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2021-09-24

缺芯之惑

时间: 2021-09-24 编辑:

最近,芯片供求问题打乱了长达半世纪之久的半导体产业链间的平衡。整个行业慌乱不堪,其支点也随之倾斜...

最近,芯片供求问题打乱了长达半世纪之久的半导体产业链间的平衡。整个行业慌乱不堪,其支点也随之倾斜,一方“高高在上”,一方“苦苦哀求”。现实一再证明“口碑”本就摇摇欲坠的“摩尔定律”,再度被质疑是“商人编织的噱头”,也让行业人士开始反思,“可食用”面积日益减少的同时,所产生的连锁反应不单是在芯片一个领域。

2021年8月25日,台积电于通过内部决议确定,自2022年第一季度开始,调高晶圆代工报价。其中,16nm及以下制程工艺代工的价格上调近10%,16nm以上的成熟制程则上调至10%~20%,本次价格上调将于2022年第一季度生效。随着消息经“非官方”途径被广泛传播,人们对由于全球“缺芯”所带来的芯片供需关系失衡,以及由此可能对更多下游产所带来的负面影响,担忧又增加了一分。

实际上,自2019年底突发的新冠疫情打断了全球产业链以后,芯片制造商在2020年就已经连续提升了四次芯片价格:与2019年同期相比,2020年芯片厂商的涨价幅度大多在20%至60%之间,其中单就8寸晶圆价格上涨了近50%。而这部分价格的增长,到了经销商手里时,价格就会同比暴增10倍,甚至20倍。

“眼下的芯片价格不是常规的出货价格,属于异常的价格交易。在芯片短缺的情况下,涨价才有可能买的到。”作为中国某本土汽车企业的采购人员,任卉怎么都没有预料到,一场看似突然而至的“缺芯”问题,正在从最初的芯片“拉锯战”,变成完全由芯片企业主导的“歼灭战”。“往年芯片的订货周期在三个季度之久,现今却变为一年甚至更久。”任卉强调,现在整个芯片供应链中,不仅上游芯片原材料及供应商的价格逐步攀升,而且即便下游应用商接受日益提高的单价,也仍无法按时提货,只能被迫延长订货周期:“上游厂商在目前拥有供需关系中的绝对领导权。”

受芯片持续紧缺影响的汽车企业,只是其中一枚多米诺骨牌:根据高盛一项最新的研究报告显示,全球有多达169个行业在一定程度上受到了芯片短缺的打击,包括从钢铁产品、混凝土生产到空调制造、啤酒生产等所有行业,甚至连肥皂制造业也受到了影响。高盛的研究表明,那些在芯片上的花费超过行业GDP1%的产业将受到芯片短缺的影响。比如,汽车行业在芯片上的花费就占到这一行业GDP的4.7%。不仅如此,芯片短缺给企业带来生产压力,商品价格也将随之上涨。高盛经济学家斯宾塞·希尔表示,尽管随着封锁逐步放开,消费也将得到提升,但芯片短缺将令美国2021年国内生产总值萎缩多达1%,同时,商品价格涨幅将达到1%到3%。

全球经济的发展,俨然被芯片卡了脖子。

芯片产业“失能”从摩尔定律失效开始?

芯片作为一个商品,从商业逻辑上分析,此次全球缺芯完全是产能不足造成的。而产能不足问题所暴露出来的,在很大程度上是整个芯片产业自身的发展遇到了瓶颈。

回溯芯片产业的历史,1965年戈登·摩尔(GordonMoore)提出的摩尔定律一直是该行业严格遵守的一项黄金法则:当时,戈登·摩尔在一本杂志上发表了一篇文章指出:我们将会看到集成芯片上的元件数量每年增加一倍,从 1965 年到1975年持续10年。此后,各种版本的“摩尔定律”就逐渐多起来。最后被业界广泛接受的摩尔定律版本成了:集成电路上可以容纳的晶体管数目在大约每经过18个月便会增加一倍,换言之,处理器的性能每隔两年翻一倍。

客观来看,摩尔定律并不是物理法则,更像是对芯片发展趋势的一种分析和预测。只不过在芯片技术持续不断地发展趋势下,摩尔定律正一步步地被推向“尽头”——晶体管电路愈加接近性能极限,这一定律是否会走向失效?

中国工程院院士、浙江大学微纳电子学院院长吴汉明今年早些时候接受媒体采访时曾经谈到:摩尔定律最初给社会及经济带来了巨大的效益,让芯片的成本在几十年内降低了百万倍。但是在2014年左右,芯片工艺从28nm进阶到20nm过程中,100万晶体管的价格已经从大约2.7美分涨到2.9美分,这也就是意味着:从此刻开始,当初摩尔定律所带来的经济效益,已经失效。

需要注意的是,随着经济效益的反向增加,芯片性能的提升反而在持续下降:在2002年以前,每年的芯片性能提升约57%,到2010年每年提升23%,到2010年每年提升12%,直到近期,性能提升约为3%。

于是有关“摩尔定律正在放缓”又或者“摩尔定律已经失效”的争论甚嚣尘上,就连英伟达(Nvidia)CEO黄仁勋以及AMD公司CTO Mark Papermaste在内的行业专家也参与其中。

要知道,“摩尔定律”对于芯片产业来讲,不仅仅是所有厂商公认的黄金定律,甚至整个芯片产业的构成都是依据摩尔定律的原则形成的:芯片设计公司根据市场需求设计芯片;芯片代工厂按照设计方案进行晶圆制造;封测厂将制造好的晶圆封装测试为芯片成品;整机厂商完成电子设备硬件的制造组装和软件安装——而随着摩尔定律本身正在逼近物理极限,企业芯片性能和功耗、加工成本和技术手段,以及经济成本都已经达到了一个瓶颈,那么整个芯片产业实际上可以发展的空间就非常有限了。这,实际上才是整个芯片产品产能始终难以与市场需求相匹配的最底层逻辑。

解开死结,或者绕开死结

由于全球“缺芯”的根源是产能受限,产能受限的原因是芯片产业黄金定律的失效,而黄金定律的失效就意味着,整个产业以往50年赖以维系的产业模式、产业链构成、产品研发理论……所有该产业中以往被证明有价值的知识,都存在失效的风险:摩尔定律实际上已经把整个芯片产业带到了一个难以逾越的壁垒面前——不打破摩尔定律的束缚,整个芯片产业将无法真正提高产能,突破供货瓶颈。

如果在一时之间,没有办法彻底改变整个芯片产业,那么全球的各个产业就要继续忍受因为芯片供应不足带来的影响,直到问题从芯片产业内部得到解决吗?

当然不是。从商业逻辑上,存在供需双方,当供方出现供货问题时,需求方最明智的做法,是寻找替代方案。具体到全球缺芯的问题,就是绕开“芯片死结”,或许能够发现破除行业发展阻碍的正确逻辑。

“摩尔定律商用化,本身就是一个与现实相违背的逻辑,继续延续下去,只有物理上会限制行业的门槛与发展的多样性。”从事云端技术开发多年的资深IT技术人员刘青强调:“当一个技术,甚至是关乎各项领域命脉的技术被限制时,那么其未来的发展只会越来越窄,这是当代芯片行业的弊端。所以必要也需要从当下的芯片应用价值着手,来思考行业核心的应用形态。”

事实上,从芯片需求侧角度考虑:从PC时代过渡到数据中心时代,再进阶到如今的云计算时代,无论是个人用户还是企业用户,获得IT能力的方式都已经不再仅仅依赖芯片本身性能和功能的增加。

疫情期间,居家办公的需求成就了一款笔记本,其销量甚至一度超越了戴尔和苹果,这就是Chromebook——这个价格更低廉、没有硬盘、所有应用都是通过SaaS的服务获得的网络笔记本电脑,与传统更强调芯片性能的笔记本不同,其全部的性能和功能都取决于网络。而这种模式正在由于移动网络、云计算、5G等新兴技术的广泛应用,被越来越多的企业级用户和个人接受。

“现在一个强调团队作战能力的时代,早就不是以前那个讲究单打独斗的时代了。”另外一位从事云计算技术研发多年的本土云计算厂商技术研发主管王强认为:云计算是利用“团队作战”提高整个IT在实际应用中的作用,而单纯依靠芯片性能的提高,获得更大IT能力,则更像过时的“个人英雄”时代,既不现实,也不持久。因此在他看来,众多行业将自己的IT能力需求与芯片行业技术和能力的提升进行强绑定,本身就是问题,对于企业和个人用户而言,算力集中并分配至终端运行才是当今算力最佳的选择。

于是我们注意到,解决全球缺芯问题就有了两个主要方向:其一,是在芯片产业内部,尽快找到“后摩尔定律”时代的发展逻辑,从而在内部解决产能天花板的问题;其二,在用户群中,找到绕开芯片产能的限制,用其他方式获得同等的IT能力——前者实际上是为了寻求技术发展规则上的突破,而后者则是给不同应用场景以更灵活的解决逻辑。

中国的后发优势

有数据显示,2019年底,我国芯片的消耗量占世界芯片消耗量的42%,国产芯片的自给率,却不足30%。因此,作为信息产业的关键部件,芯片至今仍然是中国科技发展的短板,因此还是中国经济发展的“卡脖子”项目,因此对于中国而言,如何找到“后摩尔定律”时代的发展轨迹,是重中之重。

2020年8月,国务院发布了《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》。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。同时,在“十四五”规划和2035年远景目标纲中也提出,要深入实施制造强国战略,加快补齐基础零部件及元器件、基础软件等瓶颈短板,推动集成电路等产业创新发展。

在产业界,吴汉明强调:后摩尔时代下,半导体产业技术发展趋缓,创新空间和追赶机会也随之扩大,而高性能计算、移动计算、自主感知成为芯片技术发展的驱动方向。

另据中国科学院院士、上海交通大学党委常委、副校长毛军发的观点:半导体芯片未来绕道摩尔定律的途径中,异构集成是其中一种。而所谓异构集成是指可以通过融合不同半导体材料、工艺、结构和元器件或芯片的优点,实现强大复杂的功能,具有优异的综合性能,突破了单一半导体工艺的性能极限,从而使得芯片产品突破摩尔定理的束缚,具有灵活性大、可靠性高、研发周期短等优点。

显而易见,从在芯片产业内突破摩尔定律束缚方面,中国无论是从背负的历史包袱、产业集中度、技术研发能力等方面,都更具有后发优势。由此,中国造芯的逻辑基本明了:不仅要挑战物理极限的技术难度,还要进入业界主流。而在此过程中,中国下游芯片应用的发展,实际上是推动了中国对于新技术领域的发展,加速了云、网、边、端的加速变化,从而实现了在用户侧一端的技术和应用场景进阶。

IDC咨询最新的《中国公有云服务市场(2020H1)跟踪报告》显示:2020年H1中国公有云服务整体市场规模(IaaS/PaaS/SaaS)达到84亿美元,同比增长51%。其中(IaaS+PaaS)市场规模为64.05亿美元(约416亿人民币)。IaaS市场同比增长57.1%,PaaS市场同比增长64.4%。在提供云服务的系统厂商中,阿里云、腾讯云和华为云,分别以41.6%、12%和8.4%位列前三,市场占有率超过60%。而跨国提供云服务的AWS和Azure分别以7.2%和2.8%仅名列第五和第八位。

与此同行,就是不久前,中国互联网络信息中心(CNNIC)最新发布的第48次《中国互联网络发展状况统计报告》显示,中国5G商用发展已实现规模、标准数量和应用创新三大领先:在规模上,中国已开通建设5G基站99.3万个,覆盖全国所有地级市、95%以上的县区和35%的乡镇,5G终端手机连接数超过3.92亿户;在标准数量上,中国5G标准必要专利数量占比超过38%,居全球首位;在应用创新上,中国5G应用案例已超过1万多个,覆盖了钢铁、电力、矿山等22个国民经济的重要行业和有关领域,形成了一大批丰富多彩的应用场景。

而工信部等十部门2021年7月联合发布的《5G应用“扬帆”行动计划(2021-2023年)》显示:到2023年,中国5G个人用户普及率将超过40%;在垂直行业领域,大型工业企业的5G应用渗透率超过35%;在社会民生领域,还将打造一批“5G+智慧教育”“5G+智慧医疗”“5G+文化旅游”样板项目,“5G+智慧城市”建设水平进一步提升——所有的以上的信息都说明,在绕开芯片产能发掘新兴技术能力、应用场景等方面,中国已经做好了准备。

没有芯片不行,但只有芯片也不行。对于中国来说,国产芯片水平也许还不太行,但其他方面实在太行了。因此行业围绕芯片而兴,芯片反作用于行业而成,这是一个正常的技术逻辑,也是中国产业界用“两条腿走路”的逻辑解决确信困惑的理论依据。​

结语

无论如何,芯片产业目前已经成为牵动各个行业、甚至全球经济走势的一个节点——有人甚至将其类比成石油,这一问题始终都将被解决,困惑始终会消散,取而代之的,是在此过程中,谁找到了更合适的方式、用了更明智的方法,赢得了更多的先机?那么它就将具有主导下一个人类进化阶段的节奏。从技、市场和后发优势上分析,中国的胜算,很大。

 

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