全球芯荒，对中国芯片产业来说，是机遇还是挑战？

 

面对全球范围内的芯片短缺，不少人会情不自禁地发问：为什么会缺芯？全球化已经这么多年，市场经济发展的是如此成熟，几乎所有产业都是供大于求，产能过剩，为什么产业链已经很成熟的芯片还会出现供不应求的局面？相关生产制造企业为何不大量增加产能，趁此大赚一笔？

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什么是芯片？

要想搞清楚为什么缺芯，首先得了解到底什么是芯片？

在了解芯片之前，我们先认识下半导体,众所周知，导体能导电，绝缘体不能导电。那半导体呢？半导体是在常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的一类材料。常见的半导体材料有硅、锗、砷化镓等，其中硅是各种半导体材料应用中最具有影响力的一种。可以说，几乎所有的芯片都是用半导体材料制作完成的。

我们知道，芯片是电子产品的核心原件。但是，纵观整个电子行业，其实并不是从芯片开始的，而是从电子管开始。诞生于1946年，占地150平方米，重达30吨的世界上第一台电子计算机里面的电路便使用了17468只电子管。

由于使用电子管的电子产品体积过大，成本过高，科学家们找到了完美取代电子管的固体元器件材料，便是半导体。使用半导体材料制成的晶体管，可以不断缩小尺寸，这为电子设备的微型化提供了可能。把多个晶体管和其它的电子元器件小型化，微型化集成在一起，以减少电器的大小，便形成了集成电路（Integrated Circuit, IC）。

第一款集成电路为锗集成电路，是由德州仪器的工程师杰克·基尔比在1958年发明的。后来Intel的第一任CEO罗伯特·诺伊斯发明了现在应用更广的硅集成电路，让集成电路真正进入了商用时代。

Intel公司联合创始人戈登·摩尔提出的摩尔定律则为行业的每次技术革新指明了方向，摩尔定律指出，半导体芯片上集成的晶体管和电阻数量将每隔24月增加一倍。我们现在经常听到的手机芯片28nm、20nm、14nm、10nm、7nm、5nm，这些数字都是晶圆工厂的制造工艺的名称，代表了晶体管的特征尺寸，几乎每两年出一代，每代尺寸缩小0.7倍，那么单位面积可以集成的晶体管密度便提高了一倍。

在芯片里面，约80%属于集成电路，其余包括光电器件、传感器和分立器件，行业内把这些器件称为O-S-D（Optoelectronic, Sensor, Discrete）。

下图是半导体行业权威的市场研究机构 IC Insights 的最新市场统计，列明了半导体行业的具体分类以及几个重要模块在2020年的销售金额和市场占比。

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芯片制造流程

了解了芯片后，我们还需要知道，芯片是如何被造出来的。

有人说，芯片是人类造物的巅峰之作，是这个世界上最复杂的工程，也是最高精尖的制造工艺。一点也不为过。

一颗集成电路芯片的生命历程几乎就是点沙成金的过程：

1、芯片设计公司根据市场需求设计芯片；

2、芯片代工厂按照设计方案进行晶圆制造；

3、封测厂将制造好的晶圆封装测试为芯片成品；

4、整机厂商完成电子设备硬件的制造组装和软件安装。

具体流程可参考下图：

芯片设计主要包含需求分析、架构设计、逻辑设计、物理实现和验证等几个部分。物理设计完成之后就形成了下图展示的电路图。图中可以看到蓝、红等不同颜色，每种颜色就代表着一张光罩。这个时候的芯片设计就可以以GDSII 的文件格式从设计公司移交给芯片代工厂进行制造了。华为海思，苹果等都属于是芯片设计企业。

制造芯片的原材料是地球上随处可见的沙子,沙子的主要成分为二氧化硅，经过高温重塑、多次提纯便得到高纯度的硅。然后将纯硅熔化，抽出圆柱形的单晶硅棒。将硅棒切割成一片一片的圆盘，经过打磨抛光，便制成一片纯硅晶圆。我们常听的6寸，12寸，18寸晶圆，指的就是晶圆的直径，不过这个寸是英寸，是估算值。实际对应的晶圆直径是分为150mm，300mm以及450mm。如12英寸约等于305mm，为了称呼方便称之为12寸晶圆。

有了硅晶圆，下一步就要把设计团队交付的电路图，通过光罩，移植到硅晶圆上。这个加工过程，有上百个步骤，一般需要2到5个月。重要的7个步骤为：抛光，镀膜，光刻，蚀刻，离子注入，电镀和测试。其中，光刻是最重要的一个环节，也是设计和制造进行联系的唯一环节。使用特定波长的光，透过光罩，照射在涂有光刻胶的晶圆上，光罩上芯片的设计图像，就复制到晶圆上了，由光刻机完成。光刻机是芯片制造设备中价格占比最大、最核心的设备。2020年荷兰公司阿斯麦尔ASML的极紫外光源（EUV）光刻机每台的平均售价是1.45亿欧元，全世界独家供货，年产量31台，有钱也未必能买得到。

测试无误后的晶圆将会送往下游的IC封装测试厂实施切割、封装和进一步的测试。所有环节都通过后，一颗完整的芯片就被制造出来了。整机厂商便可将其组装到电子产品中正式使用了。

早期集成电路企业多采用IDM模式，集芯片设计、制造、封装和测试等多个产业链环节于一身，如Intel、三星就是典型的IDM企业。随着台积电、格罗方德、中芯国际等专业Foundry（晶圆代工厂）以及日月光、江苏长电、通富微电等封测厂的发展壮大，越来越多的创业公司，选择将与生产相关的业务外包给专业代工封测厂商，自己专注在价值更高的芯片设计开发和推广销售环节，这种运作模式称为Fabless模式，如AMD、海思、联发科、高通、博通等企业。

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为何如此缺芯？

对芯片有了基本了解以及知道它是如何被制造出来后，我们便可以试着回答，为什么会出现全球范围内的缺芯？

美国著名经济学家萨缪尔森曾经说过：学习经济学是再简单不过的事了，你只要掌握两件事，一个叫供给 ，一个叫需求。

那么，我们可以从需求和供给两个方面探讨缺芯的原因，芯片紧缺，那就是供不应求，需求增大，供应不足。

需求增大

1、新冠疫情影响，居家办公或学习刺激了笔记本电脑、家用网络设备和显示器的销量增长，视频会议等服务的盛行还导致了网络摄像头供不应求。此外，医用设备比如红外测温仪等设备需求猛增，这些电子产品芯片的需求突然加大；

2、美国2019年将华为列入实体清单后，危机意识使得华为从2019年开始大量储备包括芯片在内的元器件，占用台积电相当长时间的5纳米产能。华为的囤货行为，导致其他消费类电子厂开始改变其库存策略，比如小米和OPPO等为保证各自的产品在未来尽量少受影响，也积极向晶圆代工厂下单抢产能；

3、5G、人工智能、物联网等新技术和新兴产业的出现也迅速加大了市场对芯片的需求量。以手机为例，比起4G手机，5G手机需要更多芯片的支持。例如，管控手机信号的射频PA芯片，4G 手机平均需要3-6颗，而5G手机最多需要16颗；

4、自动驾驶和新能源车已经变成了高端芯片集合体，传统燃油车每辆车芯片不足百枚，新能源车对芯片的需求每辆车千枚以上。即便是传统燃油车，也放置了大量控制汽车各项功能的芯片。

供应不足

1、如上所述，芯片制造过程中最核心的环节是光刻，而高端光刻机几乎被荷兰阿斯麦尔ASML公司独家垄断，每年产量有限，无法短时间内大批量补充；

2、作为中国大陆最大的晶圆代工企业，中芯国际被美国列入实体名单，无法进一步获得相关欧美企业的技术和产品支持，产量下降，中芯国际的客户开始寻找替代厂商，造成其他产商的产能过大，难以负荷；

3、占全球市场一半份额的全球最大晶圆代工企业，台积电手中积压的订单已经排到2022年，而新建工厂和产能扩张都需要大量的资金和时间；

4、全球新冠疫情流行下，芯片生产厂商或多或少受疫情影响，无法全负荷生产，生产效率下降；芯片制造工艺流程复杂，全球分工，只要其中一个环节受疫情影响，整个制造就会陷入停滞，造成产能下降；

5、疫情、暴雪、地震、干旱等不可抗拒因素在短期内陆续爆发，导致全球部分芯片厂停产或削减产能。包括日本AKM晶圆厂失火，欧洲意法半导体曾遭遇短暂罢工，美国得州暴风雪导致NXP、英飞凌、三星短暂停产，台积电遭遇停电、缺水问题等，让本来就紧张的芯片产能雪上加霜。

总结起来，全球缺芯如下图所示：

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全球缺芯，是机遇还是挑战？

然而，祸兮福之所倚，福兮祸之所伏。机遇与挑战并存，全球缺芯，或许对中国芯片产业来说，是个难得的机遇。

天时

17世纪之前的欧洲人见到的天鹅都是白色的，没有例外，所有的天鹅都是白色的成了没有人会怀疑的事实。直到17世纪有人在澳大利亚发现一只黑天鹅，这个不可动摇的信念崩溃了。黑天鹅的存在寓意着不可预测的重大稀有事件，它在意料之外，却又改变着一切。突如其来又快速席卷全球的新冠疫情，就是一只黑天鹅，加上美国的制裁，高端芯片制造处处被卡脖子的的事实让国产芯片行业一直秉承的造不如买、买不如租的逻辑轰然失灵。相关企业也意识到，只有加大研发投入，掌握核心技术，才有可能立足于世界企业之林。独立自主，举国制造芯片的道路，此时不去走，更待何时？

地利

2020年，中国集成电路市场增至1,434亿美元，约占全球市场的35%，但是中国公司仅仅贡献了5%的产品，并且在核心芯片领域的市场份额几乎可以忽略。国内如此巨大的市场需求，为赋予国人厚望的国产芯片制造企业创造了极其有利的发展根据地。

再者，随着芯片制程逐渐逼近硅材料的物理极限，先进制程的芯片研发速度逐渐放缓，摩尔定律面临失效。不少芯片制造企业选择在利用更先进的封装技术挖掘成熟制程潜力的基础上，攻克先进制程工艺。但是成熟制程利润很低，只能通过不断扩大产能实现薄利多销。中国巨大的市场空间，优质的配套设施以及大量的高素质劳动力，吸引国际大厂纷纷到大陆地区设厂或者增大国内建厂的规模。根据SEMI数据显示，预计2017年至2020年间，全球投产的晶圆厂约62座，其中26座位于中国大陆，占全球总数的42％。随着大量晶圆厂在国内建成，将有利于推动国内制造业的发展，同时带动设计、封测、材料、设备等整个产业链的发展，促进国内半导体产业生态的建立。

人和

3月13日，《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》(以下简称《纲要》)发布，《纲要》中提到，要加快智能制造、高端芯片等领域关键核心技术突破和应用。中国工信部明确表示，国家会加大力度扶持芯片产业，力求让中国芯片自给率在2025年达到70%。政府高度重视芯片产业、集成电路产业，通过加强提升芯片制造基础建设、加大相关企业的减税力度等政策，鼓励更多国内企业研发生产芯片。

过去中国芯片行业处在造不如买的市场环境下，虽然有企业耗费巨资造芯片，但它的国内客户们更愿意为国外大厂价廉的芯片买单，国内企业造芯压力颇大。本次芯片短缺极大加剧国内企业对芯片产业链自主的渴望，各行业客户们更愿意给国产芯片机会，使得芯片国产替代进程加速。例如，中芯国际计划2021年扩充4.5万片的8英寸月产能；力积电预计2021年年底计划增加2万片8英寸月产能；华虹无锡厂预计2020-2021年将迅速扩充至4万片/月产能。

除了传统芯片制造企业外，互联网企业也加入芯片制造的大军。百度是国内最早自研芯片的公司，第二代昆仑也将于今年实现量产；阿里巴巴2018年成立平头哥半导体有限公司，开发出了全球性能最强的人工智能芯片含光800和业界最强的RISC-V处理器玄铁910。

人才。根据工信部发布的《中国集成电路产业人才白皮书（2018-2019年版）》数据统计，到2020年前后，我国集成电路行业人才需求规模约为72万人左右，而我国现有人才存量46万人，人才缺口将达到26万人。为解决科技人才短缺的问题，教育部启动了剑指人类科技发展最前沿技术的未来技术研究计划，包括北大、清华、哈工大、西交大等12所国内高校入选首批未来技术学院名单，首批12所高校将聚焦于芯片、人工智能、生物医学等前瞻领域，各高校将结合自身优势学科，重点攻克在这些领域的核心技术卡脖子问题。此外，清华、北大、厦大、复旦等入选国家集成电路产教融合创新平台的高校将设立集成电路领域的专业课程，比如清华大学专门成立了集成电路学院，目的就是为培育集成电路人才做准备。

天时，地利，人和，三者俱备，国产芯片完全自给自足，指日可待！

1955年1月，中共中央决定研制原子弹；

1957年末，苏联派出近千名专家援助中国核工业；

1958年11月，代号为221的中国核武器工程正式启动，大批建设者和科研工作者舍家为国，从祖国的四面八方汇集在金银滩草原；

1959年6月，赫鲁晓夫单方面撕毁援助协定，撤走全部苏联专家；

1959年到1961年，天灾人祸，三年大饥荒，凭借从各大军区募捐来的粮食，中国核工业研究人员度过了难关；

1964年10月16日下午3时，新疆罗布泊，巨大火球和蘑菇云升上了戈壁荒漠；

1964年10月14日下午，苏共中央全会宣布撤销赫鲁晓夫的苏共第一书记和部长会议主席职务。

现在中国人民已经组织起来了，是惹不得的。如果惹翻了，是不好办的。

相信5-10年后，再没有谁能卡我们的脖子了。

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