芯耀
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作為世界第一大經(jīng)濟(jì)體，在過去幾十年里，美國掌握了世界經(jīng)濟(jì)方面的絕對話語權(quán)，可以通過金融市場制裁來凍結(jié)被制裁國的外匯資本，也可以聯(lián)合自己的盟國來對被制裁國進(jìn)行貿(mào)易限制。
而在中美貿(mào)易摩擦的要素里，美國最關(guān)心的是半導(dǎo)體。世界半導(dǎo)體貿(mào)易統(tǒng)計(jì)組織（WSTS）預(yù)測，2021年全球半導(dǎo)體市場規(guī)模將高達(dá)4,690億美元，已經(jīng)成為直接關(guān)系到國家利益的重要產(chǎn)品。因此貿(mào)易戰(zhàn)只是幌子，科技戰(zhàn)才是目的，今天美國以中美貿(mào)易逆差這一短期內(nèi)無法改變的事實(shí)相要挾，名正言順地對中國企業(yè)的跨境收購進(jìn)行封殺，抑制中國科技新勢力的崛起，制裁密度與強(qiáng)度已上升到前所未有的高度，為的就是保證美國科技霸主的根基不動搖，這才是其長期戰(zhàn)略目的。
我們知道半導(dǎo)體是一個(gè)技術(shù)密集型且分工很細(xì)的行業(yè)，一顆芯片的誕生，涉及50多個(gè)行業(yè)、2000-5000道工序，從設(shè)計(jì)到制造，再到封裝測試，大環(huán)節(jié)里扣著小環(huán)節(jié)，細(xì)分出的每個(gè)環(huán)節(jié)又都有自己的技術(shù)壁壘。拋開光刻設(shè)備制造、EDA等老大難外，中國半導(dǎo)體行業(yè)目前還面臨著怎樣的難題呢？
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圖 | 2019年全球IC設(shè)計(jì)市場份額，來源：半導(dǎo)體行業(yè)觀察
其一，目前，美國、韓國、歐洲、日本、中國臺灣和中國大陸幾乎承擔(dān)了世界上所有的半導(dǎo)體設(shè)計(jì)工作。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2019年底，我國IC設(shè)計(jì)企業(yè)已達(dá)到1780家。就設(shè)計(jì)水平而言，模擬領(lǐng)域與世界最先進(jìn)水平差距較大，數(shù)字領(lǐng)域發(fā)展勢頭不錯(cuò)，比如華為海思，但當(dāng)我們的晶圓廠在材料、設(shè)備上受到貿(mào)易戰(zhàn)的影響時(shí)，很難做到非常先進(jìn)的工藝，而數(shù)字IC對先進(jìn)工藝的依賴性又很強(qiáng)。國內(nèi)最先進(jìn)的半導(dǎo)體制程工藝當(dāng)屬中芯國際的14nm，而世界晶圓代工龍頭臺積電已實(shí)現(xiàn)5nm量產(chǎn)，臺積電董事長劉德音更是在2021年國際固態(tài)電路會議上表示，“臺積電3nm制程預(yù)計(jì)今年下半年試產(chǎn)，明年下半年進(jìn)入量產(chǎn)”。表面上看這是工藝的差距，實(shí)質(zhì)上是下游遍地開花的應(yīng)用需求與無米下炊的矛盾。到不了7nm、5nm工藝，我們怎么辦？
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圖 | 設(shè)計(jì)成本隨制程升級水漲船高（單位：百萬美元），來源：IBS
其二，芯片代工行業(yè)邁入10nm工藝后，成本壓力越來越高。參考麒麟990流片費(fèi)用，臺積電7nm Plus EUV工藝制作，僅流片費(fèi)用就高達(dá)3000萬美元，約合2.1億人民幣。據(jù)統(tǒng)計(jì)，今天10nm芯片的開發(fā)成本已超1.7億美元，7nm接近3億美元，5nm超5億美元。就算價(jià)格如此高昂，臺積電等代工廠產(chǎn)能依舊滿載，客戶排隊(duì)下單。而中國近2000家的芯片設(shè)計(jì)企業(yè)中，大部分是中小企業(yè)，一方面是動輒上億的成本壓力太大，另一方面是小客戶總是更容易受到代工廠產(chǎn)能波動的影響。如何分解成本壓力？如何保證產(chǎn)能？
難道真的沒有出路可循？Chiplet和CIDM或可成為當(dāng)下的權(quán)宜之計(jì)，下面我們具體來聊聊。
權(quán)宜之計(jì)一：Chiplet（超貴芯片的省錢設(shè)計(jì)）
Chiplet就是我們常說的小芯片或者叫芯粒，它的概念其實(shí)很簡單，就是硅片級別的重用。從系統(tǒng)端出發(fā)，首先將復(fù)雜功能進(jìn)行分解，然后開發(fā)出多種具有單一特定功能、可相互進(jìn)行模塊化組裝的裸芯片，如實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲、計(jì)算、信號處理、數(shù)據(jù)流管理等功能，并最終以此為基礎(chǔ)，建立一個(gè)Chiplet的芯片網(wǎng)絡(luò)。
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圖 | Chiplet示意圖，圖源：Chinaaet
關(guān)于它的歷史，芯原股份董事長戴偉民說Chiplet是2015年Marvell的CEO周秀文在舊金山ISSCC上提出的，當(dāng)時(shí)命名為Mochi(Modular-Chip，模塊化芯片架構(gòu))。但仔細(xì)尋跡可以發(fā)現(xiàn)，2014年海思與TSMC合作推出的CoWoS(Chip-on-Wafer-on-Substrate，晶圓級封裝)產(chǎn)品就有些Chiplet的影子。2016 年，Darpa啟動的Chips項(xiàng)目，把這種Chiplet Reuse的想法推到了整個(gè)產(chǎn)業(yè)界面前，而真正將Chiplet推入大眾視野的是AMD的EYPC 系列。
起初，像海思、Marvell這些開始Chiplet 計(jì)劃的Fabless芯片設(shè)計(jì)公司是因?yàn)閮?nèi)部產(chǎn)品線復(fù)雜，但每一款產(chǎn)品的數(shù)量都不巨大，新工藝的價(jià)格卻在不斷攀升，降本勢在必行。
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圖 | 基于Chiplet的系統(tǒng)芯片示意圖，圖源：Cadence
后來，隨著集成電路技術(shù)的不斷發(fā)展，芯片設(shè)計(jì)的復(fù)雜度不斷提升，近些年摩爾定律越來越難維持，Chiplet被視為延續(xù)摩爾定律的重要法寶。上面提到AMD是真正將Chiplet推向市場的功臣，這種架構(gòu)帶來的紅利促使AMD追上了Intel，甚至有趕超之勢。當(dāng)然后來英特爾也緊緊跟上，就這兩家最會做大芯片的企業(yè)說：“也許小芯片更好。” 這在半導(dǎo)體市場上絕對具有強(qiáng)大的引領(lǐng)作用。
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圖 | AMD EPYC系列，圖源：Intel
根據(jù)市場研究機(jī)構(gòu) Omdia（原 IHS）的預(yù)測，2024年Chiplet市場規(guī)模將達(dá)到58億美元，而到2035年則將達(dá)到570億美元。
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圖 | Chiplet市場規(guī)?？焖僭黾?，圖源：Omdia
那Chiplet究竟是如何利好本土半導(dǎo)體行業(yè)的呢？它能解決7nm、5nm工藝的缺失問題，能做到降本增效嗎？
效果端，根據(jù)AMD的測算，“采用Chiplet后由于單個(gè)芯粒面積縮小，良率有明顯提升，成本明顯下降；對于多核處理器來說，大量核心都可以采用可復(fù)用的小型模塊（Core Complex，CCX）來進(jìn)行復(fù)制，節(jié)約成本效果十分明顯，并且核心數(shù)量越多Chiplet技術(shù)的作用就越大。”
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圖 | 芯原股份董事長戴偉民，“Chiplet是更合乎潮流和國情的做法”
可行性端，芯原股份董事長戴偉民在與非網(wǎng)2020年終專題《對話“芯”未來》中曾表示，“對于中國大陸來說，晶圓廠設(shè)備受限，很難做到最先進(jìn)的工藝，但一顆先進(jìn)芯片中其實(shí)只有幾塊需要最先進(jìn)的工藝，而另外的可以采用12nm工藝，甚至是22nm工藝，有一些現(xiàn)在中芯國際可以做，針對功能選擇最為合適的制程，這對于國內(nèi)的設(shè)計(jì)企業(yè)和晶圓廠來說是更合乎潮流和國情的做法。當(dāng)然這些小芯片要連接起來，那就是先進(jìn)封裝的問題，盡管我們的晶圓廠可能落后幾代，但是我們的封裝是接近最先進(jìn)水準(zhǔn)的，比如長電科技，所以我們基本上可以做這個(gè)Chiplet的東西?！?/p>
但Chiplet真的可以徹底解決半導(dǎo)體先進(jìn)工藝短缺問題嗎？中科院計(jì)算所副研究員王穎在中國計(jì)算機(jī)大會（CNCC）上表示，“對于當(dāng)前卡脖子問題，Chiplet作為權(quán)宜之計(jì)，可以通過異質(zhì)集成彌補(bǔ)先進(jìn)IC工藝短板，追求系統(tǒng)級的效能優(yōu)勢，但不能從根本上解決問題，因?yàn)榈叫沦惖乐?，還是要考驗(yàn)核心技術(shù)，例如Chiplet設(shè)計(jì)方法涉及的2.5D,3D集成制造技術(shù)，三維版圖設(shè)計(jì)、電源網(wǎng)絡(luò)、物理設(shè)計(jì)仿真等EDA技術(shù)?！?/p>
權(quán)宜之計(jì)二：CIDM（進(jìn)可攻、退可守的搭伙IDM模式）
大約30多年前一些美國、日本和歐洲的IDM(Integrated Device Manufacture,集成器件制造)半導(dǎo)體工廠開始把多余的產(chǎn)能拿來做代工服務(wù)，由于純代工的公司不會與客戶競爭，1987年中國臺灣積體電路公司（TSMC）成立，此后半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的專業(yè)化分工成為一種趨勢。因此，今天全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)主要有兩種商業(yè)模式，一種是IDM模式，另一種是垂直分工模式。
那究竟國內(nèi)半導(dǎo)體行業(yè)更加適用怎樣的模式呢？CIDM又是什么？
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圖 | CIDM示意圖，來源：知乎
CIDM是Commune IDM的簡稱，就是共有共享式的IDM模式。我們知道成立一家有競爭力的IDM公司條件很多，對資金、產(chǎn)品、設(shè)計(jì)、工藝、生產(chǎn)、人才等都有很高的要求，這對于當(dāng)下這近2000家本土半導(dǎo)體設(shè)計(jì)企業(yè)來說是不可能完成的批量式挑戰(zhàn)。事實(shí)上，這些設(shè)計(jì)企業(yè)目前大都采用的是Fabless模式，也就是上面所說的垂直分工模式，只有少數(shù)的模擬IC和分立器件企業(yè)是IDM模式，受到中美貿(mào)易戰(zhàn)和全球芯片代工產(chǎn)能吃緊、價(jià)格水漲船高的影響，本土芯片企業(yè)面臨產(chǎn)能穩(wěn)定性和成本問題。
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圖 | “中國半導(dǎo)體教父”張汝京，“CIDM模式進(jìn)可攻、退可守”
如何分解成本壓力，保證產(chǎn)能？“中國半導(dǎo)體教父”張汝京博士在2017集微半導(dǎo)體峰會上曾建議學(xué)習(xí)新加坡TECH公司，成立CIDM公司。張汝京表示：“如果我們要成立比較先進(jìn)的IDM公司，一家不容易做起來，但如果是多家與Fab是上下游的結(jié)盟，企業(yè)加產(chǎn)品互補(bǔ)，一起合作，分擔(dān)投資，資金的壓力大大減少。同時(shí)因?yàn)橥顿Y的人就是公司的客戶，他們會優(yōu)先向CIDM下單買芯片，對于Fab的產(chǎn)能利用率很有保障，對投資人來說他們需要的芯片產(chǎn)能也有保障，對雙方都有利。此外，CIDM在許多方面可以比一個(gè)先進(jìn)的代工廠要容易運(yùn)作些，CIDM開始只要提供10至20種工藝，力量比較集中，所以自家的產(chǎn)能分配可以內(nèi)部協(xié)商。有需要時(shí)可以增加產(chǎn)能，如果產(chǎn)能過剩，對外可以向客戶提供服務(wù)，產(chǎn)能就用上去了，進(jìn)可攻、退可守?！?/p>
結(jié)合中國半導(dǎo)體設(shè)計(jì)企業(yè)委外代工“散裝”的現(xiàn)狀，CIDM模式是目前相對較好的模式，一方面能夠整合眾多小企業(yè)來搞定全產(chǎn)業(yè)鏈，減少對其它廠商的依賴，另一方面又不用承擔(dān)太多的風(fēng)險(xiǎn)和投資，就能實(shí)現(xiàn)資源共享。
寫在最后
作為“世界工廠”的中國，消費(fèi)著全球半導(dǎo)體的40%，有足夠大的市場。中美貿(mào)易戰(zhàn)的兩面性告訴我們，除了被卡脖子，對于我們的產(chǎn)業(yè)來說也是有好處的。比如，讓原本不愿試錯(cuò)的下游的企業(yè)嘗試本土器件、本土方案，為推動半導(dǎo)體器件國產(chǎn)化提供珍貴的時(shí)間窗口期；比如，讓我們看清基礎(chǔ)材料、設(shè)備、EDA等半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈中的薄弱環(huán)節(jié)，以求對癥下藥，尋找突破的機(jī)會。Chiplet和CIDM或許可以成為分階段實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化關(guān)鍵時(shí)期的硬出路，而大量的市場化資本和國家大基金可能加快這一進(jìn)程。
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