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    2. 十年磨一劍的華為海思能否沖破封鎖?

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      芯片集成電路
      億歐
      李思文
      2019-09-30 · 15:00
      [ 億歐導讀 ] 正如華為海思總裁何庭波所說:滔天巨浪方顯英雄本色,艱難困苦鑄就諾亞方舟。
      手機芯片,億歐智庫,華為海思,手機芯片,芯片設計 圖片來自“Unsplash”

      暗潮洶涌

      9月25日,Arm中國在深圳舉辦的媒體溝通會上表示:華為和海思是Arm長期的合作伙伴,經過實體名單之后,已經理清,不論是之前的V8架構還是以后的V9架構,都是基于英國的技術,Arm與華為和海思的合作,不會受到目前形勢的影響。

      除了Arm公開宣布對華為的支持,美國時間24日,高通公司首席執行官史蒂夫·莫倫科夫表示,高通非常看好中國在5G領域的領先勢頭,希望繼續加強與中國伙伴在移動通信領域的戰略合作,共同推動全球5G部署和技術創新。

      今年5月,華為被美國列入“實體名單”,禁止華為在未經美國政府批準的情況下從美國企業獲得元器件和相關技術,谷歌、高通、Arm等企業相繼宣布中止與華為的部分業務往來。但近日Arm、高通兩大世界級芯片商又相繼發聲對華為表示支持,無疑讓華為面臨的處境變得緩和不少。

      5月17日,針對美國的壓制,華為海思總裁何庭波的一封“華為總裁凌晨致員工信”讓國人激情澎湃。原來華為在多年前就做出了極限生存的假設:有一天所有美國的先進芯片和技術將不可獲得。為了應對這個假設,華為一直在潛心打造“備胎”。這讓大眾明白和了解到華為的高瞻遠矚,居安思危,蟄伏十多年的海思也進入大眾視野。

      崛起歷程

      任正非曾在2012實驗室指出:“我們在價值平衡上,即使做成功了,(芯片)暫時沒有用,也還是要繼續做下去。一旦公司出現戰略性的漏洞,我們不是幾百億美金的損失,而是幾千億美金的損失。我們公司積累了這么多的財富,這些財富可能就是因為那一個點,讓別人卡住,最后死掉。……這是公司的戰略旗幟,不能動掉的。”因此,上世紀90年代,在華為還在通信設備行業為生存而努力之時,任正非就已經意識到芯片的重要性。在1991年,華為就成立了自己的ASIC設計中心,專門負責設計「專用集成電路」(Application-specific integrated circuit,ASIC)。

      到了2004年,有了一定底氣的華為,在ASIC設計中心的基礎上,成立了深圳市海思半導體有限公司,也就是——華為海思。海思的英文名是HI-SILICON(HUAWEI-SILICON的縮寫)。因為硅是制造半導體芯片的關鍵材料,所以硅這個詞也就成了半導體的代名詞。在當時的海思主要是為華為的通信設備研發芯片,2005年華為就研發出自己的通信基片,在這個過程中華為也積累了技術研發實力和在通信領域芯片的基礎。

      到2009年,海思推出第一款手機應用處理器——K3V1。這款處理器原本打算賣給山寨機市場與聯發科等芯片廠商競爭,華為自身的手機并沒有使用,但因為產品不夠成熟,其研發成功之時已經與當時主流芯片形成了足足一代多的性能落差,所以并沒有獲得成功。

      在2012年,華為手機芯片首次實現商用,華為K3V2芯片開始使用在自家手機上。但同樣,這款芯片的性能也并不突出,推出后也并沒有產生良好的市場反饋。“平心而論,K3V2雖然是麒麟芯片當時較為成熟的一款產品,但相比同時期高通的旗艦處理器仍有明顯差距。”華為高級副總裁艾偉曾這樣表示。

      2013年底,華為海思推出麒麟910,這是華為海思第一款手機SoC芯片,但是因為性能和兼容性等方面的原因,并沒有得到市場的認可。

      所以時間直到2014年9月,應用了麒麟925芯片的MATE7在市場上大獲成功,此時華為麒麟芯片才真正成熟。華為海思生產的手機芯片從這時開始才真正大放光彩。新版的麒麟芯片在華為榮耀多款手機以及P7等手機中開始放量使用。從2004年到2014年,華為海思花了整整十年的時間才開始躋身手機芯片領域主流。

      此時,華為海思手機芯片終于趕上了華為手機的發展步伐。中國手機聯盟秘書長、芯片媒體集微網的創始人王艷輝曾提出這樣的觀點:前三年(從海思手機芯片首次實現商用到麒麟925芯片的成功)是華為手機拖著麒麟芯片走,后面則反了過來。的確如此,麒麟芯片自麒麟925之后便開始了迅速發展,后來海思接連推出了為大家所熟知的麒麟930、麒麟960、麒麟970等,產品性能越來越令人稱贊,到目前已經推出了麒麟990 5G芯片。華為最近宣稱這款麒麟990 5G芯片性能已經超過蘋果的A13芯片。

      艱難困苦

      從華為海思在手機芯片領域的發展歷程來看,經歷了十余年的努力研發和投入,華為海思才在手機芯片領域獲得市場承認,再到如今能夠與蘋果、高通、三星等在手機芯片領域深耕多年的廠商相爭,這背后所需的付出可想而知。

      發展自己的手機芯片技術需要投入大量資金,而作為需要掙錢的企業,直接采用國外的技術必定相對投入少很多,所以許多手機公司會放棄自主研發這條道路。而華為卻能夠一直堅持走這條必定艱難的道路如此長的時間,正是因為華為意識到獨立自主掌握核心技術的重要性。

      眾所周知,半導體屬于技術密集型產業,需要大量資金的投入。華為海思的手機芯片能夠發展起來,很大程度上得益于它背靠華為。一方面是因為海思長時間以來得到了華為持續性不吝嗇的大量研發投入,而另外一個重要原因是海思研發的手機芯片能夠在自家華為手機上使用,不需要其他市場的反饋,自家芯片和移動端的捆綁策略讓兩方都能夠有更大的壓力和責任,同時也能相輔相成、不斷迭代技術。

      手機芯片的研發不僅需要投入大量資金,同時也具有很大的風險,困難重重。盡管小米在芯片領域的投入已經超幾十億,但繼小米發布澎湃處理器S1后,時隔近兩年的時間澎湃S2依舊沒有發布的消息,同時用戶對于已發布處理器的反饋也并不理想,澎湃處理器在研發方面依舊有很多的不足和缺陷。同樣,芯片巨頭英特爾今年4月份宣布退出手機5G基帶芯片業務,英特爾公司首席執行官司睿博(BobSwan)表示:“我們對于5G和網絡‘云化’的機遇感到興奮,但對于智能手機調制解調器業務而言,顯然已經沒有明確的盈利和獲取回報的路徑。”即便是投入巨額資金,每一步發展策略和方向的選擇也會對后續產生極大影響,很可能血本無歸。由此可見,華為在芯片研發這條道路上堅持到現在屬實不易。

      亮眼成績

      華為海思為大眾熟知,源于華為手機的緣故,但事實上華為海思對于芯片的研發并不限于手機。在安防領域,海思芯片打敗了德州儀器、博通等,占據超七成的市場份額;在機頂盒市場,海思打敗意法半導體和高通等,僅次于博通;同樣,電視芯片領域華為海思所占中國電視芯片市場的份額超過五成。

      而在手機芯片領域,中國信息通信研究院副總工程師史德年在行業峰會上曾表示,智能手機核心芯片的國產化率從2014年的11.9%增長到了2018年的23.6%,增長了一倍。同時根據國金證券研究創新中心的數據顯示,由下圖中2018年各主要廠商市場份額可以看出,23.6%的國產化率是由華為海思和紫光展銳兩家廠商貢獻,最主要還是華為海思。在2018年第四季度,由于華為推出了麒麟980芯片,同時華為持續拉高其海思手機芯片的自用比重,使得海思在第四季度的市場份額出現明顯增長達到了23%的份額。

      億歐智庫:2018年各主要廠商國內市場份額

      正是由于華為海思在多個芯片領域取得的突破,根據IC Insights發布的報告顯示,在2019年第一季度全球前25強半導體公司中華為海思表現突出,營收達17.55億美元,同比增長41%,排名自去年同期的第25位到今年的14位,同時在全球前15大半導體廠商中業績增幅最大。

      億歐智庫:2018Q1及2019Q1全球15強半導體公司營收規模及增速(百萬美元)

      根據臺灣研究機構DIGITIMES Research發布的2018年全球前十大無晶圓廠IC設計公司排行榜單顯示,華為海思位居第五名,前三名廠商分別為新博通、高通、英偉達,第四名為聯發科,其中海思在2018年相較2017年的營收增速達到34.2%,同樣位居第一。

      億歐智庫:2018全球前十大芯片設計公司營收規模及增速(百萬美元)

      由此可見,華為海思近幾年保持較快速發展,營收規模不斷增加,市場份額也有逐步擴大趨勢,保持著良好的發展勢頭。不過,亮眼的成績并不意味著華為海思的手機芯片生產不受國外勢力的影響和阻礙。

      前路漫漫

      芯片的生產由于技術的復雜性,產業結構高度專業化,目前市場產業鏈主要分為芯片設計、芯片制造和芯片封裝、測試,然后再到下游應用。芯片生產的產業鏈如下圖所示。

      億歐智庫:半導體產業鏈

      由于產業鏈的特點,全球半導體產業的商業模式主要分為兩種,即IDM(Integrated Device Manufacture,集成器件制造)模式和垂直分工模式(主要包括Fabless(無晶圓制造的設計公司)+Foundry(晶圓代工廠)+OSAT(封裝測試企業))。

      IDM模式即企業布局整條芯片產業鏈,從最初的芯片設計,到芯片制造,再到芯片封裝測試,最終給市場提供完整的元器件,企業全部包攬,獨自完成。這種模式在芯片行業發展之初廣為流行,但隨著產業和技術的發展,追逐摩爾定律所需要的資金隨著工藝節點的提升會呈倍數甚至指數級增長,越來越多的芯片廠商發現缺乏足夠的生產規模將入不敷出,于是這種模式隨著市場的擴大發展逐漸消退。目前全球僅剩一家純IDM廠商即Intel。

      而張忠謀創建的世界上第一家純做芯片制造的工廠(foundry)——臺積電(TSMC)的發展則對芯片行業的商業模式產生了顛覆性影響,使芯片行業產生了純設計公司(fabless)+純芯片代工廠(foundry)的商業模式。這種模式成功解放了一大批中小型芯片公司,讓它們能夠省下大量的工藝研發投入,從而專注于芯片設計,很大程度上提高了芯片的研發效率,從而促進了芯片產業的蓬勃發展。

      毫無疑問,華為海思是垂直分工模式中的一家從事芯片設計的半導體公司。華為海思的芯片固然已經實力不錯,但要實現技術的完全獨立自主不受國外勢力的遏制并非易事,以下內容將從芯片產業鏈角度分析華為海思目前可能受國外政策或企業決策影響的環節。

      芯片設計

      華為海思專注于芯片設計領域且取得了卓越成果,但華為海思的芯片設計也并非能完全獨立自主。

      像全世界很多企業如蘋果、高通等一樣,華為也購買了ARM的授權。ARM的商業模式就是出售IP(Intellectual Property,知識產權)授權,收取一次性技術授權費用和版稅提成。華為的芯片設計均需要向ARM公司獲取授權。盡管華為已經獲得最新Arm V8架構/指令集層級的永久授權,擁有在Arm V8架構上獨立開發32/64位處理器的基礎條件,但若ARM終止架構升級后對華為的授權,可能會導致華為在技術方面相對落后于其他企業。同時,對于現在的市場格局來說,許多軟件都是基于ARM指令集的,已經形成生態,華為若脫離生態生產芯片也是很難融入市場的。

      而對于設計芯片使用的EDA軟件工具,目前行業已被國外公司高度壟斷,據公開資料顯示,前3家EDA公司(Synopsys、Cadence及Mentor)壟斷了中國本土芯片設計95%以上的市場。即便目前國內的EDA廠商同樣發展迅速,但這些廠商中目前依然存在缺乏全面支撐產業發展的能力、產品不全、與先進工藝結合存在不足等問題。因此從短期內來看,華為海思的芯片設計使用工具依舊需要依賴于國外公司。

      芯片制造

      華為海思專注于芯片設計,芯片的制造以及封裝測試要依靠這些領域的高度專業化企業來完成。

      臺積電是現今芯片代工領域最大的企業,根據IC Insights數據顯示,臺積電所占市場份額達到54.39%,第二名的三星僅占14.4%,而國內發展最好的企業中芯國際排名第五,其市場份額僅占據5.34%。臺積電目前的地位對于華為來說具有不可替代性。國內企業中芯國際目前的技術和臺積電尚有很大差距,例如臺積電已經能夠實現7納米芯片的量產,而中芯國際只能完成14納米級,12納米工藝才剛進入客戶導入階段,即如果華為選擇讓中芯國際代工高端芯片,相當于時間退后了幾年。

      即便臺積電已經兩次回應會繼續供貨于華為,不過依然存在風險。美國政府的規定是無論制造地是否在美國,所有銷售給華為的產品當中,涵蓋硬件、軟件等的美國技術含量不能超過25%。但是由于進行生產的機臺設備單價高且以美商居多,如果把這些都算進去可能會超過25%。同時,雖然臺積電是臺灣本土企業,但荷資和美資控股達八成以上,臺積電可能會受美國施壓的影響。

      在芯片的生產原料方面,例如對于二氧化硅的提純,用于做太陽能發電的低純度硅我們可以做到出口,但對于能達到電子級別的極高純度材料則幾乎完全依賴進口。在芯片生產設備方面,例如芯片生產中一個很重要的設備就是光刻機,然而在全球范圍內生產光刻機的企業極少,而荷蘭的ASML公司在行業中占據絕對的霸主地位,這對于想要獨立自主實現芯片生產的中國企業來說同樣是一個難以逾越的瓶頸。

      芯片封裝、測試

      而相比于設計和制造,封裝測試是半導體產業鏈中技術門檻最低的環節。在封裝測試方面,由于封測的技術含量相對較低,國內企業也是最早以此為切入點進入半導體產業,國內封測企業近些年獲得了良好發展,目前技術實力和銷售已進入世界第一梯隊。2018年國內企業巨頭長電科技、華天科技、通富微電在全球行業中分別排名第三、第六、第七。因此,在這個領域,目前國內的企業發展程度基本能夠支撐國內芯片封測需求。

      展望

      至暗時刻也許就是曙光之時。美國的壓制,或許能讓國產芯片受到更多的重視,也會給國產芯片更多被市場接納的機會,同時促使國內芯片產業不再習慣于依賴國外技術而奮力發展自身核心技術。倘若能夠投入足夠多的資源,吸引更多的一流人才進入這個領域,伴隨著時間的發展,國產芯片的發展潛力無窮。

      中國的芯片產業要實現獨立自主,的確依舊有很長的路要走。ASML的成功并非一蹴而就,而是經過西方無數寡頭和財團的鼎力支持和投資才形成如今的行業地位。英特爾能夠維持IDM模式的原因也是在于它較為單一的產品線(幾乎只生產CPU)。大部分半導體企業,基本沒有能力形成完整的產業鏈條,這就導致大多數半導體企業習慣了分工合作的生產鏈條并對其產生強烈的依賴性。對于中國的芯片產業同樣如此,雖然在各分工領域中國的芯片企業并不算完全空白,但中國芯片目前仍強烈依賴于全球化的分工合作,在實現獨立自主道路上任重道遠。

      對于華為來說,投入大量資源自研芯片,未雨綢繆,預防被國外技術卡脖子無疑是一個正確的決定。目前對于海思,對于國內芯片產業,對于國家,在發展國產芯片的道路上我們仍有很長的路要堅持,我們不僅需要掌握更多的核心技術,還需要更多的本國芯片企業,更需要構建更完整的芯片生態。我們需要更多的華為海思,需要更多具有社會責任意識的企業來共同構建良好的國內行業生態環境。發展科技沒有捷徑,我國的科技發展相較西方國家起步晚,唯有踏踏實實付出和投入,才能讓我們更加接近建設世界科技強國的夢想。

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      李思文

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