【原创研究】中国芯片，生存还是毁灭？
来源： 高级合伙人 徐院凌日期：2023-03-29浏览量：299
2023年1月美国、日本、荷兰达成协议限制向中国出口相关设备，部分DUV光刻机受限。3月3日美国商务部实体清单里又新增了28家中国企业和个人，包括浪潮集团、龙芯中科、第四范式等。敢情美国国家安全不是一点点的脆弱，就2018年华为中兴事件以来，已经有210多家中国科技企业上了实体清单。半导体作为最高精尖的制造，对上中下游产业链的紧密合作和精细分工提出了极致的要求，成为最注重生态系统的高难度产业。经过60年的发展，在市场经济的主导下，由于各国家与地区的擅长不同，共同构建了全球化专业分工的半导体产业链，形成了覆盖软件、硬件和芯片一体化的生态系统。以某智能手机芯片为例，手机厂商选择了美国的芯片设计公司比如英伟达，英伟达使用欧洲新思的底层设计软件（EDA工具）和通用IP画出设计图，中国台湾的晶圆代工厂比如台积电，采购美国、日本和欧洲的设备，根据芯片图进行大批量制造。加工好的芯片再送往台湾日月光完成封装，最后在中国大陆的工厂被组装到智能手机中，然后再销往全球。由于每个产业链环节所需的特质不尽相同，也都有其门槛和壁垒：● 高附加值：上游芯片设计和设备研发密集型，平均毛利率50-70%；设备毛利率达40-50%，分别占到产业价值链的59%和12%。● 低附加值：上游材料是资金密集型，中游晶圆制造是资金密集型，封测是资金和劳动力密集型，分别占到产业链的5%、19%和6%，相应的毛利率水平15-25%。中国是全球半导体“代工厂”。曾经中国作为世界代工厂，我们擅长的就是低附加值的代加工。经过20年的努力，中国半导体目前在全球产业链中也步上后尘。目前我们的晶圆厂和封测厂分别接了全球21%和38%的订单。然而占据产业链大头且毛利率最高的设计和设备环节，我们只占到了5%和1%。
注：上图台湾指中国台湾省
但是如果进一步深挖，又会发现一些有趣的现像。根据2021年有公开信息的芯片设计企业数据，我们发现芯片设计上市公司的营收已经占到全部半导体上市企业的60%（国外才56%）。而晶圆制造才15%（国外19%）。所以其实产业链的深处仍有结构性的机会。
（1）芯片设计环节，我们的短板在逻辑芯片，其他芯片已有一定基础。● 逻辑芯片类上市公司营收占到整个芯片设计上市公司营收仅13%，存储芯片仅3%，而国外这个数字分别是53%和27%。所以我国上市公司结构中逻辑芯片类和存储芯片企业还有很大空间。其中存储芯片情况特殊，一方面是资金密集型和极度标准化的行业，非民营资本可以主导推动的，另一方我国最大的两家长江存储和长鑫存储都未上市，其实给民营创业企业的机会非常有限。● 我国DAO（包括分立器件、光电器件、传感器和模拟芯片）已经有62家上市公司，按照上市公司营收来看，已经占到IC设计产业链84%。而国外DAO企业仅占20%，其中10家企业占到了整个DAO市场的60%。所以中国半导体的DAO市场选手已经足够多了，未来更多是进行并购重组和整合。
（2）制造环节，我们的短板在先进制程，但成熟制程自给率也有较大空间。● 就上市公司中，晶圆制造上市公司整体营收占到产业链15%，还不如封测端占到了18%，因此晶圆制造仍有较大的成长空间。● 先进制程（<14nm）中国还未完成“0”突破。● 虽然我国晶圆制造供给占到全球21%，但中国大陆排名第一的中芯国际，在2020年40nm 及以上成熟制程的全球市占率仅占 11%。
3，中国半导体的“危”与“机”
回溯过往卡脖子的路径，我们不难发现，我们半导体已具备一定的基础，可以打造以软件、硬件、芯片一体化为核心的中国半导体生态系统。（1） 我们具有全球第一大半导体消费市场，自给率却只有16%。2021年中国半导体需求市场达1877亿美元，占全球需求市场的35%，位列全球第一，但其中只有16%是中国自给满足的。
仅半导体上市公司企业已经覆盖了半导体全产业链，还不包括诸多还未上市的中国企业。
我们具备的14nm以上成熟制程可以满足70%以上市场场景，而且除逻辑芯片之外的芯片设计也较为成熟。只是我们上下游产业链缺乏深度联系，致使行业整体与全球仍有不小差距。正是因为模拟芯片、芯片代工越早被卡，因此他们崛起得越早，现今也越成熟。如果没有列强卡着脖子，中国半导体只能挑那些海外大厂不屑做不愿做的脏活累活苦活，连被终端客户试用的机会都没有。这个机会是从无到有的大产业机会。
但是为何我们的逻辑芯片迟迟不能如模拟芯片那样实现国产突破呢？其背后也正是我们现在的困境：（1） 模拟芯片缺的是任何机会，逻辑芯片缺的是大机会。打个不恰当的比喻，模拟芯片就像非遗手工艺，需要的是经验丰富的匠人，只要有一两个匠人，找到一个细分赛道，从一款产品就可以开起作坊来，然后招更多的人，做更多款芯片，实现更大的收入规模。但逻辑芯片是军团作战，一开始就需要很多人，很多的资金，因此需要的是一个足够大的赛道，充分宽阔的市场。（2） 逻辑芯片设计能力与海外差距较小，但受制于底层EDA软件和IP核，还有先进制程。
其实我国的逻辑芯片设计能力比如GPU只差海外英伟达1代，存储芯片差三星电子1-2代，但我们整体的产品性能、出货量远未起来，背后的原因是逻辑芯片高度依赖EDA软件、IP核和先进制程，就如巧妇难为无米之炊。而模拟芯片不需要EDA软件和IP核，且依靠成熟制程即可完成，具备了国产话的所有要素，所以迅速实现了国产化的跃进。
4，中国半导体的出路
上述所说的三个挑战：逻辑芯片所需的大赛道和市场，底层软件和先进制程，其实就是最大的机会，也可能正是我们半导体的出路：（1） AIGC+信创大赛道给中国逻辑芯片带来新际遇。
● chat GPT的问世真正开始了人工智能计算时代，其中算力是大模型运行的关键所在。
根据chatGPT的投入可知，初始算力投入成本约为7.59亿美元，而公有云下单次训练约为百万至千万美元。未来多模态趋势下，更广的数据形态、更多的应用场景、更深的用户体验，亦将大幅提升支撑人工智能的算力需求，算力芯片必将迎来高速扩张时代。
● 信创和国产替代：中国独有的市场机会。
2022年9月底，国资内部指导信创的79号文件，要求所有央企+国企+地方国企2027年实现基础硬件、基础软件和应用软件100%的全替代。而目前基础硬件中的CPU和GPU的国产化率最低，10%不到，需求紧迫性极强。目前我国GPU、ASIC相关的创业企业也都在高速成长中，相信集国家意志和产业共同之力，遵循摩尔定的发展规律，我们一定也能迎难赶上。
（2） 发展RICK-V降低对海外垄断的指令集架构的依赖。
RICK-V最大的特点是“开放标准化”，即完全开源的，任何人都可以免费使用。而且可拓展性，可模块化设计，只配置需要的部分严格规定兼容性，工程师可以添加自己的指令集，同时可用于DSA（特定域的加速度）。
从竞争性角度看，Arm架构和X86架构分别在移动端、PC和服务器市场垄断多年，这些领域RISC-V新玩家渗透进去还非常需要时日。但在AioT、新能源汽车电子、异构计算等新兴领域，RISC-V和其他架构站在同一起跑线，反而具备一些巨头们不具备的新起跑优势。
（3） 通过Chiplet工艺技术以成熟制程实现先进制程性能。
目前主流SoC芯片是将多个负责不同功能的电路块通过光刻的形式，只做到同一片芯片die上，主要集成了CPU、GPU等逻辑芯片单元和诸多接口IP，对先进的纳米工艺存在较高依赖。
而Chiplet（芯粒）指的是将SoC芯片（集成系统芯片）切分成多个芯粒，然后使用先进的封装技术将他们连接在一起。Chiplet最核心的优势在于成本：
● 在巨大算力需求下，芯片晶体管数量暴增，芯片面积不断扩大，而chiplet设计把大芯片分成面积更小的芯片，从而有效改善良率，减少不良率导致的成本增加。● SoC芯片的逻辑计算单元依赖先进制程来提高性能，其他部分通常可使用成本更低的成熟制程，SoC芯片chiplet化之后，不同芯粒可以根据需要来选择合适的工艺制程分开制造，再通过先进封装技术进行组装，从而有效降低制造成本。
5，走自己的路，戴着镣铐也能起舞
真正的强者，受得起巅峰，经得起低谷。中国的半导体，曾经被捧得狂飙，如今被踩到谷底。没关系，只要看清未来的彼岸，做出模糊的正确选择，站在此岸，除了不懈地加倍努力外，就只要静待花开。
