基础材料与商业模式的互动

引子

8月7日，华为消费者业务CEO余承东在中国信息化百人会中指出，由于美国制裁令，华为的芯片在今年9月15日之后将无法制造。因此，华为在今年秋天发布搭载麒麟芯片的Mate40后，这将是麒麟高端芯片系列的最后一代。

华为投入重金研发的麒麟系列芯片，很有可能至此就画上了句号。

即使能够设计，仍然不能制造。华为芯片的断供，成为了高科技卡脖子的最新热点。

感叹之余，我想借着这个话题，来回顾一下芯片行业的发展历史，看一看这其中的非连续性。

方寸之间

芯片是集成电路的通俗说法，英文名Integrated Circuit，因而常简称为IC。

简单来说，集成电路就是把大量的电路浓缩在半导体芯片的方寸之间。用一个形象的比喻，芯片的制造可以看作是微雕的过程，挑战着人类科学技术的极限。

我们用几个数据，让大家先直观的感受一下。

从1946年人类第一台计算机诞生算起，集成电路产业经过了70年的发展。如今，笔记本电脑中2.0GHz的CPU，运算能力高达20亿次/秒，相当于人类第一台计算机5000次/秒运算速度的40万倍，然而其大小只有5平方厘米左右，仅相当于第一台计算机150平方米占地的30万分之一。

再比如，华为自主研发的麒麟980芯片，最高主频2.6GHz，仅有1平方厘米，大约为一个拇指盖大小。

时至今日，芯片已经广泛应用于日常生活之中。比如，在我们的手机里，就有着数十颗芯片，掌管着手机性能的方方面面，诸如运行速度快不快，显示效果好不好，存储速度与容量，游戏画质高不高，无线信号稳不稳，指纹识别安不安全，等等。

所有这一切，都来源于集成电路产业在芯片小型化上的不懈努力。

与之相对，我们会经常听到，台积电/中芯国际等芯片代工企业，其先进制程工艺进入了14nm、7nm、5nm甚至3nm之类的说法。

简单来说，这些数字代表了晶体管的尺寸大小。越小的晶体管尺寸，意味着单位面积上可以容纳的晶体管数量越多，芯片的整体性能也越好。

因此，这些数字在集成电路产业内，也被称为芯片的工艺节点。

最近十多年来，芯片的工艺节点走过了如下的进化历程：

350nm -> 250nm -> 180nm -> 130nm -> 90nm -> 65nm -> 40nm -> 28nm -> 20nm -> 14nm -> 10nm -> 7nm -> 5nm -> 3nm

如果我们把前后两个节点的制程尺寸相除，就会发现它们维持着0.7倍的等比关系。

随着工艺节点的不断缩小，芯片制造技术正在逐渐触及物理理论的极限。每一次工艺节点的升级，都意味着研发时间与成本的指数级提升。

我们再来看几个数字，感受一下。

先看一下投资体量：支持180nm工艺的8寸晶圆厂的投资价格大约为100亿元人民币，匹配10nm工艺的12寸晶圆厂的投资价格则达到了100亿美元，而台积电的5nm工艺的厂房投资则高达250亿美元。

再看一下生产耗电：中国最大的集成电路生产中心，上海市浦东新区张江镇，占地面积42平方公里，其年耗电量达到了6千万千瓦时，和整个上海市居民用电一个量级。

所以，集成电路产业聚集了科技密集、资本密集、能耗密集等多个特点。

如今，伴随着集成电路产业发展的摩尔定律，也越来越难以匹配18-24个月的进化周期。业内普遍预计，2025年前后摩尔定律将走向终点。

材料的代际

芯片产业的发展，和半导体材料的革新，息息相关。

1833年，英国科学家法拉第发现了一种特殊材料：硫化银。随着温度的上升，硫化银的电阻降低了。这是人类历史上，第一次发现半导体材料。

通常的晶体，随着温度的提升，晶格震动越发厉害，电阻便会增加。对半导体材料而言，温度的上升会使自由载子的浓度增加，反而有助于导电。

这就是半导体的奇妙性质之一，在常温下导电性能介于导体与绝缘体之间，且其导电性可控。

随后的半个世纪里，科学家陆续发现了半导体的另外三个性质：光照下产生电压（光生伏特效应，光伏发电的原理）、光照下电导增加（光电导效应）和电导与所加电场的方向有关（整流效应）。

1911年，半导体这个名词被首次使用。直到1947年12月，贝尔实验室首次完整的总结出半导体所具有的这四个特征。

到目前为止，半导体材料被划分为三代。

第一代半导体，又称为“元素半导体”，代表性的有硅基和锗基半导体。其中，硅基半导体技术最为成熟，应用也最为广泛。

以硅材料为代表的第一代半导体材料，取代了笨重的电子管，引发了集成电路产业的发展和整个IT 产业的飞跃，广泛应用于信息处理和自动控制等领域。

目前，全球95%以上的半导体芯片和器件是用硅片作为基础功能材料而生产出来的，这也是芯片制造厂称为晶圆厂的原因。

硅片的尺寸不断变大，从1960年的0.75寸（约20mm），1965年的1.25寸，到1975年的4寸，再到2001年的12寸，直到2020年的18寸（450mm）。当前的主流，是8寸和12寸硅片。

硅片占整个半导体材料市场的32%左右，行业市场空间约76亿美元。这一领域主要由日本厂商垄断，近年来我国在硅片领域不断国产化，8寸和12寸的国产化率持续提升。

第二代半导体，是化合物半导体，代表性的有砷化镓（GaAs）和磷化铟（InP），还包括许多其它III-V族化合物半导体。

20世纪90年代以来，随着移动通信的飞速发展、以光纤通信为基础的信息高速公路和互联网的兴起，以砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）为代表的第二代半导体材料开始崭露头脚。

这些化合物中，商业半导体器件中用得最多的是砷化镓（GaAs）和磷砷化镓（GaAsP），磷化铟（InP），砷铝化镓（GaAlAs）和磷镓化铟（InGaP）。其中以砷化镓技术较成熟，应用也较广。

GaAs、InP等材料适用于制作高速、高频、大功率以及发光电子器件，是制作高性能微波、毫米波器件及发光器件的优良材料，广泛应用于卫星通讯、移动通讯、光通信、GPS导航等领域。

化合物半导体不同於硅半导体的性质主要有两点：其一，电子迁移率较硅半导体快许多，因此适用于高频传输；其二，具有直接带隙，适用发光领域。

但是GaAs、InP材料资源稀缺，价格昂贵，并且还有毒性，污染环境，InP甚至被认为是可疑致癌物质，这些缺点使得第二代半导体材料的应用具有很大的局限性。

目前，全球GaAs 半导体制造商市场份额最大的五家企业分别是Skyworks、Triquint、RFMD、Avago、穏懋，约占全球总额的65%。而在GaAs 原材料领域，IQE、全新、Kopin 三家公司占据市场67.3%的份额。

第三代半导体，又称为宽禁带半导体，代表性的有碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、金刚石等，其禁带宽度（Eg）大于或等于2.3电子伏特（eV）。

当前，电子器件的使用条件越来越恶劣，要适应高频、大功率、耐高温、抗辐照等特殊环境，这成为第三代半导体材料研发的应用背景。

和第一代、第二代半导体相比，第三代半导体具有高热导率、高击穿场强、高饱和电子漂移速率和高键合能等优点，可以满足现代电子技术对高温、高功率、高压、高频以及抗辐射等恶劣条件的新要求，是半导体材料领域有前景的材料。

在国防、航空、航天、石油勘探、光存储等领域有着重要应用前景，在宽带通讯、太阳能、汽车制造、半导体照明、智能电网等众多战略行业可以降低50%以上的能量损失，更可以使装备体积减小75%以上，对人类科技的发展具有里程碑的意义。

从目前宽禁带半导体材料和器件的研究情况来看，研究重点多集中于碳化硅（SiC） 和氮化镓（GaN）技术，其中SiC 技术最为成熟，研究进展也较快；而GaN 技术应用广泛，尤其在光电器件应用方面研究比较深入。

碳化硅器件和电路具有超强的性能和广阔的应用前景，因此一直受业界高度重视，基本形成了美国、欧洲、日本三足鼎立的局面。

再见了，麒麟芯片！华为余承东：9月15日后再无麒麟芯片

了解更多热门资讯、玩机技巧、数码评测、科普深扒，点击右上角关注我们 ---------------------------------- 在今日举行的中国信息化百人会2020年峰会上，华为消费者业务CEO余承东表示，受到美国今年第二轮制裁的影响，华为麒麟芯片长期处于缺货阶段，导致今

目前，国际上实现碳化硅单晶抛光片商品化的公司主要有美国的Cree 公司、Bandgap 公司、Dow Dcorning 公司、II-VI公司、Instrinsic 公司；日本的Nippon 公司、Sixon 公司；芬兰的OkmeTIc 公司；德国的SiCrystal 公司等。

此外，GaN 光电器件和电子器件在光学存储、激光打印、高亮度LED 以及无线基站等应用领域具有明显的竞争优势，其中高亮度LED、蓝光激光器和功率晶体管是当前器件制造领域最为感兴趣和关注的。

举个例子，氮化镓基蓝光LED的发明使高效白光LED照明得以实现，引起了人类照明光源的又一次革命。

目前，整个GaN 功率半导体产业处于起步阶段，各国政策都在大力推进该产业的发展。国际半导体大厂也纷纷将目光投向GaN 功率半导体领域，关于GaN 器件厂商的收购、合作不断发生。

与发达国家相比，中国发展第三代半导体产业的起步较慢，但是随着政策引导效应逐步显现，中国第三代半导体产业正迎来高速发展。值得一提的是，2017年中国第三代半导体产业取得了实质性的发展，据CASA初步统计，2017年中国第三代半导体整体产值约为6578亿(包括照明)，较2016年同比增长25.83%。

在第三代半导体方面，国内代表性的上市公司是三安光电，氮化镓正是其豪掷330亿左右投资的七大核心项目之一。此外，扬杰科技、国民技术、海特高新等多家上市公司均开始布局第三代半导体业务。

与此同时，国内部署的多条第三代半导体相关产线相继启用或投产。

在SiC领域，中车时代电气6英寸碳化硅(SiC)产业化基地技术调试圆满完成；全球能源互联网研究院6英寸SiC中试线进入安装调试阶段；世纪金光SiC和GaN生产线开始安装；中电科55所6寸SiC中试线投入运行。在GaN领域，江苏能华和英诺赛科的8英寸Si基GaN生产线相继开始启用；三安集成、海威华芯、天津中环、江苏华功、大连芯冠、聚力成半导体等均在有序推进中。

模式的演变

基础电路产业自诞生之初，就是科技与资本双密集的产业。

早期的企业，需要自行完成从芯片设计、到芯片制造、再到芯片封装测试的全产业链过程，以元器件的形式向市场提供芯片产品，可谓大包大揽。

这种模式，也被称为IDM（Integrated Device Manufacture）模式。用现在的话来说，就是产业链垂直一体化。

IDM模式的优点主要有两方面：其一，通吃产业链各环节的利润；其二，统揽产业链各环节的技术要点（Know How）。

IDM模式的代表性企业就是英特尔（Intel）。其核心产品CPU芯片，从设计、制造、封装、测试，到器件成品，全部由公司一家完成。电脑制造商从英特尔那里直接购买CPU成品，就可以组装电脑产品了。

进入1980年代，摩尔定律推动工艺节点提升，所带来的资本开支的指数级增长，开始让IDM模式面临挑战。

产品价格的线性下跌，与产品成本的指数型增长，开始发生具有转折点意义的碰撞。

在此之前，IDM模式的芯片企业，通过销售产品赚取利润，再将利润的一部分投入到下一代制造工艺的研发之中，由此形成良性循环，支撑摩尔定律18-24个月的迭代周期。

然而，上世纪80年代中期之后，指数级增长的资本开支开始吞噬越来越多的企业利润，使得大量生产规模有限的芯片企业入不敷出，逐渐陷入经营困境。

同时，由于芯片的种类繁多，即使是大型芯片企业，也只有旗舰级产品的生产规模能够覆盖资本开支，因而只能维持部分产线的工艺升级。

1987年，时任德州仪器（TI）资深副总裁的张忠谋，辞去美国的高薪职位，回到台湾，着手创办全球第一家专注于芯片制造的工厂台积电，从此开创了Foundry模式。

这是一次划时代的转变。

当时，全球的芯片企业处于百分百的IDM模式，创新的Foundry模式鲜有人看好。

事实证明，张忠谋独具眼光，凭借着对集成电路产业链的深刻洞察，台积电重新定义了芯片行业的主流商业模式。

至此，芯片行业开始了专业化分工，形成了专注于设计的Fabless公司+专注于制造的Foundry公司的全新模式。

Foundry模式的出现，让大量的中小型芯片公司如释重负，不再需要投入重金升级产线，而是把有限的资源投入到芯片设计之中。

而集中了全行业制造需求的Foundry公司，则可以凝聚更多的资本，与少数头部IDM公司一道，共同推动产线的升级换代。

这种模式之下，由于汇集了众多中小芯片设计公司的制造需求，Foundry公司可以更大的规模进行生产，从而让飙升的资本投入通过更大的规模效应加以对冲，形成良好的商业回报。

直至今日，台积电都是芯片制造行业的绝对领先者，其先进制程工艺领先对手1-2代。

至此，我们梳理一下当前芯片行业的商业模式：

• 纯设计公司（Fabless）：代表性企业高通、英伟达，国内华为海思、汇顶科技、韦尔股份（收购了豪威半导体）、紫光展锐等；
• 代工厂（Foundry）：代表性企业台积电（TSMC），国内中芯国际、华虹半导体等；
• 封测厂（Testing & Assembly）：代表性企业安靠、日月光，国内长电科技、通富微电、华天科技等；
• 一体化公司（IDM）：代表性企业英特尔、意法半导体、英飞凌、德州仪器，国内士兰微、闻泰科技（收购了荷兰恩智浦标准半导体事业部）等。

整体来看，从垂直一体化走向专业分工，是芯片行业过去四十年商业模式转型的大方向。

总结

纵观芯片产业的发展简史，我们会发现有两个维度：

• 材料端：第一代硅片，第二代化合物半导体，第三代宽禁带半导体；
• 模式端：产业链垂直一体化IDM模式，产业链专业分工Fabless+Foundry模式。

实际上，模式端的演化是和材料端的进步息息相关的，特别是不同技术路线的资本开支。

8月4日，中芯国际的创始人之一张汝京博士，在“中国第三代半导体发展机遇交流峰会”上，针对提问表示：

“第三代半导体是后摩尔定律时代，线宽不是很小，设备不特别贵，但它的材料不容易做，设计上要有优势，投资也不需要很大。”

基于此，张博士判断第三代半导体将以IDM模式为主流。同时，Foundry模式也有机会，重点是要有长期合作的设计公司。

从张博士的这段表述来看，第三代半导体，由于资本开支有限，最适合的模式又切换回了IDM。

在这个赛道上的芯片企业，又开启了一轮新的轮回。

后记

面对美国的围堵，中国的芯片产业正在迎来前所未有的挑战与机遇。

刚刚登陆科创板的中芯国际，在国家政策的大力支持下，以数百亿元的规模持续扩张产能，在北京、上海、深圳等地不断新建晶圆厂。

与此同时，我们看到芯片即将断供的华为，开始大手笔进入芯片制造领域。积极挖人，引发同行侧目的同时，甚至传出华为将自行研制光刻机的消息。

看到这个消息，我觉得如果国内能够在高端光刻机上有所突破，华为倒确实是最合适的人选。

在Foundry模式+IDM模式的双重追赶下，假以时日，我想一定会形成新的竞争格局。

祝福这些在第一线努力奋斗、迎难而上的人们！

参考文献

1. 《芯片简史》，墨子语，360doc

2. 《中国芯片发展简史》，花祥名，知乎

3. 《华为海思麒麟芯片简史》，电子产品世界

4. 《半导体材料的发展史及材料性能分析》，电子发烧友

5. 《半导体材料进化史》，中科院半导体所

6. 《一文说明第三代半导体》，开普勒产业研究院