贾献华 2022

芯片和半导体是不是一回事儿呢？

芯片和半导体是同一个事物的两个名字。

• 芯片是半导体产业的产品
• 半导体是用来做芯片的材料

• 通俗一点，就叫 芯片行业
• 学术一点，就叫 半导体行业
• 半导体行业，就是拿晶体管去堆集成电路的行业。

计算机发展的四个阶段

1. 第一代：电子管（真空管）（1957年以前）
2. 第二代：晶体管（1958 - 1963年）
3. 第三代：集成电路（IC、LSI）（1964 - 1969年）
4. 第四代：大规模集成电路（1970年以后）

从一部iPhone手机看芯片的分类

芯片里面，大约只有 80% 属于集成电路，其余的都是光电器件、传感器和分立器件，行业内把这些器件称为 O-S-D（Optoelectronic, Sensor, Discrete）。

芯片设计：一颗芯片到底是如何诞生的

逻辑设计

前端设计（逻辑设计）一般用硬件描述语言，例如 Verilog，将架构师的设计用编码实现。大型芯片项目，设计也是分层次的。先进行模块设计，底层的模块写完之后，把新写的模块、商业 IP、复用的旧 IP 等整合在一起，形成一个完整的设计。
其实硬件描述语言，看起来跟 C 语言颇为类似，不过写 C 语言的人，心里想着“hello world”，写 Verilog HDL 的人，心里想着电路图。

逻辑综合 （Logic Synthesis）

用 EDA 工具把寄存器传输级设计 RTL 描述变网表（Netlist），非常类似于编译器把 C 语言翻译成机器语言的过程。从这一步开始，芯片的设计就和具体的晶圆代工厂和具体工艺绑定在一起，设计开始具有物理特征了。

DFT（可测试性设计 Design For Test）

物理实现

后端设计的主要步骤可以总结为：布局规划 Floorplan→布局 Placement→时钟树综合 CTS→布线 Routing →物理验证。

一颗芯片做得好不好，

1. 在决策阶段取决于市场需求理解的是否深刻
2. 在逻辑设计阶段取决于工程师的能力强不强
3. 而在物理实现阶段基本取决于 EDA 工具玩得好不好
   
   如果仔细看每个晶体管，都是由硅基底（Silicon Substrate）、氧化层（Oxide）、鳍（Fin）、栅（Gate）构成的。
   

芯片制造：晶圆厂的王国

上游：晶圆材料准备

中游：晶圆加工过程

光刻

下游：封装与测试

产业链分工视角：设计、制造、封装、测试的分工合作

总结

1. 半导体行业的两个重要增值的过程是：晶圆加工和芯片设计。最先进工艺的晶圆制造，价值不菲，是制造业的顶级工艺。
2. 晶圆的加工过程，就是在晶圆上制造集成电路的过程。更准确的说，是在晶圆构造海量晶体管的过程。其中光刻环节最为重要。
3. 晶圆加工完成之后，还要经过切割，测试，封装为芯片。封装技术，已经成为和架构、工艺并行的第三大技术。
4. 台积电的出现，促使了半导体公司由一包到底的 IDM 模式，向代工模式转换。半导体行业是全球化分工最早最彻底的行业之一。

Intel的发展史

四个发展阶段

选择 CPU 作为主产品

CPU 问鼎之路

Tick-Tock 策略

错失移动互联网

到了 2016 年，工厂在研发新工艺方面，频频出现失误、延期、良率问题，一句话总结就是：工艺的进步，突然停止了，Intel Tick-Tock 的摩尔时钟停摆了。
Intel 尝试把 Tick-Tock 变成 PAO 策略，就是所谓的 Process（制程）-Architecture（架构）-Optimization（优化）三步走战略，3 年更新一次制程，

总结

1. Intel 的成功是摩尔定律的成功，是不断突破极限的产品开发的成功。
2. 在半导体行业，除了设计和生产两个方面，Intel 最先意识到指令集向后兼容性的价值，也因此，它战胜了 Zilog 的 Z80，也才有了 Wintel 联盟形成的强大的 x86 生态。
3. 赢得 PC 市场，Intel 得益于 IBM PC 与兼容机全开放式的思路，Intel 与 AMD 这对兄弟相杀相爱多年，在服务器市场，他们是同盟军，联手绞杀一众古典 RISC 厂商。在 PC 市场，他们又是你死我活的竞争对手。
4. Intel 的 Tick-Tock 策略，曾经是行业标准的摩尔时钟，在 Intel 的 Tick-Tock 失速之后，其实是苹果默默接手，推动行业继续按照摩尔定律发展。因此是否能重启 Tick-Tock 策略，才是 Intel 的生死关键。

三星：资本与技术共舞的40年

公司的成功三要素

1. 市场
2. 资金
3. 技术
   
   

三星存储芯片业务：逆周期投资

三星代工业务：后发先至的逆袭之路

三星要冲击行业第一，把工厂的制造能力打造成最核心竞争力。

三星的手机处理器

手机处理器有三大技术能力：

1. CPU
2. GPU
3. 基带
   三星在 CPU 方向，4 年花了上千亿人民币，最终以失败退场；三星和 AMD 的合作，算是三星在 GPU 上的努力，效果尚未知。在基带方面，2020 年底三星虽然发布了首款 5nm 工艺 5G 基带芯片，但尚未自用。

总结

1. 三星靠着技术和资金的双重优势，牢牢地占据了存储芯片行业第一的位置。
2. 三星的代工业务算是屡败屡战的案例，代工业务的高资金投入，非常符合三星激进的投资策略，因此在 15 年之内就迅速成为行业第二。如果 GAA 技术押对宝，三星有很大机会实现行业第一的目标。
3. 三星的手机处理器业务就比较徘徊了。但是三星的持续努力的精神，值得所有企业的敬重和学习。

台积电：摩尔定律的忠实执行者

重塑产业格局：激励创新

台积电要成功必须得同时满足这三个条件，分别代表了三个层面：

1. 要有工艺水平
2. 有客户需求
3. 要比 IDM 模式赚钱

提升工艺水平，成为行业第一

先进的客户需求成重要助推器

与 IDM 模式竞争，保持产能与需求之间的平衡

“让晶圆厂持续高产能运转”，在产能和需求之间保持平衡，这是一项艺术。

稳健投资：摩尔定律的忠实执行者

多年来，台积电一直保持着“高投入 - 低成本 - 高销量 - 高投入”的正向循环。

苹果：需要单独讲讲的超级客户

2019 年、2020 年，苹果都是世界上最大的半导体产品买家，台积电所有业务中有 25％直接或间接来自苹果，除了代工苹果的自研芯片以外，苹果购买高通、博通、AMD、德州仪器、意法半导体、恩智浦和瑞萨等公司的产品也是台积电代工。

总结

1. 没有台积电开创的代工模式，现在 70% 的半导体公司都将不存在。
2. 台积电在需求和产能，这个半导体制造业最难权衡的一对矛盾上，非常艺术地保持了平衡。
3. 台积电基本上用自己赚到钱，投入扩大再生产，不但技术一直领先，而且投资利润率也远超同行，简直是行业的压舱石。
4. 台积电是 2015 年之后，接替 Intel，成为半导体业保持摩尔定律的动力来源。

Nvidia 与AI 芯片：超越摩尔定律

GPU 开局

伟达两个非常宝贵的经验：
第一，超摩尔速度，就是被业界称为“黄氏定律”的：“半年更新，一年换代”；
第二，就是软硬件之间的标准的重要性。

GPGPU：点亮并行计算的科技树

General Purpose 通用的意思。
** CUDA（Compute Unified Device Architecture，统一计算架构）**，CUDA 不仅仅是一个 GPU 计算的框架，它对下抽象了所有的英伟达出品的 GPU，对上构建了一个通用的编程框架，它实质上制定了一个 GPU 和上层软件之间的接口标准。

一流企业定标准，二流企业做品牌，三流企业做产品。
在所有的半导体公司中，制定出软件与硬件之间的标准，而且现在还算成功的，只有 3 个

1. x86 指令集: Wintel 的生态是微软帮忙建的
2. ARM 指令集: ARM-Android 的生态是 Google 建的
3. CUDA: GPU-CUDA 的生态是英伟达自建的
   

AI 的风口下，英伟达腾飞

硬件行业的 3 次风口：

1. 第一次 PC
2. 第二次手机与移动互联网
3. 第三次就是 AI+5G+IoT

总结

1. 现在市值超越 Intel 的英伟达，是从做图形加速的 GPU 开始的，早期 GPU 一直作为 CPU 的加速器存在。
2. 但是英伟达用 CUDA，建立了并行计算的事实标准，无论是科学计算，还是计算机图形科学、计算机辅助设计，CUDA 都向上构建了最底层的编程框架，向下抽象了英伟达的所有 GPU 微架构。自此，英伟达从一个做产品的公司，进阶为做标准的公司。
3. GPU 和机器学习，相互成就，替人类打开了人工智能方向的一扇全新的大门，人类世界对英伟达的回报，就是超出业界预计的高市值。

德州仪器：模拟芯片的无冕之王

第一次转型：搭上半导体行业的火箭

德州仪器在 1979 年，输掉了和 Intel 的微处理器的比赛之后，开始制定微处理器之后的未来路线。它制定了发展数字信号处理器（DSP）和嵌入式处理器的策略。

第二次转型：进入手机处理器市场

手机处理器，有三项主要技术：CPU、GPU 和基带。
德州仪器的 OMAP 系列处理器，CPU 用了 ARM，GPU 用了 Imagination 公司的 PowerVR，跟后来苹果 A 系列用的是一模一样的，德州仪器自己家也有信号质量非常过硬的 GSM/GPRS，就是 2G 基带芯片，因此三项技术皆强。
客户方面，德州仪器拿下了 2G 时代最强的诺基亚和摩托罗拉，一时间风头无两。

第三次转型：模拟市场加冕之路

转型：消减无关业务

收购：市场份额与产品品类，引进人才

建厂：构建最佳成本结构

自 2013 年开始到现在，德州仪器在模拟 IC 市场的营收就是行业老二亚德诺半导体（ADI）的两倍。
没有一款电子设备不需要模拟芯片，在模拟芯片领域，德州仪器是无可争议的市场领导者，在整个半导体界有着举足轻重的地位。但是德州仪器的传奇，可没有止步于模拟芯片第一。
它从来不是被动转型的公司，它是主动改革的弄潮儿。

主动改革的重要举措：取消代理分销

取消代理，一个直观的好处是德州仪器可以直接访问到客户的项目，每个项目的每颗芯片机会，对客户所作所为有非常直观的洞见，这是靠代理的竞争者所没有的优势。当然，砍掉代理商的利润，肯定也可以提高毛利。

总结

1. 德州仪器一直就是一个长业务线的公司，它有机会接触到所有市场上的所有机会。但是德州仪器对好产品的定义，让它和整个半导体业界，区别开来。半导体业界普遍推崇高价值，海量的单一产品，例如 CPU、存储、基带芯片等等。而德州仪器则以长生命周期、多客户、多应用场景的标准品为追求目标。
2. 像模拟芯片这种类型的产品，要开发成千上万的产品，同时还需要很强的制造能力，才能控制好成本结构，而这些恰恰是德州仪器的核心竞争力。
3. 德州仪器，从来都是一个主动创新的公司，它在 2019 年取消三大代理，仅保留一家的做法，震惊了业界。互联网在线销售和直销，肯定会提高对客户的洞见度和毛利，算是半导体公司第一次互联网化的新创举。长期是否会造成大量的小客户流失，目前尚未可知。但是对于中国模拟芯片企业，倒是一个难得的机会。

其他半导体公司：美国双通与欧洲双雄

高通（QUALity COMMunications）：CDMA 标准的制定者

博通：半导体公司的并购史

欧洲双雄：恩智浦和英飞凌

欧洲三杰（英飞凌、恩智浦和意法半导体）
恩智浦，前身是著名的飞利浦公司的半导体业务部。恩智浦在收购了美国的飞思卡尔半导体之后，这才超越英飞凌成了欧洲老大，可见收购至少对排名有贡献。
英飞凌，也是系出名门，英飞凌科技公司前身是西门子集团的半导体部门，于 1999 年独立，2000 年就完成了上市。
意法半导体成立于 1987 年，是意大利 SGS 半导体公司和法国汤姆逊半导体公司合并后的新企业。

自制芯片（In-House Design）的卷土重来与创业公司

跟随着系统制造商的脚步，互联网大厂也开始自己设计芯片了。比如 Google 的 AI 芯片 TPU 家族，AWS 的智能网卡芯片 Nitro、ARM 处理器 Graviton、AI 芯片 Inferentia、Trainium，百度的昆仑，阿里的含光等。

总结

1. Intel 是 CPU 第一，三星是存储第一，台积电是代工厂第一，英伟达是 GPU 第一，德州仪器是模拟芯片之王。
2. 网络双通是高通和博通，欧洲双雄是恩智浦与英飞凌，它们也可以和意法半导体一起称为欧洲三杰，再加上日本瑞萨，这四家半导体公司与汽车行业休戚相关。
3. 苹果、华为、特斯拉，互联网巨头们，还有思科，不但自制芯片且开始对外出售，感谢这些新入局者，给半导体行业带来新的创新力。

中国芯片业的发展历史

2000 年之前：国家计划与政策扶持

其实，中国的半导体产业初期服务军工，自研能力不低，但是几乎全是国有企业。离开了政策的扶持，离开了军工的订单，这些国企并没有很好的度过军转民这一个弯，甚至在 80 年代改革开放后，进口半导体产品的冲击下，几乎停滞。2000 年左右，中国芯片设计公司，不足 100 家，总收入不到一亿美元。

2000 年 -2014 年：市场带动产业发展

2000 年，中芯国际成立，可以成为中国半导体历史上的另一个里程碑事件，因为中芯国际一开始就奔着“世界先进水平”的目标去的。仅仅在开工建设 13 个月后，2001 年 9 月 25 日，中芯国际一厂投产，4 个月后量产，投产和量产速度均创造了世界之最。

电信市场

“巨大中华”之称的四大公司

1. 巨龙通信
2. 大唐电信
3. 华为
4. 中兴

手机市场

• 海思凭借麒麟，在 2020 年上半年拿到全世界半导体排名前十。
• 锐迪科（RDA），成立于 2004 年 4 月，是射频 IC、混合信号芯片和手机功率放大器 PA 的专家。锐迪科不仅仅在手机市场，还在无线连接和广播通信市场有多款创新产品。2010 年成功登陆纳斯达克的时候，锐迪科已经是中国市场第一名的功率放大器、蓝牙、FM 与 DVB-S 调谐器芯片供应商，GSM 基带的第二供应商。
• 后来源自锐迪科系的创业公司，包括翱捷科技、恒玄科技等 8 家公司，撑起了中国射频芯片领域的半壁江山。
• 汇顶科技成立于 2002 年，几乎所有手机都用了它家的指纹识别芯片，仅有三星采用了高通的芯片。豪威科技，后被威尔科技收购，在 CMOS 图像传感器芯片市场排名全球第三。

比特币矿机

比特大陆成立于 2013 年，不但在矿机芯片上世界第一，而且公司依靠自己在高性能芯片上的设计能力，积极拓展人工智能和高性能计算市场。比特大陆曾经一度超越海思，成为台积电大陆地区第一大客户。
同年成立的嘉楠科技则是仅次于比特大陆的第二大矿机芯片厂商，虽然在矿机芯片上的营收位列第二，但是运气好，2019 年成功在美国纳斯达克上市。嘉楠科技同样要把从先进 ASIC 矿机芯片设计中积累的技术优势，投入在人工智能和高效能计算上。

其它市场上活跃的中国半导体公司

其实，这个时期成立的半导体公司还有很多，例如靠白牌平板电脑起家的瑞芯微、全志。凭借 NOR Flash 芯片进入苹果供应链的兆易创新，还有核高基项目重点支持的 CPU 公司：兆芯、龙芯、飞腾、海光等。还有 2014 年，长电科技以 7.8 亿美元收购新加坡星科金朋，成为全球封测第三。
国际上，半导体产业格局稳定，巨头们忙着大鱼吃小鱼，搞收购兼并的时候，中国的半导体产业凭借着中国市场得天独厚的优势走出自己的节奏。

2014 年后：投资产业时代

紫光集团

紫光集团是这个时期最为瞩目的企业，特别是几个大手笔的国内外企业并购重组活动，成为行业内都在关注的事情。
长江存储在量产 64 层 NAND Flash 之后，2020 年首发 192 层 3D NAND，被预测 2021 会拿下 8% 的 NAND Flash 份额。
同时，在存储芯片领域，中国还有一家公司叫做长鑫存储，长鑫存储以唯一一家中国公司的名号，杀入 DRAM 领域。

总结

中国半导体产业的历史可以分为三段

1. 一是 2000 年之前，国家政策驱动 + 专家学者努力的 1.0 阶段。
2. 然后是以 2000 年中芯国际成立为标志，2000 年 -2014 年之间，市场带动产业发展的 2.0 阶段。
3. 而在 2014 年之后，国家大基金成立，标志着国家的产业政策升级进入政策加资金的双重保证阶段，大基金亲自下场，积极建设、扶植，中国进入国家资本 + 商业资本 + 产业努力的 3.0 阶段。

中国芯片现状与机会

中国的巨大市场机会

破局点：先进技术方向

芯片制造：光刻机、晶体管架构、先进封装
短波长光源是提高光刻机分辨率的有效方法。
因此看光刻机的发展历史，就从紫外光源（UV）、深紫外光源（DUV），发展到了现在的极紫外光源（EUV）。

芯片设计：存内计算、整 Wafer 芯片、光子计算和量子计算

还有超摩尔定律的光子芯片、量子计算等。特别是光子芯片，相对于硅芯片，在延时、带宽、功耗方面都有超 10 倍的优势，而且已经有公司在进行商业化实现了。

中国的互联网新势力

百度是国内最早自研芯片的公司，第二代昆仑在 2020 年芯片界的年度盛会 Hotchips 上亮相，也将于今年实现量产。据称也在募资，但是到目前为止并没有成立新公司的消息。
阿里巴巴 2018 年成立“平头哥半导体有限公司”，2019 年宣布全球性能最强的人工智能芯片含光 800 和业界最强的 RISC- V 处理器玄铁 910，是国内互联网规模最大，也最正式的芯片团队。我很喜欢阿里巴巴集团 CTO、达摩院院长张建锋对平头哥的定位：“在全球芯片领域，阿里巴巴是一个新人，玄铁和含光 800 是平头哥的万里长征第一步，我们还有很长的路要走。”
至于腾讯和字节这两家公司，多次有在研芯片的小道消息曝光，但是尚无正式的产品发布会。

总结

1. 中国芯片市场大约占全球市场的三分之一。但是中国公司出产的芯片，只占到全世界产量的 5%。特别是在计算机系统、通用电子系统、通信装备、存储设备、显示及视频系统中的核心芯片，国产芯片的比例非常低。市场巨大，但目前中国产业能力有限，这就是中国芯片行业的现状。
2. 芯片制造业在积极研发新光刻机、新晶体管架构、新材料、新封装技术；芯片设计行业也在存内计算、光子计算、量子计算等前沿方向探索。未来的 8-10 年，摩尔定律依然生效，甚至有可能出现超越摩尔定律的突破。
3. 互联网这股新力量的加入，会让芯片行业有更多的创新能力。中国的互联网行业一直在世界的前列，希望这股新力量能推动芯片行业的加速发展。

张忠谋分析台湾半导体晶圆制造的优势

• 半导体产业的分工从 1960 年代开始，封装测试先分离出来，再到芯片设计，再到晶圆制造。1987 年台积电成立，与 IDM 模式半导体公司的晶圆制造部门竞争，扰乱了半导体产业。
• 台湾目前的优势有三点，一是人才敬业；二是经理人都是台湾人，在台湾一流；三是交通便利，适合大规模制造业人员流动。
• 台积电已经是半导体制造领域的技术领袖，在已开发世界约 25 亿人口中，几乎每个人都在日常生活或工作中用到台积电制造的半导体产品。
• 在晶圆制造上，美国的土地、水、电条件优于台积电，但在人才敬业等层面，台积电占优势。美国短期补贴不足以弥补长期劣势。
• 大陆半导体制造落后台积电 5 年以上，逻辑半导体设计落后美国、台湾 1~2 年。
• 在晶圆制造领域，台积电最强劲的对手是三星，韩国在晶圆制造方面的优势和台湾相似。

ARM 与 RISC-V

指令集: 软件通过一个专业词汇上称为指令集的东西和硬件讲话。
换句话说，指令集是软硬件之间沟通的桥梁。如果在晶体管、集成电路和摩尔定律之外，再给一个重点概念，那就是指令集了。
其实** ISA= 指令集 = 架构**，都是一个意思。
而实现了一个指令集的 CPU 叫微架构。
当我们说 ARM 的时候，我们不太关注这个拥有 6000 员工，总部在英国但被软银收购后已经成为一家日本公司的企业故事，或者是在网上可以公开看到的那本 5000 多页的 ARMv8 指令集手册。我们更多提到的是硬件侧高通的骁龙、联发科的天玑、华为的麒麟、三星的 Galaxy、AWS 的 Graviton、苹果的全家桶，和软件侧的 Android、iOS、Red Hat、Ubuntu、SUSE、麒麟 OS，等等，它们都在 ARM 的生态系统里。 我们关注的是整个 ARM 生态系统。
类似的，我们在说 x86 的时候，也不仅仅指的是 Intel 和 AMD，还有在 x86 生态系统里的微软、Linux、Oracle、SAP 等等。但是 x86，并不是一个公开授权的指令集，虽然并不仅仅有 Intel 和 AMD 两家，但是对于新入局者来说，做 x86 指令集的机会几乎微乎其微。相对来说，ARM 和 RISC-V 都是开放授权的指令集。ARM 是商业授权指令集，RISC-V 是开源的指令集。至于 CPU 核，也就是微架构，两家都是商业授权模式，就是要付费的。

RISC-V 诞生于美国 UC Berkeley 大学，最初是个开放为教学服务的指令集。但 RISC-V 因为有着精简、高效、低能耗、模块化、可拓展、免费开放、无历史负累低效指令等优势，很快就出圈了，因此 RISC-V 团队在认识到它的价值之后，就决定将之推出市场进行商业化探索。
RISC-V 架构秉承简单的设计哲学，完全抛弃历史包袱，从轻上路，借助计算机体系结构，经过多年的发展已经成为比较成熟的技术。RISC-V 基础指令集则只有 40 多条，加上其他的模块化扩展指令总共几十条指令。RISC-V 的规范文档仅有 145 页，而“特权架构文档”这样重要的内容，篇幅也仅为 91 页。

三条 RISC-V 作为指令集的成功标志：

1. 最新工艺的 SoC 量产
2. 有软件支持的里程碑
3. 支持杀手级应用或者说核心市场的 25% 市场份额

RISC-V 最大的优势有三点：

1. 第一，开源优势。
2. 其次，产业发展需要领域专用架构 DSA（Domain Specific Architecture）的硬件。
3. 最后一个优势，中美之争给了所有“非美技术”一个机会。

参考

说透芯片-邵巍