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芯片是信息系统的中枢,中兴事件之后,举国反思,核心技术是买不来的!知耻而后勇,现在开始励精图治,通过10到30年时间的积累,应该会有不一样的局面!

一文读懂:真实的中国芯片产业
文作者来自通讯行业,无线电专业本科,通讯专业硕士。在近二十年的研发和管理工作中,作为芯片行业的用户,长期接触供应链。他从产业链的视角对我国电子元器件,特别是芯片产业有自己独特的观察。
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什么是电子元器件
电子元器件所包含的产品范围非常广阔,加上过去几十年间人类总共生产过的电子元器件,估计SKU有1.6亿种以上。电子元器件的生产厂家不管是大厂(如三星和英特尔),也不管是只有十几到几十个人的作坊式企业,技术都有独到之处。
从生产厂的投资额来讲,需要投资最大的是拥有最先进工艺的集成电路厂和各种屏幕厂,投资额基本在数百亿人民币到一千多亿人民币。大量的电子元器件品种并不需要像生产集成电路那样的生产设备,也不需要那么大的投资。但只要有一颗坏了,就会让你整个电路板报废。

TDK和三星等名牌厂家的电阻电容,在生产工艺方面有长期的积累,能生产几百亿颗都保证质量的一致性,次品率极低。这是国内厂家所达不到的。虽然这类产品非常简单,但直到现在国内厂家在质量上还是赶不上欧美日韩台企业的产品。
这里面有大量的基础知识和经验积累,即所谓的know-how,那些欧美名牌企业都是积累了几十年的经验,有他们的核心技术和一批有多年经验的老工程师,我国在这方面积累实在太少。
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集成电路是怎么回事
集成电路(integrated circuit)(缩写IC)是一种微型电子器件或部件。采用一定的工艺,把一个电路中所需的晶体管、电阻、电容和电感等元件及布线互连一起,制作在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上,然后封装在一个管壳内,成为具有所需电路功能的微型结构;其中所有元件在结构上已组成一个整体,使电子元件向着微小型化、低功耗、智能化和高可靠性方面迈进了一大步。
集成电路技术包括芯片制造技术与设计技术,主要体现在加工设备,加工工艺,封装测试,批量生产及设计创新的能力上。

线宽:全球半导体企业一直投入巨资研究新的制程工艺,其标志就是集成的半导体元件的线宽。每一次制程工艺的进步,都带来更小的线宽,更小的功耗,更高的工作频率,能够集成更多的元件,有更强的性能。半导体行业最先进的制程工艺从几十微米到10纳米,直到今年三星就要量产的7纳米,每隔两三年就更新一代。
晶圆:晶圆是圆柱形的单晶硅切割成的圆形硅薄片,所有的IC都是在晶圆上加工而成的,然后经过切割和封装、测试,就是芯片成品。显然,晶圆越大,能在晶圆上制造的IC就越多,成本就越低。所以在半导体行业发展的近几十年里,晶圆的尺寸不断加大,从4英寸发展到现在的主流12英寸,未来会有更大的晶圆。原理上讲,用多少纳米线宽的制程工艺和晶圆的尺寸没有必然的联系,7纳米也可以用4英寸晶圆,但实际上IC工厂通常会采用那个时代最大的晶圆来降低成本。
投资和行业:每一代制程工艺的进步,新建工厂所需投资都大幅度增长。从70年代的几千万美元,到最近三星,英特尔和台积电投资的7纳米生产厂,投资额都已经超过二百亿美元。这种天价的建设成本带来两种后果:
第一,是小国或者新进入IC行业的国家,已经没有经济实力追求最先进的制程工艺了。台湾和韩国都是举政府之力全力支持,并且从几十年前IC工厂所需投资还没那么大的时候就进入行业,经过以厂养厂的良性循环,利用旧工厂的高利润才能撑得起对新厂房的投入。而投入稍微不足,便一步落后步步落后。全世界最先进的IC制程工艺只掌握在三家公司手中:三星,台积电,英特尔。而目前唯一有可能赶上来的,就是中国。
第二,就是如此高价的厂房,靠自家的产品一般都无法填满产能,造成自家产品的成本飙升。为了填满产能,摊平成本,所有掌握最先进工艺的厂家都必须为其它公司代工。台积电是只有代工,没有自己品牌IC产品的。三星和英特尔都有自己品牌的IC产品,但也为其它企业代工。

没有IC工厂的设计企业有很多,比如华为海思花影迷离,AMD,NVIDIA,高通,MTK,博通,等。华为不止是手机CPU是自己设计,它的网络产品中用的交换机芯片,路由器芯片,和电源管理等等很多芯片都是自己设计找FAB厂代工的。华为是核心电子元器件自主率最高的中国企业,当然,它也有大量的电子元器件需要进口。
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中国的IC行业水平如何?
中国的经济实力是在最近十年左右才爆发性增长的。由于IC FAB工厂所需投资额巨大,十几年前中国实际上没有多少钱投入,水平落后是必然的。再加上科研体制的问题,早期有一帮公司靠打磨进口芯片冒充自己的产品,造成了极其恶劣的影响荣县一中,这种情况直到近些年才有所改观。
首先看IC制造FAB企业的水平:中国目前(2018年初)最先进的IC制程工艺是中芯国际和厦门联芯的28纳米制程。厦门联芯的28纳米良品率已经超过95%,而中芯国际的28纳米良品率还不高。而中芯国际已经把14纳米制程作为研发重点,争取在2019年底之前量产。另外台积电在南京投资的16纳米工厂,目标是2018年底量产。
那么世界最先进水平呢?上周刚刚爆出的消息,三星的7纳米制程刚刚量产成功,而且是应用了ASML最先进的EUV光刻机完成的。而台积电没有使用EUV光刻机的7纳米工艺要到今年底才能量产,英特尔会更晚些。使用EUV光刻机未来可升级到更先进的5纳米制程。

这样看来,中国的IC制程技术比世界最先进水平落后两代以上,时间上落后三年多(台积电和三星的14/16纳米制程工艺都是在2015年开始量产的)。这实际上就是美国对中国大陆IC制造设备的禁运目标。
IC制造设备种类非常多,价格都非常昂贵,其中最重要的是光刻机。目前,世界上唯一的光刻机厂家就剩下ASML。ASML是荷兰飞利浦公司的半导体部门拆分出来的独立公司。ASML的主要股东是飞利浦,但三星,台积电和英特尔都占有股份。
ASML每年光刻机的产量只有不多的几十台,每台卖一亿多美元,只能优先供应它的主要股东。中国企业如果订货得排在后面等,交货期将近两年,交货后生产线调试,工艺调整还要一年左右,加到一起,从下订单到量产要至少三年。这样通过正常的商业逻辑和流程,就能达到美国政府制定的,让中国落后于最先进IC工艺至少三年的目标。
但是在这里必须说明,中国IC制程落后的最主要原因,并不是买不到光刻机,或者是光刻机到货太晚。最主要的原因在于没有足够的人才和技术!现状就是,即使把所有最先进的生产设备都马上交给中国IC制造企业,中国IC企业在三年内也没有能力量产最先进的IC制程。事实上中芯国际目前就有14纳米制程的全套设备,而他们的28纳米制程都没整利索。再说一遍:最大的瓶颈在于缺乏技术和人才。

而中国懂这些技术的人才太少。中国自己的大学微电子专业离业界先进水平太远,培养出的合格工程师太少。这也解释了,为什么中国的IC制造企业大量高薪挖台湾日本韩国的IC制造人才。指望买到最先进的生产设备,短时间就赶上世界最先进水平是不现实的。技术的积累和人才的培养都需要很长时间。
那么到底有没有机会赶上呢?也许未来5年左右是个弯道超车的机会,但要看运气。原因在于,新一代制程工艺对于半导体线宽的缩小不是无限制的。业界普遍认为,以目前的工艺技术,到了3纳米以下的时候,电子在半导体内的流动就不是按照我们所理解的理论来走了,而是会遇到神秘的量子效应,当前的工艺技术就失效了。
各大领先企业都投入巨资研发全新的工艺和技术,试图突破这一限制。但到目前为止,还见不到实用的技术突破。所以,也许,在5年之内,各领先企业都会停滞在3纳米制程附近,正是中国赶上来的好机会。但是也有可能,未来5年真会有技术突破,那么领先企业还会继续领跑,中国还得在后面苦苦追赶。

不过IC制程工艺未来有一个发展方向是实用的并且已经在闪存行业应用了:那就是向多层发展,3D堆叠。目前三星已经量产64层堆叠的NAND Flash芯片,正在开发96层堆叠的技术,中国紫光刚刚量产32层堆叠的NAND Flash芯片,64层的计划到2019年才能量产。而除了闪存芯片之外的CPU类IC,目前都是平面的一层,未来肯定会向多层发展,能够成多倍地提高IC的集成度。这种技术也是中国企业需要突破的。
但是,除了对速度和功耗有极致要求的一些IC需要追求最先进的制程工艺外,比如各种CPU和GPU等,其它大部分的IC产品实际上并不需要使用最先进的制程工艺。实际上,目前业内公认性价比最高的制程工艺是28纳米,而这一工艺正在被中国大陆企业掌握。
还有一个事实就是,28纳米工艺的营业额目前是台积电所有工艺里最高的。只要把这块市场拿下,做大,中国的IC企业就能占据大半江山了。

再说说FABLESS IC设计企业。这个行业中国进步是比较快的,当然这也和能买到现成的IC设计方案有关(业内叫IP core),其中最有名的就是ARM架构的CPU了。2017年底,中国大陆的FABLESS企业的营业额已经超过了台湾,而且还在高速发展中。
不要认为国内智能手机CPU企业都靠买ARM的IP core。要知道,数年以前美国买ARM方案做手机CPU的IC企业可有不少,比如NVidia,Marvell,TI。他们后来都退出了智能手机CPU市场。而中国这几家企业坚持下来了并且发展壮大,很了不起。
在很多产品线上,比如WIFI芯片,蓝牙芯片,交换机芯片,FPGA芯片,中国的FABLESS企业都有布局,都有产品,只不过产品还比较低端,占据高端的都是国际大厂。高端芯片比低端芯片强的主要不在制程工艺上,甚至低端芯片的制程工艺和高端芯片可能是一样的甚至更高。高端芯片高在这几个方面:
1、拥有专利,甚至写入了行业标准。
2、能领导行业标准的升级,性能更好功能更多。
3、在推出时间上能领先低端厂家,吃掉产品生命周期中利润最丰厚的时段。
以WIFI芯片为例:国际大厂如英特尔,博通,Marvell等,都养了一大批研究人员,对未来几年的技术进行研究,同时在IEEE的WIFI标准化组织里投递研究成果,和同行PK,争取把自己的专利写进下一版标准中去。

同时工程部门同步做实现,能在IEEE开会的时候拿出样品做成果展示。当WIFI标准一定稿,立即推出产品。国内做WIFI芯片的小厂根本没有这个实力参与这个游戏,只能等WIFI新版标准发布之后,拿到文档,仔细研究,然后研发生产。更多的时候,最新标准还无法实现,只能生产老版标准的产品。这就是低端产品和高端产品的主要差别。
总之,在FABLESS设计行业,我国企业的布局已经展开,发展迅猛。主要的问题是,仍然有一些空白点需要填补,已有的产品偏向低端,需要慢慢向高端拓展。
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中兴怎么办?中国怎么办?
这次中兴被美国政府禁售电子元器件,麻烦很大。基本上是灭顶之灾。虽然被禁售的美国产电子元器件有可能找到日本欧洲乃至国产货代替,但是所需时间太长,原因如下:
导入替代电子元器件并不是一件容易的事。对于一个从未用过的元器件,需要经过大量的测试,需要很长的时间,下面是一些例子:
a. 最容易替代的是一些电阻电容类的无源器件。基本上只要出一版新的电路板PCBA,经过一段时间的可靠性测试,就可以量产。总共需要的研发时间也就是数周。
b. 如果是涉及到无线电的射频器件,替换起来就麻烦多了。因为这些射频元器件直接影响到产品发射出去的电磁波,除了新PCBA需要经过可靠性测试以外,无线部分还需要送交第三方实验室进行无线方面的测试,取得相关国家和地区的政府认证,比如欧盟的CE,美国的FCC认证。而且在研发方面还涉及软件参数的调整。这个流程至少需要数月时间。
c. 如果是产品的核心处理器要更换,那就更麻烦了,因为这涉及到软件。如果新的处理器所用的操作系统和原来的都不一样,那就相当于整个产品重新研发一遍。甚至原来十几年在原有操作系统上所积累的大量软件代码,全都需要移植甚至重新编写。整个新电路板PCBA需要把所有的测试流程都重跑一遍。整个流程需要的时间就是数月乃至数年了。

总之,即使有替代品,中兴公司也会面临数月乃至数年没法出货。更何况,可能真的有些元器件只有美国能生产,其它国家没有,这就没办法了。请记住,电子产品中涉及的电子元器件成百上千,有一颗你买不到,你的产品就造不出来。
中国政府必须把电子元器件行业尤其是IC行业作为发展的重中之重了。发展电子元器件产业,我们不缺钱,缺的是人才和技术积累,除了给研发人员开出有竞争力的工资,还需要社会环境和科研体制的改革,才能留得住人。
这是要经过漫长的努力才能补上的课。我们不能指望看到国产电子元器件在短期内打遍全世界。

中国芯片业能崛起吗?京东方的经验告诉你,能!
塞冬在北大期间就读的实验室,曾在十多年前研制出我国第一套支持正向设计的CPU软硬件协同设计环境,并相继开发出了具有一定商业应用场景的32位/64位微处理器,这让北大成为“中国芯”的重要发源地之一。
然而,无论是北大的CPU、还是中科院著名的“龙芯”,如今在普通市场上都已基本销声匿迹。包括塞冬自己在内,国内顶级高校和科研院所里曾参与过“中国芯”研发的一代学生,现在也大多没有再从事这个行业。
就这样,“中国自主芯片”,就像一个重复了多年的美梦,在过去二三十年里,被人们反复提起,又一次次失落地忘记。整整一代曾为之奋斗的年轻人,如今也大都被现实和生活浇灭了梦想,分散在各行各业。
而随着我国综合国力的飞速进步,在诸多关键领域取得突破性进展,产业结构上的关键短板也渐渐被人们所淡忘。直到这几天,中兴遭到制裁的新闻才又一次点燃了人们消失已久的种种疑问:
中国的集成电路产业何时能够崛起?
中国是不是点错了科技树,只会“模式创新”?
中国何时才能打破“缺芯少魂”的尴尬,不怕他国封锁?
作为一名曾参与过“中国自主CPU”一线研发工作的计算机系毕业生,塞冬觉得有必要讲讲这个话题。而依照惯例,本文将继续使用大量数字来回答上述问题,并会提出这样的观点:
“中国芯”、“中国自主电子产业链”不仅是个关乎国运的宏大命题,更是我国各地区能否实现产业升级和继续保持高速发展的决定性因素之一。
“中国屏”在经历十余年的黑暗后强势崛起,其经验值得“中国芯”借鉴。
中国芯片的制造问题,可能会有一个非常特别的“中国特色”解决方案。
话不多说,下面用数字说话。
东亚电子产业链
2017年,中国对美出口最多、也是顺差最大的两项商品分别是“电话机等通信设备”和“自动数据处理器”,翻译过来就是电话和电脑。这两个项目分别占中国对美出口额的13.8和9.7%(https://comtrade.un.org/,美方口径),总额约1200亿美元。
再来看“中国制造”在世界电脑/电话产量中的比例(《中国统计年鉴》、IDC、工信部《电子信息制造业运行情况》,产量单位:亿):

可以看到,中国目前生产了全球六成五的PC/平板电脑,以及几乎全部的手机(产/销量、《年鉴》/IDC统计口径问题,越南和印度也有个位数的份额)。
事实上,自加入WTO以来,电脑和手机产能在持续不断转移到我国,不仅发达世界的产能流失殆尽,甚至连人力成本低于中国的东南亚和印度的手机制造业,也被中国血洗。
如今,中国每年消费的PC和手机占全球的25-30%,是毋庸置疑的第一大市场。但是“消费占比”相比起“生产占比”,实属小巫见大巫。中国每年巨量进口芯片、显示面板、基础电子原器件,加上自产部件,通过“富士康们”组装为成品,小部分自用、大部分供应全球。
2017年,我国对外顺差最大的三个地区(单位:元,来源:海关总署)
美国:1.87万亿人民币
欧盟:8656亿人民币
印度:3508亿人民币
2017年,我国对外逆差最大的三个地区
台湾地区:7533亿
韩国:5047亿
澳大利亚:3623亿
不管我们乐意不乐意,都不能不承认如今韩国和台湾地区在世界集成电路市场上的重要地位。中国大陆去年进口的2000多亿美元芯片,大多就来自这两个在地缘上与我们敌对的地区。三星home键在哪
2017年第三季度,韩国的三星和海力士占据全球内存(DRAM)市场的74.5%,两家公司在DRAM上单季营收143亿美元。此外,美国美光占21%,三家公司瓜分殆尽。

闪存(NAND)市场方面,三星和海力士占47.1%,两家公司在NAND上单季营收71亿美元,剩下的份额由东芝、西数、英特尔、美光瓜分。

韩国如今每个季度要生产价值214亿美元的内存/闪存,其中大部分进入中国,成为made in china电子产品的一部分。
台湾地区的实力则体现在芯片代工领域,世界前十芯片代工厂,台湾地区占了4家,总份额67.6%。其中台积电一家,年营收就达320亿美元,市场份额超过一半,是大陆最大代工厂的10倍,处于绝对霸主地位。

美国的几大芯片巨头中,英特尔自产,高通、博通和NVIDIA大都在台积电流片女神的宠物。于是,当oppo/vivo/小米进口高通芯片时,其大部分价值体现在台湾地区对大陆的货物贸易出口,而少部分价值则体现为设计和知识产权上美国对中国的服务贸易出口。我国自主设计的大多数商业芯片,如华为海思麒麟系列,也是在台积电流片。
综上,美国对中国大陆的货物贸易逆差在很大程度上实际是美国对韩台的逆差。哪怕中国完全放弃电子产品组装,将“富士康们”转移到东南亚和印度,美国的逆差也不会减少。
那么,美国发动贸易战的意图何在?
其原因就是,中国大陆在过去十余年里,一方面把全球消费电子的组装制造环节基本全吸纳过来,而另一方面在零部件和终端品牌建设上不断突破——从山寨贴牌,到3家公司进入全球top5手机品牌,从每台苹果手机只赚几美元加工费,到成为iphone零部件重要提供方节瓜汤。
下图为全球top5手机厂商:

零部件方面,欧菲光、汇顶科技、舜宇光学等,在各自领域都已是世界前列,vivo首推的屏下指纹采用汇顶方案,舜宇镜头模块应用到三星S9。苹果手机上来自中国大陆的零部件份额在过去5年中提升了一倍。

虽然,韩国、台湾地区、日本,仍然在手机零部件上优势明显。但可以说,只要中国大陆一直占据消费电子产业链的组装生产环节、占据下游品牌,就会不断向上夺取品牌份额,向下拓展零部件空间,早晚变成一个全产业链玩家,成为美国及其盟友们无法威胁的对象。
于是,尽早阻止中国做大,通过贸易战和高关税逼迫消费电子生产环节移出中国,斩断中国把控整个产业链的“野心”,就成为美国国家战略的一大选项。
“缺芯少屏”和“缺芯少魂”
近几天,主流媒体在评论中兴事件时,对中国电子产业的评价是“缺芯少魂”。而在5年前谈起类似话题时,更常用的一个词是“缺芯少屏”。因为当时中国不仅缺芯片,还缺显示面板。5-10年前,从电视到pc到手机,全球液晶面板基本被韩、台、日包揽,中国厂商的份额很小。
而随着过去几年中国厂商的极速扩张,以京东方、华星光电为代表的中国面板产业,在世界上也有了一席之地,极大缓解了我国“少屏”的问题。
2017年第三季度,京东方在9寸以上大尺寸LCD面板获得了21.7%的市场份额,超越LG的19.3%,首次成为全球第一。
整个2017年的份额如下所示(BOE:京东方,Innolux:台湾群创,AUO:台湾友达)
《中国开始在大面积LCD市场超越韩国厂商》
http://www.businesskorea.co.kr/news/articleView.html?idxno=19469
然而,在以手机为代表的小尺寸面板领域,韩日厂商仍然占据优势,京东方只取得了6%的市场份额。

特别是,在高端的OLED屏方面,三星占据绝对主导,而且短期内难有超越的可能。

虽然和三星还有差距,但我国的显示面板产业能有如此突飞猛进的增长,已实属不易,起码不像芯片这样极大比例依赖进口。我们来看一组数字:
2010年,京东方营收80亿,净亏损20亿。
2017年,京东方前三季度营收694亿,净利润65亿。
2012年,我国进口显示面板503亿美元。
2017年,我国进口显示面板下降到301亿美元。
如前文所说,中国占据了绝大部分电脑/手机产能,要想实现显示面板自给自足,就得自产绝大部分显示面板——也就意味着还要大幅压缩韩台日厂商的空间。
下面是全球主要厂商LCD+LED总生产面积的对比情况,可以感受下大陆厂商和韩台日厂商的趋势对比。照此速度发展下去,5-10年后,台湾、日本厂商将被踢出一线梯队,韩国厂商则将逐渐退守尖端的OLED领域。届时,除韩系旗舰手机/旗舰电视外,中国面板厂商将可能实现对绝大部分消费电子产品屏幕的大包大揽。

从“缺芯少屏”到“缺芯少魂”,一字之差,表明了我国在电子产业领域补齐短板的努力。既然我们在液晶面板上能成功实现后发追赶,那么芯片领域呢?我们在5-10年后能不能像液晶面板这样看到芯片进口量的显著下降?
“国运”、“省运“、”市运”
看多了数据和表格,我们再来看几项大工程。
如上文所示,在日益流行的OLED面板领域,三星仍将在长时间内处于垄断地位。
全球柔性oled市场规模在第三季度达到30.4亿美元,目前该领域最大的领头羊是三星,其占据了市场高达96.5%的份额,作为对比,排在第二名的是LG,占据了市场3.3%的份额。
http://tech.sina.com.cn/mobile/2017-12-26/doc-ifypxrpp4047646.shtml
为了尝试突破三星的垄断,京东方开始建造AMOLED生产线。
10月26日,京东方宣布位于成都的第6代柔性AMOLED生产线提前量产。这是中国首条全柔性AMOLED生产线,也是全球第二条已量产的第6代柔性AMOLED生产线。
在成都项目后,京东方投资460亿的绵阳第六代OLED生产线也将在2019年竣工,该项目将可能为iphone提供屏幕,用于降低苹果对三星屏幕的过度依赖。
《日本经济新闻》引述面板业界人士的消息报导,苹果为了降低对三星OLED面板的依赖程度,已经把相关技术分享给京东方、LG显示器与JDI等3家面板制造商 ,其中京东方预计2019年投产的四川绵阳厂,将供货给未来苹果的新iPhone。
2017年底,京东方合肥的全球最高世代LCD生产线投产,这个项目的投资金额是400亿人民币,同时配套的还有一条15亿美元的康宁玻璃项目。
《人民日报》 合肥12月23日电 全球首条最高世代线——京东方合肥第10.5代TFT—LCD生产线近日投产。京东方2015年在合肥自主投建的10.5代线是全球最高世代线,设计产能为每月12万片玻璃基板,智能化和核心工艺技术均达到业界最高水平。
卫星图显示,8个月时间,从无到有拔地而起一座尺度1.1公里的超级工厂。
与此同时,位于武汉的类似项目也在发力:
华星光电与武汉东湖新技术开发区管委会签订合作协议,投资350亿元在东湖新技术开发区智能制造产业园建设6代LTPS-AMOLED柔性显示面板生产线。
说了这么多面板项目,回归主题到芯片。
2016年,总投资240亿美元的“国家存储基地”项目在武汉启动。
一年后,2017年9月,第一座厂房正式封顶:
此次提前封顶的项目(一期)一号生产及动力厂房建筑面积达52.4万平米,预计将于2018年投入使用。项目(一期)达产后,总产能将达到30万片/月,年产值将超过100亿美元。
http://www.unigroup.com.cn/newscenter/jtxw/2017/0929/333.html
这座厂房的建筑面积,接近两座北京南站,下面是工厂建设过程中的航拍图。
卫星图还没来得急更新,只有一号厂房的地基。量一下地基的尺寸,会发现这是一座近500米长的庞然大物。
而在2020年,当整个“国家存储基地”建设完工后,将有3座这样的全球单座洁净面积最大的3D NAND闪存厂房,主厂区占地面积1700余亩,和北京大学燕园差不多大。
不光是武汉的存储基地,南京和成都的两个类似的项目也在规划当中。
大陆紫光集团董事长赵伟国11日出席公开活动时指出,2017年将再启动两个半导体基地,分别为成都和南京,合计再砸460亿美元盖厂,加计日前开始动工的武汉新芯旗下的长江存储深圳四大邪地,这三个生产基地合计砸700亿美元。
暂且先不管这个700亿美元的”宏图大愿”,我们先来捋一捋家底,看看我们到底有多少先进的12寸芯片厂,以及还有哪些12寸芯片厂处于在建状态(来源:“前瞻产业研究院”)。
https://www.qianzhan.com/analyst/detail/220/180406-e62e36c8.html
截止2017年底,我国的12寸芯片厂月产能为62万片,其中两大韩资企业占据了一半产能:
无锡海力士DRAM:17万片/月,10纳米。
西安三星NAND:12万片/月,10纳米。
除韩资外,我们按产能排序:
合肥晶合:8万片/月,台湾代工厂力晶合资,90纳米(一期),65/45纳米(二期)。
厦门联芯:5万片/月,台湾代工厂联电合资,28纳米。
北京中芯国际:3.5万+4.5万片,姚启凤28纳米。
上海中芯国际:2万片,14纳米(艰难研发中)。
大连英特尔NAND:4万片曾强保,10纳米闪存。
上海华力微:3.5万片,28纳米。
武汉新芯:2.5万片,45纳米闪存/CMOS。
总结一下:我国目前62万片/月产能的12寸芯片厂中,有46万片/月(74%)是外资/合资厂。
目前产能最大的自主芯片代工厂——中芯国际,其12寸产能为10万/月,最高工艺为28纳米。2017年第三季度,中芯国际的28纳米工艺收入占总收入的比例为8.8%,而2016年第一季度的该数字是1%,中芯国际正在逐渐提升28纳米工艺的良率。
我们对比一下和台积电的差距:台积电在2011年底就推出了28纳米工艺,2012年底该工艺的占比就达到了22%。
结合此前的营收数字:大陆目前最大、最先进的芯片代工厂中芯国际,其年营收只有台积电的1/10,技术差距为5-6年。
我们再看看正在建设中的:截止2017年底,我国在建的12寸芯片厂,共有12个公司、15个项目,总计产能为81万片/月,其中51.5万片/月(63.6%)为外资/合资。在建项目分布如下(来源:前瞻经济学人)。

通过上图可以发现,2-3年后,我国将形成一条“长江流域芯片产业带”:上海、无锡、南京、合肥、武汉、成都、重庆。加起来占据我国新增12寸芯片投资的80%。
上文列举的新兴面板产能,同样集中于长江流域:合肥、武汉、成都、重庆。
也就是说,我国未来电子产业链条中最重要的两个门类:芯片和面板,将极大地集中于长江流域内陆的一系列省会城市,特别是那些在两个门类中都反复出现的几个城市,尤其值得注意。
这与我国PC/手机产能转移的趋势是一致的。5-10年前,我国的手机产能主要集中于珠三角和京津,PC产能主要集中于上海和苏州。而近年来,以富士康为龙头的pc/手机组装企业,正在大举向内陆土地、劳动力、政策成本更低的省会城市转移。
目前,重庆生产了全球1/3的笔记本电脑,同时是我国手机产量第2名。而郑州富士康已经成为全球最大的iphone生产基地。

珠三角的手机产能、长三角的电脑产能,同时选中了距离较近、富余劳动力众多的的长江流域内陆和中原地区。一方面降低劳动力成本,为发达地区“腾笼换鸟”腾出空间,另一方面也让巨量农民工在家乡省会城市就业,极大地拉动了内陆省会的发展。更重要的事,电子产品的特点在于单位重量/体积价值高,空运并不会因为内陆还是沿海而有成本区别。
电子产业链的特点在于:价值大、链条长,既能提供高端的研发岗位,又能提供中端的商贸、物流就业,也能容纳巨量的劳动力人口,是快速提升内陆落后地区经济实力的利器。
无论境内外,历史的经验也都告诉我们,电子产业是日本、韩国、台湾地区、长三角、珠三角从落后走向发达的重要支柱,是后发国家/地区的必备良药。
过去十余年,电子产业链只助力了长珠三角。那么未来10年,芯片、面板、富士康、以及与之配套的上下游产业,就是西安、郑州、合肥、武汉、成渝进行产业升级、经济保持高速发展的重要推动力。
说了半天,似乎漏掉了什么地方。如上文所说,5-10年前,京津和珠三角一样,都是我国最主要的手机生产基地,那么现在呢?
10年前,北京曾有索爱全球最大工厂、诺基亚中国最大工厂,天津曾有摩托罗拉全球最大工厂。配合京东方、中芯国际,再加上北京最为发达的互联网产业,从组装加工、到高端零部件、到上层应用的移动时代全产业链,原本应该诞生在京津地区。
然而,京津押宝的三家顶尖手机外企全跪了,而原本被视为“山寨”的珠三角本土企业:华为、oppo、vivo,却崛起成为世界巨头(小米也不在北京生产)。
于是,长三角的台资/美资PC产业链、珠三角的内资手机产业链,加上与之配套的面板/芯片/零部件厂商,随着产业转移,大规模在以长江流域为主的内陆省会开花结果(最北达到西安、太原、郑州一线)。
而伴随着京津外资手机厂的倒闭,京津冀缺乏能容纳大量劳动力的PC/手机制造工厂,面板/芯片厂的新产能也不再落户京津冀。
于是,除了北京发达的互联网和金融产业外,津冀经济增长的新动能就消失了,再加上对高耗能高污染重工业的打压,津冀就愈发尴尬。
塞冬此前许多文章都有说过:未来5-10年,伴随着人口老龄化,内陆省会和区域中心城市的产业、人口竞争将日趋激烈。吸引更多的产业人口、研发人才,争夺到电子和汽车产业链条的更多环节。特别的,如果能像珠三角一样培育出自己的消费电子品牌,那么其迈向人均3万美元中等发达世界的道路就打通了。
而中国芯、中国屏、中国车的例子都告诉我们,不要过于仰仗外资企业,外资企业的目的和市场化内资企业是不同的。外资的目的在于绕过中国的关税壁垒(在中国建芯片/面板/汽车厂)、在于降低成本。
而一个有志气的市场化内资企业,其目的则是向上向下打通产业链、打出自己的品牌、下力气研发(或者收购)容易被卡脖子的关键环节、拓展自己的生存空间,把自己的命运和国家的需求无形中捆绑在了一起:
大连英特尔、无锡海力士、西安三星,典型的外资。来华目的只是为了便宜的土地、优惠的税费、以及绕过中国的关税,对当地经济有短期促进作用,但不可能依靠他们来构建起一套完整的产业链。
中兴是内资,但不是有志气的内资,更像一个安逸的集成外包商。
华为、腾讯、阿里、吉利、长城、京东方等等,属于“有志气的内资”,虽然各自达到的水准不同,离世界一流水平也还有差距,但他们的总体方向,是在市场中寻求突破和拓展,是他们在带领中国在各领域前行。
于是,问题就很清晰了。“中国芯”和一流水平的差距有多大?我们要依靠谁来实现中国集成电路产业的突破?
谁来引领“中国芯”
继续来看韩国和台湾的例子,首先看韩国。
10年前,我在上《中国经济专题》课程时,林毅夫老师曾说:“韩国这种规模和档次的国家,其比较优势就是生产中高级零部件、做高级代工,就像台湾那样,千万不要去搞全产业链的生意,比如整车,比如日本美国那样大而全的消费电子产业。”
然而,韩国的策略却是:集中力量寻求突破,举国之力扶持少数几个领域的国际巨头,容忍其长达一二十年的亏损和不盈利,从而培养出能和国际一线巨头pk、甚至保持该领域全球领先的优势的企业——三星、现代、SK,芯片,造船、汽车等都是如此
美国、中国、欧洲、日本,虽然经济体量远大于韩国,但韩国就只在个别领域和大家同台竞争,这让超级大国也很难做到在该领域比韩国公司投入更大。
举个例子,三星电子去年资本开支440亿美元,位居全球上市公司之最,远超全球第二名。排前10的其他公司:4家石油公司、4家通讯/电视运营商。除三星电子外,只有一家是制造业——大众汽车,其资本开支不到三星的一半。
440亿美元的开销中,2/3用于半导体,1/3用于显示面板。这让三星电子在芯片上的投入超过英特尔+台积电的总和,达到全球半导体资本投入的29%。
对比一下:中国的“国家集成电路产业基金”,第一期的规模是1400亿人民币,正在规划中的第二期是1500-2000亿人民币。
该基金2014年成立,到2017年底,实际投入了794亿元,也就是三年投入了120亿美元——就算考虑所谓的1:3拉动社会资金,也只是三年拉动360亿美元(是否落实存疑)。
上文中介绍的武汉“国家存储基地”,三期工程总投资240亿美元,预计2020年完工。今年将开始小规模量产32层64G闪存。
然而我们会看到,三星也没有停着:
2017年,三星花费140亿美元在平泽建立的64层512G闪存工厂竣工。
2018年,三星花费130亿美元的平泽二期即将投产,用于生产DRAM。
三星的计划是,2021年前,在平泽继续投入280亿美元。
也就是说,三星在平泽工厂的投资,是我们在武汉的“国家存储基地”的2倍多王洁曦,且技术领先3-5年。
2017年三星电子(Samsung Electronics)半导体事业屡屡刷新业绩,高达65兆韩元(约612亿美元)的营收更助三星一举超越英特尔(Intel),荣登全球半导体业界龙头宝座,相关部门员工奖金高达月薪的400%。目前有1.3万名硕博士研发人员与2000名辅助人力,共1.5万人在DRS办公室内工作。
2017年7月三星在平泽工厂一楼生产先进的64层3D NAND,计划在二楼增设DRAM产线,最快2018年5月就能量产DRAM。业界认为三星电子积极扩大存储器产能,为的是提防2018年下半年大陆业者进入市场。
前面塞冬用了很多规划图、卫星图和航拍图来介绍我国在芯片大厂投入上的“速度之快”、“规模之大”,但是,韩国人也不慢。
三星在芯片上的巨额资本投入,让所有竞争对手都感到胆寒,可以说,韩国人基本控制了全球闪存/内存市场的周期和节奏。未来几年,当我国落后三星1-2代的闪存/内存工厂大规模投产后,三星就可以凭借自己巨额的垄断利润来搞降价倾销。
凭借其成本、良率上的优势,将芯片价格持续打压到中国芯片厂的成本以下、而在三星的成本以上。从而让中国芯片厂离不开国家补贴,不能做到自身的正向循环。
再来看台积电。在上文中我们提到,目前我国在建的12寸芯片厂月产能合计81万片,其中大部分是外资/合资,逻辑芯片上最多也就做到28纳米,14纳米还在艰难突破当中。
而台积电正在向5纳米迈进,正在投资240亿美元,兴建一座月产能100万片的的全球最领先代工厂。第一期将在2020年初量产,第二期2020年底,第三期2021年。
也就是说,2-3年后,当我们的81万片产能落地了(大部分是外资,大部分是存储而不是逻辑芯片),对岸领先3代的100万片5纳米逻辑芯片工厂也满产了。
如果说韩国人的存储芯片我们还可以靠比拼砸钱来追赶,那么最擅于砸钱的三星,在逻辑芯片代工领域追了台积电十来年,工艺上总是落后一个节拍、良率上总是差一截,给苹果处理器做代工,让消费者光凭手感温度都能知道处理器是三星还是台积电产的。
财大气粗的三星都如此狼狈,那么我们如何追赶台积电?
期待台积电的产能转移到大陆?——台积电高调投资的南京工厂月产能就2万片,只是台积电总产能的一个小指甲盖。
难道我们只能靠和平统一?
对于这个问题,我请教了一位同门师兄,这位师兄是国内少有的亲自设计过处理器的博士,目前仍然活跃在最前沿的芯片设计领域。
他的答案是:
对于正在发生“10倍数变革的领域”,可以弯道超车。
而对于只能“硬碰硬”的领域,就只能靠更大的融资、更长的等待、以及更合理的顶层设计。
所谓芯片领域的“10倍数变革”,就是不能想着自己做个X86去挑战英特尔,能挑战英特尔的只有应用场景不一样的ARM。而同样的,也不能想着自己做个独立的指令系统/生态系统来挑战ARM,而只能等待芯片应用场景的大变革。
什么叫“芯片应用场景的大变革?”
举个例子:随着云计算、深度学习应用的快速扩展,各大互联网巨头的运算能力占据了全球相当大的比重。于是,巨头们都想摆脱传统的、通用化的CPU/GPU体系,自己亲自操刀,构建一套针对自己应用、自己算法的定制化AI芯片和云计算芯片,从而实现更低的能耗、数十倍的运算效率,甚至构建一套自己的云计算生态。
不光是巨头们的云计算和深度学习,每个人身上的智能手机也有强烈的降能增效需求——让面部识别、声音识别、手势表情跟踪、图像/视频处理等常用功能,能有一颗针对这几种AI算法定制的低功耗移动芯片,也是目前的潮流。
同样的,超过160个国家用电量的数字货币挖矿,更是一种高度定制化、对性能/功耗比极其敏感的应用,也早已大规模拥抱定制芯片。
伴随着“定制化算法”占全球算力比重的提升,许久未见的芯片领域“10倍数变革”在这两三年里密集诞生了:
国际上,谷歌推出TPU,NVIDIA拥抱自动驾驶/AI芯片。
国内,脱胎于“龙芯”团队的“寒武纪”AI芯片已搭载在华为高端手机的麒麟处理器上,该公司获得了阿里投资,目前市值已超20亿美元,短短几年成为芯片领域罕见的创业独角兽。而对于普通人而言更加陌生的“比特大陆”,则早已成为全球挖矿芯片最大的供应商,垄断了超过7成的市场份额,去年营收25亿美元,成为全国仅次于华为海思的芯片设计公司。
互联网公司里,百度推出XPU、阿里刚发布Ali-NPU。近几天,阿里还密集收购了中天微、控股乐鑫,一副大举进军芯片领域的架势。
阿里的逻辑也很简单——阿里云目前年营收20亿美元+,在国内占据毋庸置疑的霸主地位,且年增速高达100%。根据亚马逊云的规模,阿里云在未来三四年内营收超百亿美元是大概率事件。因此,阿里云将成为阿里未来几年营收增长的重中之重。
那么,作为国内云计算霸主、正在迈向全球的阿里,作为时常将“DT时代”挂在嘴边的马云。如果阿里不能掌握自己云计算平台的核心技术,要是有一天也遇到中兴的困境,那么,阿里的数字帝国梦就破灭了。
同样的,作为全球云计算的领头羊,亚马逊也在悄然组建团队研发AI芯片。
在如今这个时代,数据和计算是互联网公司的核心资产,对于市值几千亿美元,等于英特尔+台积电+NVIDIA之和的互联网巨头,没有道理不想让自己的核心资产运行在自主的、定制的、可控的计算平台上。
所以——“中国芯”破局靠阿里腾讯,并不是个笑话。
对自主芯片有需求的不只是阿里腾讯,还有华为/小米,甚至oppo/vivo。
华为海思大家很熟,已经是全球第7大纯芯片设计公司,随着华为手机全球市占率的提升,海思未来的排名继续往上升是可以预期的。小米收购的松果处理器还比较低端,oppo/vivo的自主处理器也正在研发中——凭借他们的出货量,只在低端机里普及自主处理器,也是个不小的数字。

如今,对于互联网和手机大厂而言,组建团队、收购公司,根据自身需求设计出处理器早已不是什么新鲜事,通过巨大的终端出货量或庞大的数据中心计算需求,将这些芯片推广应用起来,也非常容易。
但是,无论是谁设计的,想要工艺好、能耗低、良率高、产能稳定,都得到台积电去流片。
而台积电,就属于前面所说的“硬碰硬”领域。我们能做的,就是把这个任务交给一个“有志向的市场化内资企业”,给足够的时间和资金、按市场规律办事,给核心研发人员足够的物质激励。
那么,中国大陆的芯片代工产业有没有可能复制国产液晶面板的成功经验?
塞冬的回答是:有一定希望。
为了说明这个问题,先看一段黄奇帆关于京东方的讲话:
去年,我们有一件事做得很成功,就是京东方定向增发。京东方作为中国最优秀的液晶面板类公司之一,在世界生产能力排名第五,生产的产品供不应求。中国一年要进口液晶面板1800亿美元,看准这个方向,就要有勇气投资,效益一定会好的,所以我们请他来投资。
京东方想投资,愿意占据这个市场,也有这个技术,但是缺钱,拿不出330亿。我们当然不能说你拿不出,我帮你拿,但可以买你的股票,你定向增发100亿股,按市场价2.1块一股卖给我,你得到210亿,再向银行融资120亿,就有330亿,投在重庆,一年多时间把这个厂造好,今年三四月份就能投产,投产以后一年可以形成五六百亿的产值。
这是一个很好的投融资项目,解决了战略性新兴产业的巨大投资资金来源,真正起到为有钱人理财、为缺钱人融资的作用。这单业务是西南证券做的,是一个好项目。
本来我们起初是想把这个融资需求交给重庆的民营企业,他们如果有钱没有地方用,投到这个项目,肯定比放100亿小贷好,不容易坏账,但后来民营企业没有实质跟进。倒是重庆的一些国有企业,还有上海、北京的一些外地企业很睿智,都争着来投资。
所以一个月210亿的股权融资,120亿的银行融资到位。现在,京东方的股价是3块多一股,每股赚1块钱,210亿投资现在价值300多亿。我讲这段话的意思,直接融资里边有许多工具、很多方式,在座的银行、企业,都该深度了解,了解以后,把这一块努力拓宽,我们的金融体系就活了。
这是一个很有“中国特色”的扶持京东方的思路:
京东方想扩大产能,但没钱。
重庆有做全电子产业链的渴望,希望京东方入驻。
京东方对重庆定向增发100亿股,获得210亿资金,再通过重庆的银行贷款120亿,总计获得330亿,解决了项目资金难题。
重庆获得京东方面板厂一座,还因京东方股票上涨赚了100亿。
4年过去了,重庆有了全球举足轻重的手机、笔记本电脑产能,有了液晶面板厂,正在建设芯片厂,电子产业链正在成形。
而京东方也因为一座座类似的大厂(重庆、合肥、成都、绵阳等),自己出技术、地方政府出钱,在LCD产能上,从2014年的全球第五,攀升到2017年底的全球第一。
京东方的股价如今是4块多,比重庆入股时翻番(2017年底曾达到6.77块)。
现在看来,这是一个多赢的结果,但是全安琪,我们回到事情发生的2014年。当时大家对京东方是这样评价的:
截止2014年,京东方上市13年以来,在A股融资金额已经达到700亿之巨,而同期所有分红金额合计只有区区1.18亿元。
由于在股市融资数额巨大,京东方被称作“圈钱王”。由于业绩常年亏损、股价长期在两三元徘徊、投资者很难分得红利,京东方被称作“铁公鸡”、“行径卑劣”;由于屡次靠政府补贴扭亏,京东方被称作“烧钱机器”,由于生产线庞大,京东方被诸多的产业界人士认为是“落后的过剩产能”。
这不是2005年,也不是2010年,而是京东方已经初现曙光的2014年。在2014年时,仍有大量对京东方不信任的声音,在这样的情况下,黄奇帆下了这个330亿的豪赌,如果失败了,会是怎样的下场?
那么,如今的中芯国际和曾经的京东方都有哪些相似之处?为什么塞冬认为中芯国际可以走类似京东方的道路?我们来一起捋一捋。
如今的中芯国际已经基本搞定了28纳米工艺尕让邓真,去年底挖来梁孟松当co-CEO,在他的带领下攻坚14纳米,而梁孟松曾协助三星,抢在台积电前完成14纳米工艺。所以个人估计,2-3年后,当台积电的5纳米量产时,中芯国际彻底搞定14纳米将是大概率事件。
问题来了——搞定了14纳米还是差台积电2代呀?
而实际上,迈入28纳米,就已经能解决大部分问题。虽然台积电的10纳米技术已经在去年走向商用,但在2017年第三季度,台积电的28纳米及以下工艺仍然占全部订单的65%。10纳米工艺只用于对功耗、能耗、体积要求极高的旗舰手机处理器芯片、旗舰挖矿机等少量尖端应用。
而对于绝大多数没有这样高要求的芯片而言海易出行,用博士师兄的话来说:“28纳米,如果流片成本足够低,就彻底引爆领域定制芯片了。”
就像京东方一样,虽然它在OLED领域和三星的差距还极大,但如果哪天三星不给中国的高端手机供应AMOLED了,拿京东方的屏幕搞个低配版海王星战士,便宜点卖,也还是可以接受的——总比彻底断货强得多。
更重要的是,在大多数领域,京东方的屏幕已经足够好用,完全可以满足各类客户需求——甚至三星电视也在使用京东方的屏。
于是,类似京东方的解决方案就可以在中芯国际身上得到复制:
在2-3年内完成14纳米攻关,以28纳米和14纳米为主力,承接中高端手机芯片以外所有类型的逻辑芯片代工——TPU/NPU/矿机/中低端手机芯片等。
和国际同行打价格战,以低于台积电同工艺的价格接单。
台积电的28/16纳米属于老产品,折旧少、成本低,因此中芯国际打价格战的成本压力更大。
引入集成电路产业基金和地方政府融资,让重庆、合肥、成都、武汉等城市“竞价办厂”。
使用地方政府资金,在短时间内急剧扩张中芯国际产能。类似京东方一样,在3-4年时间里,将中芯国际的产能从全球第7上升到全球第2。
背靠地方政府资金,进行债务展期、延长折旧期等方式,摊薄成本。
另外就是最重要的一点——液晶面板和芯片都有一个显著的“周期律”:
大部分时候,随着产能增加、技术进步,价格不断下跌。
每隔几年出现一次新应用:如智能手机、矿机、AI芯片等,短时间内芯片/面板供不应求,价格暴涨(2016-2017年的一波)。
面向地方政府的定增和融资、债务展期等,都是为了等待这一波强周期——净利润大增、股价大涨、政府手里的京东方/中芯国际股票赚大钱。
其实,这也是韩国的路子。韩国人在芯片/面板领域经常是长时间蛰伏,忍住连续多年的亏损,把对手憋死,等待一波强周期赚个饱。
只不过我国的特点在于:政府和企业可以一起坐庄,由政府性基金在低谷时注资扩大产能,在平时提供补贴、债务展期,减轻弱周期时的企业负担,最后在强周期来临时,政府性基金抛售股票获利,从而实现上述的“多赢”。
只要“周期律”把握得好,政府的扶持不但不会亏钱,反而还能赚钱。特别是当面板/芯片厂做大后,自己就成为能把控周期的一份子,就像三星一样,把这样的游戏玩得得心应手。
在这种"硬碰硬”的游戏中,也只有把自己体量快速做大,才能不被对手永远牵着鼻子走。比如现在的京东方,就可以举巨资建设最先进的10.5代LCD和6代AMOLED生产线。同样的,中芯国际只有先吃下大部分中低端产能,把自己的体量做到不比台积电小太多,才有可能参与到最高级别的较量。
以上就是塞冬对“中国芯”现状及未来可能路径一些个人理解,讲得有点多,但总的来说,只是说了几个小故事:
被股民们“诅咒”了十多年的京东方,在持续的补贴和亏损下,寻找到一条极其具有“中国特色”的扩张之路——把企业的命运和各地的产业需求结合起来,终于取得如今的成功。
韩国台湾虽然地方不大、人口不多,但对于自己专注的领域,舍得下本钱,蛰伏20年,方能取得如今在芯片/面板领域的巨大成就。作为后发者,想要超越他们,就得付出更多的努力和更长的等待,不要抱不切实际的幻想。
10年前,京津地区吸引了三大主流手机外企,而珠三角则以“山寨”著称。如今外来户集体倒闭,“寨厂”成为国际主流大厂——这是企业的命运。10年前进入moto/索爱的高学历人才,如今在股权资产上被oppo/vivo的同龄人碾压——这是个人的命运。京津冀地区因为三大厂的倒闭,错失了进军电子全产业链条的机会,津冀失去增长动能——这是地区的命运。
过去许多年,随着“中国芯”梦想的倒掉,大量学生转行其他领域。而近两三年来,随着定制化芯片创业热潮的兴起,一些苦逼的坚守者转身化为独角兽,取得了显著的物质回报。互联网巨头们也开始组建芯片团队,这让芯片设计领域的老博士、老博后们重新看到了希望。
对于这几个小故事,塞冬的体会是:
“中国芯”的进度不一定能如众人所愿,但是对“自主”信念不能变。个人命运要翻身、国家科技要自主,这些外人都没有办法给与。
在没有办法的时候,可以寄人篱下、拾人牙慧,但不能养成依赖的习惯,忘了在别人的屋檐下积聚力量。
而一旦学有所成、大环境朝有利方向转变,就要主动跳出舒适区。哪怕简陋、哪怕山寨,不及早进行尝试,未来付出的代价就会更大。

中国军工发布芯片性能逆转国外,重大武器靠自己完全没问题

△华睿2号数字信号处理器
近日,中国电科14所耗时4年设计的华睿2号数字信号处理器(DSP)顺利通过中国 “十二五”核高基重大专项芯片的验收。华睿2号则采用8核架构,加上基频提高一倍而达到1GHz,使指令周期提高6倍而达到每秒4000亿次浮点运算(400GFLOPS)。
从数据上看,华睿2号的性能已经超越了美国的主流DSP芯片。14所是我国歼-20战机有源相控阵雷达、预警机雷达、中华神盾雷达、反隐身雷达、反导预警雷达的研制单位,华睿2号芯片性能强劲当然是我国重大武器装备自主化的福音。那么DSP芯片究竟是什么?华睿2号出现后我们就高枕无忧么?今天,北国防务就来说说这事。


△歼-20雷达、众多反隐身雷达均出自14所之手,华睿2号出现说明我国的许多重大武器项目芯片可实现自主可控
自从雷达数字化革命以来,其主要核心就是由前端的信号处理器与后端的数据处理器所组成。所谓的 “数据处理器”其实与计算机CPU类似,负责数据的处理与逻辑分析工作,例如计算目标的坐标、记忆/追踪目标位置、综合敌我识别器与雷达的情报提供给显示处理器等等。在商用计算机市场成熟后,常选择民用CPU来定制成军用产品。但由于信号处理的专门性,往往需要针对武器的特性设计专门的芯片,也就是所谓的 “专用芯片”(ASIC)。
随着芯片技术的进步,民间也开始有信号运算的需求,例如科学研究、数据分析等等,尤其是通讯产品更是有强大需求。因此开始有厂商制作通用型的数字信号处理器(DSP),也就是将常用的信号运算功能都整合在一个芯片中,客户透过函数库进行自己的运算。
理论上,通用型DSP的运算效能比不上专用的ASIC,可现实情况是民间对芯片的需求量远大于军方订单,而民用产品的研发节奏也远快于军方项目,因此通用型DSP的指令周期很快就提升上去,将军方专用的ASIC抛到后头。

△F-35具有多种电磁/光电传感器,为了综合分析这些信息,大量使用强固化的商用DSP与FPGA零件
对军用ASIC而言,雪上加霜的是随着芯片制程的尺度越来越小,开发一颗芯片的设计与光罩成本越来越高,以军方只有几百到几万颗芯片的订单根本连下给晶圆厂都排不到产能。因此军方开始向民间订购商用芯片,但要强化到满足严苛的环境标准,这种产品就称为 “商用现货”(COTS)。
例如F-35就大量使用COTS电子元器件,在原型机阶段是由国防厂商雷神公司向Mercury公司采购RACE++系列计算机,内含的1.06GHz的MPC7448是基于PowerPC e600架构结合Altivec 128位浮点运算技术而成的DSP,总和指令周期达75.6GFLOPS,为F-22全部信号处理器的3.5倍。美国DSP市场领导者德州仪器公司的顶尖产品:C66x系列则是单核速度19.2GFLOPS,8核总和为153.6GFLOPS,而华睿2号的指令周期高达400GFLOPS,可说是将美国DSP都抛到后头了。

△(1)面对军/民市场日益增加的射频、通信、影音...等信号处理需求,传统DSP的效能逐渐不敷需求。相较之下,(2)GPGPU的浮点运算效能早已突破TFLOPS大关,将DSP远远抛在后头,(3)例如ATI的RV770的指令周期高达1200GFLOPS,是PowerPC与i7架构DSP的12~60倍,(4)TI的66系列DSP仅能以较低的功耗扳回一城
那么DSP芯片领先美国是不是就可以高枕无忧了呢?当然不是,其实美国DSP不只是被华睿2号抛在后头,而是在近十年内都被另外两种商用芯片抛到了后头,即“通用计算图形处理器”(GPGPU)和“现场可编程门阵列”(FPGA)。
GPGPU为游戏画面而生,迅速成长为运算巨兽,其浮点指令周期早已突破“兆次运算”大关,并向十兆以上迈进,完全把DSP踩在脚下。但功耗较高及延迟时间较短长,因此被限制在大型飞机、舰船、地面站台等不缺冷却与供电的平台上,DSP仍可把持战机、无人机、导弹、个人装备...等对于供电与冷却供给要求高的小型平台市场。
但功耗较高以及延迟时间较短长,因此被限制在大型飞机、舰船、地面站台等不缺冷却与供电的平台上,而DSP仍可把持战机、无人机、导弹、个人装备...等对于供电与冷却供给高度紧绷的小型平台市场。
在信号处理的市场,FPGA的指令周期可逼近GPGPU,但功耗却是接近DSP的水平,上至潜艇声纳信号处理系统,下至无人机的微型雷达,都可用FPGA芯片来满足信号处理的需求。美国洛马公司在2013年就为F-35订购了83169颗FPGA芯片,写入不同的逻辑电路后可满足F-35众多射频与光电系统的庞大信号处理需求。

△美国今年为四代战机改良雷达采用了FPGA
在GPGPU与FPGA的两大强敌夹杀下,美国的DSP军用市场逐渐萎缩。这是美国的DSP芯片让华睿2号后来居上的一大原因,当然传统DSP架构还是有软件定制化成本较低的优点袁菱,在进一步压榨出运算效能后还是能满足对雷达、电子战...等信号处理的需求。
只是美国作为芯片产业的发源地,其软硬件生态圈既深又广,破坏性创新的能力仍是无人可及,即便DSP技术出现落后,仍可用GPGPU与FPGA的颠覆性优势扳回一城。
因此,华睿2号出现当然是一项重大成就,有了它我国的众多国之重器都可以不受国外限制。但我们还要看到当前芯片领域的新动向,意识到差距奋起直追才能保证不落后。
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