杭州士兰微电子股份有限公司董事长陈向东

 

近日,在苏州高新区举办的中国集成电路设计创新大会暨 IC 应用博览会(ICDIA 2021)上,杭州士兰微电子股份有限公司董事长陈向东带来主题为《多种产业形态的半导体芯片发展模式》的精彩分享,以下为演讲全文:

 

集成电路走到今天,它已经在我们的信息采集、传输、存储、处理和显示上发挥了非常重要的作用。


有一句话,信息和能源是人类社会发展的两个重要的方面,引出这个题目来为了描述后面产业发展的模式,除了信息之外,半导体技术在我们的各种能量形态的转换上也发挥了非常重要的作用。我们的光伏发电,各种逆变器,甚至半导体照明LED也是半导体技术,高铁上的驱动,风能的发电,包括日常使用的充电器,都有半导体有关,半导体能源的转换上起到大的作用,非常喜欢这张图片,这张图片讲的非常清楚,走到现在集成电路发展的主要维度。


第一个垂直方向的先进工艺,比拼的是工艺线宽的加工能力,比拼是单位面积里面我们晶体管做的数量,画的IPhone主处理器芯片,大家最近看到报告,IBM利用两纳米的制程,做成了每平方毫米3亿多个晶体管的处理能力,这里写的5纳米是1.5亿个左右。


横向的方向我们一般讲的特色工艺,特色工艺它比拼的不完全是工艺的线宽了,比拼的是一些工艺期间的结构,包括模拟电路、色屏电路,包括无缘高压的功率半导体包括一些传感器等等。


斜的这条线大家特别的关注,也是近来发展的重点,这里补上了一个,2.5D,3D一些异构的堆叠封装最近特别的火热,把各种不同先进工艺制作的圆片,先进制成和特色工艺圆片的制成把它堆叠在一起,形成更高密度的功率系统,这个是两个重要的发展的方向。


我想跟大家分享一下整个半导体公司在六七十年发展历程上的逐步的演化,半导体发展的初期,大概有两类公司,或者两种形态的公司做半导体芯片,一类大型系统型的综合公司在半导体发明早期,像西门子、飞利浦、IBM的大公司能力非常强,大型的整机系统,然后投入到半导体技术的开发,还有一个硅谷为代表的,因特尔这样的专业半导体公司,一开始做半导体技术的,半导体技术的一开始初创从美国的硅谷开始的。


芯片发展的早期,各种支撑技术的不够成熟,也在发展的过程当中,所以几乎是所有的芯片厂家它都具备芯片的设计,芯片的制造包括封测能力全部包在一起的,过程当中逐步的形成了装备、EDA工具,材料大的支撑的产业。


随着产业的发展,随着技术的发展,到了上个世纪的80年代左右,整个半导体的产业发生分化,有些分化是经济的规律驱动,有些分化是技术形态发生变化推动的,上个世纪80年代末开始出现了芯片代工模式,芯片代工模式发展的动力,一般大概有两重概念,一个就是到80年代末的时候,全球开始建八英寸的芯片生态线,那么八英寸的芯片生态线往上走了之后,投资规模很大,按照现在的对过去事情的回应,八英寸的生态线在当前建线要10亿美金一条生产线对于很多的公司大概不可承受之重,就可能放弃,五寸六寸做到顶了,不再往前走了,最比方美国的凌特公司,做的模拟芯片做的很好的,长期就坚守在四英寸、六英寸上,芯片技术水平很到,尺寸不再做上去了,有很多这样的公司。


还有一个就是工具开始普及,开始普及的主要原因就是80年代中后期开始,现在我们这个词很少用了,工作站,有点类似于服务器,处理能力很强的工作站普及,普及的时候配上EDI的工具,强有力的运算单元,实际的成本大幅的降低,很强的计算能力,都建立在数据中心,用超型小型机或者大型计算机算,一般的小的一个实体的,拥有超强的预算能力代价非常大的,到了80年代中后期成本下降了,下降之后推动设计业独立的发展,设计业独立发展之后他也需要有单独的芯片工厂为他生产芯片。


所以两种模式共同的推动之下,台湾地区在其他一些地方并行了芯片代工的模式,是这么运营起来的,我这里有句话芯片发展的历史上有一段时间是芯片设计业发展的黄金时间,这个黄金时间应用推动需求的,我可以举两个简单的例子,我亲眼看到的,比如说上世纪80年代末的时候,个人计算机开始普及,那时候的PC跟今天看到的PC完全不一样的,除了英特尔的主处理器之外,有中小规模的逻辑链路构成的,美国几家公司想办法把计算机外围的几十个芯片逐步的设成一个芯片,但今天来说这个没有了,都集中到输入输出。


但是那个地方美国微代表的技术创新公司,就把PC很多东西都集中在一起,创立了对工业、对一些PC产业起了很大的推动作用,在我们台湾地区针对消费电子,我看到很多,比如说电子手表,电子玩具很多创新的设计,推动了设计公司的发展。


这些的创新的应用在设计公司创新发展当中有一段黄金时间。再往下走集成电路产业随着自然的一些并购规律的一些发展之外和大公司变大、小公司变小之外,上个世纪90年代末,综合型的一些半导体公司开始分解,为什么在上个世纪90年代末发生变化?主要是上个世纪90年代末,在国际上半导体产业已经成为成熟的产业了。


所谓成熟的产业就是在各个技术细分的市场上都有成熟的玩家,产业规模第一、第二、第三名基本上清晰的勾勒出来的。


另外发展速度也已经变慢了,半导体的周期造成了阶段性的产能过盛,阶段性的供不应求,大的系统性的公司,财务是稳健的,跟着半导体走的话,半导体公司投入很大,会拖累整个大的系统公司的财务,西门子的半导体的,半导体的财务数据会大起大落,比方说IBM都有这样的情况,所以上个世纪90年代末期开始,大型的系统公司纷纷的剥离它的半导体业务。


所以西门子公司把半导体剥离掉了,其中有一家保留到今天。飞利浦也剥离掉,保留了一部分的研发。这样的事情很多,所以说整个的半导体的产业历程经过五六十年的发展有大的整并的过程,整并到今天,用右下角的框框简要的归纳一下,芯片现在产业大致上有这么几类,第一个专业的设计制造一体的公司国际上现在有很多,比方说英特尔就是典型的,还有韩国的三星,包括欧洲的半导体都是这样的,专业设计的,另外还有就是说大的企业公司把芯片整个业务剥离了之后,并不是说不做芯片了,更多是转向芯片的设计,把制造这块放掉了,这块最典型就是苹果公司,苹果公司做手机和系统核心芯片自己设计的,所以说这个地方芯片设计为主。


我们国内像华为的海思实际上也是属于这样一个角色,那么再有就是专业的芯片代工企业,还有就是专业的芯片封测和测试代工企业,再有就是设计公司,这个大家都非常熟悉了,设计公司大概三类。


那么支持电路产业走到今天,刚才讲了有代工,有设计制造一体,它多种产业形态已经并存了,那么支持这个芯片代工这个模式持续发展的动力或者说它的底层逻辑是什么呢?是这样的,就是说叫摩尔定律持续的发展,推动了高密度芯片的高密度的集成,那么芯片高密度集成,大家现在听到的一句话就是一台光刻机很贵,要1亿多美金,这个代表了什么?就是说在高强度的投入,一般的公司已经做不起了。


另外高精度的装备,你要把它维护好,也已经不容易了,再有就是2纳米、3纳米要持续往前走,工艺的技术的研发的投入非常大,也是一般的非常所不能承受的,所以这样的话,一方面出现了产业的分工,一方面它专业的代工有它逻辑合理性,台积电就持续在这条道上,持续的往前走。


另外我们也看到,能够持续跟踪摩尔定律的企业一定是越来越少,现在看到的是台积电、三星和因特尔三家会持续的往前走,其它企业基本上都在不同的纳米级节点上宣布停止了,不再投入了,所以这条路一定会继续走,包括因特尔在内还能不能继续往前的下去,也是要打问号的,因为体量非常大,现在看到因特尔的工艺上已经相对落后了,但是这个逻辑是存在的。


所以就是说能够持续跟踪摩尔定律的制造企业会越来越少,另外就是说数字芯片、高密度芯片实际方法的进化,我这里主要举了两条,一个是IP的重用,还有一个还是软件工程的形态,那么软件工程的形态就使得IDA专业流程的指导和推动控制之下,它可以设计非常大的芯片,另外刚才也提到了设计业态的分工,也推动了很小的组织可以定义、规划几十亿甚至上百亿们的逻辑,现在都可以规划,像人工智能芯片都可以规划,所以客观上也有持续往高密度推动的需求,所以先进工艺的代工是未来非常明确的发展趋势。


但集成电路它又是一个涵盖了多种技术、多种应用场景的一个产品,那么特色工艺的半导体产品,它仍旧有它非常大的发展的空间,所谓的特色工艺就是指半导体产品,利用半导体材料的各种物理特性,做出各种工艺半导体射频传感器,那么说归到功率器件,归村底的高压集成电路,包括砷化镓、氮化镓的射频器件、功率器件,它除了利用PN结的一些基本电学特性之外,还多的用到半导体的光学、机械很多的一些特性,包括一些压敏包括压电一些特性来做,所以它的线宽从现在来看,大概特色工艺的线宽走到今天大概是40多纳米到60多纳米,大概再往上,甚至到一两百纳米,从今天来看,大概都已经有足够的竞争力了。


那么设计制造一体的这个企业形态,看起来又特别的有利于我们一些相关产品的深度的开发,我这里举了一个以高压的集成电路和高压的工艺系统为例子,那么你要做一个高压的产品,可以做代工,没有问题,但是前提是这个代工厂家,要能够的积极的配合你做一些器件,工艺参数的调试,但这个往往因为属于两个实体,有难当的难度,工作效率我们看到也是相对偏慢一些。


那么我们一般理解,就是说你要做高压的,那么你的工艺平台的建设,器件模型包括线路架构验证,应用系统包括封装系统质量评价,因为高压工艺产品,现在我们跟很多专家都专门讨论过这个问题,一个功率器件现在看来芯片的可靠性,你设计制造正确了之后,大概占了百分之三四十左右,跟封装有关系的可靠性占了百分之六七十,那么这样的话,把封装拉起来,你也只有把它一起来做,可能会更有机会把它的问题解决在你企业的内部。


所以我在后面讲一句话,就是说只有系统的持之以恒坚持以上几方面的工作,才能建立不断进步的高压工艺体系,这个非常的重要。


那么国际上这个叫IDM,就是设计制造企业,它的发展情况大概现在是这样的,就是说从现在来看,特色工艺的产品,包括传感器,包括功率半导体等等,基本上都是由美、日、欧发达国家的设计制造一体形态的公司所占有,像我们中国大陆也好,台湾也好,因为近三四十年,中国大陆稍微晚一点,20多年,基本上走的是一条代工的模式,那么它把产品设计和制造相互,应该说是拉开了距离了,拉开了距离之后,从现在来看的话,一块相对来说反而发展的慢。


像台湾地区很厉害,但是它就基本上功率半导体、传感器上基本上就没有,我觉得不是说它做不了,它应该会做的很好,但是产业生态造成了对这一类的产品的研发,制造的互动减弱了,然后降低了它的整个研发能力,所以从目前市场的发展来看,国际上跑到前面的公司,它的优势还是非常的明显的,无论是产品的性能,品牌口碑和这个市场占有率来看,要很快打破这个格局,还真的不太容易。


那么持续的市场应用新需求,就是新的需求不断的在冒出来,然后长期稳健的研发投入,包括公司的并购,推动了国际上顶尖的设计制造企业公司还在持续的发展,还在加快发展,那么当前在中国有利于设计制造一体企业成长的一些因素,我想有这么几个。


第一,硅片尺寸的稳定,我们知道现在硅片大概中间有沪深,要建18寸的硅片,但是最追没建起来,硅片走到12寸,现在基本上已经停下来了,还有一个就是摩尔定律这个脚步的放缓,那么摩尔定律脚步的放缓,言下之意就是说很多成熟工艺,它有更大的一些发展的空间,因为成本上面的原因。


另外也看到纯的代工模式,刚才提到的这一些特色工艺产品研发,它有一些弊端,大家也都看到了,那么另外就是说刚才提到了,就是说成熟工艺或者说特色工艺它所需要的线宽大一些,它可以利用先进工艺淘汰下来的产线来进行生产,像做存储器,它每年都要淘汰掉很多的设备,可以买他的设备来做,所以电线的成本降低。


另外国内很多的专家、领导也都看到了中国可能是需要独立的也要去发展一些IDM的企业,所以专家领导都有护身,再有就是国内的产业政策,国内的产业政策现在从国家大基金到各个地方的产业基金,总体上也都非常的乐于去推动产线的建设,所以这样的话,这些综合的因素使得国内的芯片制造一体的企业,或者有一些产品公司它有一些条件,去建生产线,这个基础可能会更好。


全球IDM模式企业的发展的重要数据可以跟大家再分享一下。就是说现在全球接近5000亿美金的半导体产值里面,由IDM公司所贡献的这个产值是多少呢?大约是在75%-80%左右,就是说由IDM的公司,像英特尔、三星做存储器的,然后像英飞凌这样的半导体,就是这样的设计制造型的公司,它所贡献的产值才占到了75%-80%,是一个非常大的数字。


当然尽管它们的很多芯片是用代工作的方式来做的,像依法半导体很多的MCU它就是委托台积电等企业做代工的,但是它的技术平台是自己来开发的,这个我就不展开讲了,总体上这个市场应该是一个非常大的。


我想也跟大家稍微再分享一下,士兰微电子IDM的发展历程,士兰微电子在1997年成立,成立的时候,我们在2001年开始规划,就是建了一条生产线,这个当然可能跟我们过去资深的工作背景有一定的关系。


那么2003年第一条生产线运行之后,那么我们的组织结构也逐步的转化为IDM的模式,那么在加强芯片设计能力的同时,也强化了芯片生产线的硬件设施和工艺研发的投入,那么士兰微电子投入了一条5英寸,一条6英寸的生产线,总体运行效果都还算不错的,但是同时我们也很清楚的看到,如果说我的芯片生产能力只停留在5英寸、6英寸你要把产品的水平做高,要有国际竞争能力,这个几乎是不可能的,实际上这一点,我们在很多年前就已经看到了,所以我们在2013年我们做了一个决定,要下决心去建8英寸的生产线,当然时间也很巧,这个时候就赶上了一个比较好的时机,然后国家大基金也成立,所以帮助了我们8英寸生产线的建设。


所以这个8英寸生产线建设的话,2013年定下决心,2015年开工,然后到了2017年,我们的8英寸跑出来原片了,同时我们也很快看到,根据当时国内的市场,光有8英寸可能还不够,你还有往12寸跑,所以当时我们几乎就走了连续几级跳,然后在2017年的12月底,我们在厦门海沧规划再建设两条12寸的芯片生产线。


第一条芯片生产线已经在2020年的年底开始进行试生产,刚刚过去的6月份的话我们的产输做到了14000片左右,到年底会过三万片,对我们公司一段时间的成长起到非常大的作用,另外我们规划第三代化合物半导体的开发,研发工作我们都已经开始生产线进行了。


再有一点,当年赶上一个好的时间,受国际政治气候的影响,当前国内高门槛行业整机企业大规模的接受国产的芯片,这个是对我们IDM模式非常重要的支持。平时大家聊天很清楚,一个芯片产业如果说没有高端客户的牵引,只是在一些中低端或者低端纯粹价格跑量市场上发展的话企业的质量、技术一定会走偏掉,高门槛行业带着你走,一定就是技术、质量抓的,对我们持续的发展应该会是非常大的事情。


我们在国内几个地方,一个是杭州的制造基地,一个是厦门制造基地,成都的制造基地大致上的分布。


最后一页我个人的总结。这篇文章重点讲的设计制造一体的模式了,待工的模式是一个我们国家或者全球非常重要的发展方向,我们国家也已经有很好的芯片待工企业,那么从当前的市场和技术发展的趋势来看,中国大陆有机会成长几家规模较大的IBM模式的集成电路企业,也包括存储器,全球发展来看存储器一定是设计制造一体的。


但是因为刚刚前面提到的,大家或者说从各类地方基金多投资机构,都有做IDM的社情,总体说看到还是要设计一哄而上。


IDM运行的企业是重资产的企业,我们的企业的资产规模很快就会达到两三百亿资产规模运行,资产规模运行市场情况好的时候好,市场情况不好的话,整个运行压力还是很大的,资金的筹措安排上这里提出需要国家和地方政府相关政府的支持,需要金融资本的帮助。


另外受产业景气度的影响,重资产模式运行的设计制造企业的话,运行有风险的,虽然我们早期在金融危机的时候碰到这个问题,需要特别关注成本的控制。


另外就是说企业运行需要有非常明确的战略定位,就是说技术、产品和市场一定是你IDM运行模式关注企业的重点,一定不是技术和产品。


最后还有一点非常重要,就是培养持之以恒持续发展的IDM文化,IDM文化是重资产的一个企业,运行起来非常困难的,一路走过来我们比较清楚的,一定不能说很困难了,就拿出来做代工,这条发展的模式非常明确的。