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谁扼住了华为:美日半导体霸权的三张牌

20-08-11 13:54    作者:Blogbuffett    相关股票:

谁扼住了华为:美日半导体霸权的三张牌

原创 陈帅/刘芮 远川研究所 

作者:陈帅/刘芮编辑:董指导支持:方正证券科技首席分析师 陈杭

 

 

202087日,华为余承东公开表示海思麒麟高端芯片已经“绝版”,中国最强的芯片设计广发证券 ,就在中证军工 眼皮子底下被锁死了未来。

 

华为海思推出第一款麒麟(Kirin)芯片是在2009年,虽然当时反响一般,但奏响了麒麟腾飞的乐章,随后每一年都有不小的进步:麒麟925带领Mate7打入高端阵营;麒麟955助力华为P9销量过千万……自己研发的芯片,成为华为手机甩开国内友商的最大武器。

 

然而到了202087日,麒麟系列的高端芯片却被迫提前退休,余承东表示麒麟系列中最先进的Kirin 990Kirin 1000系列,在915日之后将无法生产,华为Mate40将成为麒麟高端芯片的绝唱。绝版的原因很简单:受到美国禁令影响,台积电将不再为华为代工。



台积电并非没有抗争。全球高制程工艺一线难求,台积电话语权其实很强,而且几周前刚刚超过英特尔成为世界第一大半导体广发证券 。所以面对美国禁令,台积电也曾斡旋过,但只要美国提起一个广发证券 的名字,就能让台积电高管们吓出冷汗。这个广发证券 就是:福建晋华。



福建晋华成立于2016年,目标是在存储芯片领域实现突破。福建晋华是IDM一体化工艺,即设计、制造、封装都要做,一旦产品落地,对大陆整个半导体工艺的都会有所带动和提升。晋华一期投资款高达370亿元,还和台湾第二大代工厂台联电进行了技术合作。



研发人员日夜奋战,成立一年多后,晋华就打造出了一座12寸的生产线,并准备投产,不料却迎来了资本主义的铁拳。



201712月,美国镁光科技即刻以窃取知识产权为由开始狙击晋华,晋华也不甘示弱,双方在中国福州和美国加州互相起诉。就当局势焦灼之时,早就虎视眈眈的特朗普政府在20181029日发起了闪电战:将福建晋华列入实体名单,严禁美国企业进行合作。




 

禁令发出后,和晋华合作的美国应用材料广发证券 (Applied Materials)的研发支持人员当天就打包撤离,另外两家美商科磊和泛林也迅速召回了前来合作的工程师。更严重的是,由于设备中含有美国原件,欧洲的阿斯麦、日本东京电子也暂停了对晋华的设备供应。



晋华员工回忆外资撤退场景时,总结说:“这些人根本不给中证军工 时间道别。”



福建晋华官网上的生产进度,停留在了2018年试投片日,迟迟没有更新,而产品页则直接显示“页面在建设”中。去年510日,英国《金融时报》称,晋华已经开始寻求出租或者出售自己的工厂。仅仅一个回合,担当中国存储突破的种子选手,就被打倒在了起跑线上。



“实体名单”就像是一份死刑通知书,可以瞬间让企业坠入地狱。美国制裁的决心、打击的力度,令同样采用美国核心零部件和核心技术支撑的台积电不寒而栗。同样,本来兴致勃勃要来抢台积电蛋糕的三星没了下文;中芯也含蓄地表示,可能不能为“某些客户”代工。 



为什么这些广发证券 不愿意去触碰美国“逆鳞”?半导体领域,美国真的就独霸天下吗?其实并不然。



虽然美国半导体行业产值大约占全世界的47%,体量上处于绝对优势;但韩国、欧洲、日本、中国台湾、中国大陆等其他“豪强”也各有擅长,与美国的差距并不是无法越过的鸿沟。



比如,韩国在产值1500亿美金的存储芯片领域,占据压倒性优势,双强(三星、海力士)占据65%市场;



欧洲在模拟芯片领域有三驾马车(英飞凌、意法半导体、恩智浦),从80年代起就从未跌出全球二十强。

 

日本不但有独步天下的图像识别芯片,以信越日立为首的几家广发证券 ,更是牢牢扼住了全世界半导体的上游材料。



中国台湾在千亿美元级别的芯片代工领域,更胜美国一筹,台积电和联电占据60%的规模,以日月光为首的封测代工也能抢下50%的市场;



中国大陆依托庞大的下游市场,近年芯片设计领域发展迅速,不但诞生了世界前十的芯片设计巨头华为海思,整体芯片设计规模也位居世界第二。






这些企业从账面实力来看,甚至可以让芯片行业“去美国化”,合力搞出一部没有美国芯片的手机。但美国515禁令一下,各路豪强却莫敢不从。



一超多强的局面似乎就像“纸老虎”,在美国霸权之下,众半导体商分封而治可能才是目前的“真相”。大家忌惮的,其实是美国手握的两把利剑:芯片设备和设计工具这两把剑又和日本的材料一起,组成了威力极强的美日半导体霸权三张牌:设备、工具和材料。



那么,美日手中握的这三把剑究竟可怕在何处?是如何能挟制各路科技巨头豪强?了解这些答案,才能了解华为们的突围之路。



 

一、设备:芯片制造的外置大脑

 

 

设备商对于一般行业而言,就是个卖铲子的,交钱拿货基本就完事儿了;但半导体设备商却不同,不仅提供设备卖铲子,还要全程服务卖脑子,可谓是芯片制造商的外置大脑



芯片制造成本高昂,只有将良品率控制在90%上下,才不会亏本。但要知道,芯片制造,工序一千起步,这就导致,哪怕每一步合格率都有99%,最终良率都会在0.9*0.9的多次累积下,趋近于0。因此,要想不亏本,每个步骤的合格率就得控制在99.99%乃至99.999%以上。




 

要达到这个状况,就对设备的复杂度提出了超高要求。就目前最先进的EUV光刻机来说,单台设备里超过十万个零件、4万个螺栓,以及3000多条线路。仅仅软管加起来,就有两公里长。这么一台庞大的设备,重量足足有180吨,单次发货需要动用40个货柜、20辆卡车以及3架货机才能运完。



而更为重要的是,即使设备买回来,也远不是像电视冰箱一样,放好、插电就能开动这么简单。一般来说,一台高精度光刻机的调试组装,需要一年时间。而零件的组装、参数的设置、模块的调试,甚至螺丝的松紧、外部气温都会影响生产效果。哪怕一里外的一辆地铁经过,都能导致多数设备集体失灵。



这也是所有精密仪器的“通病”。比如,十年前,北京大学12个高精度实验室里价值4亿元的仪器突然失灵,而原因居然是位于地下13.5米深的北京4号线经过了北大东门产生了1Hz~10Hz的震动,为此北大高精度实验室不得不集体搬家。



因此,半导体制造设备每开动一段时间,就必须联系专门原厂服务人员上门调校。荷兰光刻机巨头ASML阿斯麦曾有一个客户,要更换光器件;由于当时阿斯麦的工程师无法出国,便邀请客户优秀员工到广发证券 学习,用了近2个月,才仅仅掌握了单个零部件更换的技能。



因此,阿斯麦、应用材料等半导体巨头,不只是把设备卖掉就结束了,更是在中国建立了2000人左右的庞大支持团队。其中应用材料的第二大收入就是服务,营收占比超过25%,而且稳定增长,旱涝保收。

 




而设备厂的可怕之处正在于,不但通过“一代设备,一代工艺,一代产品”决定了制造厂的工艺制程,更是通过售后服务将制造厂牢牢的拿捏在手中随着工艺越来越越高精尖,设备商的话语权也正在进一步提升。



设备商的强势,可以从利润上明确的反映出来。过去5年,芯片制造厂的头部效应越来越明显,但上游设备商的净利润率反而大幅提升:泛林利润率从12%提升到22%,应用材料从14%上升到18%。代工厂想要客大欺店,那是根本不存在。



也正因如此,在长达六十年的时间里,美国一直都在以各种手段,来保证自己在设备领域的绝对主导地位。



根据2019年全球顶级半导体设备厂商排名,全球前五大半导体设备商占据了全球58%行业营收。其中,美国独占三席;其余两席,一席是日本的东京电子,另一席荷兰的阿斯麦,恰巧,这两家又都是美国一手扶持起来的。



 


具体来说,应用材料(AMAT)和泛林(LAM)、科磊(KLA),是根正苗红的美国企业。



其中,泛林在刻蚀机的市场占有率高达50%以上。应用材料则不仅在刻蚀机领域与泛林平分秋色,在离子注入、化学抛光等等细分设备环节也都占据半壁江山,甚至高达70%。科磊则在半导体前道检测设备领域占据了50%以上的市场,并在镀膜测量设备的市占率达到了98%



而光刻机巨头阿斯麦,看似是一家荷兰企业,其实有一颗美国心。早在2000年前后,光刻机市场还停留在DUV(深紫外)光刻阶段,日本尼康才是真正的霸主,但到了EUV(极紫外)阶段,尼康却在美国的一手主导下被淘汰出局。



原因很简单,EUV技术难度登峰造极:从传统DUV跨越到EUV,意味着光源从193nm剧烈缩短到13.5nm。这需要将20KW的激光,以每秒5万次的频率来轰击20微米的锡滴,将液态锡汽化成为等离子体。这相当于在飓风里以每秒五万次的频率,让乒乓球打中一只苍蝇两次。



当年,全球最先进的EUV研发机构是英特尔与美国能源部带头组建的EUV LLC联盟,这里有摩托罗拉、AMDIBM,以及能源部下属三大国家实验室,可谓是集美国科研精华于一身。可以说,只有进入EUVLLC联盟,才能获得一张EUV的门票。



美国彼时正将日本半导体视为大敌,自然拒绝了日本尼康的入会请求,而阿斯麦则保证55%零部件会从美国供应商处采购,并接受定期审查。这才入了美国的局,从后起之秀变成了“帝花之秀”。



美国不仅对阿斯麦开了门,还送了礼:允许阿斯麦先后收购了美国掩罩技术龙头Silicon Valley Group、美国光刻检测与解决方案玩家Brion、美国紫外光源龙头Cymer等广发证券 。阿斯麦技术心、研发身,都打上了星条旗烙印。那还不是任凭美国使唤。



而早年的东京电子,只是美国半导体始祖仙童半导体(Fairchild)的设备代理商,后来又与美国Thermco广发证券 合资生产半导体设备,直到1988年才变成日本独资,但东京电子身上也已经流着美国广发证券 的血。



因此,在2019年六月,面对第一轮美国禁令,东京电子就表示:“那些被禁止与应用材料和泛林做生意的中国客户,中证军工 也不会跟他们有业务往来”,义正词严表明了和美系设备商共进退。



至此,美国靠着多年的“时间积累”和超高精密度“工艺技术”,在设备领域形成了牢牢的主动权。而时间和技术,都不是后进者可以一蹴而就的。





二、EDA(设计软件):生态网络效应下的“幌金绳





如果说设备是针对芯片生产的一把封喉剑,那么EDA无疑是芯片设计环节的“幌金绳”,虽不致命但可以令“孙悟空”束手束脚、无处施展。



EDA这根“幌金绳”分三段:首先,它是芯片设计师的“PS软件+素材库”,可以让芯片设计从几十年前图纸上画线的体力活,变成了软件里“素材排列组合+敲敲代码”的脑力活。而且,现在仅指甲盖大小芯片,也有几十亿个晶体管,这种工程量,离开了EDA简直是天方夜谭。






 

20年前的英特尔奔腾处理器的线路图一角,目前晶体管密度已经上升超过1000

 

其次,EDA的奥秘,在于其丰富的IP库。即将经常使用的功能,标准化为可以直接调用的模块,而无需设计广发证券 再重新设计。如果说芯片设计是厨师做菜的话,软件就是厨具,IP就是料包。



而事实上,EDA巨头广发证券 ,往往是得益于其IP的独占。比如Cadence(楷登电子)拥有大量模拟电路IP,而其也是模拟及混合信号电路设计的王者;而Synopsys(新思科技)的IP库更偏向DC综合、PT时序分析,因而新思在数字芯片领域独占鳌头。



而在全球前三的IP企业中,EDA广发证券 就占了两个,合计市场份额高达24.1%。在Synopsys的历年营收中,IP授权是仅次于EDA授权的第二业务。




 



EDA还有一项重要的功能是仿真,即帮设计好的芯片查漏补缺。毕竟一次流片(试产)的成本就高达数百万美金,顶得上一个小设计广发证券 大半年的利润。业内广为流传一句话:设计不仿真,流片两行泪。

 

加州大学教授有一个统计测算,2011年一片SoC的设计费用大概为4000万美元,而如果没有EDA,设计费用则会飙升至77亿美元,增加了近200倍。



       


 

 

因此,EDA被誉为半导体里的最高杠杆,虽然全球产值不过一百多亿美元,但却可以影响全球五千多亿集成电路市场、几万亿电子产业的发展。

 

EDA如此高效好用,那我国自主化状况如何呢?很可惜,比操作系统还尴尬



我国最大的EDA厂商华大九天在全球的份额差不多是1%而美国三大厂商Synopsys(新思科技)、Cadence(楷登电子)以及Mentor Graphics(明导科技,2016年被西门子收购)则占据了80%以上的市场。



这也就导致了虽然我国芯片设计位居世界第二,但美国一声令下,芯片设计就会面临“工具危机”,巧妇难为无米之炊。不过,既然软件已经交过钱了,用旧版本难道不行吗?



很可惜,并不能。



因为这背后有一张EDA商、IP商、代工厂们互相嵌合的生态网。EDA是不断更新的。新的版本对应更新的IP库和PDK文件。而PDK即工艺设计包,则又包含了芯片工艺中的电流、电压、材料、流程等参数,是代工厂生产时的必备数据。EDA、新IP、新工艺,互相促进、互为一体。



因此,用旧版的软件就会处处“脱节”:做设计时无法获得最新的设计IP库,找代工厂时又无法和工艺需要最新的EDAPDK进行匹配。长此以往,技术越来越落后,合作伙伴也越来越少。不过既然EDA不过是0101的代码,从破解小组里找几个高手不就好了吗?



很遗憾,也几乎不可能。



每个EDA软件出厂时都会内嵌一个Flexlm加密软件,EDA和安装的设备进行一一锁定,包括主机号、设备硬盘、网卡、使用日期等信息。而Flexlm的密钥长度达239位,暴力破解的难度非常大。如果用英特尔高性能的CPU来破解的话,需要4000左右的核年(core-year),也就是说40核的CPU,需要100

 

当然,也可以采用分布式的方式,继续增加CPU数量减少时间。然而,即使破解成功了,来到了全新的IP库门前时,也会被EDA厂商通过“修改时间、文件大小、确认IP来源”等方式,再次进行验证,然后被拒绝。油然而生一股挖了百年地下隧道、却撞到石头上的酸爽。



破解并不有效,也不敞亮,还和我国知识产权保护的态度相违背。因此,依然还是要靠华大九天等广发证券 自研崛起。那么,这条出路有多宽呢?其实单纯写出一套软件,难度并不大。关键还是要有海量丰富的IPPDK,以及产业上下游的支持配合。单点突破未必有效,需要军团全面突围,而这并非一朝一夕之功。





三、材料:工匠精神最后的堡垒





2019年,日韩闹了矛盾,双方都很刚,但日本断供了韩国几款半导体材料后,没多久韩国三星掌门人李在镕就飞往日本恳请松口了,后来他更是跑到比利时、中国台湾,试图绕道购买或者收点存货过日。



按理说,韩国也是半导体强国,三星在设计、制造领域更是主要玩家,但面对区区几亿美金的材料,却被闹得狼狈不堪。



材料真的有这么难吗?讲真,半导体原始材料是非常丰富的,比如硅片用的就是满地球的沙子。但要实现半导体的“材料自由”,却并不容易,必须打通任督二脉:“纯度”、“配方”



纯度是一个无止境之路。我国已经实现自产的光伏硅片,一般纯度是6-89,即99.999999%,但半导体的硅片纯度却是119,而且还在不断提高。小数点后多35位,就意味着杂质含量相差了100010万倍。



这个差距有多大呢?假设,光伏硅片里包含的杂质,相当于一桶沙子洒在了操场上;那么半导体硅片的要求则是在两个足球场大的面积里,只能容下一粒沙子。



那么,为什么必须将杂质含量降到这么低呢?因为原子的大小只有1/10纳米,哪怕仅有几个原子大小的杂质出现在硅片上,也会彻底堵塞一条电路通道,导致芯片局部失灵。如果杂质含量更高的话,甚至会和硅原子混在一起,直接改变硅片的原子排列结构,让硅片的导电效率完全改变。




经过刻蚀后的硅表面和锡颗粒,如同明月在金字塔后升起

 

要达到如此纯度,需要科学和工艺的完美结合。



一方面,需要大量基础科学仪器来辅助。比如在材料生产过程中,设备自身就会有金属原子渗透影响纯度,因此需要不断改良。而要确认纯度,也是高难度。就像特种气体,就需要专门的仪器来检测10亿分之一(PPB级)的杂质含量水平。实现这个难度,就不仅需要半导体企业,还需要奥林巴斯等光学企业出马助力。



另一方面,从实验室到工厂车间也需要工艺积累。材料制造,不仅对生产设备要求高,就连工厂里的地垫、拖把,也都是高级别特供。而且,生产车间温度、湿度的不同,也会影响材料纯度,就不得不反复尝试后得出标准。



而高纯度只是第一步,复合材料(比如光刻胶)的配置更是难以跨越的鸿沟。如果说“纯度”是个艺术科学的话,那么“配方”就是玄学科学



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