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2018年5月12日

雷兆恆 EJ GLOBAL plus 環地視野

中國「芯」梗塞 生態圈貧乏

近期中興通訊(00763)在美國遭制裁的事件,被視為中美新一輪的貿易戰博弈,也掀起外界對中美晶片科技差距的激烈討論。本文集中探討中國晶片科技的瓶頸及未來的挑戰。

什麼是晶片:晶片(Chip),通常是集成電路(Integrated Circuit,IC)的簡稱,是一種小型化的電路。晶片體積很小(幾百平方毫米甚至更小),有運算/儲存功能,是電子設備中最重要的部分,幾乎所有的電子設備都要使用晶片。例如電腦的中央處理器(Central Processing Unit,CPU)就是一種晶片。而手機、遊戲機、汽車裏也有自己的晶片。

為何中興需要美國晶片:中興通訊的主要業務是電訊,涵蓋通訊設備、終端產品及手機,全都離不開晶片。中興產品逾六成零件都依靠進口,其中一半來自美國。而中國製的晶片在民用市場佔有率幾乎是零。所以美國的制裁,對中興可帶來毀滅式的打擊。

中興未能研發高端晶片,例如高端中央處理器、現場可程式邏輯門陣列(Field Programmable Gate Array,FPGA)及數位訊號處理器(Digital Signal Processor,DSP)等。以FPGA為例,美國公司Xilinx及Altera擁有全球90%市佔率,背後有6000項專利技術,其他競爭者根本無從追趕。

如何製造晶片:製造晶片的其中三個主要步驟是:選擇架構、晶片設計、晶片代工生產。有兩種方案。第一種方案是自行處理所有步驟,稱之為整合元件製造商(Integrated Device Manufacture,IDM),例如Intel(英特爾)。Intel的CPU使用自家的x86架構,並自行設計晶片,再自行生產,之後就可以銷售並使用於各品牌的Windows或Mac電腦裏。第二種方案需要由多間公司合作:由半導體設計公司授權架構,由無廠半導體公司(Fabless Semiconductor Company,簡稱Fabless)設計晶片,並由晶圓代工廠(Foundry)作代工生產。例如高通公司(Qualcomm)的Snapdragon處理器,就使用了ARM公司授權的ARM架構,由高通自行設計晶片,再由三星代工生產晶片,最後例如小米就可以向高通購買Snapdragon處理器,並於他們的紅米手機上使用。

為何中國不能自家製造高端晶片:其瓶頸在於納米技術。1納米(nm)是0.000001mm,即指甲厚度(0.1mm)的10萬分之一。納米技術在於把晶片上的電路縮窄,例如10nm晶片是指其電路只有10nm闊。數字愈小,製作愈困難。電路窄,就可以在晶片上塞入更多電路,縮小晶片尺寸,增加運算效率,降低耗電量。然而,電路不可能無限縮窄,縮窄到大約20nm時就會遇到量子物理問題,因為1顆原子的大小約為0.1nm,20nm的電路就只能讓大約200顆原子通過,只要電路出現輕微缺陷,製程的良率(扣除不良品後餘下良品所佔的比例)已經會大幅降低。

中國於製造晶片的三個主步驟中的問題如下:(1)選擇架構,暫時問題不大,中國仍可購買ARM授權。(2)晶片設計,中國能自主研發,例如華為的麒麟晶片就是自家設計。(3)晶片代工生產,中國就遠遠落後。中國的晶片代工龍頭公司中芯國際(00981),能生產28nm晶片,但良率只有40%。相比之下,台積電能生產7nm晶片,良率達76%,其10nm晶片已經量產中。華為的麒麟晶片也是靠台積電代工。

生產晶片的困難:台積電於2010年就能生產28nm晶片,而中芯於2018年才能生產28nm晶片,而且台積電的良率更佳。中國的晶片代工技術與業界有8年差距。導致這個差距的原因主要是缺乏遠見。中國近年的致富關鍵在於勞力密集產業,能於短時間內吸引投資者,並快速帶來優厚收入。相比之下,高端晶片業需要數十億的資本投入及十數年的等待,才可能有成果,而且研發風險高,因此中國企業很少作這種高風險的巨額投資。尤其近年晶片製程已趨近10nm區間,基於原子的物理限制,摩爾定律(Moore's law)開始失效,提升生產技術的成本急升,所以全球只餘下Intel、三星及台積電研發7nm晶片,其他公司都放棄了。

未來的挑戰:中國面對的挑戰不單是技術,而是缺乏一個生態圈(Ecosystem)。中國仍能購買ARM的授權,但ARM已壟斷全球95%流動電話市場,iPhone及Android手機絕大部分都使用ARM。「ARM架構+高通晶片設計+Android作業系統」是大部分中國手機的配備。美國制裁中興後,不能使用高通的產品及Android,未來中興以至於其他中國電訊公司會否連ARM也被禁制,實未可知。

而另一霸主Intel的x86,則壟斷電腦CPU市場。Intel和Microsoft關係良好,它們正是組成了生態圈:Intel提供晶片,Microsoft提供軟件(Windows)。當Intel推出新晶片時,Microsoft就可推出新的相關軟件帶動銷售,這正是未來中國的問題所在:中國缺乏這種生態圈。就算中國能自主生產10nm晶片,但晶片架構早就被x86及ARM壟斷,中國要麼使用x86/ARM,要麼推出新架構但無人使用(因為大家都用x86或ARM),而且很可能不能安裝市面上大部分軟件(因為市面上的軟件大都是為x86/ARM而設計的),這就是生態圈的重要。中國不單需要技術,而是要構建生態圈。今日中國的晶片生產技術已落後業界大約8年,x86/ARM架構更是領先中國30至40年,要追上技術及架構已極不容易,還要以新技術構建一個新的生態圈,並獲數以億計的用戶使用,也許仍是漫漫長路。

最後,對中國來說樂觀的是,現今5nm/7nm晶片技術極難突破,估計世界三大晶片巨頭將會在這方面停滯不前。而中國在相對容易解決的28nm技術上,卻會有所進展吧。

雷兆恆_新加坡科技設計大學客座教授

 

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