來源：經濟觀察報
中國晶片的短板與突圍 | 田豐產業觀
田豐郭俊翔劉駿
2010-2020年，中國移動網際網路新商業蓬勃發展。從數字經濟體量上看，中美數字經濟產值比值為1.35:1。從「網絡大國」到「網絡強國」的關鍵環節是晶片。海關公開數據顯示，2019年，中國晶片進口額3040億美元，超過原油、鐵礦砂、糧食總和的3016億美元。全球每產出3個晶片，就有1個晶片用於中國產業。美國通過「晶片+OS」戰略，控制全球科技產業鏈的發展命脈。中國則是美國晶片企業的最大客戶，成為「晶片稅」的主要買單方。
SIA數據顯示，2019年美國在世界半導體行業的市場佔有率為47%，尤其是在光刻機設備、EDA軟體、CPU/GPU計算晶片方面佔據領導地位。而美國半導體企業在中國市場佔有率達48%，高通、Microchip、美光、Qorvo等美企的在華收入佔比超過50%，美國半導體毛利率達54%。中國雖然在伺服器、手機、PC、筆記本、可穿戴設備製造、應用開發上發展迅猛，卻面臨被美國晶片、作業系統「卡脖子」的窘境，每年向美國付出高昂的「晶片稅」「OS稅」。
伴隨美國對中國頭部企業的晶片銷售禁令，未來3年將會導致美國半導體企業營收減少370億-400億美元，全球市場佔有率從48%下降至40%。減少的市場份額將主要流向韓國（可能反超美國）、日本，同時帶來中國半導體自給率提升至25%以上。
美國產業鏈擁有微處理器、EDA設計軟體、光刻機三大領先優勢，同時成為中國晶片企業必須翻過的「三座大山」。
微處理器：2019年美國市場佔有率達98%，尤其是無線通訊晶片、模擬晶片、邏輯、MCU、存儲器具有強競爭力，但可考慮用韓國、日本、歐洲的半導體部分替代美國產品。EDA軟體：是集成電路的功能設計、綜合、驗證、物理設計等流程的軟體工具集，Synopsys、Ca－dence兩家美國EDA公司的全球市場佔有率達54%以上，具有全流程設計方案、晶圓廠和IP公司的產業鏈融合優勢。光刻機：生產晶片的核心設備，把掩膜版上的精細電路圖通過雷射曝光印製到矽片上。2019年，全球光刻機市場的81%由荷蘭ASML公司掌握，其後是日本尼康 (5.9%)、佳能 (11%)，而ASML公司已經被美國控股，摩根史坦利資本國際公司、貝萊德集團是第一、二大股東。另一方面，由5萬個零件組成的ASML光刻機，核心組件的供應鏈被美國壟斷。因其與美國能源部的協議，55%的精細零部件需使用美國本土企業供給，包括光罩、極紫外光源、雷射器、微雷射系統、機電設備等。
從PC晶片到手機晶片
PC普及40年間，上半場「Win－dows+Intel」是主角，下半場「MacOS+ARM」新秀崛起。得晶片者得OS，得OS者得應用，得應用（生態）者得天下。
X86指令集支撐的MacOS及電腦應用，與ARM指令集支撐的iOS和App移動應用，將蘋果開發者割裂成兩個板塊，應用遷移需要重新編譯。在移動為王的時代，Mac在蘋果陣營佔比已經低於7%。所以2020年11月11日，蘋果正式發布了新一代MacBook電腦，嵌入基於ARM架構的自研M1晶片，以5nm工藝實現了CPU+GPU+NerualEngine+T2的全新 SoC集成（160億個電晶體）。從此，蘋果系所有電腦、筆記本、平板、手機都將實現統一ARM指令集、iOS、應用生態，應用開發一遍全終端運行，這體現出蘋果自研晶片的強大生命力。鑑於iPad的晶片算力已經超過X86架構的Mac算力，未來蘋果可穿戴設備（含AR眼鏡）很可能會圍繞iPad（或iPhone）構建「邊緣智能中心」。
從另一個角度看，全球99%的手機、平板電腦都使用ARM架構。「iOS+ARM」與「Windows+Intel」兩大陣營，將在個人電腦、數據中心等領域開展競爭。如果英偉達成功收購ARM，在個人電腦端將稱霸GPU與CPU市場。
晶片產業發展是專業化分工持續深入的過程。與PC時代廠商衰落、晶片企業為王不同，移動網際網路時代手機OS廠商主導自研晶片，甚至免費開源作業系統，「晶片+OS」生態發生變革。早在2010年的3G功能機時代，裝有Android作業系統的手機已經佔有全球70%市場，ARMdroid架構 (ARM+An－droid)成為市場主流。
由於ARM並不銷售晶片，只提供半導體設計的 IP授權。谷歌（Whitechapel）、蘋果（A系列）、三星（Exynos）、華為（麒麟）拿到ARM架構指令集授權，將定製化需求融入晶片研發中，改造ARM架構，自研移動晶片、伺服器晶片。手機銷量與該廠商自研晶片出貨量正相關，高通、華為海思、聯發科成為安卓手機TOP3晶片廠商。
自研全套晶片成為頭部手機廠商的標配戰略。截止2018年，蘋果公司已經賣出20億臺iOS設備。2020年9月，iPhone活躍人數超過10億，且年增量位2000-3000萬名新用戶。基於ARM架構的A系列晶片將高速增長，ARMpple架構 (ARM+Apple)與ARM－droid架構(ARM+Android)正在激烈競爭生態資源，包括用戶、開發者、應用市場、新市場（自動駕駛汽車、智能家電、可穿戴設備等）。目前，蘋果A系列計算晶片已經供給全部終端（Mac+移動端），而通信晶片還依賴高通，預計在2023-2025年將用自研5G基帶晶片取代高通。
另一方面，荷蘭ASML公司於2020年10月宣布大批量（700臺）對華售賣DUV深紫外光光刻機，是上一代產品，能夠生產10nm以上的晶片，對於最領先的EUV極紫外光光刻機（3-10nm晶片）依然對華禁售。所以，中科院、華為等中國晶片企業在補足光刻機、EDA設計軟體、生產工藝等短板環節，依然需要獨自面對挑戰破局前行。
ARM通過授權控制物聯網生態底層架構，英偉達(Nvidia)從軟銀手中收購ARM，對全球晶片產業鏈影響巨大，美國的話語權顯著提升，ARM可能成為美國制約（或結盟）歐洲、亞太國家的籌碼。ARM預計2035年，全球將有超過1萬億臺智能電子設備互聯，傳感器、門禁卡、手機、可穿戴設備、智能家電、自動駕駛汽車、工業機械、通信基站、醫療器械、數據中心、雲伺服器等，晶片、AI驅動的5G物聯網將成為每個國家、各行各業的基礎設施與「產業生命線」。商湯智能產業研究院預測，2020年全球ARM授權晶片出貨量將超過3400億顆。
晶片設計屬於產業鏈上遊，而ARM為代表的IP授權方處於晶片設計環節的上遊，ARM既對手機廠商授權控制，又對晶片代工廠授權，以便增強全產業鏈的控制力。伴隨摩爾定律發展，工藝製程不斷下探到5nm、3nm，晶片IP設計成本快速上升，需要更大規模的全球產銷量來分攤IP設計研發費用。4G帶來了消費網際網路的標準化晶片需求，5G帶來了海量產業網際網路的定製化晶片需求，進而推升晶片IP使用數量呈幾何級數上升，晶片產業鏈分工進一步細化。另一方面，ARM雖然長期保持領先地位，但其全球IP市場份額已從50%下降到44%，為中國創新企業留出機會。
數據中心晶片：「全域晶片」控盤
全球晶片廠商進入「超級馬太周期」，通過併購展開「全域晶片」競賽，包括「雲-端-車」三類晶片產品。AMD是移動網際網路的晶片領導者，英偉達是桌面電腦（顯卡）、人工智慧（GPU）的領導者，英特爾是CPU的領導者。三家紛紛通過併購向對方領域「入侵」，「超級馬太效應」加速頭部晶片廠商的強勢擴張。
2019年，英偉達全資收購Mel－lanox公司，該公司是InfiniBand與乙太網絡通信（含虛擬網絡）、輕量級人工智慧晶片（NPU神經網絡晶片、SoC）技術服務商。2020年，英偉達400億美元收購ARM的真實目的在於，通過ARM徵服未來巨大的智能物聯網（AIoT）市場，從筆記本與數據中心市場向自動駕駛與物聯網市場發展，至此英偉達補齊了「GPU+NPU+CPU+Soc」的全域晶片家族。
為應對Nvidia+ARM的生態攻勢，AMD（超威）公司計劃斥資350億美元收購賽靈思(Xilinx)，即從現有的筆記本電腦和伺服器 (CPU+GPU)、遊戲機(Xbox+PlayStation)晶片市場，向5G無線通信、數據中心、汽車航天、工業控制的FPGA/可編程Soc晶片領域拓展。因為FPGA的半定製特性，非常適合AI深度學習與神經網絡運算。從全球雲計算中心的AI加速晶片市場來看，英偉達GPU佔比86%，AMDGPU和XilinxUltraScale共佔比9%，英特爾Arria10佔比4%，谷歌TPU和亞馬遜AWSInerentia佔比1%。未來的自動駕駛汽車晶片消耗量與發展空間極大，所以目前的收併購案意圖在明天。
2016年，英特爾以167億美元併購了Altera（全球第二的FPGA公司），2018年以153億美元收購了Mobileye公司進入高級輔助駕駛汽車晶片市場。此外，其他終端廠商如蘋果、華為，則基於ARM自研晶片向智能家居、可穿戴設備（含AR/VR眼鏡）、數據中心（類GPU晶片）市場進軍，華為在走向IDM晶片企業。而阿里巴巴旗下的平頭哥則基於RISC-V架構自研玄鐵系列晶片、無劍SoC、含光800（AI晶片），遵循類似ARM的IP核設計授權模式。
全球晶片市場按照PC/筆記本、數據中心/雲計算、手機/物聯網/汽車的「三疊浪」依次發展，目前正處於第二浪到第三浪的交匯期。英偉達、英特爾、AMD三大生態圈，皆在搶佔數據中心市場份額，並探索自動駕駛晶片藍海市場。全球伺服器年出貨量超過1100萬臺，行業規模超過700億美元。英特爾控制下的X86伺服器晶片佔比全球市場的85%（Intel的X86伺服器市場佔比98.7%）。受限於國際科技威脅、成本壓力（處理器佔伺服器成本40%），華為、阿里雲等中國雲計算廠商紛紛自研ARM架構、RSIC-V的伺服器，這一趨勢嚴重威脅Intel在伺服器市場的壟斷地位。
AI晶片成為數據中心、超算中心的藍海市場。數據中心正處於AI轉型過程中，GPU市場呈現英偉達、AMD兩強爭霸，英偉達佔比70%，全球TOP4雲計算數據中心（亞馬遜AWS、微軟Azure、阿里雲、谷歌雲）都大量採用英偉達TeslaGPU。根據麥肯錫、AlliedMarketResearch、ABIResearch數據分析，在2023年數據中心AI晶片（訓練+推理）產業規模將達到140億美元，英偉達幾乎壟斷訓練市場，並向推理端不斷滲透，與ASIC、FPGA競合。
AI的基礎是海量數據處理，而異構計算已經形成性能複雜性與成本開支挑戰。2020年10月，英偉達發布DPU(DataProcessingUnit)晶片產品，將最多125塊CPU晶片集成在一起（BlueFieldDPU），並計劃在2021年將GPU添加進來（BlueField-2DPU），而基於DPU+DOCA變成堆棧的程序開發生態，則需要中長期培育，未來三年是留給國產AI晶片企業有限的時間競賽窗口。
中國晶片路在何方
面對複雜的國際科技競合局勢，中國晶片有三個突圍方法：
開放結盟（換生態）：短期來看，學習Intel聯合美國整個晶片產業組成「極紫外聯盟(EUVLLC)」，中國應與非敏感國家形成新一代晶片研發產業鏈。比如，藉助RCEP自由貿易框架，與日韓等亞太國家產業鏈融合發展，形成堪比歐盟、北美的亞洲多邊研發陣營，投入共攤、利益共享。
跳躍卡位（換戰場）：中期來看，智慧型手機產業已經發展至成熟階段，而5G時代的智能網聯汽車、AR眼鏡、智能家居物聯網、智能傳感器正在興起，所以瞄準下一代AIoT終端的「算法+晶片」需求進行研發，將獲得「彎道超車」的時代紅利。例如，華為出售榮耀、開發全棧智能汽車技術，研發功耗容忍度更高的汽車晶片、智能家居晶片，將晶片競賽拉至未來戰場，是一招「騰籠換鳥」的妙棋，值得更多中國手機企業、新能源汽車企業、人工智慧企業借鑑。
研發變軌（換技術）：長期來看，近日臺積電宣布2023年試產2nm晶片，並進行1nm工藝研發，矽基晶片離「天花板」越來越近。選擇新材料研發未來晶片將率先開展「終局競爭」，90nm的碳基晶片能達到28nm的矽基晶片水平，能夠繞開精密儀器的限制。
2020年10月，中科院上海微系統所推出了國產9英寸石墨烯單晶晶元。另一方面，北大研發團隊計劃在2-3年內完成90nm碳基CMOS工藝研發，而真正跨越從理論到量產的鴻溝則面對新的挑戰。例如，將碳納米管的半導體純度提升至6個9，解決晶片設計設備、生產流程管理等工程問題，這一重大升級換道過程可能需要十至數十年的時間。
（田豐系商湯智能產業研究院院長，郭俊翔、劉駿系商湯智能產業研究院助理研究員，本文有刪節）