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袁鸣不主持节目了

深度评论:日韩两国围绕半导体展开的贸易战,对中国有什么启示

    

文/U156

有些媒体总说我们可以砸钱来换别人家的技术——核心技术是长期饭票,要不是真的像乌克兰那样连锅都揭不开了,谁会把自己呕心沥血研究出来的东西拿出来卖(那就跟卖自己的娃似的)?

再说人家外国人也不傻,一锤子买卖最后卖了技术丢了市场的亏吃多了,记性多多少少会长一些的。

更令笔者感到无语的是部分媒体还祈求人家解除禁令网开一面,Come on!西方文化中也有和 “趁你病要你命”差不多意思的概念……我们不应该抱有侥幸心理,不能把生还的希望寄托在竞争对手脑子短路上;狭路相逢勇者胜,硬仗肯定是要打的。

这两年中国各地兴建了一大批晶圆厂,架势搞得轰轰烈烈如同当年大炼钢铁时代的小高炉,但是有了一大批晶圆厂就能把芯片自给率给搞上去吗?

答案很显然是NO。投了那么多真金白银,搞那么多厂。

到底能生产什么技术水平的芯片?

上哪里去找新的客户?

要造什么样的产品?

这些问题,从来没有见到媒体报道过。

当年清朝搞洋务运动修的江南船坞,在高昌庙花了大把的银子,盖了厂房、买了机器请了洋人工匠,结果直到清朝灭亡都没造出几条像样的军舰和民船(最后北洋舰队还是以外购军舰为主力打完了甲午战争)。

造不出大船来的原因也很简单,造船的机器和原材料都是进口的;最后直到民国时期江南船厂才下水了第一艘万吨轮,就这艘万吨轮的全部组件还是从美国进口的。

很不幸的是,中国船舶工业当年的尴尬现在正在中国的芯片工业中重演。

晶圆厂只是一个壳子而已,里面的设备、制造的工艺,大多数都还是要靠进口(而且还是远远落后于国外的技术)。更为严峻的一个事实是,高科技的制造设备中国目前搞不出来,最基础的生产材料——硅晶圆,这个曾经被局座认为技术含量相对而言不那么高的东西,中国现在也没法自给,而且这个难度不会比中芯国际突破国外技术封锁要小。

想当年大炼钢铁全国上下轰轰烈烈的造了一大堆小高炉最后铁矿石供应不上,为了凑数收了一大堆老百姓家里的铁器拿去化了再炼一回(最后炼出来一大堆残次品);现在中国满地盖12寸晶圆厂,而中国的硅晶圆特别是大硅片的供应能力远远不如当年的铁矿石。

因为硅晶圆虽然取自于沙子,可要把沙子转化成硅晶圆特别是大硅片是要经过非常复杂的过程的。目前中国没有一家企业具备大规模生产合格大硅片的能力,更不要说和国外的企业争夺市场。

深度评论:日韩两国围绕半导体展开的贸易战,对中国有什么启示

(图源:Dupont)

如果把硅晶圆市场比作一锅美味的肉汤的话,那么有两家日本企业就是块头最大能够抢到肉吃的“大胃王”。这两家企业分别是信越Shin-Etsu和胜高(SUMCO),他们占据70%以上的市场份额且已经形成技术壁垒和行业垄断。

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(图源:shinetsu)

除了这两个“吃肉的”大块头,后面还有三个“喝汤的”,分别是中国台湾环球晶圆,德国世创和韩国LG Siltron,这五家大企业占据了全世界90%以上的市场份额。除了这五个“吃肉的”和“喝汤的”,还有几个站在汤锅边上算是能“闻香的”,分别是:法国SOITEC,中国台湾合晶(Wafer Works),芬兰Okmetic和中国台湾嘉晶电子(Episil)。

不知道大家注意到没有,“吃肉的”“喝汤的”“闻香的”没有一个是中国大陆的。

目前国际上硅晶圆的主流是12英寸(300mm),8英寸(200mm)的晶圆厂;6英寸和6英寸以下就基本上处在淘汰边缘了。而中国新建的一批晶圆厂以12英寸为主,8英寸为辅。

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(图源:indiamart)

看上去是跟上了时代潮流,但是中国目前的硅晶圆供应水平——极差!差到什么程度?中国只能保证6英寸和6英寸以下的硅晶圆稳定供应;8寸供应率极低(一说不到10%),12寸目前几乎全部要靠进口。

12英寸晶圆主要用来制造高端电子产品,8英寸是中低端电子产品;也就是说国外如果真的闹起来要断供硅晶圆,中国所有的12寸厂和绝大部分的8寸厂都要守着昂贵的进口机器停产!

别忘了停产期间设备是要花钱去维护的、人员是要花钱去养的,12英寸晶圆厂停产一天的损失以十万美元为单位计,停产时间长一点一些家底不够厚实的公司可能就要倒闭了。

除了硅晶圆之外,其他的化学材料的缺口也是相当的大,后果和硅晶圆一样严重。其严重程度正好这两天还有人出来“现身说法”:这段时间韩国和日本在掐架,日本一生气把韩国的半导体材料供应给断了。

唯二的7nm制程玩家三星(另外一个是台积电)瞬间就傻了,前几天连李在镕都急的飞到日本去谈判,最后谈判没谈拢就只能宣布减产。晶圆厂停工一天的损失都是数以十万美元计的利润,不急能行吗?

想想看,连身为美国公司的三星半导体(三星半导体的大股东是美国人,只是在名义上还算是韩国企业)都被整得叫苦不迭。要是日本对中国也这么来一下,中国晶圆厂的损失该有多大?

现在我们退几步,假设我们有了厂房,搞出了或者买回来了最先进的设备,能够自己供应原材料,芯片自给率能不能快速提上去?

还是不行!

根本的原因出在制程工艺上面,也就是各地报道中满天飞但是没有几篇报道真正给读者们介绍的7nm,5nm,14nm之类的名词。

这里有必要介绍一下什么是“制程”,这个7nm到底是芯片中的哪段距离。

首先在讲制程以前先聊聊晶体管(Transistor),这个曾在1956年斩获诺奖的小东西于1947年由三位美国物理学家发明而来(那会儿中国还在打内战)。这三位发明者分别是William Shockley,他也是后来的仙童/飞兆半导体Fairchild Semiconductor International, Inc.创始人(这公司现在还在);Walter Houser Brattain,这位当时是贝尔实验室半导体小组主管;最后也是成就最大的一位是John Bardeen,这位比爱因斯坦还厉害,他后来去研究超导于1972年又得了一次诺奖,也是到目前为止唯一的两次诺贝尔物理奖得主(爱因斯坦只得过一次)。

晶体管分为两种,双极性结型晶体管(BJT)和金属氧化物半导体场效应管(FET)。BJT= Bipolar Junction Transistor,也就是我们常说的三极管;FET=Field Effect Transistor,简称场效应管。

最开始的时候使用的是三极管,到了后来场效应管凭借节能这一优势逐渐取代三极管成为主流。我们现在主要使用的是场效应管中的金氧半场效晶体管,也就是MOSFET= Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor。

半导体根据材料带电性质不同分为N型(Negative,电子浓度较高带负电荷)半导体材料和P型(Positive,空穴较多带正电荷)半导体材料。N型半导体所含自由电子较多,而P型半导体能够吸引更多的电子前来填补空穴,所以这两个都是能导电的。

那么我们通过在晶圆上紧密接触的两块区域,分别掺入不同的掺杂物(Dopants),使其分别带不同的电性,我们称之为P区(P-Type Region)和N区(N-Type Region),P区和N区的交界处就是PN结(PN-Junction)。

在这个交界处,自由电子会向空穴多的方向前进;而空穴也会向着自由电子浓度高的方向前进,形成新的平衡。而在PN节最中间有一个区域电子和空穴的数量都很稀少,这个我们管它叫耗尽层Depletion Region。

如果不太明白的话,它的最直接的一个应用就是二极管(Diode);它在电路中的表现取决于电流的流向和强度。

PN节不但是二极管的物质基础,而且三极管的核心部分是按P-N-P或者N-P-N的方式组合起来两个PN结(当然绝非简单的拼接起来就行)。在BJT型晶体管中,我们有极(Base)、集电极(Collector)和发射极(Emitter),电流关系为IE = IB + IC,IC=β*IB(β为放大倍数)。在FET里面对应功能的部件叫做栅极(Gate)、漏极(Drain)和源极(Source),另外还有一个衬底(Substrate)。

深度评论:日韩两国围绕半导体展开的贸易战,对中国有什么启示

MOSFET的构造

(图源:笔者学生时代自己的笔记)

MOSFET根据通道(Channel)材料的不同分为PMOS、NMOS和CMOS(这个是PMOS和NMOS的组合互补,CMOS=Complimentary Metal Oxide Semiconductor),但是无论怎么分我们都需要把这个部件做小,这样才能往单个晶圆里塞入更多的芯片。

我们选取栅极(Gate)的长度作为测量标准,之前报到的7nm、5nm之类的,说的就是栅极的长度。栅极长度越小,电流就能用更短的时间从漏极(Drain)流到源极(Source),处理信息的时间就更短,芯片的功能也就更强大。

深度评论:日韩两国围绕半导体展开的贸易战,对中国有什么启示

之前提到过目前台积电在制程工艺上走在全世界的前面,现在已经在踅摸3nm和2nm了;而国内企业制程工艺最先进的是中芯国际,目前能够投产的是从国外引进的28nm(虽然产量不大),14nm已经研发出来但是还没有形成战斗力。那么外企是什么时候突破这一制程的呢?

第一个突破14nm制程的是英特尔,那会儿还是2014年。英特尔搞出来了14nm后还不消停,在第二年又把7nm在理论上给突破了(做出了第一个可以用的晶体管)。但是,因为量产的原因,英特尔最后让台积电后来居上给击败。不过英特尔也没有就此放弃,依然在踅摸7nm,争取2021年把成品搞出来。

在继续踅摸7nm的同时,英特尔于2018年拿出来了另外一款10nm的产品,但是还没有形成规模。另外唯二的7nm制程玩家台积电和三星同时宣布要在5nm和3nm继续展开下一轮争夺战(英特尔也跟在后面凑热闹),台积电甚至表示咱们连3nm晶圆厂的地皮都圈好了。

也就是说,中国企业最先进且尚未形成战斗力的制程工艺依然落后人家至少两代。这意味着中国企业“新品”上市的时候会面临更多的打压,生产同样一块芯片中国企业要承担更多的成本,要耗费更多的精力去抢夺别人嘴里的蛋糕,还要投入精力去打破新的基础壁垒补7nm、10nm、5nm和3nm制程的差。

而要补差甚至完成超越,我们还缺乏一样东西,是长期、大量且不一定有回报的注资。在这一点上中国做的还远远不够,虽然在2018年大基金融资3000亿人民币以上,但是这个资金对于急需补差的中国半导体行业来言真的不多(今年到目前为止的融资还没有去年多)。

3000亿人民币按照约6.5:1的比例折合美元461.5亿多一点;这461.5亿美元要分摊给几十家公司,如果平摊下去平均每家公司只能得到不到15个亿。而我们上一篇提到英特尔一年就送给ASML几十亿的美元又是买股权又是给研发经费,算上台积电和三星还有其他客户那就更多了,注意人家是在给ASML“培优”(而且这个注资是长期的每年都有)!

而各中国芯片企业现在头等要务是“补差”,需要的投入比“培优”要来的更大。另外,补差阶段亏损是肯定有的;如果投入不够,一些家底不甚丰厚的企业很有可能在去的技术突破前资金链就要崩了。毕竟一个连生存都成问题的企业是没法儿安心搞技术突破的。

可能有读者要问笔者了,你这接二连三说了那么多这里不行那里不行;为什么你还对中国半导体这么有信心?因为中国这么多年,除了凑不出一支能踢世界杯的足球队之外,在别的领域从来都是不落人后,而且中国确实在作出努力来改善现状。

想当年中国技术人员能用一个玩具模型研发出核潜艇,搞芯片的起点可比搞核潜艇那时候高多了,只要我们有着“芯片,一万年也要搞出来”的信念并付诸行动;笔者相信会有那么一天中国的芯片能达到100%自给的。

本文系个人供稿,文章不代表“局座召忠”观点。

ben wen xi ge ren gong gao, wen zhang bu dai biao" ju zuo zhao zhong" guan dian.

特约作者:U156

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发布时间:00:49:45

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