朱军山博士:半导体行业,由象牙塔到大众化

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2021-04-10


世界半导体行业经过60 年的发展,逐渐由一个高科技行业走下神坛,日日成为大众化的产业,昔日的光环正在褪去,高科技的帽子正在摘去,无论是设计,晶圆制造,还是封装,正在成为普通制造的一个环节,这是一个大的趋势,也是摆在所有行业人士面前的现实问题。

半导体的历史始于斯坦福大学的肖克利教授等人发明的晶体管,由此取代电子管成为信号放大的核心器件,发展之初只用于军事,比如雷达信号放大和显示,短波信号的发射和接受等等,初期订单只依赖于军方,制造者则是肖克利实验室,员工是实验室的几名博士生。后来这些博士因为跟肖克利意见不合,想成立一家自己的公司专门生产这些器件,但是找不到合适的投资人, 他们找到仙童照相馆老板,让这家照相连锁企业投资;但是仙童的老板并不知道半导体是什么东西,只知道肖克利的名望和这8个博士的厉害,因此愉快地答应了。这就是世界第一家半导体公司,由照相馆公司控股,名字也叫仙童,仙童照相馆总共投给仙童半导体300万美元左右,使这家半导体公司一度成为世界最大的功率器件公司,照相馆每年从半导体公司的分红在1亿美元左右。后来这八个叛逆的博士又纷纷离开仙童创办其他的半导体公司,比如赫赫有名的INTEL公司就是由其中的八叛逆中的2个博士创办,虽然时间比仙童晚了10年,但是因为选对了产品,发展却超过其他公司。今天INTEL的销售额和利润都是仙童的十倍以上,大名鼎鼎的戈登.摩尔(摩尔定理的发明人)至今还是INTEL董事。

在20 世纪的最后40 年,即从1960 年到2000年,半导体一直是全球公认的高科技行业。由于这个行业的发展,更是引爆了全球工业革命,造就了今天人们熟知的电子化、信息化、智能化以及网络等等,引爆的中心在美国硅谷;由于半导体相关公司日新月异的新技术出现,传奇色彩笼罩在技术领域。从1975---1990年这十五年间,在斯坦福大学周围的别墅地下室,以及圣何赛的普通写字楼里,诞生了数以千计的各式各样的高科技电子公司,其中一些今天已经家喻户晓,比如AMD公司,SEAGATE等等。当时在硅谷,昨天还默默无闻的工程师今天就可能在风险投资公司的支持下身价过亿,甚至一名前台文员在求职时,都会问一句:公司给股票吗?各地渴望财富神话的风险投资公司深入酒吧、餐厅、各种会议,随时猎取投资对象,然后财富神话在这些工程师身上发酵,新的富豪不断出现。

技术神话伴随财富神话一起在硅谷上空飘荡,昨天研究小组还在讨论四位单片微处理电脑芯片,今天八位单片微处理电脑芯片的报道出来啦;昨天还在讨论1K储存器,今天全新2K储存器出来了。工程师和科学家们先是在用模拟工艺把微电子制造技术发展到极致,音频芯片、传感器、功率器件层出不穷,使全世界认为半导体技术达到了无法超越的巅峰。然而,随后出现的一种新工艺---MOS器件工艺,很快改变人们的看法。MOS这种主要用在数字器件的工艺给数字化处理器件和储存器带来划时代的变革,过去引以自豪的模拟器件工艺,即双极工艺逐渐成为了昨日黄花;80年代旧金山高速公路边巨大广告牌说:模拟器件正在死去。当时人们以为是广告设计者和模拟器件公司癫狂之作,今天看来一点也不癫狂。今天人们很容易把一个图书馆的资料内容存储在一个手机一样大的盒子里面,主要功劳就是MOS器件工艺,用MOS工艺制作的器件占所有半导体器件的80% 。

技术神话的演绎超越人们想象,微米级线宽,这个八十年代半导体工程师追求的器件结构线宽,在这个名词还没有完全被听懂的时候,很快就被亚微米替代,亚微米就是器件线宽小于1微米。对普通人来说是一个名词的改变,说者一种技术的进步,但是对专业人员来说,是全世界几千个工程师在全世界各地实验室和各高科技公司刻苦攻关的结果,每人贡献一点点,共同努力才达到;他们有些人在研发设备,有些人在研发材料,有些人在研发工艺,而其中的投资更是以百亿美元计。当亚微米被认为是人类能够实现的最小器件线宽时,深亚微米,即0.5微米以下线宽的工艺又出来了,今天的最新工艺是90纳米。过去科学家认为人类不可能制造小于紫外线波长(200纳米左右)线宽的器件,因为无法光刻,这是半导体制造基本工序。

半导体神话不仅停留在旧金山湾的硅谷,由硅谷进一步走上全世界。各大国都有自己的半导体工业振兴计划,由此而出现了欧洲、日本、台湾、韩国的半导体工业,其中日本上升最快。80年代中后期,日本半导体差不多可以与美国匹敌;硅谷传奇故事一直到二十一世纪才渐渐趋于平淡,半导体工业已经在全世界遍地开花,世界很多地方出现了跟硅谷一样两层宽大的净化厂房,这是生产半导体的标准厂房。

但是随着行业规模和技术的发展,出现了一系列的裂变。先是行业内部裂变。当一个新工厂的投资越来越大时,仅仅靠一家公司已经很难支持。八十年代,一个完整产品制造过程的半导体工厂,包括芯片设计、晶圆制造、晶圆封装三个工序,总投资在5到10亿美元;90年代,这个数据达到50到100亿;二十一世纪,更是达到200亿美元以上;因此行业内部首先裂变,出现了只做设计的公司,电路设计好后,委托另外一家公司生产晶圆和封装,这就是人们常说的FABLESS,然后又出现了专门给其他公司做晶圆的所谓FOUNDRY和只给其他公司封装的专业封装厂。行业资源的优化继续推动半导体工业的发展,今天,我们一台普通智能手机主芯片的处理能力随便超越十年前一个可供几百人同时使用的服务器的能力,而其包含的陀螺仪、磁传感器、图像处理、GPS定位等等技术10年前还是世界军事最高机密技术。

技术发展更新和行业资源组合的另外一个结果就是,半导体技术扩散到了全世界;任何一家公司,任何一个国家都无法全部完成最新工艺的生产。一个稳坐行业二十年头把交椅的老大INTEL公司因为某个核心技术工艺,不得不屈身与一家三流的台湾公司合作。而当初创造半导体行业许多标准的摩托罗拉公司则在一大批新公司的技术包围中逐渐被人遗忘,甚至连百年老店飞利浦公司的半导体部门也步履艰难,最后更名为NXP。过去行业如雷贯耳的名字如国半、国际整流、达拉斯等已经难觅其踪,成为别人的囊中之物,X86这种完美无缺的CUP架构今天似乎也感受到ARM内核的RISC指令CPU的压力。仅仅过了不到60 年,第一个跟照相馆老板合作生产半导体器件的八个叛逆博士还在,半导体行业已经面目全非,连最精明的预言家也无法想象今天的局面。

让我们看看中国,半导体工业如何孕育和发展。中国的特点是人多,因此世界任何高科技的东西出现,就会有人去研究,当硅谷三极管工艺公布没多久,贫穷的中国就在1958年成立了研究机构进行研究,并且投入的人力物力远比硅谷更多。60年代和70年代,中国成立了以代号命名的军工企业,不是生产武器,而是生产半导体器件,比如8070厂,771厂等等,以军队建制管理和生产;他们中有些负责生产材料,有些负责生产设备,有些负责生产器件。这种情况持续到了80年代中期,当国外低价高性能器件不断涌入中国的时候,这些闭门造车生产的器件逐渐被淘汰,这些军工厂也逐渐揭去面纱,他们或改制,或倒闭,中国半导体行业由政府主导变为市场主导。

到了1993年,意法半导体---ST,第一个在中国投资兴建大规模的半导体封装厂,开创了西方高科技在中国投资的先河,其他半导体公司紧追其后进入中国,美国摩托罗拉来了,台湾金鹏来了,美国仙童来了,TSMC来了,三星来了。今天几乎所有半导体公司在中国都有投资,中国半导体工业逐渐走上世界舞台。有一个数字可以说明这种改变,上世纪90年代初期,世界半导体统计表中,中国在世界半导体行业的比重,在0.5—0.8%之间,基本上可以忽略不计,而到了2014年,这个数字在5%到10 %之间,已经超过台湾。今天在中国,没有一个人能正确说出中国有多少家设计公司,也没有人能说出中国有多少家半导体封装厂。比较大的,设计公司有华为海思,有多达四千名设计工程师,世界上任何一家公司都没有这么多设计工程师;封装厂方面,长电科技,天水华天,南通富士通等等,已经在挑战世界一流半导体公司的产量,世界主要的半导体公司几乎都放弃了这些国内能生产的中低端器件,他们只能以OEM形式委托中国厂家生产,然后贴上他们自己的牌子销售。委托代工的结果开始可能舒服,用很低的价格生产,贴牌后用很高的价格销售,但是最后可能失去行业生存能力,只能被迫在狭缝中生存,因为中国企业的学习和模仿能力从来不可小看,攻城略地般把一块块区域占领,到最后才知道保姆已经替代主人,主人受保姆威胁了。

中国政府几十年对半导体行业的支持可以说不遗余力,这给行业的变革埋下了伏笔:免税、直接投资、项目支持、土地优惠,国家象对待早产的婴儿一样保护它,很多国内半导体公司几乎在国家支持下让企业老板发财,他们以低于生产成本的价格销售他们的产品,把一家家跨国公司弄得措手不及。

今天,中国半导体产业已经具有完整的产业链,晶圆制造、设计、封装等等全部具备,进入的门槛越来越低。昨天还在深圳华强北卖IC的老板,今天可能就开始一家新的封装厂,他们并不要懂得双极和MOS的区别,也不要知道净化间的许多规范,但是他们确实能生产,无知者无畏。

再看销售领域,中国深圳华强北已经成为全世界公认的半导体的集散地。在这里从事销售的人员比整个世界半导体销售人员加起来还多;我们无法想象,也不要去想象,一个26个字母认不完全的人在销售高端器件;我们也很难想象,全家老小,甚至全村老小都在做集成电路的销售;他们不要懂得太多,也不可能懂很多,但是我可以肯定,中国载人航天的神舟6号上有华强北卖给的元器件。

回想一下八个博士创办的仙童半导体公司,第一个订单是100个晶体管,由IBM下给,确切的价格无从查起,但是费用至少使公司维持了几个月;今天100个晶体管的价值,可能远不值一根香烟。全世界半导体工业在中国的扰动下措手不及,我们无法预测下一步的变化,总之一句话,半导体已经走下象牙塔。

 

 

(本文作者为深圳市中意法电子科技有限公司总经理。国际微电子与封装学会会员)