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中国芯片产业“烂尾潮”背后

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  (8月下旬,武汉临空港经济技术开发区内的弘芯项目建设工地。图/人民视觉)

  芯片产业烂尾潮背后的出路

  本刊记者/杜玮

  发于2020.10.26总第969期《中国新闻周刊》

  10月22日,华为手机史上最强大的Mate40发布,然而,因为受美国制裁,这款搭载麒麟9000芯片的手机,或将成为华为高端手机的绝唱。

  10月4日晚,内地规模最大、技术最前沿的芯片代工企业中芯国际发布公告称,确认受到美国出口管制,向中芯国际出口的部分美国设备、配件及原物料须申请出口许可证后,才能继续供货。

  近年来,中国芯片进口额都超过石油,成为第一大宗进口商品。2019年,中国集成电路的总进口量约为4451.3亿块,进口总金额超过3000亿美元。芯片是决定电子设备正常高效运转的大脑,因其以半导体为主要原材料,集成电路为实现功能的核心,因此常以半导体或集成电路代称。从2018年的中兴事件,到近两年华为危机、中芯国际受限,暴露出中国企业“缺芯少魂”的致命软肋。

  9月16日,中科院院长白春礼在国新办发布会上表示,2019年中科院就已启动处理器芯片与基础软件等5个科研专项,未来还将部署光刻机等卡脖子领域攻关。

  实际上,早在2014年,随着《国家集成电路产业发展推进纲要》颁布和国家集成电路产业投资基金(以下简称“大基金”)的启动,全国各地就掀起芯片产业发展热潮,一个项目投资动辄数百亿元乃至千亿元。而在最近一年多里,各地有多个投资目标百亿元级别的半导体项目停摆,引发烂尾潮。

  10月20日,在国家发改委的例行发布会上,发改委新闻发言人孟玮表示,要按照“主体集中、区域集聚”的发展原则,有序引导和规范集成电路产业发展秩序;建立防范机制,引导地方加强对重大项目建设的风险认识,对造成重大损失或引发重大风险的,予以通报问责。

  “脖子”卡在哪里

  芯片的“出世 ”要历经设计、制造、封装三个环节。眼下,国产芯片在设计和封装领域与世界先进水平的差距不断缩小,“卡脖子”的环节主要在于制造。华为就是典型代表,以麒麟9000芯片为例,因其只布局了设计,没有涉足制造,因而只能找拥有全球最领先5纳米制程工艺的台积电为其代工。

  所谓5纳米,是指构成芯片基本单位晶体管上源极和漏极间的距离,这一数值越小,芯片上能排列的晶体管数就越多。目前,台积电正研制3纳米制程,预计于2021年下半年试产。中芯国际在2019年实现了14纳米工艺量产,工艺水平与台积电相比还落后至少两代。

  更致命的是制造设备和材料的匮乏。制造芯片时先要将原材料硅提纯,再切成薄厚均匀、厚度不超过1毫米的硅片,称为晶圆,这相当于芯片的“地基”。晶圆越大,意味着能封装出的芯片越多,成本降低,对生产工艺要求也越高。

  中国半导体行业协会副理事长、清华大学微电子学研究所所长魏少军对《中国新闻周刊》说,目前,国内集成电路加工所需的纯度为99.9999%乃至更高的大尺寸硅片基本依赖进口,由数百种原料构成、加工工艺复杂的光刻胶虽说技术上并非不可逾越,但因国内研发起步晚,也主要依靠日本美国企业。

  被称为“半导体工业皇冠上的明珠”的光刻机的重要性更是广为人知。目前最先进的光刻机是由荷兰ASML公司所生产的5纳米工艺制程的极紫外(EUV)光刻机,1台售价超过1亿美元。而目前国产光刻机工艺水平为90纳米。国内领先的半导体设备制造企业上海微电子设备(集团)有限公司将于2021年~2022年交付首台28纳米工艺的国产浸没式光刻机。

  国家工信部下属的赛迪智库集成电路所集成电路制造研究室主任史强对《中国新闻周刊》说,这一产品还要经过验证才能上生产线,往往还需要一到两年。除光刻机外,尖端工艺所需的诸如刻蚀机、离子注入机等设备、材料也都大多掌握在东京电子、应用材料、泛林等欧美日韩企业手中。

  由于产业结构和需求的失配,中国所需处理器/存储器等核心芯片主要依赖进口。一位在半导体行业有数十年从业经验、曾在多家顶尖芯片公司担任高管的资深业内人士对《中国新闻周刊》表示,表面上看,近年来国内企业取得了一些进步,但实际上进步是“非常脆弱”的,因为生产装备、原材料、管理生产流程的工业软件MES90%以上都要进口。

  即便在设计领域,中国的芯片业也有软肋。芯片设计的自动化软件EDA由两家美国公司与德国西门子的一家子公司掌控。此外,全球90%的智能手机和平板电脑芯片中都运用ARM架构,ARM与在电脑中占据霸主地位的英特尔X86架构,并称为当下芯片主流的两大架构。但在9月14日,美国芯片巨头英伟达宣称,将以400亿美元的价格收购日本软银公司旗下的知名芯片设计架构公司ARM。在外界看来,这或将使得美国政府限制ARM架构在中国的使用。


  (10月14日,参观者在2020中国国际半导体博览会上观看中芯国际代工生产的芯片。图/IC)

  芯片产业烂尾潮

  2014年,国家大基金启动,首期募集资金超过1300亿元。大基金是中央财政、国开金融、中国移动等设立的产业投资基金,重点投资行业龙头企业,如中芯国际、长江存储等,还意在撬动更多社会资金注入。在魏少军看来,在某种程度上,大基金更像是为企业扩张、上市而设立的资金。

  以“芯片”为关键词在企业信息平台“企查查”搜索发现,截至今年10月初,全国的芯片相关企业超过50000家,今年新成立的芯片公司就达12740家。

  今年1月20日,一台全新尚未启用、被武汉市东西湖区政府称为“国内唯一能生产7纳米芯片”的ASML高端光刻机被以5.8亿元抵押给了武汉农商银行东西湖支行,抵押方为武汉弘芯半导体制造有限公司。这家成立于2017年11月的公司,因其号称拥有14纳米及7纳米先进生产工艺、先后两期计划投资总额达1280亿元而备受关注。2018年和2019年,弘芯连续入选湖北省重大项目,在武汉市发改委发布的2020年市级重大项目计划中位列第一位。2019年,弘芯还邀请台积电前首席运营官蒋尚义出山,任公司首席执行官。

  但在今年7月30日,引进弘芯的武汉市东西湖区政府在官网发布的《上半年东西湖区投资建设领域经济运行分析》中指出,弘芯项目存在较大资金缺口,随时面临资金链断裂导致项目停滞的风险。目前,湖北省重大项目中已将武汉弘芯移除。

  事实上,近年来,因资金链断裂濒临或导致烂尾的半导体项目并不罕见。

  在四川成都高新区,由美国芯片代工企业格罗方德和成都市政府计划投资90.53亿美元、2017年合作组建的格芯(成都)集成电路制造有限公司已经停业。该公司曾称要建立全中国规模最大的12寸晶圆厂。

  在陕西西咸新区,原计划投资近400亿元,号称要建设国内首个柔性半导体服务制造基地的陕西坤同半导体,在成立一年多后,于今年年初被曝出拖欠员工薪水。

  今年6月,半导体界的“明星公司”南京德科玛因资金不足进入破产清算及资产移交程序。德科玛的案例备受关注,其创办人李睿为更因先后在淮安、南京、宁波三地参与创办半导体公司,被称为“投机分子”。

  李睿为对《中国新闻周刊》说,2015年,他和曾在中芯国际担任过厂长的夏绍曾一起,与南京经济技术开发区接洽,希望引进以色列芯片巨头Tower Jazz的技术,在南京建一座晶圆代工厂。筹备期间,因接到了淮安市政府抛出的橄榄枝,二人决定移师,创建了总投资额450亿元、一期投资120亿元的淮安德科玛,后更名德淮半导体。

  但据媒体报道,到2019年10月,德淮项目达成的投资只有46亿元,目前基本搁浅。《中国新闻周刊》了解到,当地已成立德淮半导体工作推进小组,负责整体稳定工作。德淮初创后,李睿为因和夏绍增产生矛盾,又回到南京,创办了南京德科玛,一期投资目标总额预计达50亿~60亿元,计划生产电源管理芯片等模拟芯片。但项目自 2017年1月开工后一年多,就出现了资金链断裂,到2019年2月,德科玛筹集到的投资只有2.5亿元;南京项目停摆后,李睿为又带了十几个旧部,在宁波注册了一家不用花大价钱建厂房的芯片设计公司——承兴(宁波)半导体公司。

  梳理国内这些烂尾的公司或项目,大多有一个共同特点:项目方极少出资甚至零成本出资。

  作为引进南京德科玛的主要参与者,南京经济技术开发区副主任沈吟龙对《中国新闻周刊》说,实际上,当初引进德科玛,也是因为看到国家鼓励发展半导体产业,这是开发区引进的第一个半导体项目。但当初引进时,开发区提到的一个原则性条件就是政府不作为主要出资方,而是可以配资或提供一些奖励补贴,“德科玛最初希望政府出资二三十亿元,我们说这是不可能的”,这也是德科玛后来转战淮安的重要原因。在德淮半导体成立初期,政府就投资二十多亿元,并且以项目落地方淮阴区政府出资为主。2017年,淮阴区政府的一般公共预算收入只有25.6亿元。而在日后的投资中,绝大部分都来自于政府。

  半导体产业专家、芯谋研究首席分析师顾文军对《中国新闻周刊》说,现在行业里出现的一个很重要的问题就是政府出资,亲自下场办企业,缺乏对于半导体行业的敬畏,地方政府真正应该做的是搭平台,做好营商环境建设。顾文军还撰文称,有些轻资产(甚至是无资产)的企业去地方政府落地,没有任何产品,当地就先拿了几个亿甚至十几个亿的补贴。

  赛迪智库集成电路所集成电路制造研究室主任史强分析说,现在很多半导体项目上马都有投机色彩。当地政府为了能占得先机,一些项目“低调”上马,甚至带有“神秘”色彩。项目方由于没有实际投入,缺乏和当地深度绑定,可以说走就走,一些项目本身就是为了骗钱。

  前述半导体行业资深人士说,半导体行业有着资金密集、技术密集、人才密集的特点,很多地方这几个条件都不具备,宣称的巨额投资又到不了位,因而只有极少数项目能做起来,其他都会烂尾。

  沈吟龙说,现在回过头来看,南京德科玛很重要的一点教训就是对项目评估时,只对技术、团队专业背景做了解,忽视了投资的可行性,对项目方募集资金的能力有些“轻信”,这样的教训还是有现实意义的。现在开发区努力做的,是对南京德科玛进行重组,“还是想把Tower jazz这样的跨国公司留住,能把先进生产工艺引进来,这还是值得的”。

  低水平重复建设和虚火的市场

  根据李睿为和南京经济技术开发区2015年签订的投资建设协议书,南京德科玛最初想打造的是图像传感器CIS的产业园,号称要填补中国CIS产业空白。CIS芯片可用于手机摄像头、安防监控与车载移动摄像头等,依据对像素、分辨率的要求,分为中低端和高端。李睿为和南京当地的想法是从普通、中低端的入手,再逐步升级。2017年南京德科玛项目重启后,双方又觉得CIS芯片难度仍较高,于是退而求其次,打算先做对工艺要求相对更低的模拟芯片,而CIS的“宏图”率先在德淮半导体实现。

  2017年6月,德淮半导体一期12寸晶圆厂主厂房封顶,也在这一年,夏绍曾引进了美国安森美的技术。但据财新报道,2019年底,德淮产品的总销售额仅为2.5亿元。2016年前后,当时仍供职于业内巨头意法半导体的曹韵对德科玛项目有所了解,“当时就觉得匪夷所思”。他认为,国内已经有像上海华虹等企业在做CIS,一些代工厂也有成熟的项目和工艺,德科玛在没有太多专业根基的背景下,贸然进入,不会有竞争力,从国家战略布局来讲也没有必要。

  半导体市场扎堆瞄准的另一大产品品类是功率器件。史强说,一些厂家计划或已经生产的功率器件都比较低端,“瞄准市场雷同,技术同质化严重”。在李睿为给记者提供的南京德科玛和宁波(承兴)半导体的生产规划中,都不乏这一门类的产品。史强分析说,有的厂家在相对高要求的功率器件做不出后,会退而求其次,转向工艺水平更低的产品。

  曹幻实是茄子(上海)管理咨询有限公司创始人,担任《芯片揭秘》节目策划人,与业界多有接触。在她看来,现在有太多企业在做功率器件,“相对来说用量比较大,门槛也不高,很多初创厂都会拿这种产品练手,或者先填补产能。”在全国范围内,低水平重复建设的案例屡屡出现。

  现在全国遍地开花的还有第三代半导体项目。目前绝大多数芯片以硅为主要原料,而第二代半导体材料为砷化镓。第三代半导体,即所谓化合物半导体,以碳化硅、氮化镓为主要原材料。“严格来说,这不该叫第三代半导体而应叫第三种半导体,第三种半导体并不比前两代先进,也无法替代前两代,只是各有用途,很多项目方拿着第三代半导体的概念忽悠政府。”

  前述芯片领域资深人士直言,在全球市场中,以硅为主要原料的半导体占95%,砷半导体占比4%,第三种半导体的市场份额1%都不到。第三种半导体有着耐高压、耐高温高速等特性,可用于5G、6G网络的通信芯片,蓝光激光照明器件,新基建中耐高压的器件等,但其工艺要求也不高,“最高精度只需要250纳米,30年前的制备硅芯片时的技术就可以达成,精度要求是粗糙的”。但核心问题在于原材料比较难制备,“原材料需要百分之百进口”,美国、日本历经几十年发展才刚刚开始量产,没那么容易。中国现在还没有什么厂家做出来,都在炒概念,而且第三种半导体产品的价格相较其他两种半导体高,这也决定了其是个小众市场,普通百姓不一定用得起。

  化镓

  魏少军曾指出,在先进工艺节点产能不足的情况下,国内半导体行业规划的产能主要集中在40纳米~90纳米工艺之间,预计建成后可能出现部分节点产能过剩。重复建设的另一个直接后果还有会使得投资分散。

  急速向前的芯片业也在不断推高着入局者的市值。就曹幻实的观察,全国3000余家芯片设计企业中,拥有自己的知识产权、依据市场需求设计出高端芯片的企业较少。但不少企业在设计出一款芯片后,就会借科创板上市流程和门槛的便利,匆忙上市。在这一行业,企业年销售额过亿元并非难事。

  赛迪顾问数据显示,今年1~8月中国半导体企业IPO募资规模高达661.74亿元,是2019年全年的5.93倍,是2018年全年的42.47倍。科创板半导体企业的市盈率,即市值和利润的比值超过100倍,意味着半导体企业获得了相当高的估值。

  沈吟龙向记者感叹,当一种新兴产业起来后,很容易大家在短时间内一拥而上,“各地政府摩拳擦掌,投资人也跃跃欲试,带有一种盲目性,这是我们产业发展中的一种弊端,形成一种虚热”。

  解决“卡脖子”问题路在何方?

  沈吟龙对《中国新闻周刊》说,当初引进德科玛项目时,对项目涉及的技术和团队进行评估及调研时,也和当地高校、科研院所相关专家交流,“但我们毕竟不是专业技术人员”。他希望今后各地引进半导体项目时,能由国家或省级发改委等更高级别权威部门组织专家对项目可行性进行前期论证。

  魏少军将各地半导体项目疯狂上马称为“招商引资”驱动、项目驱动,而非科学驱动。“当你去问很多地方政府,他们的半导体项目的目标客户是谁,给哪个细分领域做东西,竞争策略是什么,他们都说不出”。在他看来,各地是否上马半导体项目缺乏顶层设计,目前国家发改委的指导机制是项目上马的“事后”指导,应该将关口前移。

  2019年,国家大基金二期成立,2000亿元投向芯片市场。大基金总裁丁文武此前表示,二期将继续支持刻蚀机、薄膜设备、测试设备和清洗设备等领域已布局的企业,同时加快开展光刻机、化学机械研磨设备等核心设备及关键零部件的投资布局。

  在前述芯片行业资深人士看来,大基金应更早关注设备、原材料、工业软件的投入,把这些作为投资重点。此外,大基金投资总额也不够。“数字最后再加一个零也不过分。”美国麻省理工学院副教授、英特尔最高成就奖得主、中芯国际创始人之一谢志峰对《中国新闻周刊》说,大基金一期5年下来,全国平均每年投资50亿美元,而英特尔一家公司每年的研发投入就达120亿美元。

  然而,投资的加大并不等同于研发投入的上升。在魏少军看来,半导体行业更应加大的是研发的持续性投入。他解释说,当研发投入占到一家芯片企业销售收入额15%以上时,其发展才能步入良性循环。

  以美国为例,芯片产业研发投入占到了销售收入的17%,是其他国家的两倍。相比之下,中国内地芯片企业总体研发投入不足,平均大概只占销售收入8%。再者,根据摩尔定律,集成电路产品每18个月左右就更新换代一次,而中国通常按照5年规划的节奏来投资,这造成科研投入与产业发展脱节,以致研发投入“一会儿有一会儿没有”。魏少军认为,在企业规模、盈利能力尚佳的情况下,国家层面应加大对技术研发的投入,设立专门的研发基金,改变投资节奏,实现创新驱动。

  另一个问题是人才。目前,全国集成电路人才缺口大约在30万人。“从领军人物,到中高层管理人才,再到研发人才、工程师全面缺乏。”谢志峰说。今年7月29日至31日,华为总裁任正非还接连到访了上海交通大学、复旦大学、东南大学,强调要加强产学研合作。

  上世纪70年代,为缩小与美国的差距,日本出台了超大规模集成电路计划,集结了日立、三菱、富士通、东芝、日本电气等五家公司,政府同时出面协调,在光刻、大尺寸晶圆、存储芯片等领域攻关。从1980年到1986年,日本企业的半导体市场占有率由26%上升到45%,美国企业半导体市场份额由61%下降至43%。

  今年8月,国务院发布的《新时期促进集成电路产业和软件产业高质量发展的若干政策》的文件中提到,要不断探索构建社会主义市场经济条件下关键核心技术攻关新型举国体制。魏少军认为,在以往科技专项的实施上,存在政府过多介入科研目标及最终决策的情况,采用的一些方式如编指南、项目评审等效率不高。今后,在新型举国体制探索上,技术攻关组织方应具有专业技术背景,并且不仅要做到对结果的管理,还要在攻关的全程给予协调支持。

  回顾中国集成电路产业发展的60余年,魏少军说,上世纪80年代前,中国在被全面封锁的情况下被迫自主创新,到了1990年代后,以引进为主。21世纪前十年,主要依赖市场机制发展集成电路,政府作用有些缺失。过去10年,政府作用找回,开始在原始创新发力。

  魏少军认为,如果未来政策对路,资源投入充足的话,中国集成电路应在2030年左右可以实现大部分不受制于人,少部分并跑的局面,到2040年实现大部分并跑,一些领域实现领跑。

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