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走出“两个在外”怪圈智慧应对中国IC多重挑战

根据中国半导体行业协会统计,2014年第一季度中国集成电路产业销售额为587.5亿元,同比增长13.4%%。其中,设计业销售额为179.2亿元,同比增长28.1%%;制造业销售额153.7亿元,同比增长4.5%%;封装测试业销售额254.6亿元,同比增长10.1%%

中国半导体行业协会副理事长魏少军:

《国家集成电路产业发展推进纲要》正式发布实施,在行业内迅速引起了极大的关注。就目前现状来说,中国集成电路产业仍然存在着极大的发展压力,这既表现为与国际先进水平的差距上,也表现为当前国际半导体产业的走向变化对中国IC形成的挑战上。

与国际先进水平差距较大

我国设计业水平基本与国外同步,但很多关键芯片几乎全部进口,工艺技术进步严重滞后。

总体来看,中国集成电路产业无论在设计、制造还是封装环节等,均与国际先进水平存在着较大差距。

根据中国半导体行业协会集成电路设计分会的统计,2013年中国IC设计行业全年收入为874.48亿元,约合142亿美元,比上年增长28.51%%,占全球集成电路设计业的比重约为16.73%%。2013年全年共有124家IC设计企业销售额超过1亿元,134家企业销售额5000万元~1亿元,177家企业销售额在1000万元~5000万元之间,196家企业销售额小于1000万元,赢利企业409家,不赢利企业223家,前100名设计企业的平均毛利率为30.59%%,前10大设计公司的平均毛利率为39.55%%。虽然设计水平基本上与国外同步,达到了28nm,但是很多关键芯片,如桌面、便携式计算机、高性能服务器、高端网络设备用芯片几乎全部为进口。

中国芯片制造业发展状况,根据中国半导体行业协会的统计,制造业2013年全年收入达到600.86亿元,略少于100亿美元,比上年增长199.9%%。其中本土企业总收入为266.6亿元,占中国10大芯片制造企业(含外资)全部收入454.1亿元的58.7%%,占中国整个芯片制造业收入的44.37%%。中国芯片制造业现有产能与市场需求方面存在的差距巨大,工艺技术进步严重滞后。在先进工艺方面,具备先进制造技术(40nm以下线宽)的仅有中芯国际1家,技术水平与国际先进水平相差1.5代。在产能方面,全部12英寸月产能不到5万个硅圆片。十大制造企业中的天津中环、吉林华微以器件制造为主,西安微电子以航天器件和集成电路为主要业务。

即使是封装行业,中国企业与国际先进水平依然存在差距。根据中国半导体协会统计,中国大陆封装业2013年全年收入为1098.85亿元,约合180亿美元,比上年增长6.1%%;其中本土企业总收入为190.6亿元,占中国10大封装企业全部收入442.9亿元的43.03%%,占整个封装业收入的17.35%%。具备先进封装技术(3维封装)的仅江苏新潮科技1家。中国至今尚无法制造超过1200个以上Bumping引擎的高密度集成电路封装,技术水平与国际上相差5年以上。

“两个在外”现实严峻

IC设计企业的产品主要在海外加工,制造企业的主要业务也在海外,是产业面临的困境。

集成电路产业的发展现状,导致了中国IC行业的“两个在外”严峻的现实,即集成电路设计企业的产品主要在海外加工;集成电路制造企业的主要业务也在海外。

以2013年中国集成电路设计企业的总产值142亿美元为基数,以设计企业的毛利率空间30%%计算,可以得出中国设计企业的产能需求为109亿美元,进一步假设企业的50%%的产品可以在大陆代工厂加工,即有54.5亿美元。再计算芯片制造企业方面,2013年中芯国际有40%%的产能服务于国内企业,即约有9亿美元;华力约15%%的产能用于国内,约3000万美元;华虹约80%%的产能用于国内,约4亿美元;武汉新芯约30%%的产能用于国内,约合4500万美元;华润微电子约90%%的产能用于国内,约合5.4亿美元。总计我国代工制造业服务于国内设计企业的产能约为19.15亿美元。最后可以算出,我国芯片设计与制造业两者间的需求与供给之间存在35.35亿美元的差距。

导致出现这种现象的原因正是中国IC行业自身存在的一系列问题。在IC设计方面,设计企业缺乏工艺知识,也没有定制和修改工艺参数的能力;设计企业对第三方IP核的依赖程度奇高;设计企业没有建立内部设计工具维护和发展队伍,缺少根据自己的产品开发和优化设计流程的人才和能力;设计企业大多采用通用的ASIC设计方法,缺少定制化和COT的设计知识。在IC制造方面,大多数企业尚未建立完整的设计服务和支持体系;IP核研发滞后于工艺的开发,IP核开发能力偏弱;工艺研发往往依托外来客户的支撑;对设计方法学的重视程度不够。

总之,双方全都存在较大的对外依赖,两者相遇,自然出现了“两个在外”的情况。这是中国IC行业问题的现实体现。

代工制造缺口仍将扩大

未来无论在IC设计制造的复杂度,还是开发成本上,都对中国IC业形成挑战。

全球半导体行业目前正在发生一系列转变,也对中国IC行业形成更多挑战。首先是制造资源越来越少。2008年以来,一批传统的IDM公司已经或将停止建设新的生产线,逐渐转型为集成电路设计企业,预计需要外协的产能价值约300亿美元,产能需求将十分旺盛。事实上,从2012年下半年以来,先进工艺的产能已经出现供不应求的现象,我国设计企业受此影响,没能实现更高的增长速度。正是预见到未来5至10年产能紧张的前景,三星、台积电、Global Foundries等企业每年投入巨资扩产,而我们也预见到这种情况的发生,却没有能够采取得力的措施。

其次,芯片设计的挑战越来越大。基于新一代工艺的量产速度会放慢,IP核的成熟度和成品率的提升将需要更多的时间,提升成品率成为代工厂和设计公司都要面对的重大挑战。随着工艺的进步,这个问题将变得更严重。芯片设计团队必须对芯片制造过程有深入的了解,尤其是工艺参数在制造过程中的变化,这已经成为芯片设计工程师不可或缺的知识,芯片设计工程师已经不太可能预测所设计产品在最终生产过程中可能具有的成品率,许多原来属于生产过程的问题已经迁移到设计阶段,可制造性设计(DFM)和面向成品率的设计(DFY)已经是必不可少的设计技术。

再次,性能是产品的核心技术指标,由于功耗的限制,简单地提升主频已不现实,功耗成为关键指标,是否具备低功耗和超低功耗设计技术和能力将决定产品能否在移动设备中得到应用,成本是市场竞争的终极方法。

最后,先进工艺节点的NRE费用(一次性工程费用)急剧攀升,只有通过扩大销量才能分摊前期成本。有估计认为,研发一颗16nm的芯片需要投入15亿美元,必须销售3000万颗才能收回成本。受限于工艺,很难在单个硅片上集成异质器件,封装将向组装(Assembly)演进,芯片设计必须与组装结合。

总之,未来无论在IC设计制造的复杂度,还是开发成本上,都对中国IC业形成挑战。如何应对需要从业者的极大智慧。这里没有明确的答案,只能提出几个需要回答的要点:一是能否解决国家急需的核心芯片成为产业界必须首先回答的问题。二是中国芯片制造业的发展一直跟在别人后面亦步亦趋,现在有了改变的条件,需要企业家的胆识与勇气。三是尽快解决“两个在外”的困局。四是在移动通信芯片领域,拥有28nm之后的产能就拥有竞争的主动权和主导权,如何极力争取突破?五是集成电路发展基金非常重要,但要集中统筹使用,地方政府正在设立促进集成电路发展的地方基金,应避免“抢项目”,造成该倒闭的企业不倒闭,企业价值虚高,泡沫大量出现。同时对基金的管理不仅需要依靠懂行的人,更需要热爱这个产业的“圈内人”。

(本报记者陈炳欣根据演讲整理,未经本人审阅)



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