朱軍山博士:半導體行業,由象牙塔到大眾化

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2021-04-10


世界半導體行業經過60 年的發展,逐漸由一個高科技行業走下神壇,日日成為大眾化的產業,昔日的光環正在褪去,高科技的帽子正在摘去,無論是設計,晶圓制造,還是封裝,正在成為普通制造的一個環節,這是一個大的趨勢,也是擺在所有行業人士面前的現實問題。

半導體的歷史始于斯坦福大學的肖克利教授等人發明的晶體管,由此取代電子管成為信號放大的核心器件,發展之初只用于軍事,比如雷達信號放大和顯示,短波信號的發射和接受等等,初期訂單只依賴于軍方,制造者則是肖克利實驗室,員工是實驗室的幾名博士生。后來這些博士因為跟肖克利意見不合,想成立一家自己的公司專門生產這些器件,但是找不到合適的投資人, 他們找到仙童照相館老板,讓這家照相連鎖企業投資;但是仙童的老板并不知道半導體是什么東西,只知道肖克利的名望和這8個博士的厲害,因此愉快地答應了。這就是世界第一家半導體公司,由照相館公司控股,名字也叫仙童,仙童照相館總共投給仙童半導體300萬美元左右,使這家半導體公司一度成為世界最大的功率器件公司,照相館每年從半導體公司的分紅在1億美元左右。后來這八個叛逆的博士又紛紛離開仙童創辦其他的半導體公司,比如赫赫有名的INTEL公司就是由其中的八叛逆中的2個博士創辦,雖然時間比仙童晚了10年,但是因為選對了產品,發展卻超過其他公司。今天INTEL的銷售額和利潤都是仙童的十倍以上,大名鼎鼎的戈登.摩爾(摩爾定理的發明人)至今還是INTEL董事。

在20 世紀的最后40 年,即從1960 年到2000年,半導體一直是全球公認的高科技行業。由于這個行業的發展,更是引爆了全球工業革命,造就了今天人們熟知的電子化、信息化、智能化以及網絡等等,引爆的中心在美國硅谷;由于半導體相關公司日新月異的新技術出現,傳奇色彩籠罩在技術領域。從1975---1990年這十五年間,在斯坦福大學周圍的別墅地下室,以及圣何賽的普通寫字樓里,誕生了數以千計的各式各樣的高科技電子公司,其中一些今天已經家喻戶曉,比如AMD公司,SEAGATE等等。當時在硅谷,昨天還默默無聞的工程師今天就可能在風險投資公司的支持下身價過億,甚至一名前臺文員在求職時,都會問一句:公司給股票嗎?各地渴望財富神話的風險投資公司深入酒吧、餐廳、各種會議,隨時獵取投資對象,然后財富神話在這些工程師身上發酵,新的富豪不斷出現。

技術神話伴隨財富神話一起在硅谷上空飄蕩,昨天研究小組還在討論四位單片微處理電腦芯片,今天八位單片微處理電腦芯片的報道出來啦;昨天還在討論1K儲存器,今天全新2K儲存器出來了。工程師和科學家們先是在用模擬工藝把微電子制造技術發展到極致,音頻芯片、傳感器、功率器件層出不窮,使全世界認為半導體技術達到了無法超越的巔峰。然而,隨后出現的一種新工藝---MOS器件工藝,很快改變人們的看法。MOS這種主要用在數字器件的工藝給數字化處理器件和儲存器帶來劃時代的變革,過去引以自豪的模擬器件工藝,即雙極工藝逐漸成為了昨日黃花;80年代舊金山高速公路邊巨大廣告牌說:模擬器件正在死去。當時人們以為是廣告設計者和模擬器件公司癲狂之作,今天看來一點也不癲狂。今天人們很容易把一個圖書館的資料內容存儲在一個手機一樣大的盒子里面,主要功勞就是MOS器件工藝,用MOS工藝制作的器件占所有半導體器件的80% 。

技術神話的演繹超越人們想象,微米級線寬,這個八十年代半導體工程師追求的器件結構線寬,在這個名詞還沒有完全被聽懂的時候,很快就被亞微米替代,亞微米就是器件線寬小于1微米。對普通人來說是一個名詞的改變,說者一種技術的進步,但是對專業人員來說,是全世界幾千個工程師在全世界各地實驗室和各高科技公司刻苦攻關的結果,每人貢獻一點點,共同努力才達到;他們有些人在研發設備,有些人在研發材料,有些人在研發工藝,而其中的投資更是以百億美元計。當亞微米被認為是人類能夠實現的最小器件線寬時,深亞微米,即0.5微米以下線寬的工藝又出來了,今天的最新工藝是90納米。過去科學家認為人類不可能制造小于紫外線波長(200納米左右)線寬的器件,因為無法光刻,這是半導體制造基本工序。

半導體神話不僅停留在舊金山灣的硅谷,由硅谷進一步走上全世界。各大國都有自己的半導體工業振興計劃,由此而出現了歐洲、日本、臺灣、韓國的半導體工業,其中日本上升最快。80年代中后期,日本半導體差不多可以與美國匹敵;硅谷傳奇故事一直到二十一世紀才漸漸趨于平淡,半導體工業已經在全世界遍地開花,世界很多地方出現了跟硅谷一樣兩層寬大的凈化廠房,這是生產半導體的標準廠房。

但是隨著行業規模和技術的發展,出現了一系列的裂變。先是行業內部裂變。當一個新工廠的投資越來越大時,僅僅靠一家公司已經很難支持。八十年代,一個完整產品制造過程的半導體工廠,包括芯片設計、晶圓制造、晶圓封裝三個工序,總投資在5到10億美元;90年代,這個數據達到50到100億;二十一世紀,更是達到200億美元以上;因此行業內部首先裂變,出現了只做設計的公司,電路設計好后,委托另外一家公司生產晶圓和封裝,這就是人們常說的FABLESS,然后又出現了專門給其他公司做晶圓的所謂FOUNDRY和只給其他公司封裝的專業封裝廠。行業資源的優化繼續推動半導體工業的發展,今天,我們一臺普通智能手機主芯片的處理能力隨便超越十年前一個可供幾百人同時使用的服務器的能力,而其包含的陀螺儀、磁傳感器、圖像處理、GPS定位等等技術10年前還是世界軍事最高機密技術。

技術發展更新和行業資源組合的另外一個結果就是,半導體技術擴散到了全世界;任何一家公司,任何一個國家都無法全部完成最新工藝的生產。一個穩坐行業二十年頭把交椅的老大INTEL公司因為某個核心技術工藝,不得不屈身與一家三流的臺灣公司合作。而當初創造半導體行業許多標準的摩托羅拉公司則在一大批新公司的技術包圍中逐漸被人遺忘,甚至連百年老店飛利浦公司的半導體部門也步履艱難,最后更名為NXP。過去行業如雷貫耳的名字如國半、國際整流、達拉斯等已經難覓其蹤,成為別人的囊中之物,X86這種完美無缺的CUP架構今天似乎也感受到ARM內核的RISC指令CPU的壓力。僅僅過了不到60 年,第一個跟照相館老板合作生產半導體器件的八個叛逆博士還在,半導體行業已經面目全非,連最精明的預言家也無法想象今天的局面。

讓我們看看中國,半導體工業如何孕育和發展。中國的特點是人多,因此世界任何高科技的東西出現,就會有人去研究,當硅谷三極管工藝公布沒多久,貧窮的中國就在1958年成立了研究機構進行研究,并且投入的人力物力遠比硅谷更多。60年代和70年代,中國成立了以代號命名的軍工企業,不是生產武器,而是生產半導體器件,比如8070廠,771廠等等,以軍隊建制管理和生產;他們中有些負責生產材料,有些負責生產設備,有些負責生產器件。這種情況持續到了80年代中期,當國外低價高性能器件不斷涌入中國的時候,這些閉門造車生產的器件逐漸被淘汰,這些軍工廠也逐漸揭去面紗,他們或改制,或倒閉,中國半導體行業由政府主導變為市場主導。

到了1993年,意法半導體---ST,第一個在中國投資興建大規模的半導體封裝廠,開創了西方高科技在中國投資的先河,其他半導體公司緊追其后進入中國,美國摩托羅拉來了,臺灣金鵬來了,美國仙童來了,TSMC來了,三星來了。今天幾乎所有半導體公司在中國都有投資,中國半導體工業逐漸走上世界舞臺。有一個數字可以說明這種改變,上世紀90年代初期,世界半導體統計表中,中國在世界半導體行業的比重,在0.5—0.8%之間,基本上可以忽略不計,而到了2014年,這個數字在5%到10 %之間,已經超過臺灣。今天在中國,沒有一個人能正確說出中國有多少家設計公司,也沒有人能說出中國有多少家半導體封裝廠。比較大的,設計公司有華為海思,有多達四千名設計工程師,世界上任何一家公司都沒有這么多設計工程師;封裝廠方面,長電科技,天水華天,南通富士通等等,已經在挑戰世界一流半導體公司的產量,世界主要的半導體公司幾乎都放棄了這些國內能生產的中低端器件,他們只能以OEM形式委托中國廠家生產,然后貼上他們自己的牌子銷售。委托代工的結果開始可能舒服,用很低的價格生產,貼牌后用很高的價格銷售,但是最后可能失去行業生存能力,只能被迫在狹縫中生存,因為中國企業的學習和模仿能力從來不可小看,攻城略地般把一塊塊區域占領,到最后才知道保姆已經替代主人,主人受保姆威脅了。

中國政府幾十年對半導體行業的支持可以說不遺余力,這給行業的變革埋下了伏筆:免稅、直接投資、項目支持、土地優惠,國家象對待早產的嬰兒一樣保護它,很多國內半導體公司幾乎在國家支持下讓企業老板發財,他們以低于生產成本的價格銷售他們的產品,把一家家跨國公司弄得措手不及。

今天,中國半導體產業已經具有完整的產業鏈,晶圓制造、設計、封裝等等全部具備,進入的門檻越來越低。昨天還在深圳華強北賣IC的老板,今天可能就開始一家新的封裝廠,他們并不要懂得雙極和MOS的區別,也不要知道凈化間的許多規范,但是他們確實能生產,無知者無畏。

再看銷售領域,中國深圳華強北已經成為全世界公認的半導體的集散地。在這里從事銷售的人員比整個世界半導體銷售人員加起來還多;我們無法想象,也不要去想象,一個26個字母認不完全的人在銷售高端器件;我們也很難想象,全家老小,甚至全村老小都在做集成電路的銷售;他們不要懂得太多,也不可能懂很多,但是我可以肯定,中國載人航天的神舟6號上有華強北賣給的元器件。

回想一下八個博士創辦的仙童半導體公司,第一個訂單是100個晶體管,由IBM下給,確切的價格無從查起,但是費用至少使公司維持了幾個月;今天100個晶體管的價值,可能遠不值一根香煙。全世界半導體工業在中國的擾動下措手不及,我們無法預測下一步的變化,總之一句話,半導體已經走下象牙塔。

 

 

(本文作者為深圳市中意法電子科技有限公司總經理。國際微電子與封裝學會會員)


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