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突围“卡脖子”难题,国产芯片必经此三阶段!

2022-11-25
来源:是说芯语

  作为高科技产业的核心,芯片产业日渐成为世界各国综合国力竞争的重要砝码,随着中国芯片产业的快速发展,逐步在全球芯片产业链上占据重要位置,却开始受到以美国为首的发达国家的限制。

  众所周知,芯片目前主要被美国垄断市场,占据全球50%的份额。国内芯片业虽持续蓬勃发展,但在高端芯片制造领域仍处于劣势位置,同时国内芯片产业高度依赖外部市场,在技术受限的情况下,被美国“卡脖子”的困境更为凸显。

  有人可能不太清楚,我们被“卡脖子”的芯片有哪些?例如常用的电脑核心芯片、高端手机核心芯片、视频系统中显示驱动芯片、数字信号处理设备芯片,以及可编程逻辑设备核心芯片等,都是我们目前还造不出来的高端芯片,几乎完全依赖进口。

  近年来我国芯片的进口量一直“领跑”全球。数据显示,2022年前10个月我国芯片进口数量为4580.2亿个,支付的金额为23107.8亿元,购买芯片的金额占比我国进口商品总金额的15.5%,超过石油、煤炭、天然气等大宗商品,占据首要位置。

  极大的需求量和极低的自供给量,自然会导致“卡脖子”问题。而由于我们对外部市场的高依存度及短期内难以突破的技术壁垒,被“卡脖子”时尤为被动。我们知道,国内芯片常遭美国“卡脖子”的技术主要涉及三方面,一是制程工艺;二是装备/材料;三是设计IP核/EDA工具。今天我们着重谈谈制程工艺。

  01 芯片“卡脖子”的3个阶段

  工艺是指芯片制造工艺,这一块是与芯片生产企业本身的技术相关。芯片制程直接影响芯片组的性能优劣、电源效率和体积,一般以28nm为分水岭,区分先进制程成熟制程,前者多用于对计算性能要求更高的领域,后者用于成本较高的场景。

  虽然两种制程都很重要,但更先进的制程代表的是厂商的硬实力。比如台积电、三星达到了5nm,甚至开始量产3nm,而格芯、英特尔、联电等只达到10nm,这就是技术差距,这一块很重要,也是“卡脖子”的技术之一。目前国产技术在14nm,还没有达到10nm或更先进的制程。

  从制程工艺来看,我们可以把芯片“卡脖子”分成三个阶段,第一阶段是「能用」,对应135nm-28nm,为温饱水平;第二阶段是「够用」,对应14nm-7nm含chiplet,能达到这一制程区间,可以说是小康水平;第三阶段是「好用」,对应7-2nm的尖端工艺,属于发达水平。

  如果我们不被美国限制,在全球产业链分工合作的背景下,国内芯片可以通过借用其他国家的技术、设备等达到「发达」水平,比如采用台积电的5nm代工的“自研芯片”。但实际上,台积电工厂的设备(含EUV)75%来自于美国。此前我们发布的《实现光刻机的国产替代,没那么急》一文中谈到国产芯片被“卡脖子”的另一重要环节——半导体设备光刻机,EUV光刻机是5nm及更先进制程芯片制造的刚需,但由于受到美国禁令等因素影响,目前国内尚未买到。

  所以简而言之,我们被“卡脖子”主要是被美国卡,就目前的趋势,凡涉及美国技术而我们没有掌握的都可能被卡。今年以来,美方宣布了一系列限制措施,其中最严格的芯片“制裁令”,涉及到16/14nm以下先进制程的高性能计算(逻辑)芯片,其目的即想把中国卡在温饱的「能用」水平,意图限制我国云计算与数据中心、自动驾驶、5G、人工智能等应用领域的发展。


  02 芯片制程的3个分水岭

  前面我们提到,芯片制程通常以28nm为分水岭,往前为先进制程,往后是成熟制程。对应上文所说芯片“卡脖子”的三个阶段,可细分为3个分水岭:

  我们可以认为28nm是「能用」的分水岭,对应所有家电、消费电子、3G手机、电动车(不含智能化)、光伏逆变器等。

  28nm作为成熟的工艺节点,自台积电率先推出市场距今已有十余年,持续在市场发热。各大晶圆厂在28nm工艺节点上做了很多的特色工艺开发,使得28nm节点能满足更多产品需求,在全球市场呈现稳中有升的态势,2021年全球28nm芯片市场为313亿美元,预计至2027年将增长至449亿美元。

  中芯国际是国内首个能够量产28nm工艺的企业,可以说在短期内,28nm制程将是国产芯片的主战场,实现这一制程的芯片自由也是当下要务之一。

  14nm是「够用」的分水岭,对应4G手机、PC机、普通服务器、L2的智能电车、低端人工智能。

  从量产时间点上来看,14nm芯片诞生于2014年,最早由英特尔实现生产,当时台积电和三星还处于20nm阶段。到2017年,台积电和三星先后攻克了10nm,而这时英特尔依旧是14nm,自此开始台积电、三星就走在了英特尔前面。

  可以说在2017年之前,14nm就是最高端的芯片制程,虽然如今已经5年过去了,但是14nm芯片生产线在目前半导体中仍非常关键,14nm及以上制程基本能满足目前70%半导体制造工艺需求。

  国内在这一制程阶段,今年9月份消息,上海经信委主任正式对外宣布,14nm国产芯片已经实现了大规模量产,意味着我们的芯片正在从「能用」迈向「够用」。

  5nm是「好用」的分水岭:对应人工智能、超级计算机、L4高阶自动驾驶、智能手机等。

  事实上,5nm及以下先进制程领域,目前仅有台积电和三星两个玩家,近乎双寡头格局。今年第三季度,台积电7nm以上先进工艺占比达到54%,5nm首次超过7nm,贡献了最大的收入(28%),其次是7nm产线(26%)。

  5nm及以下制程对国产芯片而言是最有距离的,尽管目前其市占率不高,但就发展趋势而言,高端芯片的需求或将长期持续,智能设备、自动驾驶、AI等市场方兴未艾,从大厂的火热需求即可看出,如高通、AMD对4nm/5nm的需求爆棚,追求卓越的苹果则对3nm/2nm热度不减。

  在芯片制程工艺上,我国半导体未来一段时间内将处于「温饱」和「小康」的过渡阶段,即从28nm量产走向14nm量产。

  03 突破“卡脖子”的3个阶段

  但就目前而言,国内产能远远不够,还需加大投入。

  我们来看一组数据对比:

  台积电2021年资本开支约300亿美元,2022年三季度其下调资本支出后为360亿美元(原计划440亿美元);三星电子2021年资本开支为337亿美元,2022年预计为379亿美元;英特尔2021年资本开支达到179亿美元,2022年预计达到280亿美元。

  中芯国际2021年资本开支45亿美元,预计2022年资本开支达到50亿美元。

  从数据中可以看出,国内芯片扩产增投仍需持续。

  所以我们在制程工艺上突破“卡脖子”也得经历三个阶段:

  一是突破「能用」,围绕135~28nm建立产能,能够覆盖除智能手机和人工智能等大多数行业的大部分需求,这一块的国内市场也是非常大的;

  二是突破「够用」,在14~7nm制程上基于Chiplet建立产能,能覆盖低阶智能手机和人工智能产业,主攻成熟工艺的同时不断向先进制程迈近;

  三即突破「好用」,未来相当长时间内,受制于半导体设备和材料,国内芯片在尖端工艺的突破上将道阻且长,但我们仍秉持信心。

  总  结

  当前,外部环境错综复杂,美国多次挑起断供风波,导致“卡脖子”问题凸显。

  国产芯片实现重大突破是所有人翘首以盼的,其中的艰难也是可以预见的,但相信随着国内扩大产能,加大投入,人才日益完备,实现芯片产业关键环节的自主可控,形成新的替代技术轨道,将指日可待。


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