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        行業新聞

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        芯片歷史的4次拐點,一部后發者崛起史

        最重要的事不會成為新聞。

        它們發生時往往無聲、微小,而新聞不過是“重大事件”經歷了漫長蟄伏后的爆發時刻。

        全球半導體產業來說,上世紀70年代,就是一個“悄然無聲”的變革開端。

        1973年,第四次中東戰爭打響,石油危機爆發,全球經濟放緩,美國工業生產下滑了14%。

        彼時的歐美,自由市場經濟重獲主導,哈耶克主義開始盛行,美國各半導體公司盈利受損,受市場所限,放緩了對新技術的投資。

        而同樣經濟受挫的日本,卻開啟了一場逆勢反超。

        如今,日本人總愛把“古き良き時代”(逝去的美好時代)一詞掛在嘴邊。當他們說起這個詞時,腦海中有一幅共同回憶:二戰后至上世紀80年代末泡沫經濟破滅前的昭和后半期。

        在那段痛并快樂著的歲月,日本人有強烈的目標感:他們亟需一場戰后廢土中的復興。外部條件也相對有利:1950年朝鮮戰爭爆發后,美國開始扶持日本,日本陸續以低價引進了美國最新的晶體管和集成電路技術,打下了日后發起沖刺的基礎。

        到70年代,日本已建立了“官、學、研”一體化的產業發展制度,采取了悶聲追趕的“舉國模式”。

        日本要舉國重點攻克的領域,正是半導體。

        1974年,石油危機后的第二年,日本政府就批準了“VLSI(超大規模集成電路)計劃”,并在1976年聯合日立、NEC、富士通、三菱、東芝五大公司籌集720億日元(2.36億美元),設立“VLSI技術研究所”,開啟了一場蔚為壯觀的、針對DARM存儲器(動態隨機存取存儲器,目前最常見的系統內存)的大攻堅。

        昭和一代的日本名企展現出了空前的團結,攻堅體系由6大實驗室組成:

        日立(第一研究室)負責研制電子束掃描裝置和微縮投影紫外線曝光裝置;

        富士通(第二研究室)負責研制可變尺寸矩形電子束掃描裝置;

        東芝(第三研究室)負責研制EB掃描裝置與制版復印裝置;

        電氣綜合研究所(第四研究室)負責對硅晶體材料進行研究;

        三菱電機(第五研究室)負責開發制程技術與投影曝光裝置;

        NEC(第六研究室)負責進行產品封裝設計、測試、評估研究。

        對一些關鍵技術難點,日本各公司像《流浪地球》里對地球發動機的飽和式救援一樣,開啟了“飽和式攻堅”:多個實驗室群起而上,以各單位的競爭保證研發成功率。

        VLSI成果驚人,計劃開啟第4年(1980),在惠普對16K DRAM內存的競標中,日本的NEC、日立和富士通完勝美國的英特爾、德州儀器和莫斯泰克(當時美國存儲器領域最主要的玩家),美國質量最好的DRAM的不合格率比日本最差的公司還高6倍。

        VLSI開始的第6年(1982),日本成為全球最大的DRAM生產國;

        VLSI開始的第9年(1985),NEC登上全球半導體廠商榜首(按收入),并在之后連續7年穩坐頭把交椅;

        同年,被日本廠商壓著打的英特爾關閉了7座工廠,裁員7200人——這家11年前市占率達80%的公司從此關閉了存儲器業務。

        不過,這并不是故事的全部。

        1970年,還悄悄發生了另一件小事:年初,一家日本計算器公司Busicom給了英特爾一個單子——做一款定制芯片的設計和生產。

        Busicom最初的方案是一套由12塊集成電路組成的系統;而英特爾工程師Ted Hoff看了后覺得太復雜,他創新地提出,可以把計算單元集中到一枚芯片上,以簡化電路和降低生產成本。

        正是在這個項目中,英特爾開發出了于1971年面世的Intel 4004,這是世界第一枚商業化的微處理器,即CPU——當今半導體產業的桂冠明珠。

        Busicom的訂單起初并不被英特爾重視。

        70年代,英特爾和它的競爭對手日本一樣,把主要精力放在存儲器上,英特爾創始人,時任CEO羅伯特·諾伊斯甚至說過:

        CPU是一個有趣的想法,英特爾有能力做,但是腦子壞了才會真的去干。賣CPU的話,每臺電腦只能賣一塊,我們現在做內存,每臺電腦能賣幾百塊芯片。

        可誰能想到,偏偏這個不受待見的新業務,在之后力挽狂瀾。

        新興的CPU業務如出籠猛獸,帶領英特爾于1986、1993、2002、2010年創下4次業績高峰——英特爾不僅起死回生,還發展成日后的半導體常青樹,成就了如今美國在半導體產業中的話語權。

        回顧那段歷史,無論是日本的“有心追趕”,還是美國的“無心插柳”,背后有一個共性:它們都是全球商貿合作、產業分工的受益者。

        如果沒有自由、開放的貿易全球化和技術交流,日本難以在最初引進半導體先進技術,也就沒有日后趕超的基礎;美國也難以在服務全球產業需求的過程中,陰差陽錯地找到大有前景的CPU“邊緣市場”。

        半個世紀過去,對今天的中國而言,一個可能導致半導體產業變革的關鍵時期已在眼前。

        站在“中國芯”的拐點上,兩種觀點正互相爭鋒:

        一種頗有市場的聲音是:另起爐灶,全產業鏈自己干。

        在AMD等廠商被傳停止向中國授權新一代x86架構IP(IP是芯片可復用的邏輯單元,是芯片設計最核心的部分)等新聞后,就有大量對中國“承包半導體全產業鏈”的遐想:

        而另一種聲音則認為,以中國現有的技術實力,不能“狹隘地”自己閉門造車。

        如任正非日前接受采訪時所說:

        我們永遠需要美國芯片。美國公司現在履行責任去華盛頓申請審批,如果審批通過,我們還是要購買它,或者賣給它(不光買也要賣,使它更先進)。因此,我們不會排斥美國,狹隘地自我成長,還是要共同成長。

        是從最底層開始重建一遍,還是繼續擁抱全球分工?

        抉擇時刻,同樣作為半導體產業后發國家和地區的日、韓、臺“崛起史”,為中國大陸提供了難得的借鑒。

        回顧歷代后來居上者,其共性是:遵循科技產業發展的自然規律,順“勢”而為——這個“勢”,就是站在全球分工、技術合作的基礎上,敏銳抓住并卡位新一波周期或新市場機會。

        本文將分以下5部分,展開講訴半導體產業4次拐點中經歷的沉?。?/span>

        1. 第1次拐點:抓住產業轉移機會,日本超美

        2. 第2、3次拐點:抓住半導體分工的兩次裂變,韓、臺逆襲

        3. 兩派探索:中國大陸半導體的南北殊途

        4. 匍匐向前:海思的自研之路

        5. 第4次拐點:當下中國半導體產業面臨的3種“勢”及選擇

        它們的故事中,包含著可能的、“趕超先進水平”的最佳姿態。

        第1次拐點:產業轉移,日本超美

        作為在美國之外,最先從半導體市場分得一杯羹的國家,日本順勢而為的方式是:

        在外部條件有利時,不斷引進技術,獲得存儲器領域的絕對優勢。

        乘著戰后美國“援日抗蘇”的有利外部條件,日本從50年代開始以低價獲取了大量美國技術的授權。

        1953年,日本“東京通信工程株式會社”在晶體管專利被受理僅5年后,以900萬日元(約2.5萬美元)的低價從西屋電器引進了晶體管技術——要知道肖克利最初研發晶體管時,貝爾實驗室在其上連續砸了2.23億美元(用于1948-1957的連續研發和優化,其中美國軍方承擔了近40%的費用)。

        借助晶體管技術,東京通信在1955年發布了第一款袖珍收音機TR-55,公司也正式更名為索尼?!八髂岽蠓ā庇纱税l揚光大,成就一代傳奇電子企業。

        當時,去紐約與西屋簽約的索尼聯合創始人盛田昭夫在逛了帝國大廈、布魯克林大橋后,曾向同行友人感嘆:

        “日本和這樣的國家交戰,真是魯莽呀!”

        不過20年后,日本就在半導體存儲器領域和美國打了一場驚人的大戰,這得益于日本在60年代引進的另一項技術:集成電路。

        日后成為日本半導體霸主的NEC在1962年從美國仙童半導體公司購買了平面光刻生產工藝,解決了集成電路制造生產的問題,效果立竿見影:

        1961年,NEC集成電路的產量只有50塊,1962年暴增至1.18萬塊,1965年達到了5萬塊。

        同一時期,日立與RCA,通用電氣和東芝紛紛簽訂了技術轉讓協議;索尼和德州儀器也在歷經4年磋商后,于1968年在日本成立了各自占股50%的合資公司。

        日本采取了“以市場換技術”套路,成立合資公司的條件就是德州儀器必須在3年內向日本公布與IC制成相關的專利。

        于是,外有“向先進學習”的敏銳抓手,內有舉國體制下的“VLSI計劃”,這一系列舉措,打下了日本在70年代埋頭苦干、80年代一鳴驚人的基礎。

        從1980年到1984年,日本半導體對美國的出口額從不到90億日元,增至400多億日元,陡峭的上揚曲線震動世界。

        1985年的出口量下降與美國啟動針對日本存儲器的“反傾銷訴訟”有關

        由此,日本成了半導體史上的第一次“產業轉移”的贏家,奪得了存儲器市場的壟斷地位;而美國頂尖公司如英特爾,則轉向了技術壁壘更高的CPU領域。

        不過,日本半導體的輝煌是短暫的。

        90年代,日本半導體產業開始節節敗退——韓國成了新一代存儲器霸主:1992年,三星將NEC擠下DRAM世界第一的寶座;2000年前后,富士通和東芝先后宣布從DRAM市場退出。

        這背后有諸多原因:

        在外,美國像如今對付中國一樣,對日本耍起了“貿易戰”:通過1985年的反傾銷訴訟、1986年的《美日半導體協議》、1991年的《日美半導體協議》,全面打壓日本半導體產業;在內,日本在80年代末達到泡沫經濟頂峰,資本大量流向房地產,減少了對技術領域的投資。

        而另一個常被忽略的關鍵原因是,日本錯失了一個萌芽于上世紀80年代的半導體產業新趨勢。

        這一回合,臺灣和韓國卻抓住了機會。

        第2、3次拐點:分工裂變,韓、臺逆襲

        臺灣和韓國逆襲的故事,源自一場涉及美、歐、亞多國的半導體行業“分工裂變”。

        一切的開端仍是不起眼的小事:誕生于歐亞大陸兩端的兩家小公司——臺積電和ARM。

        成立于1987年的臺積電開創了Foundry模式,即只進行芯片生產制造的晶元代工廠。

        而3年后,誕生于英國劍橋一座谷倉里的ARM,又開創了另一種全新的商業模式:IP授權。

        Foundry和IP授權的出現,是偶然中的必然。

        從集成電路商用化的60年代開始,半導體產業就像細胞生長一樣經歷著“裂變”——從垂直整合到垂直分工,分工越來越細,各環節越來越專業。

        第一次重要裂變發生在70年代:半導體和軟件行業從計算機中分化出來。

        行業的初始狀態,是“一個公司造所有”的高度垂直整合。

        比如IBM藍色巨人,既自己造計算機用的芯片,還做操作系統、軟件,同時生產計算機終端。

        在1961年底IBM啟動的“System-360”項目中,憑一己之力,IBM就攻克了指令集、集成電路、可兼容操作系統、數據庫等軟硬件多道難關,獲得了300多項專利。

        而到70年代,隨著技術進一步普及、市場對軟件需求的增加,軟件開始成為單獨的行業;微軟(1975年成立)、甲骨文(1977年成立)等公司陸續出現。

        這同時催生了半導體從計算機中分化,產生了一批主要做芯片硬件(芯片設計、制造、封裝測試)的公司,英特爾(1968年成立)是其中代表。

        在1970年代開始萌發的PC(個人電腦)市場上,英特爾與微軟的“Wintel聯盟”悄然生長,前者做計算機CPU,后者做Windows操作系統,軟硬配合,逐漸獲得了壟斷地位。

        這又帶來半導體產業的一個重要生態現象:“指令集壁壘”。

        有種說法是:三流公司做產品,二流公司做品牌,一流公司做標準。指令集,就是芯片硬件和底層軟件代碼之間溝通的一套“標準”。

        就像只有灰姑娘能穿上水晶鞋:相應的軟件操作系統,通過相應的指令集跑在相應的芯片上,才能達到最佳效果。因此指令集和操作系統之間能形成其他玩家難以攻破的生態聯合。

        隨PC浪潮崛起的英特爾,是第一個建立起了“指令集壁壘”的公司。

        PC時代之前的小型機主要在數據中心處理專業的計算工作,市場分散,操作系統常常是各做各的(或在開源系統上做優化),井水不犯河水;指令集也各自為營,IBM有Power,Sun有SPARC,DEC有Alpha等等。

        隨著PC時代到來,大量個體溝通、協作的需求開始涌現,操作系統市場開始向頭部玩家集中,Windows最終突出重圍,坐上了“鐵王座”;與之綁定的英特爾x86指令集也跟著取得“指令集霸權”。

        2000年之后,英特爾又進一步利用自己在PC市場出貨量大、成本低的優勢,向更高端的“小型機服務器市場”進軍,以價格戰打敗了Power、SPARC、Alpha等老牌指令集,改寫了整個服務器市場的生態基礎。

        對x86指令集這一電子產業基礎性標準的掌控,也讓英特爾多年來屹立不倒,連續25年(1991-2017)登頂全球半導體第一廠商的寶座。

        這便是行業第一次裂變時,新一代“軟硬雙打”撂倒老一代垂直型巨人的故事。

        但在芯片制造內部,英特爾仍是一家“垂直整合”的公司:自己做指令集,自己在指令集上設計IP核,自己做生產制造。

        這就給第二次分工裂變創造了空間:

        上世紀90年代之后,臺積電的Foundry模式+ARM的IP授權模式興起,打碎了英特爾的“垂直整合”。半導體產業上游的IP研發、設計和下游的制造各自分化成了單獨的行業。

        ARM能產生IP授權的奇思妙想,也得感謝英特爾。

        1981年,ARM的前身Acorn計算機公司想生產一款供英國中小學校使用的電腦,向英特爾求助,希望能購買80286處理器的設計資料和樣品,但英特爾沒搭理它

        Acorn于是基于當時學界提出的RISC精簡指令集概念(英特爾x86使用的是CISC復雜指令集),研發了一顆32位、6M Hz,使用自研指令集的處理器,命名為ARM。

        到1990年,已更名為ARM的新公司開始專注于半導體業務。但英特爾等廠商已占據了大量市場,直接賣芯片的ARM生意慘淡,被迫踏上一條新路:自己不生產芯片,只將IP核授權給其他公司。

        歐亞大陸的另一端,臺積電的成功則得益于其創始人張忠謀在德州儀器積累了豐富的半導體工廠建造與管理經驗。

        與開頭提到的日本通過引進技術發展存儲器;英特爾因為完成日本客戶訂單陰差陽錯開啟CPU市場一樣,全球技術、人才的自由流動,再次促進了整個產業的進化。

        進化是不可逆的。

        Foundry和IP授權模式的誕生,永久地改變了世界半導體產業的版圖——它大大降低了半導體產業的準入門檻。

        在高度垂直整合的60年代,IBM為開發System-360,在3年多時間里投入了52.5億美元,開支甚至超過造出原子彈的曼哈頓計劃。實力雄厚如IBM也差點被這個項目搞得資金鏈差點斷裂,其他小廠家更是被完全擋在了電子產業的門外。

        隨著垂直分工的開始,ARM和臺積電承擔了產業鏈一頭一尾的工作,中間的“芯片設計”環節便逐漸發展成一個獨立賽道——不做生產,無需重資建廠或做底層研發的Fabless廠商(Fabless的字面意思就是“無工廠”)。

        目前全球排名Top 20的半導體廠商中,近一半是1990年后成立的Fabless新貴:

        1985年成立的高通(美國)(高通是無線電通信技術研發商,1994年開始銷售芯片);

        1991年成立的博通(美國);

        1993年成立的英偉達(美國);

        1995年成立的美滿(美國);

        1995年成立的聯發科(臺灣);

        1999年獨立的英飛凌(德國)(前身是西門子半導體部門);

        2002年成立的瑞薩電子(日本)(NEC和瑞薩科技的合資公司)

        這進一步給行業帶來兩個變化:

        一方面,更多輕資產玩家的涌入,使市場競爭更充分,促進了全球半導體產業的進化;

        另一方面,這些新公司多是ARM和臺積電的客戶。ARM以開放的IP授權模式已在移動端CPU市場占比超95%,與服務器端CPU的霸主英特爾屹立兩頭,構成了當下全球半導體產最底層的兩大標準。

        這場新的分工裂變,終于讓高端的CPU領域不再是“美國人自己的游戲”,臺灣和韓國順應新的分工趨勢,成了全球半導體產業的新高地。

        在制造環節,臺灣依靠臺積電牢牢把握了話語權。

        自從在1989年搞定了英特爾的背書和訂單后,這家最初連募資都很艱難的臺灣“小公司”快速成長,每年營收增長率都保持在50%至100%之間。

        近年來,臺積電的工藝水平已趕超了傳統垂直廠商英特爾、IBM,占據了超過50%的市場份額,在最新的5nm制程上領先全球。

        在CPU、MCU等主控芯片設計環節,另一家臺灣企業聯發科從2003年開始購買ARM IP,進入手機和平板芯片市場,并在2000年之后成為亞洲最大的Fabless廠商。

        韓國也抓住了分工裂變的機會。

        其半導體標桿企業三星,從2000年開始就通過購買成熟IP,在原本的強項存儲器之外,開辟了CPU的新增長點。

        2007年,第一代iPhone的芯片就是三星和ARM分工合作的產物——三星在ARM 11 IP上開發的S5L8900芯片。

        誰能想到,iPhone這個不被看好的“邊緣產品”,一手撐起了智能手機時代,在推出后第二年,創下了超過700%的銷量增長。

        乘此東風,三星鞏固了其在智能手機芯片市場的地位;隨后又在2010年推出蜂鳥系列CPU(后改名Exynos),奠定了其在Android設備陣營的龍頭芯片提供商地位。

        其實,中國大陸的許多公司也在不知不覺中趕上了行業分工裂變的大勢。

        由于“IP授權+Fabless+Foundry”模式降低了手機芯片整體成本,國產手機廠商,如華為、小米、vivo、OPPO在2010后崛起,成了這場綿延近30年的新分工潮流的受益者。

        這就是全球產業鏈的神奇所在:牽一發而動全身——一些起初看來微小的變化,經時間陳釀,可能孕育巨大的機會。

        但是,“勢”能助人也能傷人:如果你要和它對著干的話。

        在韓國、臺灣崛起的90年代,日本半導體產業迅速敗落,原因之一就是錯過了垂直分工裂變的趨勢。

        當時,日本的優勢項存儲器遭美國狙擊,并被韓國趁虛而入;但在CPU領域,日本本可與IP授權商、晶圓代工廠合作,發展Fabless業務,再一次“后發制人”。

        但日本公司在90年代還瞧不起技術相對落后的臺灣代工廠;另一方面,正如日劇《半澤直樹》所展示的,日本的實業融資依賴于銀行貸款,銀行在評定資產時,傾向于工廠、生產線這些看得見、摸得著的東西,單獨的芯片設計公司不好找錢。

        于是,保持著垂直整合形態的日本半導體企業既要研發,又要生產,還要維護、更新設備,投資大,周期長,技術更迭落于Fabless之后。

        在發現市場新機會上,自由、靈活的小公司往往更有潛力,團結大公司一起攻堅的日本模式此刻反而成了短板。

        在美國的打擊和Fabless模式的雙重擠壓下,日本半導體丟掉了舊優勢,錯失了新的增長機遇,只留下“失去30年”的嘆惋。

        回看這段歷史,沖擊垂直整合的兩大角色——臺積電和ARM都誕生在腹地狹小的島嶼,這有其必然性:

        正因內部市場有限、地理位置邊緣,臺積電和ARM才“光腳不怕穿鞋”,各自發明了全新商業模式。借承擔新的分工角色之機,它們既實現了自身的商業成功,也共同促成了一個更開放的全球半導體產業生態。

        萬一,2019年的半導體仍是一個被美國少數巨頭把持的產業,那中國會面臨什么局面?

        想都不敢想。




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