提升，国内企业也开始愿意用国产芯片了，芯片的国产化率推进的速度很快。原因有二，一是看到华为的先例，有些企业也会产生制裁之忧；二是作为行业标杆，华为的采购起到了示范作用，哪怕华为是被迫用的，也说明这个产品的质量是过关的，华为相当于做了一个品牌背书。

中国一年大概进口3000亿美金的芯片，这么多芯片短时间内不可能全部国产化，但政府也有预期，从产业链的角度，从易到难，一步步解决。原来只有5%的国产化率，2020年有17%的国产化率，再过两年可能进步到30%，再过五年可能做到60%，或许到2035年，国产化率能做到80%，那就很成功了。

6/ 如何看待设计软件EDA工具和芯片设计IP缺失问题？

Q6：中国半导体产业要发展，离不开设计软件EDA工具（电子设计自动化）和芯片设计IP，没有EDA软件，所有芯片设计公司都要停摆，半导体产业的金字塔也会坍塌，如何看待中国半导体工业设计软件EDA工具和芯片设计IP缺失问题？

杨胜君：芯片设计软件EDA工具和芯片设计IP是中国半导体产业发展的必选项，是无法规避的现实问题。基于战略安全考虑，EDA必须要自己做，不然如果美国不给license，我们的芯片设计就停摆了。因为需要长时间广泛深刻的行业积累，目前国内这方面的人才非常稀缺。现阶段我们也是先解决有无问题，然后再一步一步往前走。

EDA行业虽然市场规模不大，仅在100亿美金左右，但门槛特别高，特别专业，需要长期聚焦、长期投入。相对于光刻机等硬件设备，EDA作为软件还是相对容易的，只要架构和算法实现突破，不断迭代，就差不多了。

目前EDA行业超过60%的市场份额被Synopsys、Cadence和Mentor Graphics三家企业占据。国内则有华大九天、概伦电子等企业在追赶。虽然与全球前三大EDA软件企业相比，国内EDA企业才刚刚起步，功能简单，但我们有希望在5年时间内取得较大进步。

芯片设计IP也是目前国内外差距较大的领域，尤其是使用最广泛的CPU、GPU等芯片IP，国内还存在较大差距，这种差距可能比EDA设计软件还大。目前芯片设计IP的全球市场主要被ARM、Imagination Technologies、CEVA及几大EDA公司占据。不管是EDA设计软件还是主流芯片IP，目前国内这方面的人才非常稀缺，因为需要长时间广泛深刻的行业积累。

7/ 中国芯片未来能不能做成？

Q7：如何看待中国芯片的制造问题，目前中国即使设计出了先进芯片，国内的基础工业还造不出来，如果定性的话，中国芯片未来能不能做成？

杨胜君：芯片制造为什么复杂？核心是芯片的制造流程特别长。芯片生产是结合了设备、材料与工艺的整体问题，并不是买到光刻机设备，就一定能把芯片做好，还需要对材料的理解、对工艺的理解、对工序的理解。

一个先进工业芯片成套的生产流程有几百道工序，每道工序使用的材料体系不一样、用到的设备也不一样；工艺流程设计也不一样，比如温度怎么设计、湿度怎么设计、压力怎么设计；材料怎么配比也不一样；工序的前后顺序也不一样。每一个细节都是一个Know-How，是一个工程问题，都要解决，才能生产，同时每一个环节都会对最终成品的质量造成影响。因此，芯片制造和设计一样，都需要长期积累，只有一直持续投入，一直有客户使用，才可能积累起来。

这也导致了半导体产业基本每个方向都形成了巨头垄断的局面。各厂商为了提高市场竞争力，肯定都希望采购最好的产品，除非是定位特别低端的产品，或者有保护政策。在芯片的各个分支里，都在上演一样的故事，高端材料跟低端材料、高端设备跟低端设备做出来的芯片差别很大，客户不会选择用低端的产品，所以低端产品永远都没有机会发展。这种压力层层传导，最后变成既要材料最好也要设备最好，既要设计最好又要生产工艺最好，才能塑造出在全球有竞争力的产品。而那些做不到最好的厂家，基本上就淘汰了。

过去几年下游应用逐渐打开后，国产化率一直在增加。越来越多的企业做出了更先进更高级的芯片，原来只有国外厂家能供应的芯片，现在国内也有很大的供应。我们的产业链已经逐渐形成，国产化比例越来越高了。

另一方面，高端芯片并不是只有一条技术路线，比如7nm的芯片，目前已掌握的技术路线中可能是EUV光刻机比较好，但可能也有其他技术路线，也许不用EUV光刻机也能造出来。三星和台积电的技术路线也不一样。就像造原子弹，中国的原理跟美国的原理不一样，没关系，只要达到效果就行。最关键的是需要时间和持续的投入，用时间去验证、去积累，这是核心，是颠簸不破的真理。

我们国家有像华为、商汤这样优秀的企业，不断提出更高的要求，芯片产业肯定是可以追上的。同时还要注意发展好产业配套，否则美国一制裁就麻烦了。

8/ 如何看梁孟松与蒋尚义之争？

Q8：如何看待中芯国际梁孟松与蒋尚义之争？

杨胜君：梁蒋的路线其实并不矛盾，梁孟松先生是做先进工艺，蒋尚义先生做先进封装，而先进工艺和先进封装是相辅相成的。先进封装是从系统整体应用的角度来理解、部分实现更先进的系统性能和更低的成本，而先进工艺则是单纯从芯片的角度来实现，先进工艺研发是基石，因应摩尔定律的发展规律，先进工艺长期持续发展是毋庸置疑的。在摩尔定律趋缓与后摩尔时代逼近的关键时刻，提前布局，先进工艺和先进封装双线并行的发展战略显得尤为必要。

工艺、设计和封装技术的进步是推动摩尔定律不断往前发展的三个重要因素。其中，先进工艺对应的是加工精度，也就是我们通常说的多少纳米工艺制程。所谓的7nm、5nm指的是芯片内部晶体管的最小栅长，栅长越短，在相同尺寸的硅片上能集成的晶体管就越多，或者在相同的芯片复杂程度下，需使用的晶圆面积越小。因此，一般情况下，工艺制程越小，芯片的性能越高。

我们未来肯定是要一步步做到7nm、5nm、3nm的，要么等ASML的EUV光刻机，要么等我们自己研发出先进的光刻机，这是终极问题。

而封装，通俗来讲就是如何将单个或多个小芯片与其他材料组合成一个大芯片。先进的封装技术可以通过提高协同效应，节省空间、降低功耗和成本，从而在工艺没有变化的情况下，侧面提升芯片性能和降低芯片成本。

前不久，台积电也公布将在高端封装进行重点投入。在上周刚刚结束的2021年国际固态电路会议（ISSCC）上，台积电系统阐述了发展先进封装的思路，台积电认为，先进制程如3nm工艺技术相对于5nm，性能的提高可能只有10%。今天最复杂的芯片已经集成了500亿个晶体管，而未来通过先进封装技术的创新，可以在一个先进封装的芯片里面集成3000亿个晶体管，芯片的性能还可以再提高十倍或更多。

蒋尚义先生也是希望通过先进封装来进一步发掘芯片的潜力，实现更先进技术的效果，同时降低芯片应用成本。当目前半导体工艺走到7nm、5nm的时候，技术上摩尔定律还在延续，但是每一代产品的设备投入、流片成本都在大幅度提高。大家都在谈论后摩尔时代的到来。系统级封装将会是后摩尔时代的重点方向。系统级封装就是将许多芯片或电子元器件封装成为一个芯片来提高系统的集成度。类似于将一个小的PCB板封装成一个芯片。

工艺演进是相对快的，但是越到后面难度越大，而过去三、四十年来，半导体封装技术进步不算快，半导体封装和基板技术越来越成为整体系统性能的技术瓶颈，因此，后摩尔时代，先进封装是延续摩尔定律的重要解决方式之一，也是一种产业方向，未来小型化的芯片也需要从这些方面来努力。因此，中芯国际发展先进工艺和先进封装都是合理的选择。

9/  如何看待半导体产业的投资机会？

Q9：如何看待半导体产业的投资机会？

杨胜君：我们要理性认识半导体产业的投资机会。国内现在正处于半导体产业市场化发展的第二阶段。第一阶段，也就是2000-2013年，伴随着苹果产业链在国内的起步和手机山寨市场的崛起，国内的半导体产业野蛮成长，产业以低端为主；第二阶段，由民间资本为主发展到政府与民间相互配合协同，在国家大基金和科创板设立等的推动下，产业进入升级阶段，创业者背景更加成熟高端，企业从低端模仿向中高端晋级，韦尔股份等千亿龙头诞生，产业并购出现，从单纯的设计到IDM也发展起来等等。

在这个大背景下，我们的投资策略可以总结为以下四点：（1）遵从产业发展规律，以市场的原则去应对芯片全球市场化的特点；（2）尊重硬科技企业发展的内在规律，坚持长期主义；（3）尊重专业性，谨慎被风口带飞；（4）各参与方要相互尊重和合作，不要吃独食。

以基石资本为例，我们是全产业链布局，已投资10多家半导体公司，基本上涵盖了材料、设备、设计、封测等所有细分领域。具体来说，我们首先关注的是细分领域的想象力。比如摄像头芯片，它的行业增速非常快，三四年间市场规模从80亿美金增长到160亿美金，2021年大概会到200亿美金；又如滤波器，国产化率比较低，天花板很高，行业成长很快，这些都符合好赛道的判断标准。另外，安防、手机、人工智能方面的需求也越来越大。

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来源：豪威科技微信公众号

在每一个好的细分领域中，我们会选择那些有深厚历史积累的团队，要在一个领域有长期的钻研，比如豪威科技就是摄像头芯片产业的先驱。我们投的宁波甬矽电子，是做封测的，有非常好的积累，现在遇上产能紧缺，发展得更快，2017年11月份才成立，2020年就做到了近10亿收入。

企业的商业化能力也很重要，要能够完成从技术优势到商业化优势的转变。这是很关键的一步，因为产品最终是要在市场上销售的，如果做不出商业化的产品，最终技术优势也会丧失。许多企业创始人都是技术出身，只重视做技术，要防止自己陷入片面追求技术的误区。

半导体芯片产业有其自身的发展规律，经过半个多世纪的快速发展，产业的基础理论和技术体系已经建立，我们现在依然处于快速的产业迭代发展过程中，这个过程需要时间和持续的投入，中华民族历来具有勤奋和智慧的美德，这些特点正是发展芯片所必需的，因此中国人是适合做芯片的。

我们相信，只要坚持目前的投入，在当前的发展趋势下，再有十年左右的时间，中国的半导体产业将基本解决被国外卡脖子的局面，也一定会在全球产业链中拥有一席之地。

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来源：财联社

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