川普超厉害!华为手机要凉凉,美国如何做到一剑封喉

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2020-08-2411:22:05 发表评论
摘要

近日看到一篇新闻,讲述的是美国制裁华为后,华为将无芯片可用,这个倒是不意外,不过想不到的是明年左右,华为手机业务将凉凉,市占率雪崩下降是能够想到的,当然,可以做大哥大也行,这个估计没人制裁,本文主要探究美国是如何一剑封喉,制裁如此之广的……

川普超厉害!华为手机要凉凉,美国如何做到一剑封喉

开篇寄语

近日看到一篇新闻,讲述的是美国制裁华为后,华为将无芯片可用,这个倒是不意外,不过想不到的是明年左右,华为手机业务将凉凉,市占率雪崩下降是能够想到的,当然,可以做大哥大也行,这个估计没人制裁,本文主要探究美国是如何一剑封喉,制裁如此之广的,大部分资料转载自网络可见,其余为自建。

新闻播报

受川普政府扩大出口禁令冲击,华为麒麟晶片将在九月中旬停产,华为Mate40 可能是搭载高端麒麟晶片的绝版手机。市调机构TrendForce预估,华为明(2021)年智能手机生产量恐下修至3000万~5000万支,以今年智能机出货1.9亿支来推算,等于较今年出货衰退85%~74%相当惨烈。

美国商务部17日升级禁令新规定,实体清单新增38家华为子公司,禁止所有使用美国技术与软体生产的半导体零组件卖给华为,除了台积电从9月15日之后「断货」华为外断货,8月17日之后,联发科确定无法出货手机晶片给华为,届时将重创华为智能手机和5G基站业务。

华为手机市占将由小米、OPPO、Vivo瓜分大半,若未来零组件供货能恢复,华为手机产量还是可望回到1亿支以上水准。

无独有偶,摩根大通(简称小摩)最新报告也提到,若供应商无法获得美国商务部的许可证,华为的手机和5G基地台业务可能在库存晶片用光后,遭受生死存亡威胁。目前华为在大陆市占约45-50%,一旦手机业务雪崩,小米、Oppo、vivo等品牌将是大赢家,而海外市场则是三星和苹果受惠。

川普超厉害!华为手机要凉凉,美国如何做到一剑封喉

拿不到关键晶片,对华为来说,不是痛失「全球手机销售销售霸主」这么简单,投资银行杰富瑞(Jefferies)认为,华为的手机业务可能就此“阵亡”,可怜哪。

川普超厉害!华为手机要凉凉,美国如何做到一剑封喉

大胆预测一波,明年的华为手机将从榜一,降低到三四名,拭目以待。

美国制裁

咱们先来说说之前就被美国制裁而凉凉的福建晋华。福建晋华成立于2016年,目标是在存储芯片领域实现突破。福建晋华是IDM一体化工艺,即设计、制造、封装都要做,一旦产品落地,对大陆整个半导体工艺的都会有所带动和提升。

川普超厉害!华为手机要凉凉,美国如何做到一剑封喉

自从被美国制裁后,你猜结局如何?

福建晋华生产运作已全停!员工溃散!!

美国司法部以窃取美企商业机密为因起诉福建联华与台联电,两企业因此面临巨额罚款,或将比之前违背禁售令的中兴承担更多风险。

美方消息显示,由于这两家企业涉嫌窃取价值超过87.5亿美金的技术产权,双方恐面临200亿美金罚款,这一数额是中兴最终罚金(4亿)的50倍美国司法部长赛申斯此前提到,在这起“厚颜无耻”的案例中,仅一名嫌疑人盗窃的技术产权价值就已高达87.5亿美元。

美国最大的存储芯片制造商美光公司在诉讼福建晋华窃取知产行为后,被晋华“先告状”,美光竟因此遭到福建法庭的对中禁售裁断。这一问题成为美政府当局对晋华施加出口禁令并诉讼的契机。

事实上,面临被断供威胁的中方企业并非仅是晋华。CINNO半导体分析师杨文得认为,如果中方其他芯片企划遭到类似对晋华的禁售令,就意味着中方的该项目企业面临“末日”,他表示,目前世界范围的芯片制造商都无法摆脱对美国供应商零组件的依赖。

杨文得预言准确,分析师没白当。

文中提到得中兴自不必说,美国派来了一个合规员在中兴总部,然后交罚金才饶了中兴,总比死了好。

再往前受到这种待遇的还有日本的半导体业,法国的阿尔斯通等等。

那么问题来了,美国为何有能力制裁别国呢?往大了咱们也说不清,就只说说芯片行业如何能够达到制裁他国企业的原因。

芯片设备,芯片设计工具和芯片材料

说到美国,自然少不了日本,日本的半导体材料那是真强,曾经限制韩国使用日本材料,韩国的半导体行业严重受限,并进行强烈谴责,但没什么用,要不是美国居中调停,那对韩国伤害可大了。

芯片设备

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设备商对于一般行业而言,就是个卖铲子的,交钱拿货基本就完事儿了;但半导体设备商却不同,不仅提供设备卖铲子,还要全程服务卖脑子,可谓是芯片制造商的外置大脑。

芯片制造成本高昂,只有将良品率控制在90%上下,才不会亏本。但要知道,芯片制造,工序一千起步,这就导致,哪怕每一步合格率都有99%,最终良率都会在0.9*0.9的多次累积下,趋近于0。因此,要想不亏本,每个步骤的合格率就得控制在99.99%乃至99.999%以上。

要达到这个状况,就对设备的复杂度提出了超高要求。就目前最先进的EUV光刻机来说,单台设备里超过十万个零件、4万个螺栓,以及3000多条线路。仅仅软管加起来,就有两公里长。这么一台庞大的设备,重量足足有180吨,单次发货需要动用40个货柜、20辆卡车以及3架货机才能运完。

而更为重要的是,即使设备买回来,也远不是像电视冰箱一样,放好、插电就能开动这么简单。一般来说,一台高精度光刻机的调试组装,需要一年时间。而零件的组装、参数的设置、模块的调试,甚至螺丝的松紧、外部气温都会影响生产效果。哪怕一里外的一辆地铁经过,都能导致多数设备集体失灵。

这也是所有精密仪器的“通病”。比如,十年前,北京大学12个高精度实验室里价值4亿元的仪器突然失灵,而原因居然是位于地下13.5米深的北京4号线经过了北大东门产生了1Hz~10Hz的震动,为此北大高精度实验室不得不集体搬家。

因此,半导体制造设备每开动一段时间,就必须联系专门原厂服务人员上门调校。荷兰光刻机巨头ASML阿斯麦曾有一个客户,要更换光器件;由于当时阿斯麦的工程师无法出国,便邀请客户优秀员工到公司学习,用了近2个月,才仅仅掌握了单个零部件更换的技能。

因此,阿斯麦、应用材料等半导体巨头,不只是把设备卖掉就结束了,更是在中国建立了2000人左右的庞大支持团队。其中应用材料的第二大收入就是服务,营收占比超过25%,而且稳定增长,旱涝保收。

而设备厂的可怕之处正在于,不但通过“一代设备,一代工艺,一代产品”决定了制造厂的工艺制程,更是通过售后服务将制造厂牢牢的拿捏在手中随着工艺越来越越高精尖,设备商的话语权也正在进一步提升。

设备商的强势,可以从利润上明确的反映出来。过去5年,芯片制造厂的头部效应越来越明显,但上游设备商的净利润率反而大幅提升:泛林利润率从12%提升到22%,应用材料从14%上升到18%。代工厂想要客大欺店,那是根本不存在。

也正因如此,在长达六十年的时间里,美国一直都在以各种手段,来保证自己在设备领域的绝对主导地位。

根据2019年全球顶级半导体设备厂商排名,全球前五大半导体设备商占据了全球58%行业营收。其中,美国独占三席;其余两席,一席是日本的东京电子,另一席荷兰的阿斯麦,恰巧,这两家又都是美国一手扶持起来的。

具体来说,应用材料(AMAT)和泛林(LAM)、科磊(KLA),是根正苗红的美国企业。

其中,泛林在刻蚀机的市场占有率高达50%以上。应用材料则不仅在刻蚀机领域与泛林平分秋色,在离子注入、化学抛光等等细分设备环节也都占据半壁江山,甚至高达70%。科磊则在半导体前道检测设备领域占据了50%以上的市场,并在镀膜测量设备的市占率达到了98%。

而光刻机巨头阿斯麦,看似是一家荷兰企业,其实有一颗美国心。早在2000年前后,光刻机市场还停留在DUV(深紫外)光刻阶段,日本尼康才是真正的霸主,但到了EUV(极紫外)阶段,尼康却在美国的一手主导下被淘汰出局。

原因很简单,EUV技术难度登峰造极:从传统DUV跨越到EUV,意味着光源从193nm剧烈缩短到13.5nm。这需要将20KW的激光,以每秒5万次的频率来轰击20微米的锡滴,将液态锡汽化成为等离子体。这相当于在飓风里以每秒五万次的频率,让乒乓球打中一只苍蝇两次。

当年,全球最先进的EUV研发机构是英特尔与美国能源部带头组建的EUV LLC联盟,这里有摩托罗拉、AMD、IBM,以及能源部下属三大国家实验室,可谓是集美国科研精华于一身。可以说,只有进入EUVLLC联盟,才能获得一张EUV的门票。

美国彼时正将日本半导体视为大敌,自然拒绝了日本尼康的入会请求,而阿斯麦则保证55%零部件会从美国供应商处采购,并接受定期审查。这才入了美国的局,从后起之秀变成了“帝花之秀”。

美国不仅对阿斯麦开了门,还送了礼:允许阿斯麦先后收购了美国掩罩技术龙头Silicon Valley Group、美国光刻检测与解决方案玩家Brion、美国紫外光源龙头Cymer等公司。阿斯麦技术心、研发身,都打上了星条旗烙印。那还不是任凭美国使唤

而早年的东京电子,只是美国半导体始祖仙童半导体(Fairchild)的设备代理商,后来又与美国Thermco公司合资生产半导体设备,直到1988年才变成日本独资,但东京电子身上也已经流着美国公司的血。

因此,在2019年六月,面对第一轮美国禁令,东京电子就表示:“那些被禁止与应用材料和泛林做生意的中国客户,我们也不会跟他们有业务往来”,义正词严表明了和美系设备商共进退。

至此,美国靠着多年的“时间积累”和超高精密度“工艺技术”,在设备领域形成了牢牢的主动权。而时间和技术,都不是后进者可以一蹴而就的。

芯片设计

川普超厉害!华为手机要凉凉,美国如何做到一剑封喉

如果说设备是针对芯片生产的一把封喉剑,那么EDA无疑是芯片设计环节的“幌金绳”,虽不致命但可以令“孙悟空”束手束脚、无处施展。

EDA这根“幌金绳”分三段:首先,它是芯片设计师的“PS软件+素材库”,可以让芯片设计从几十年前图纸上画线的体力活,变成了软件里“素材排列组合+敲敲代码”的脑力活。而且,现在仅指甲盖大小芯片,也有几十亿个晶体管,这种工程量,离开了EDA简直是天方夜谭。

20年前的英特尔奔腾处理器的线路图一角,目前晶体管密度已经上升超过1000倍

其次,EDA的奥秘,在于其丰富的IP库。即将经常使用的功能,标准化为可以直接调用的模块,而无需设计公司再重新设计。如果说芯片设计是厨师做菜的话,软件就是厨具,IP就是料包。

而事实上,EDA巨头公司,往往是得益于其IP的独占。比如Cadence(楷登电子)拥有大量模拟电路IP,而其也是模拟及混合信号电路设计的王者;而Synopsys(新思科技)的IP库更偏向DC综合、PT时序分析,因而新思在数字芯片领域独占鳌头。

而在全球前三的IP企业中,EDA公司就占了两个,合计市场份额高达24.1%。在Synopsys的历年营收中,IP授权是仅次于EDA授权的第二业务。

EDA还有一项重要的功能是仿真,即帮设计好的芯片查漏补缺。毕竟一次流片(试产)的成本就高达数百万美金,顶得上一个小设计公司大半年的利润。业内广为流传一句话:设计不仿真,流片两行泪

加州大学教授有一个统计测算,2011年一片SoC的设计费用大概为4000万美元,而如果没有EDA,设计费用则会飙升至77亿美元,增加了近200倍

因此,EDA被誉为半导体里的最高杠杆,虽然全球产值不过一百多亿美元,但却可以影响全球五千多亿集成电路市场、几万亿电子产业的发展。

EDA如此高效好用,那中国大陆自主化状况如何呢?很可惜,比操作系统还尴尬。

中国大陆最大的EDA厂商华大九天在全球的份额差不多是1%,而美国三大厂商Synopsys(新思科技)、Cadence(楷登电子)以及Mentor Graphics(明导科技,2016年被西门子收购)则占据了80%以上的市场。

这也就导致了虽然中国大陆芯片设计位居世界第二,但美国一声令下,芯片设计就会面临“工具危机”,巧妇难为无米之炊。不过,既然软件已经交过钱了,用旧版本难道不行吗?

很可惜,并不能。

因为这背后有一张EDA商、IP商、代工厂们互相嵌合的生态网。EDA是不断更新的。新的版本对应更新的IP库和PDK文件。而PDK即工艺设计包,则又包含了芯片工艺中的电流、电压、材料、流程等参数,是代工厂生产时的必备数据。新EDA、新IP、新工艺,互相促进、互为一体。

因此,用旧版的软件就会处处“脱节”:做设计时无法获得最新的设计IP库,找代工厂时又无法和工艺需要最新的EDA、PDK进行匹配。长此以往,技术越来越落后,合作伙伴也越来越少。不过既然EDA不过是0101的代码,从破解小组里找几个高手不就好了吗?

很遗憾,也几乎不可能。

每个EDA软件出厂时都会内嵌一个Flexlm加密软件,把EDA和安装的设备进行一一锁定,包括主机号、设备硬盘、网卡、使用日期等信息。而Flexlm的密钥长度达239位,暴力破解的难度非常大。如果用英特尔高性能的CPU来破解的话,需要4000左右的核年(core-year),也就是说用40核的CPU,需要100年。

当然,也可以采用分布式的方式,继续增加CPU数量减少时间。然而,即使破解成功了,来到了全新的IP库门前时,也会被EDA厂商通过“修改时间、文件大小、确认IP来源”等方式,再次进行验证,然后被拒绝。油然而生一股挖了百年地下隧道、却撞到石头上的酸爽。

破解并不有效,也不敞亮,还中国大陆知识产权保护的态度相违背。因此,依然还是要靠华大九天等公司自研崛起。那么,这条出路有多宽呢?其实单纯写出一套软件,难度并不大。关键还是要有海量丰富的IP、PDK,以及产业上下游的支持配合。单点突破未必有效,需要军团全面突围,而这并非一朝一夕之功。

材料

川普超厉害!华为手机要凉凉,美国如何做到一剑封喉

2019年,日韩闹了矛盾,双方都很刚,但日本断供了韩国几款半导体材料后,没多久韩国三星掌门人李在镕就飞往日本恳请松口了,后来他更是跑到比利时、中国台湾,试图绕道购买或者收点存货过日。

按理说,韩国也是半导体强国,三星在设计、制造领域更是主要玩家,但面对区区几亿美金的材料,却被闹得狼狈不堪。

材料真的有这么难吗?讲真,半导体原始材料是非常丰富的,比如硅片用的就是满地球的沙子。但要实现半导体的“材料自由”,却并不容易,必须打通任督二脉:“纯度”、“配方”。

纯度是一个无止境之路。中国大陆已经实现自产的光伏硅片,一般纯度是6-8个9,即99.999999%,但半导体的硅片纯度却是11个9,而且还在不断提高。小数点后多3到5位,就意味着杂质含量相差了1000到10万倍。

这个差距有多大呢?假设,光伏硅片里包含的杂质,相当于一桶沙子洒在了操场上;那么半导体硅片的要求则是在两个足球场大的面积里,只能容下一粒沙子。

那么,为什么必须将杂质含量降到这么低呢?因为原子的大小只有1/10纳米,哪怕仅有几个原子大小的杂质出现在硅片上,也会彻底堵塞一条电路通道,导致芯片局部失灵。如果杂质含量更高的话,甚至会和硅原子混在一起,直接改变硅片的原子排列结构,让硅片的导电效率完全改变。

经过刻蚀后的硅表面和锡颗粒,如同明月在金字塔后升起

要达到如此纯度,需要科学和工艺的完美结合。

一方面,需要大量基础科学仪器来辅助。比如在材料生产过程中,设备自身就会有金属原子渗透影响纯度,因此需要不断改良。而要确认纯度,也是高难度。就像特种气体,就需要专门的仪器来检测10亿分之一(PPB级)的杂质含量水平。实现这个难度,就不仅需要半导体企业,还需要奥林巴斯等光学企业出马助力。

另一方面,从实验室到工厂车间也需要工艺积累。材料制造,不仅对生产设备要求高,就连工厂里的地垫、拖把,也都是高级别特供。而且,生产车间温度、湿度的不同,也会影响材料纯度,就不得不反复尝试后得出标准。

而高纯度只是第一步,复合材料(比如光刻胶)的配置更是难以跨越的鸿沟。如果说“纯度”是个艺术科学的话,那么“配方”就是玄学科学。

其实,无论提纯、还是配置,基本的理论原理、工艺技术都不是难事儿。但如何选材、配比,从而实现极致的效果,却需要高度依赖经验法则,即业内常说的“know-how”。

同样的材料,不同的配比就会有不同的效果;就像我们用红黄蓝三色去搭配,不同的配比就能得到不同的颜色。而即使用同样的配方、采用同样的工艺,在不同的湿度、温度甚至光照下,也会有不同,甚至相差很远的效果。

这些影响材料效果的参数,无法通过精密计算获得,只能是实验室、车间里一次次调配、实验、观察、记录、改良。有时候,为了得到10%的效果改良,可能需要花费几年。然而,这提升的10%,虽然抢占的只是几百亿规模的市场,但却影响着万亿半导体行业。

因此,无论是提纯,还是配方,其实需要的都是超长的耐心待机、极致专注。这不禁令人会想到日本的寿司之神,一辈子只做寿司,而一个学徒仅拧毛巾就要练五年。虽然在生活中,这种执着看起来有些迂腐可笑,但事实上,材料领域做得最好的,正是日本企业。

据SEMI推测,2019年日本企业在全球半导体材料市场,所占份额达到66%。19种主要材料中,日本有14种市占率超过50%。而在占据产值2/3的四大最核心的材料:硅片、光刻胶、电子特气和掩膜胶等领域,日本有三项都占据了70%的份额。最新一代EUV光刻胶领域,日本的3家企业申请了行业80%以上的专利。

日本在材料产能上占据优势后,又用服务将客户捆绑得死死的。

许多半导体材料都有极强的腐蚀性和毒性,曾有一位特种气体的供应商描述,一旦气体泄漏,只需一瓶,就可以把整个厦门市人口消灭。因此,芯片制造商只能把材料的运输、保存、检测等环节,都交给材料的“娘家”材料商。

而另一方面,材料虽小、威力却大。半导体制造中几万美金的材料不达标,就能让耗资数十亿美金生产线的产品大半报废,因此制造商们只会选择经过认证的、长期合作的供应商。新进玩家,几乎没有上桌的机会。

而对于材料公司而言,下游用得越多,得到的反馈就越多,就有更多的案例支持、更多的验证机会来提升工艺、改善配比,从而进一步拉大和追赶者的差距。对于后进者而言,商业处境用一句话来形容就是:一步赶不上、步步都白忙。

日本能取得这个成就,其实离不开日本“经营之圣”稻盛和夫在上世纪80年代给日本规划的方向:欧美先进国家不愿再转让技术的条件下,日本人除了将自己固有的“改良改善特质”发扬光大之外,别无出路;各类企业都要在各自的专业领域内做彻底,把技术做到极致,在本专业内不亚于世界上任何国家的任何企业。

这种匠人精神,令日本在规模不大的材料领域,顶住美国、成为领主。

以上只是小小的一环,还有一个核弹级别就是踢出美元结算体系,不过那又是一种金融领域知识了,这里就无法多做介绍了。

总之,美国还没有发多少力,华为就挂了。所以说嘛,有些事能做,有些事不能做,很多时候某些企业和个人是不懂的。

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