作为世界第一大经济体,在过去几十年里,美国掌握了世界经济方面的绝对话语权,可以通过金融市场制裁来冻结被制裁国的外汇资本,也可以联合自己的盟国来对被制裁国进行贸易限制。


而在中美贸易摩擦的要素里,美国最关心的是半导体。世界半导体贸易统计组织(WSTS)预测,2021年全球半导体市场规模将高达4,690亿美元,已经成为直接关系到国家利益的重要产品。因此贸易战只是幌子,科技战才是目的,今天美国以中美贸易逆差这一短期内无法改变的事实相要挟,名正言顺地对中国企业的跨境收购进行封杀,抑制中国科技新势力的崛起,制裁密度与强度已上升到前所未有的高度,为的就是保证美国科技霸主的根基不动摇,这才是其长期战略目的。


我们知道半导体是一个技术密集型且分工很细的行业,一颗芯片的诞生,涉及50多个行业、2000-5000道工序,从设计到制造,再到封装测试,大环节里扣着小环节,细分出的每个环节又都有自己的技术壁垒。抛开光刻设备制造、EDA等老大难外,中国半导体行业目前还面临着怎样的难题呢?


 
图 | 2019年全球IC设计市场份额,来源:半导体行业观察


其一,目前,美国、韩国、欧洲、日本、中国台湾和中国大陆几乎承担了世界上所有的半导体设计工作。据统计,截至2019年底,我国IC设计企业已达到1780家。就设计水平而言,模拟领域与世界最先进水平差距较大,数字领域发展势头不错,比如华为海思,但当我们的晶圆厂在材料、设备上受到贸易战的影响时,很难做到非常先进的工艺,而数字IC对先进工艺的依赖性又很强。国内最先进的半导体制程工艺当属中芯国际的14nm,而世界晶圆代工龙头台积电已实现5nm量产,台积电董事长刘德音更是在2021年国际固态电路会议上表示,“台积电3nm制程预计今年下半年试产,明年下半年进入量产”。表面上看这是工艺的差距,实质上是下游遍地开花的应用需求与无米下炊的矛盾。到不了7nm、5nm工艺,我们怎么办?


 
图 | 设计成本随制程升级水涨船高(单位:百万美元),来源:IBS


其二,芯片代工行业迈入10nm工艺后,成本压力越来越高。参考麒麟990流片费用,台积电7nm Plus EUV工艺制作,仅流片费用就高达3000万美元,约合2.1亿人民币。据统计,今天10nm芯片的开发成本已超1.7亿美元,7nm接近3亿美元,5nm超5亿美元。就算价格如此高昂,台积电等代工厂产能依旧满载,客户排队下单。而中国近2000家的芯片设计企业中,大部分是中小企业,一方面是动辄上亿的成本压力太大,另一方面是小客户总是更容易受到代工厂产能波动的影响。如何分解成本压力?如何保证产能?


难道真的没有出路可循?Chiplet和CIDM或可成为当下的权宜之计,下面我们具体来聊聊。


权宜之计一:Chiplet(超贵芯片的省钱设计)


Chiplet就是我们常说的小芯片或者叫芯粒,它的概念其实很简单,就是硅片级别的重用。从系统端出发,首先将复杂功能进行分解,然后开发出多种具有单一特定功能、可相互进行模块化组装的裸芯片,如实现数据存储、计算、信号处理、数据流管理等功能,并最终以此为基础,建立一个Chiplet的芯片网络。


 
图 | Chiplet示意图,图源:Chinaaet


关于它的历史,芯原股份董事长戴伟民说Chiplet是2015年Marvell的CEO周秀文在旧金山ISSCC上提出的,当时命名为Mochi(Modular-Chip,模块化芯片架构)。但仔细寻迹可以发现,2014年海思与TSMC合作推出的CoWoS(Chip-on-Wafer-on-Substrate,晶圆级封装)产品就有些Chiplet的影子。2016 年,Darpa启动的Chips项目,把这种Chiplet Reuse的想法推到了整个产业界面前,而真正将Chiplet推入大众视野的是AMD的EYPC 系列。


起初,像海思、Marvell这些开始Chiplet 计划的Fabless芯片设计公司是因为内部产品线复杂,但每一款产品的数量都不巨大,新工艺的价格却在不断攀升,降本势在必行。


 
图 | 基于Chiplet的系统芯片示意图,图源:Cadence


后来,随着集成电路技术的不断发展,芯片设计的复杂度不断提升,近些年摩尔定律越来越难维持,Chiplet被视为延续摩尔定律的重要法宝。上面提到AMD是真正将Chiplet推向市场的功臣,这种架构带来的红利促使AMD追上了Intel,甚至有赶超之势。当然后来英特尔也紧紧跟上,就这两家最会做大芯片的企业说:“也许小芯片更好。” 这在半导体市场上绝对具有强大的引领作用。


 
图 | AMD EPYC系列,图源:Intel


根据市场研究机构 Omdia(原 IHS)的预测,2024年Chiplet市场规模将达到58亿美元,而到2035年则将达到570亿美元。


 
图 | Chiplet市场规模快速增加,图源:Omdia


那Chiplet究竟是如何利好本土半导体行业的呢?它能解决7nm、5nm工艺的缺失问题,能做到降本增效吗?


效果端,根据AMD的测算,“采用Chiplet后由于单个芯粒面积缩小,良率有明显提升,成本明显下降;对于多核处理器来说,大量核心都可以采用可复用的小型模块(Core Complex,CCX)来进行复制,节约成本效果十分明显,并且核心数量越多Chiplet技术的作用就越大。”


 
图 | 芯原股份董事长戴伟民,“Chiplet是更合乎潮流和国情的做法”


可行性端,芯原股份董事长戴伟民在与非网2020年终专题《对话“芯”未来》中曾表示,“对于中国大陆来说,晶圆厂设备受限,很难做到最先进的工艺,但一颗先进芯片中其实只有几块需要最先进的工艺,而另外的可以采用12nm工艺,甚至是22nm工艺,有一些现在中芯国际可以做,针对功能选择最为合适的制程,这对于国内的设计企业和晶圆厂来说是更合乎潮流和国情的做法。当然这些小芯片要连接起来,那就是先进封装的问题,尽管我们的晶圆厂可能落后几代,但是我们的封装是接近最先进水准的,比如长电科技,所以我们基本上可以做这个Chiplet的东西。”


但Chiplet真的可以彻底解决半导体先进工艺短缺问题吗?中科院计算所副研究员王颖在中国计算机大会(CNCC)上表示,“对于当前卡脖子问题,Chiplet作为权宜之计,可以通过异质集成弥补先进IC工艺短板,追求系统级的效能优势,但不能从根本上解决问题,因为到新赛道之后,还是要考验核心技术,例如Chiplet设计方法涉及的2.5D,3D集成制造技术,三维版图设计、电源网络、物理设计仿真等EDA技术。”


权宜之计二:CIDM(进可攻、退可守的搭伙IDM模式)


大约30多年前一些美国、日本和欧洲的IDM(Integrated Device Manufacture,集成器件制造)半导体工厂开始把多余的产能拿来做代工服务,由于纯代工的公司不会与客户竞争,1987年台湾积体电路公司(TSMC)成立,此后半导体产业的专业化分工成为一种趋势。因此,今天全球半导体产业主要有两种商业模式,一种是IDM模式,另一种是垂直分工模式。


那究竟国内半导体行业更加适用怎样的模式呢?CIDM又是什么?


 
图 | CIDM示意图,来源:知乎


CIDM是Commune IDM的简称,就是共有共享式的IDM模式。我们知道成立一家有竞争力的IDM公司条件很多,对资金、产品、设计、工艺、生产、人才等都有很高的要求,这对于当下这近2000家本土半导体设计企业来说是不可能完成的批量式挑战。事实上,这些设计企业目前大都采用的是Fabless模式,也就是上面所说的垂直分工模式,只有少数的模拟IC和分立器件企业是IDM模式,受到中美贸易战和全球芯片代工产能吃紧、价格水涨船高的影响,本土芯片企业面临产能稳定性和成本问题。


 
图 | “中国半导体教父”张汝京,“CIDM模式进可攻、退可守”


如何分解成本压力,保证产能?“中国半导体教父”张汝京博士在2017集微半导体峰会上曾建议学习新加坡TECH公司,成立CIDM公司。张汝京表示:“如果我们要成立比较先进的IDM公司,一家不容易做起来,但如果是多家与Fab是上下游的结盟,企业加产品互补,一起合作,分担投资,资金的压力大大减少。同时因为投资的人就是公司的客户,他们会优先向CIDM下单买芯片,对于Fab的产能利用率很有保障,对投资人来说他们需要的芯片产能也有保障,对双方都有利。此外,CIDM在许多方面可以比一个先进的代工厂要容易运作些,CIDM开始只要提供10至20种工艺,力量比较集中,所以自家的产能分配可以内部协商。有需要时可以增加产能,如果产能过剩,对外可以向客户提供服务,产能就用上去了,进可攻、退可守。”


结合中国半导体设计企业委外代工“散装”的现状,CIDM模式是目前相对较好的模式,一方面能够整合众多小企业来搞定全产业链,减少对其它厂商的依赖,另一方面又不用承担太多的风险和投资,就能实现资源共享。


写在最后


作为“世界工厂”的中国,消费着全球半导体的40%,有足够大的市场。中美贸易战的两面性告诉我们,除了被卡脖子,对于我们的产业来说也是有好处的。比如,让原本不愿试错的下游的企业尝试本土器件、本土方案,为推动半导体器件国产化提供珍贵的时间窗口期;比如,让我们看清基础材料、设备、EDA等半导体产业链中的薄弱环节,以求对症下药,寻找突破的机会。Chiplet和CIDM或许可以成为分阶段实现国产化关键时期的硬出路,而大量的市场化资本和国家大基金可能加快这一进程。