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全球芯片荒的真相 藏在芯片生产的三大环节里

日期:2021年03月13日 09:24 来源:探客Tanker 作者:佚名


出品 | © 探客Tanker

作者 | © 行者

编辑 | © 蛋总

什么都要抢——这是近半年来芯片生产链上的每一家企业最核心的感受。

随着农历新年的结束,这一轮席卷全球的“芯片荒”由芯片领域延伸到了制造领域。2月中旬,美国知名的汽车企业联手向美国总统递交请愿书,要求美国以国家身份出来解决芯片生产问题。

这把本在小圈子里流传的“芯片产能不足”的事实,彻底公之于众。3月以来,芯片产能进一步下降的事实,让原本并没有对此担忧的手机厂商进入了抢购芯片的行列。目前,这轮“芯片荒”的影响,已经传导到了消费者头上。这让人不得不感叹,一颗小小的芯片已经牵动了全球经济的神经。

“当前市场上芯片的价格已经比2020年年底上涨将近10-15%,如果芯片紧缺局面继续持续三个月,相关生产商肯定会提高自己最终端产品的价格。”某IT技术研究院的研究员陈建对「探客Tanker」表示。

在他看来,当美国拿芯片制造领域的技术作为“杀手锏”来限制中国企业发展的时候,爆出这样的“芯片荒”,既有疫情和天灾人祸叠加的因素,更是美国以政治手段干扰全球芯片产业链运行所得到的反噬表现。

“经济学是建立在统计上的科学,已经通过市场自发形成的全球产业分工,被人为阻断之后一定会对全球经济产生巨大的负面影响。”陈建说。
1、从台积电和三星竞争说起
若想理解当前出现的“芯片荒”,就要先弄明白芯片生产的整体过程。众所周知,芯片生产是一个极其复杂的高精尖生产工艺流程,大概有2000多道工艺。

如果根据不同阶段的产品样式来划分,大致可把芯片生产流程梳理为:高纯度单晶硅片生产——光刻机的使用——蚀刻——气相沉积和离子植入——研磨与切割——芯片封测,这一系列流程完成后便可交付用户了。

因此,“芯片荒”出现的原因应该从芯片生产流程中去找。

据「探客Tanker」了解,在2019年至2020年,三星、台积电这两家全球顶尖的芯片生产代工企业,展开了一轮“攻破芯片生产最小纳米数”的竞争,这是“芯片荒”出现的重要前提。

由于芯片是一个投入巨大但产出极其不稳定的行业,原本从设计到生产“一条龙”都由一家企业完成的生产模式,越来越限制企业的产能和市场供应,最终被张仲谋创立的台积电以“纯第三方接单生产,芯片需求方仅需做好设计即可”的芯片生产模式所取代。

由于台积电是以生产芯片作为自己最主要的产品,所购进的设备能获得最大范围的利用,因此成本在可控的范围内,这就使得台积电获取的利润越来越高,竞争力越来越强。在这种“马太效应”下,芯片的市场份额逐渐向核心的几家大企业集中。

而在这些核心企业中,各家比拼的是如何在同样大小的硅片上制作更多数量的芯片,或者在相同面积大小的硅片上增加晶体管的密度,从而提升芯片的效果和能力。这两个竞争点,已经将“摩尔定律”逐渐演变成“极致的芯片纳米数竞争”。

在2019年,三星和台积电先后宣布攻破7纳米向5纳米转型生产线的难题,高通、华为和三星等消费类芯片巨头紧接着就推出基于5纳米技术生产的相关芯片。

这也就有了被华为消费电子掌门人余承东称作“华为芯片绝响”的麒麟9000,即便高通888紧接着就面世了,但麒麟9000迄今仍被多数人认定是5纳米手机类芯片里面的第一名。

当然,台积电和三星进入到5纳米芯片生产竞争领域,投入的研发成本、设备采购成本以及生产成本都远超7纳米的生产线。

曾在中芯国际任职工程师的李明对「探客Tanker」表示,根据他的了解,ASML能完成5纳米生产的光刻机,比7纳米的光刻机贵近一倍,“这还不算每生产一个芯片都要用的光刻胶,生产5纳米必须使用日本东京应化和信越化学所提供的顶级的两款光刻胶才能进行。”

在他看来,当生产量上升到一定级数之后,5纳米芯片的生产成本要比7纳米芯片贵出至少50%,“更别提5纳米芯片的良品率还不理想,虽然台积电声称自己5纳米芯片的良品率超过90%,但通过它给高通代工888芯片耗能‘翻车’的事情可以看出,台积电5纳米芯片的良品率应该还没达到这一个目标。”

这也就意味着有大量的芯片会因为出现瑕疵而被客户放弃,而这些被放弃的芯片也要算到最终芯片的成本中。

所以,如何降低5纳米芯片生产的成本,这是代工厂商台积电和三星特别关注的问题。大家首先想到的便是从材料上着手,要想办法扩大拿来进行光刻和蚀刻的单晶硅片的尺寸。那么,在材料这方面,各家又遇到了什么难题?
2、硅料涨价的背后
事实上,当材料的面积增大了,必然会容纳下更多的单个芯片,也使得每次所生产出来芯片的数量增加超过30%。但目前各家面临的难题是——硅料价格猛涨,进一步抬升了材料成本,这背后的原因是什么?

需知,在7纳米以前的时代,绝大多数的代工厂商最先进的生产线都是8寸晶圆生产线,原因就在于8寸在整个半导体级单晶硅生产中是一个主要尺寸。但进入5纳米之后,为了降低生产成本,三星和台积电纷纷上了12寸晶圆的生产线。

这也使得自2020年6月份开始,在国际半导体级单晶硅市场,迎来了一波从8英寸向12英寸直径转型的浪潮。

这里要普及一个概念:半导体级单晶硅是通过直拉法,利用电坩埚将硅液化以后逐渐拉制形成的硅棒,然后再用金刚丝进行均匀切片,形成可以送入台积电和三星进行芯片生产的晶圆底料。

而单晶硅生产厂为了解决直径扩大到12寸的生产,除了工艺上的改良,就必须使用纯度更高的单晶硅料。

虽然全球排行前5的日本、美国和台湾半导体级单晶硅生产商在市场上占比超过90%,但在8英寸及以下半导体级单晶硅生产上,最近两年中国的年增速就超过40%,这部分市场的自有率已经达到了6成到7成。

“12寸半导体级单晶硅,2020年有几家国内公司刚刚攻破生产工艺上的难题和瓶颈,生产线还需要1-2年的建设周期,真正大规模进入市场,需要到2022年才能看到。”李明对「探客Tanker」说道,他认为在半导体级单晶硅生产方面,我们国家还处于追赶阶段。

而如果谈及硅料,中国的优势就愈发明显。相关数据显示,连续4年中国的硅料出口占据全球的比例已经超过70%。

甚至在纯度要求没半导体级硅那么“变态”的光伏单晶硅和多晶硅市场上,中国的硅料和硅片出口,已经占据全球市场的90%。

究其原因有两个:

一是到目前为止,硅料生产需要耗费大量的电能,而现在全球电能生产最充沛且价格最低的是中国,尤其是中国的西部。因此,全球硅料巨头大量聚集在中国的西部,如新疆、陕西和甘肃这一带。

二是中国在2010年前后逐渐解决了硅料生产的设备国有化问题,原来曾占据全球硅料设备产能前5的海外公司目前仅有一家存活。而正因为解决了生产所有技术和设备的国产化,使得中国的硅料在国际市场上具有非常强大的价格和质量竞争力。

因此,这几年下来,在全球硅料市场就产生了中国硅料占比取胜的局面。

然而,自2020年下半年以来,一方面中国政府在推进节能减排,很多地方对于用电大户的硅料生产企业进行了产能上的限制,无形中降低了中国出口的硅料数量;另一方面,原本可以通过技术升级达到节能减排效果的中国硅料生产企业,却因美国禁止中国企业使用EDA设计软件等相关的工业设计程序,因而不得不寻找替代品,延缓了技术发展的步伐。

“业内皆知最赚钱的是半导体级硅料,去年上半年各家企业都卯足了劲想在这方面进行大规模的投入。没想到美国对中国的限制政策出来之后,EDA设计软件就突然被封锁了,我们自己研发中心做的新硅料炉设计过半了,但如今却推进不下去了。”某国内硅料生产企业副总裁陈光对「探客Tanker」透露。

在他看来,这种情况至少会延缓中国硅料企业大规模提供半导体级硅料半年到8个月的时间,“我们现在已经在测试国产的EDA软件,但由于两种软件的格式并不相同,这就意味着我们的设计师和工程师需要把原本的平面和实验室中达到的结论,在新的软件中重新画出来。”

他认为美国这种无谓的封锁,给整个芯片行业带来的影响会非常巨大,“这是一个全球供应链参与的行业,没有哪个国家能保证自己100%完成芯片的生产。”

不难看出,在“外临封锁,内遭限制”的情况下,硅料的供给量有所下降,进而导致了其价格上升。3月1日,来自于中国有色金属工业协会硅业分会的最新消息,国内硅料的出厂价已经上涨到10万元一吨。而在2020年上半年硅料价格跌到谷底的时候,曾经达到过6万元一吨。

基础原料价格上涨的幅度可见一斑。
3、芯片生产的中国因素
我们顺着芯片生产流程,从首先出现的材料价格上涨问题,来到了芯片的光刻机与蚀刻机的使用,这其中发生的新状况也是导致“芯片荒”出现的重要一环。

与众人都知道的光刻机不一样,其实在芯片生产的过程中蚀刻机的重要性一点不比光刻机弱。

所谓蚀刻,就是将材料使用化学反应或物理撞击作用而移除的技术,共分为干刻蚀和湿刻蚀:干刻蚀是利用等离子体撞击晶片表面所产生的物理或化学反应,或者两者的复合作用完成蚀刻;湿刻蚀则是利用化学溶液和被刻蚀物质之间的化学反应,最终将被刻蚀物质剥离下来。

通俗地讲,这个工艺就是在光刻机把集成电路雕刻在芯片后,利用蚀刻机的相关蚀刻原理,使得集成电路实现类似印章一样浮显在硅片上面,以达到保证硅片正常功能实施的目的。

因此,这也是在芯片生产中非常重要的一个环节。

而在蚀刻机生产的过程中,有一家中国企业是无法被跨越的——中微半导体,这是一家全球知名的蚀刻机生产巨头。

在2015年之前,美国商务部已经对中国等离子体蚀刻机实施出口管制多年。但2015年,美方解除了这一出口管制,因为中微半导体自主研发的等离子体蚀刻机,已经得到一线客户的广泛应用,美国的出口管制已经起不到任何作用。

更值得注意的是,中微半导体还是世界上第一家成功研制出5纳米精度蚀刻机的企业。

此外,从65纳米升级到5纳米精度的研发进程中,中微半导体逐渐掌握1016项专利,并且在四次由海外巨头提起的专利诉讼中全部胜诉。

关键在台积电想转型5纳米芯片生产的过程中,只有中微半导体能提供对应的蚀刻机。“据我了解,中微半导体在这几家有5纳米芯片生产线的代工厂蚀刻机的占有率超过50%。”陈光对「探客Tanker」表示,他认为中微半导体是中国在芯片领域突破关键技术封锁的第一个成功者。

“中微半导体对国内其他的芯片产业链企业有着非常积极的样本意义。”他补充道。

但在2020年,中微半导体对海外的出货也出现了一定的问题。与光刻机类似,蚀刻机也是一个利用全球产业链完成的产品。虽然中微半导体这两年不遗余力地推动国产化工作,而且蚀刻机的国产化率在芯片关键技术上已经高居榜首,但也不过20%-30%。

这使得在美国对中国芯片产业积极打压的背景下,原本可以从美国获得的相关产业链产品和技术目前都被喊停了。而这样的状况反馈到市场上,就是中微半导体对于海外高等级蚀刻机的出货量受到较大影响。

“现在没法评估这到底是有多大的一个数据,但据我了解,主要是对海外客户的交货速度受到了影响。”陈光就此向「探客Tanker」表示,他觉得这也是一个新的机遇,在国家的协调下,去年下半年围绕蚀刻机的国产化,正在进行攻关,“应该很快就能看到一些好消息”。

而这样的情况也必然会传导到芯片生产领域,使得台积电、三星等芯片代工企业扩充的新产能无法落地,这就进一步助推了“芯片荒”的产生。

此外,值得一提的是,中国在芯片生产过程中起到决定性因素的另一个环节是封测。从严格意义上讲,芯片的生产过程可以分为三步:设计、生产和封测。

像台积电这样的代工厂,最终形成的还是一个半成品,所有的晶圆被集成电路的线路所覆盖,但还没有形成单一的芯片。台积电生产出来的“半成品”需要由封测厂商对其进行切割,然后将芯片固定在基板上进行封装,并对封装好的芯片进行测试,保证100%完成设计公司的要求,这个过程就是“封测”。

说实话,封测是我国第一个攻破芯片生产核心环节,原因就在于劳动力成本的低廉,使得中国展开的封测工作能大大降低全球芯片生产的成本。

因此,2020年的数据显示,在全球芯片封测市场上,中国的市场占有率在全球排名第二。国内有三家企业都进入了全球封测市场份额前十排行榜,其中江苏长点的份额是14.5%,排在了第三名,而通富微电则是5.9%,排在了第六名,天水华天的份额是4.7%,排在了第七名,三家企业加起来的市场份额达到了25.1%。

另外,全球最知名的芯片封测巨头日月光,其所有的封测业务也放在中国进行。“在严格意义上说,全球应该差不多一半以上的芯片封测是在中国完成的。”陈光对「探客Tanker」表示,由于美国的贸易壁垒政策,使得很多涉美国生意的代工和芯片生产供应链企业客户,不得不停止与中国封测核心企业的合作,反而将业务发给日本或加拿大、美国本土的公司。

“这肯定会推升单一芯片的生产成本。”陈光说道,他认为这也是此轮“芯片荒”爆发的重要原因之一。

当然,在他看来,由于日本是主要生产芯片所用的化学药品的国家,前一段时间的地震使得很多与生产芯片相关的药品和光刻胶的企业纷纷停产,再加上美国德州的电力危机让投资在那的几个芯片巨头损失惨重。

在多重因素的叠加下,全球爆发了新一轮的芯片价格上涨和产能荒。

香港长期研究芯片上市企业的投行分析师林熙对「探客Tanker」表示,这一轮的“芯片荒”其实是给全球的国家提了一个醒,“经历漫长二三十年的国际合作和发展奠定的国际供应链分配格局,尤其是在高新技术产品的生产上,不能轻易去调整,否则各个国家都要受到反噬。”

在他看来,经济学规律在任何时候依然发挥着主要的作用,若想以人为的因素去调整经济的分布,“让那些经济学的泰斗去操作也不一定办得到。”

不过,在一片愁云惨淡的局面中,业内传来了一个好消息——3月11日,中国和美国的半导体协会达成了共同商讨的工作机制,这极大鼓舞了国际资本市场,相关芯片产业的股票纷纷在12日上涨。

林熙认为这可能为中美的对话,乃至未来解决全球芯片供应链短缺的问题,奠定一个良好的基础。“但供应链被扰乱了以后,恢复常态也需要自我修复的时间,因此我通过分析数据认为,芯片荒很可能会持续到年底。”

而从这个角度上说,当前在高科技芯片生产领域遇到的难题,其实是欧美政治家不遵循经济学规律所引发的“全球性灾难”。

这倒印证了一句在经济学领域常说的谚语:

经济学不是最无用的科学,有些时候它会决定你的生死。

*注:文中李明为化名。文中题图来自:摄图网,基于VRF协议。


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