集成电路(芯片)应用十分广泛,它对国民经济各方面的支撑、辐射和带动能力很强,同时对国防安全、信息安全和经济安全十分重要。因此,芯片产业具有经济性和战略性双重属性。不同于其它行业,芯片行业具有国际化程度高、智力密集、资金密集、人才密集、升级迭代快、产业集中度高、赢者通吃、强者恒强的显著特点。

 

由于进入门槛很高,芯片产业 60 多年的发展史中,一再强化着“赢者通吃、强者恒强”的行业特征,促使一代代的芯片人以创新为手段,以竞争为目的,不断追求最快、最好、最强,演绎着一个技术世代快速更替、有喜有悲、英雄辈出的芯片江湖。人在江湖,身不由己地沿着摩尔定律预示的轨迹,从一次创新走向另一次创新,从一个技术世代走向另一个技术世代,永不停歇。


 
一、芯片江湖的灭门历史

跨行灭门,同门竞争;
顺我者昌,逆我者亡。

 

芯片技术不断创新,激烈竞争,使它成为了信息化社会的技术霸主。芯片于 1958 年诞生,一路走来,淘汰和取代了不少传统行业和人们使用已久的产品,其中不少产品陪伴我们度过了记忆深刻的美好时光。这些行业包括:1. 胶片行业:照相胶卷、电影胶片及相关设备;2. 磁记录行业:磁芯、磁鼓、磁带(工业磁带、数据磁带、影音磁带)、磁盘(工业磁盘、硬磁盘、软磁盘)及相关设备;3. 光记录行业:光盘(数据光盘、影音光盘)及相关设备;4. 计时行业:计时功能的钟表、手表;5.CRT 显示行业;6. 银行业:革新了银行柜台、淘汰了 ATM;7. 小商品零售行业等。

 


图 1. 被芯片淘汰和取代的一些传统行业


 
进入本世纪,芯片技术的创新和竞争加快,智能手机的功能越来越强大,促进了电子产品功能集中、整合和优化。小小芯片借助智能手机,消灭了不少功能单一的电子产品和数码产品。这些可以看作是芯片行业的同门竞争和优胜劣汰。被消灭的产品包括:收录音机、光碟机、音响、计算器、游戏机、传呼机、MP3、MP4、PDA、学习机、翻译机、电子书、上网本、汽车导航仪等。

 


图 2. 被智能手机拍死在沙滩上的电子产品


 
二、芯片江湖的摩尔定律

面积缩小,速度变快;
性能提升,不懈追求。

 

芯片技术的创新和竞争,一直沿着摩尔“魔鬼”定律预示的轨迹前进。1965 年,Intel 创始人之一的戈登 . 摩尔(Gordon Moore)提出了每隔 18~24 个月,芯片上晶体管的数量将会翻番的论断。后来的 50 多年里, 一代代的 Intel CPU 的发展历程印证了这个论断。因此,行内把这个规律称为摩尔定律,它揭示了芯片技术创新发展的轨迹。

 

芯片上晶体管数量翻倍带来的好处是,晶体管更小、性能更好、价格更便宜、同样大的硅片上实现的芯片功能更加强大。所以,芯片行业不断砸钱,不断创新和竞争,永远追求着“面积更小、速度更快、性能更好”的目标。这是一条近乎严苛的“魔鬼”式的发展道路。大家都欲罢不能,只能随势而行。

 

按照摩尔定律,芯片制造工艺已从早期的微米(μm)级,经历纳米(nm)级,发展到今天的深纳米级。图 3 显示,经过 14nm 后,工艺演进曲线变缓,技术迭代难度加大,研发和设备投入更加烧钱。在后摩尔时代,芯片技术发展道路将面临更多困难和多种方向的选择,技术创新将是全方位的,包括 3D 方向、替代基材方向、颠覆性技术方向等。芯片行业即将迎来多种技术竞争、百花齐放的局面。未来五到十年可能是一个行业变局,群雄争霸的江湖,危局显身手,乱世出英豪!中国的芯片人应当自强!

 


图 3. 摩尔定律预示着芯片工艺尺寸更小、晶体管密度更高、性能更好


 
3nm 工艺节点以后,摩尔定律会失效吗?行业界有不同观点,但大家都认为是否失效并不重要。当晶体管面积达到最小极限时,人们可以追求晶体管空间最小化,寻找新型材料和发明新型晶体管结构。重要的是芯片行业根深蒂固的发展基因不会变,它在信息社会和国民经济中的重要作用不会变,它的创新和竞争的主旋律不会变,大家追求更小、更快、更好,并争取成为行业龙头老大的努力永远不会停止。


 
三、芯片江湖的丛林法则

遇新兼并,逢强合作;
赢者通吃,强者恒强。

 

通过不断的技术创新和激烈的市场竞争,芯片行业的集中度越来越高。图 4 中列出了芯片产业链中的部分头部企业,也列出了他们在所属细分领域中的市占率。虽然芯片行业的竞争是常态,很激烈,但这些公司在细分领域的龙头地位却相当稳固。这张表说明了几个事实,一是重视基础研究、大强度投入和长期技术积累是这些公司永立潮头的致胜法宝;二是如果做不到这三条,后来者要“弯道超车”基本是骗人的谎言;三是从公司在产业链所处位置看,越偏向产业链基础支撑的领域,越难以进行快速超越。例如材料、设备、EDA 等领域,由于准入门槛高,技术积累时间长,龙头公司的年龄都较长,有些甚至是百年老店。要与他们竞争,超他们的车,几乎不可能,唯一的途径是创新。而越靠近后端应用的领域,准入门槛较低、竞争激烈、名次更替加快,龙头公司的年龄较短。例如芯片封测、芯片设计等领域。所以,强者恒强、强者无敌、嬴者通吃是芯片行业最显著的特点。

 


图 4. 芯片行业龙头企业市占率和公司年龄统计


 
四、走火入魔的芯片江湖

巨额投入,不断研发;
龙头老大,永远追求。

 

芯片行业不断竞争和创新,技术迭代升级越来越快,龙头老大的目标就是让后来者无路可走。芯片行业龙头企业的竞争法宝是大强度资金投入和前沿技术研发。按照行业人士分析,芯片制造工艺发展到 28nm 时,芯片性能与成本达到了完美平衡。然而,行业龙头企业为了追求技术和市场的垄断地位,一味追求更小的尺寸、更高的性能,把成本放在了次要位置。他们认为只要垄断了市场,芯片上了巨量,就可以摊薄单个芯片的成本。因此,在最近 5 年左右时间,芯片制造工艺迭代速度加快,从 14nm、10nm、7nm、5nm,到 2022 年可能实现量产 3nm 工艺。最后的局面是,代工厂投资大幅增加,先进工艺研发费用大幅度提高,能实现先进工艺的代工厂越来越少。在芯片设计方面,图 5 以行业人士对特定芯片研发费用的估算,列出了先进工艺下,研发一款特定芯片所需的费用。虽然各种芯片复杂性和面积不同,芯片研发费用会有变化,但这是量的变化。制造工艺变化将引发芯片研发费用质的大幅跃升。未来一款 3nm 工艺的芯片的研发费用高达 6.5 亿美元(约合 45 亿元人民币),这不是一般跟随性企业能负担得起的。

 

这种不断大强度资金投入,不断追求技术极致的现象,在芯片行业最为明显,看似芯片人“走火入魔”,实则反映了芯片行业激烈竞争的状态。行业龙头企业不断大强度的研发投入显然会吞噬大部分利润,但是为了坐稳龙头老大宝座,这也是人在江湖,身不由己的无奈之举。但带来的好处是,让跟随者的研发投入没有回收的机会和时间,让他们难以形成良性发展,让他们无路可走!

 


图 5. 先进工艺芯片的研发费用快速增加示意图
(数据来源:由网上数据整理)


 
芯片企业不仅要沿着摩尔定律的轨迹不断前行,而且要加油快跑,犹如逆水行舟,不进则退。苹果计划在 2021 年推出自研的基于 ARM 架构的处理器,用于 Mac 电脑。从而使 iPhone、iPad 和 Mac 的处理器平台统一到 ARM 架构之下,为今后处理器升级和用户生态对接铺平道路。虽然从营收来看,苹果丢弃 Intel 处理器对 Intel 业绩影响仅有 5%左右,但这一计划无疑对 Intel 公司是一个噩梦,预示着 Intel 将难以继续引领 CPU 技术发展潮流而被遗弃,这是一个不详征兆。过去十多年里,Arm 和 Intel 的角力一直没有停止。Intel 因在移动处理器方面的失算和落后,终将被移动互联网的大潮所抛弃。


 
结语:江湖上风吹云起,不因人的意志为转移。芯片行业具有不断创新,求新求变,竞争称霸的内生动力。如果把芯片行业看作一个江湖的话,创新和竞争将是永远的主题。