中国式现代化需要中国“芯”

数字化和智能化是现代化产业体系的发展方向和重要特征,数字化、智能化的快速推进将使联网的智能设备越来越多。据荷兰阿斯麦控股公司(AsmI)估计,目前全球约有400亿台联网设备,到2030年这一数字将会扩大8倍至3500亿台。

党中央、国务院“数字中国建设整体布局规划”确定的目标是:至2035年,中国数字化发展水平进入世界前列。

芯片产业既是数字化、智能化的基础,又是核心。根据上述预测和规划,未来10年全球对芯片的需求将迅猛增长,芯片产业将成为实现中国式现代化的关键产业和重要因素。因此,发展好芯片产业,重塑中国芯片产业链、供应链格局,增强产业链、供应链韧性和安全水平,是实现中国式现代化的本质要求和重要支撑。

芯片产业发展规律

芯片产业发展大体分为六个阶段:晶体管的发明、集成电路时代、大规模集成电路时代、超大规模集成电路时代、亚微米技术时代和“Gigabit"时代。这六个阶段是技术不断叠加的过程,因此,它的发展是不断加速的。

从空间维度观察,芯片产业由两种生产组织模式协同:一种是垂直整合模式(IDM模式),即芯片的设计、制造、封装、测试四个环节由同一家企业完成,如英待尔和三星电子,该模式产能占全球芯片产能的67%;另一种是专业分工模式,生产芯片的四个环节由不同企业完成,如台积电、中芯国际只做晶圆代工生产,高通和华为海思只做芯片设计,长电科技和通富微电只做封测,该模式产能占全球芯片产能的33%,但占先进制程芯片产能的80%。两种生产组织模式构成了当前芯片产业链全球化发展的地域分工和产业生态格局。

芯片是高投入、长周期、高风险产业。芯片产业是资本密集、技术密集和人才密集的产业,成长速度慢、迭代周期长,并且试错成本高、风险大,过高的门槛使企业短期内很难盈利,初创企业一般3至5年内无回报,这对创业者、投资人、技术和管理人员有极高的专业背景和心理素质要求。美国半导体协会资料显示,当研发投入占到企业销售收入15%以上时,其发展才能步入良性循环。

随着硅基芯片的加工工艺不断接近物理极限,传统芯片性能的提升速度开始放缓,摩尔定律开始失效,但人们对算力的需求却在不断提高,因此,全世界都在寻找新的出路,来提升芯片算力。目前两条赛道已经展开,一是碳基芯片赛道,因金刚石的散热能力远超硅,用金刚石作为热沉积板的碳基芯片成为下一代芯片的研发方向;二是光芯片赛道,在相同的芯片面积下,光芯片的延迟、能耗仅有传统芯片的千分之一,而工作频率则增加了10倍。

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从日本、韩国、中国台湾地区等国家和地区的芯片产业发展历程来看,后发经济体夺取芯片产业全球竞争优势都经历了30年左右的时间。在这一过程中,先发者势必会尝试对后发者进行打压,此前日本因芯片企业强势竞争,引发美日贸易逆差,遭遇过美国施加的加征关税等打压措施;韩国芯片崛起时,也遭遇过日本的遏制。

中国芯片产业发展存在的问题

截至2020年,中国与生产芯片相关联的企业就已超过5万家。尽管布局完整、企业数量众多,设计与制造工艺发展迅速,但真正有竞争优势的产业链环节和企业并不多。

在原材料与设备、设计、制造领域,美欧日韩大幅领先,中国在细分领域虽有所突破,也出现了一些隐形冠军,涌现出了一些优秀企业,如设计领域的华为海思、紫光展锐,制造环节的中芯国际等,但整体上在研发投入、技术装备、人才方面与国际前沿和全球优势企业还有很大差距。根据国内权威机构测算,截至2022年,中国芯片产业国产化率仅为17%,预测2024年芯片国产化率能达20%。中国已是全球芯片最大消费国,占全球芯片需求量的45%,其中90%以上需求依赖进口。

目前,全国3000多家苍片设计公司,大多都集中在低端设计市场。在制造领域,产能多集中布局在40-90纳米工艺制程之间。从产品定位看,多数投资项目都集中在生产中低端图像传感器(CIS)芯片和功率器件这两类技术门槛和工艺要求偏低的产品。

根据中国半导体行业协会公开资料统计,截至2020年底,全国有20多个省市成立了集成电路产业投资基金,总计规模超过5000亿人民币。但由于对芯片产业发展规律认识不足,对项目市场定位和可行性缺乏论证,加之募集资金大多没有及时到位,导致近两年集中出现了武汉弘芯、南京德科玛、贵州华芯通等一批大型半导体项目折戟,因资金链断裂导致烂尾的中小芯片项目也不在少数。

研发投入方面,美国芯片产业研发投入占到销售收入的17%;从中国科创板上市的22家芯片设计企业2021年年报可以看出,总研发投入不足销售收入的10%,国内除华为海思和中芯国际外,少有实现资本和技术双轮驱动走向正向循环的成功企业。

技术装备方面,光刻胶是芯片生产最重要的原材料,基本依赖从日本、美国进口,生产芯片的关键核心设备光刻机,多由美欧日三方垄断,目前国内虽已具备了28纳米工艺制程的浸没式光刻机生产能力,但与国际先进水平还有较大差距。

人才方面,据公开资料显示,全国集成电路人才缺口约30万人,从领军人物、中层管理人才,到研发人员、工程师全面缺乏。同时,人才流失也非常严重。中芯国际《2018年社会责任管理报告》披露,当年公司的员工流失率达到22%,大约是行业平均水平的1.3倍,其中上海、北京、深圳工厂员工流失率分别为52.2%、25.7%、11.7%。反观台积电,2019年员工流失率仅为4.8%。

2018年以来,美国逐步加大了对中国芯片领域的技术封锁和出口限制,特别是2022年以来,通过采取制定《芯片与科学法案》,签署“芯片四方联盟”、“美日荷对华半导体限制协议”,颁布“对华出口限制清单”等系列组合手段,试图从芯片设计、生产和应用等方面,全方位围堵中国。这将严重制约中国获取先进半导体芯片和引进先进芯片生产技术和设备的能力,影响中国芯片产业链供应链稳定,给中国芯片产业发展带来严峻挑战。

中国芯片产业发展战略构想及举措

《国家集成电路产业发展推进纲要》确定了“设计为龙头、制造为基础、装备和材料为支撑”的发展原则,目标是到2030年集成电路产业链主要环节达到国际先进水平,一批企业进入国际第一梯队。

立足新时代阶段性特点,借鉴日、韩和台湾地区芯片产业发展经验,应发挥新型举国体制优势,第一是政府牵头、产学研联动,探索新型创新联合体,集中力量攻克关键核心技术。第二是制订产业扶持政策,中央政府制订财政税收和金融政策,地方政府以土地优惠和项目资金补助政策为主。第三是鼓励国内终端产品生产企业采购、使用国产芯片,通过政策扶持确保国产芯片占有一定的市场份额,给市场稳定的预期,让芯片生产企业能看到明确的市场空间,专注于长期投入并把产品做好、做优。

政府设立的产业投资基金要通过多渠道引导社会资本围绕全产业链布局,像支持中芯国际一样支持产业链各环节重点企业加大研发投入,建立创新联合体,进行技术创新和核心技术攻关,特别应将设备、原材料和芯片设计软件作为投资重点,形成资本和技术双轮驱动,解决中国芯片产业长期存在的“卡脖子”问题。芯片设计的自动化软件EDA代表半导体产业最尖端技术,基本由美国企业控制,全球三大供应商ARM、MIPS和Synopsys占据一半以上市场份额,政府应牵头尽早布局,加大对EDA软件研发支持力度,填补国内空白。

小米董事长雷军在其新书《小米创业思考》中提出,中国与世界先进制造业的差距,看得见的是技术实力的差距,看不见的则是制造业生态的差距。良好的产业生态可以使上下游企业加强互动与协作,密切的互动让企业之间对彼此的变化更加敏锐,形成竞争态势,进而提升产业总体竞争力。

目前,中国初步形成的三大芯片产业集聚区的产业集聚规模尚小,初步形成的产业生态还非常脆弱,需要地方政府通过政策引导、技术研发支持、经费扶持奖励、公共服务平台搭建等多种方式,进一步提高区域企业集聚能力,形成企业集群;多个产业集聚区的企业集群方能形成充满生机、业态丰富的产业共生生态,为我们把握好产品、品牌、渠道及供应链四个维度的平衡,形成共生关系,提供机会和空间,助推中国芯片产业链、价值链竞争优势的崛起。

要解决“卡脖子”难题,真正实现自主可控,则必须扶持发展IDM生产模式企业,培育具有从设计、制造、封测到销售一体化能力的芯片企业。毕意IDM模式企业产能占全球芯片产能的近70%,且在近两年全球“缺芯潮”中,IDM模式企业显示出供应链更为稳定的竞争优势。

芯片产业将是未来中美长期博弈的焦点,面对美国的技术封锁和出口限制,我们要做好长期竞争的人才准备。欠缺的各个环节的人才,需要政府、高校和企业三方协同构建人才培养和输入渠道。

总之,芯片博弈战注定将是一场持久战。只有把人才链、产业链、创新链融合起来形成互动反馈机制,共同形成芯片产业发展共生生态,中国的芯片产业才能真正强悍起来。相信再奋斗10-20年,中国的芯片产业和产业发展生态一定会走到世界前列。

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