一个行业的底层逻辑

引子1：苹果的七寸-高通

全球每卖出一部iPhone手机，高通就会从手机售价里抽取5%的费用作为“基带芯片专利授权费”，注意，不是成本的5%，而是售价的5%。2021年苹果在全球卖出2.3亿部手机，高通雁过拔毛、不亦乐乎。如果你是苹果，你能忍这个事儿么？

事实上，苹果没什么选择，因为根本找不到替代方案，比如英特尔的基带芯片性能差，而且直接放弃了5G基带芯片的研发；联发科主攻低端市场，不符合苹果的品牌调性；三星不卖给苹果；华为的5G基带芯片巴龙虽然厉害，但是没有人敢代工，造不出来。

苹果只能自己搞，但“一不小心”就会触碰到高通的专利。2018年，高通控诉苹果侵犯其多项专利，之后，苹果投降，双方和解。

2022年10月，据内部人士透露，iPhone15预计依然采用高通基带芯片，这意味着，在看得到的未来，苹果依然无法摆脱对高通的依赖。

引子2：台积电的无奈

如果没有台积电，那些如雷贯耳的芯片公司可能都不会存在，比如高通、博通、联发科、英伟达和华为海思。这是因为台积电开创了“代工模式”，让造芯片的门槛大大降低，高通和华为海思这些公司只要把芯片设计好，然后找台积电下单就可以了。至于那些耗资巨大而又难度极高的芯片生产环节，全部交由台积电做了。

作为一个只会接单和生产的“高端工具人”，台积电一定想把自己放在各方博弈最中间的位置上，只有这样才能利益最大化嘛。无奈现实并不允许它这么做。

2022年8月，拜登签署《芯片法案》，为在美国建厂的芯片企业提供大量补贴，并阻止它们在我们国家增产，在这些芯片企业里，台积电首当其冲。

台积电的无奈在于，它虽然代工了全世界50%的芯片，90%的高端芯片，但70%的利润来自美国，生产芯片所需要的光刻机、半导体材料和半导体设备也都来美国、日本、荷兰等海外供应链，一纸禁令就可以让这颗宝岛明珠暗淡无光。

我从不写流水账，希望可以带你思考行业底层的逻辑。如果你喜欢这种风格，不妨点个关注吧。

好了，说这么两个引子故事，是想说明几个问题：1. 强如苹果，依然会在芯片上被高通“欺负”；2. 就算是美国，也要“威逼利诱”、用尽浑身解数来争夺芯片产业；3. 即使台积电生产了全世界90%的高端芯片，依然无法脱离海外供应链。

这，就是芯片行业的现实，单一环节上的任何企业都不具备独立生存的能力。

请记住我的一句话：芯片这东西，从来都不是单一技术点的突破，而是一整套生态链的协同创新。这一套生态链包括了基础科学、技术研发、专利、生产设备、化学材料、市场规模和产品创新，缺少任何一个环节都玩儿不转。

原因就是，作为人类制造业的巅峰之作，造一颗芯片真是太难了。

（一）造一颗芯片怎么就这么难

如果你学过汇编语言的话，就知道计算机的运行逻辑就是0和1，在芯片里同样如此。芯片里最微小的组成单元就是运行0和1的晶体管，也就是说芯片是由无数个晶体管组合而成的，那么，具体是多少个呢？

我说个数据你感受一下：2022年苹果的iPhone14 pro里的处理器芯片A16，是目前全世界最先进的处理器芯片了，它只有指甲盖大小，但是上面集成了160亿个晶体管，注意，不是160个，也不是160万，而是160亿。如此微小而又宏大的工程，需要经过1000多道工序、数百家企业的分工合作，才能完成。

另外，可能你很难想象一件事情，芯片这么复杂的工艺，它的原材料居然是大自然最常见、最普通的东西：沙子。下面我用几段文字，把芯片制造的过程简单说说。

（二）从沙子到晶圆

芯片制造的第一步就是把“硅元素”从沙子里面提取出来，然后融化，做成一个个柱状体的单晶硅锭，可以理解为圆柱体，然后把这些圆柱体再给切成一片片、薄薄的圆片，这个东西就被叫做硅片，也叫晶圆。

从圆柱形的单晶硅锭上横向切割1mm左右厚度的圆片，就是晶圆了

从沙子到晶圆的关键技术标准有两个：纯度和尺寸。

芯片对于硅纯度的要求非常高，要达到99.999999999%，也就是11个9，这就相当于5000吨的硅原料里的杂质不能超过一枚硬币的重量，这个要求几乎达到了人类提纯工艺的极限了，对比其它行业对硅纯度要求就没有那么高了，比如光伏发电需要的多晶硅只需要99.9999%的纯度就可以了，纯度要求越高，技术当然也就难度越大。

目前全世界高纯度的硅基本被美国、德国和日本的企业垄断了，比如美国的赫姆洛克、德国的沃克、日本的德山、三菱和住友。

我国的高纯度硅之前基本靠进口，近几年逐渐突破了这个技术点，比如江苏鑫华，已经突破了11个9的提纯工艺，还有黄河水电和天鸿瑞科等。

第二项关键指标是：晶圆尺寸，就是切下来的圆片的直径大小。这个尺寸越大越牛，一方面是尺寸越大难度越大，另一方面芯片的成本也越低。12英寸相当于300毫米，是目前全世界能量产的最先进工艺。

中芯国际这样的晶圆厂也会以圆片尺寸来命名产线

目前全世界有5家大厂垄断了高质量12英寸晶圆的制造，被称为BIG5，它们是日本的信越、胜高、中国台湾的环晶、德国世创和韩国SK集团，合计占据了超过90%的市场份额。

我们国家在这方面起步比较晚，目前的行业龙头是上海硅产业集团，成立于2015年，并在2018年实现了12英寸晶圆量产的“零的突破”，虽然目前还没法应用在先进制程的芯片上，但是，这么晚起步还能有如此成绩，已经很不错了，对比一下全球行业领头羊日本信越，它是1926年成立的。

“把沙子变成晶圆”这个产业链里，我们国家完成突破的可能性还是非常大的，比如德国世创已经开始在半导体硅片领域做战略收缩了，原因就是他们预计未来无法面对来自中国企业的竞争。

好了，有了晶圆之后，要怎么把它变成芯片呢？

（三）芯片之母：EDA软件

要把晶圆变成芯片，只需要在上面刻上电路就行了，但问题是，这个电路要怎么刻呢？就像盖房子一样，在施工前，至少需要一个图纸吧。这个图纸就需要用EDA软件来设计。

EDA这个产业特别小众，大概也就几十亿美元的市场规模，对于6000亿的芯片市场来说根本就不值一提，而且要砸很多科学家进去，比如美国从1984年到2015年这三十年的时间里，累计砸了1200个国家级的研究课题到EDA里面。

为啥要砸这么多的科学家呢？是因为要设计芯片这么精细的东西，就得在设计软件里非常精准地表达出材料的物理、化学、光学和机械等特性，只有足够“仿真”，才能保证制造出的芯片分毫不差。下面的图片里我放了一张华为麒麟9000的芯片图，你可以感受一下芯片设计之复杂。

华为海思最高端工艺的麒麟9000芯片图，可以感受一下内部结构是多么的复杂

可以这么说，离开了EDA，是造不出芯片的，所以它被称为“芯片之母”。

很可惜，EDA这个领域基本被美国垄断了，新思科技、楷登电子和西门子被称为行业三巨头，它们占据了80%左右的市场份额。其它的很多EDA公司只在某些专项领域具有一定的优势，比如我国的EDA领头羊–华大九天。

EDA软件能不能用好，会直接决定一款芯片的成败，这也是大部分芯片设计公司的核心优势之一了。

（四）设计和工厂

这里我得给你科普一个知识，我们听过的很多芯片企业，其实是不生产芯片的，比如高通、联发科、英伟达和华为海思等等，他们做的只是芯片设计的部分，在行业里也叫无晶圆厂或者设计公司，英文是Fabless。他们擅长的就是设计芯片的架构、逻辑和规范，然后把电路图通过EDA软件制作成“图纸”，交给工厂去生产。

当然，能生产高端芯片的工厂肯定也非等闲之辈，他们必须要和设计公司亲密合作，用最好的工艺实现芯片的设计。如果这个企业只生产，不设计，那么在行业里这类企业就叫做“代工厂商”，最著名的就是台积电了，现在全球一半的芯片和90%的高端芯片都是台积电生产的。

像台积电这种能够生产高端芯片的工厂非常稀缺，全世界也没几个，所以这就是为什么华为麒麟芯片会停产了。

换句话说，哪天台积电出了问题，整个芯片行业都要停摆。这样你是不是就能理解，美国为啥要让台积电去美国建厂了吧？

那么有些厂商为了降低工厂的依赖，既做设计、又建工厂，比较著名的是电脑芯片霸主英特尔、手机巨头三星和内存芯片霸主美光等等，他们这种企业在行业里叫IDM。

目前，在芯片设计这个领域基本都是外国公司的天下，第一名是高通，它几乎垄断了3G和4G时代的基带芯片专利，买他的基带芯片会“赠送”处理器芯片，你肯定听说过“高通骁龙”吧？就是这么来的。当然，因为失去了华为海思这个对手，高通在5G时代依然会是霸主。

在手机芯片领域能和高通打一打的也就是台湾的联发科了，不过它的芯片普遍低端。英伟达、博通、赛灵思分别是GPU、通信和FPGA芯片领域的霸主，每一家的实力都非常强劲。

全球前10芯片设计公司排名

我们国家在芯片设计领域起步也比较晚，只有华为海思达到了世界先进水平，一度跻身世界前十的行列，但是因为美国的禁令，没有“代工厂商”能够为海思生产芯片了，也就说，任你的设计怎么先进、如何巧妙，生产不出来，一点招儿都没有。

在代工厂商这个领域，台积电是一家独大，排在它后面的有韩国三星、美国的格罗方德、台湾的联华和力积电等等吧。在这个领域，目前我们国家最领先的企业是中芯国际，不过在制造工艺上距离台积电还是相差挺远的，为什么相差这么远呢？我们得说说芯片制造的过程了。

（五）芯片制造：光刻、刻蚀、镀膜和离子注入

一颗芯片的制造过程需要经历上百个步骤，历时几个月，为了方便叙述，我把里面比较核心的步骤拿出来说说。

简单来说，芯片制造的过程有点像“喷车牌 ”的过程：就是把颜料喷到镂空的挡板上，这样挡板镂空的区域就会在背板上印出来字。

类比一下喷车牌 ，芯片制造就是一个印电路的过程：制造芯片时用的挡板就是EDA工具设计出的电路图，也叫光罩，背板就是晶圆，印电路的过程就是用光去照射挡板，行业里通常叫“光刻”。当然，肯定用的也不是普通光，而是光刻机发出的高频光。

光刻完成之后，还要经过刻蚀的过程，简单说就是去掉杂质，然后再把刻出电路的地方注入导电物质，这样电路就刻好了。

听上去是不是很简单，但实际上这是一个对制造工艺要求极高的大工程，它非常依赖两样东西：设备和材料。

（六）设备和材料

制造芯片的四大核心设备：光刻机、刻蚀机、镀膜机和离子注入机。

先说大家都很熟悉的光刻机吧，这东西产值很小，一年也卖不掉几台，而且全球没几家公司能做，高端光刻机几乎都被荷兰阿斯麦尔给垄断了。

光刻机的制造工艺非常复杂，大概需要来自全球几千个供应商的十万多个零件拼起来才能完成，可以说它是全球顶尖设备的集大成者，举个例子吧，阿斯麦尔最先进的3纳米极紫外光刻机用到的光源，全球就只有德国蔡司能生产，没有任何替代品。

我们国家的光刻机设备落后的比较多，目前最先进的是上海微电子交付的28纳米光刻机，但还没有实现量产，注意，在芯片行业，交付和量产之间还有很长的一段距离。

另外一个比较落后的设备就是离子注入机了，这个行业的全球老大是美国的公司，名字叫应用材料，它加上另外两个巨头亚舍立和台湾汉辰合计占据了全球超过90%的份额。我国目前的离子注入机大部分停留在落后工艺上，不过近两年，中国电子集团和万业凯世通陆续都有技术突破。

镀膜机的格局和离子注入机差不多，全球市场基本被美国的应用材料等企业给垄断了，我们国家的镀膜机供应商主要有北方华创和中微半导体等，距离国外企业也有一定的距离。

可能只有刻蚀机能让我们略感欣慰了，在这个领域，我们和国外公司相差并不太大。

这些设备在制造芯片的过程中，还要用到很多半导体材料，比如光刻胶，这个领域基本都是日本、美国和中国台湾公司的天下。不过，我们在很多材料上落后的并不多，实现低端工艺上国产化的难度也不算大，但是越往高端走，难度也就越大了。

好了，我用了很大的篇幅，把芯片制造的流程给说完了，你大概能感受到芯片行业的复杂性了吧？它从来就不是单一技术点的竞争。

（七）军工和市场

芯片行业还有一个很特别的地方，就是在民用芯片领域，这是个高度市场化的行业。这是什么意思呢？可以对比一下另一个极端，就是军工行业，在军工行业里，只要某种技术搞出来了，根本就不用考虑成本和专利，因为军工产品大部分都是自己用，而且是严格保密的。

但是芯片行业却不行，即使你知道别人是怎么做的，也不能抄别人的，因为这会涉及侵权，只要还在这个全球大市场里混，就不得不遵循这个规则。

另外就是成本。 上之前有种说法，用28纳米的光刻机多刻几次也能制造出7纳米的芯片，从技术上来看这话没错。但是别人用一次曝光就能搞出来7纳米，你要搞上几十次，成本自然就上去了，卖价就会提高，芯片也就卖不出去了。

所以，无论是在哪个方面，永远追求最先进的技术和工艺，是个必然正确的事情。

（八）芯片是个生态链

我说了这么多看似悲观的现实，你是不是觉得我们国家的芯片行业没戏了？其实并不是。

我在文章开头就说过，芯片这东西，是一整套生态链的协同创新，包括：基础科学、技术研发、专利、生产设备、化学材料、市场规模和产品创新，缺少任何一个环节都玩儿不转。

我们国家的优势在于，除了中国，没有任何一个独立市场能消化这么多先进制程的芯片。也就是说，没有了我们，你就算生产了芯片也没人买。

有一组数据是这样的：我们大概用掉了全世界50%的芯片，不仅包括我们自己用，还包括了把芯片放进各种高科技产品，然后卖到全世界。我举个例子，2021年全球手机出货量最大的十家公司里，中国公司占了8个。

2021全球手机出货量排名，第七名的摩托罗拉被联想收购了，所以也算中国品牌

每一部手机，都会用到几十个种类的芯片，比如处理器芯片、图像处理芯片、AI芯片、存储芯片、音频芯片、基带芯片、电源管理芯片、蓝牙芯片和WiFi芯片，甚至还包括了各种传感器，等等等等。

如果没有中国来消耗这些芯片，谁能接下这么大的芯片产能？任凭你技术再牛，生产的芯片再多，能卖给谁呢？

我们国家能吃下这么多的芯片，还有一个非常重要的原因，就是我们有一套完整的创新生态链，这点啊特别重要。任何一种技术创新，都可以在我们国家的超级供应链上寻找到同等规格的配套产品，从而迅速实现产品化和市场化，这个优势在全世界，独一无二。

我们现在要做的，就是保持好这种优势，并把注意力更多地投入到那些“更底层、产值小、长期不赚钱”的核心领域。最近几年，为了扶持芯片产业，国家大基金已经为累计投入了数千亿元的资金，在长周期、重资金的加持下，芯片行业的开花结果，只是个时间问题。

全文完。

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芯片行业的发展非常依赖“举国体制”的长周期、重资金投入，过去几十年，无论是美国、日本、韩国、中国台湾，无一例外。