看美國芯片三巨頭發展史，談中國半導體自主創新路

上周有兩則半導體業界新聞引起了我的關注，由此促使我花時間深入了解美國三家芯片巨頭的發展演化歷程，同時思索中國半導體企業怎樣可以借鑒美國半導體公司的成功經驗和失敗教訓，從而探索出國產半導體在全球新變局下的自主創新之路。

第一則新聞是ADI完成對Maxim的并購，其實這個新聞對半導體界人士來說并不驚奇，我感興趣的是整合后的ADI對其未來發展的規劃。這家名字就叫“模擬器件公司”的企業年營收將接近100億美元，越來越逼近全球模擬老大TI（單從名稱來看，TI是德州的儀器，而ADI是真正的模擬器件公司，未來誰是模擬市場的老大還真說不準呢）。

這張圖簡要展示了并購Maxim之后的ADI主要服務的應用市場及收入構成。消費電子市場僅占其整體營收的13%；而工業應用是ADI的最大市場（占比49%）；汽車電子占比20%；面向連接和數據中心市場的通信業務營收占比18%。

新的ADI將擁有35個全球分支機構；2.3萬名員工（其中工程師超過1萬人）；產品種類高達7.5萬個，服務客戶12.5萬家；研發方面，在全球有70個設計中心，6500項專利，年研發投入超過15億美元；年營收將達91億美元，毛利率約70%，約有50%的營收來自生命周期超過10年的產品。

另一則新聞是中芯國際（SMIC）將與上海臨港新片區管委會合作投資88.7億美元，在臨港集成電路產業基地興建一座月產能10萬片的12吋晶圓廠，主要提供28nm及以上工藝節點的芯片晶圓代工與技術服務。這是中芯國際自去年底以來第三次擴大28nm及以上成熟工藝產能。

去年12月，中芯國際宣布與大基金二期和亦莊國投合資成立中芯京城集成電路制造（北京）有限公司，計劃總投資497億元，建設一座12吋晶圓廠，專注于28nm及以上成熟工藝。該項目計劃于2024年完工，建成后將達到每月10萬片12英寸晶圓的產能。今年3月份，中芯國際宣布和深圳市政府擬投資23.5億美元擴建中芯深圳工廠，用于生產28nm及以上成熟工藝的晶圓并提供技術服務，最終實現每月4萬片12吋晶圓的產能，預期將于2022年開始生產。

再加上最新宣布的臨港項目，中芯國際目前在建的28nm及以上成熟工藝產能已達每月24萬片12吋晶圓。SMIC為何在短時間內啟動多項28nm成熟工藝的重大投資項目呢？由于SMIC及其部分子公司已經被列入美國“實體清單”，已無法獲得7nm及以下先進工藝所需的半導體設備，而國內半導體設備在短時間內仍難以達到先進工藝要求。因此，中芯國際只能通過獲得成熟工藝設備供應的許可來發展成熟晶圓工藝。

而在全球芯片短缺和成熟工藝產能吃緊的當下，中芯國際將投資重心轉向28nm成熟工藝也是迎合市場和客戶需求的明智舉措。即便到2023年全球半導體供應恢復正常，國產IC設計公司的強勁需求也會持續，SMIC陸續釋放的28nm工藝產能也能夠獲得足夠的客戶訂單。此外，在當前疫情、中美科技冷戰和半導體供應緊張的“完美風暴”變局下，中國各地政府和產業資本都比較青睞半導體投資項目，與中芯國際合作自然是最佳選擇。中芯國際分別與北京、深圳和上海市政府合作，在中國三大集成電路產業集散地投資建廠也符合其未來發展規劃。

美國芯片三巨頭發展簡史

計算機CPU巨頭英特爾的轉型與并購

以電腦CPU發家的英特爾（Intel）至今仍是美國最大的半導體公司（采用IDM模式的半導體廠商），現擁有員工超過11萬人，2020年營收高達778.7億美元，凈利潤為209億美元。英特爾主要為聯想、惠普和戴爾等計算機制造商提供微處理器芯片（CPU），同時還研發和生產主板芯片組、通信和網絡接口芯片、存儲器、圖形芯片、FPGA、嵌入式處理器，以及汽車、物聯網和新興AI應用所需要的通信和計算相關器件。

英特爾于1968年由半導體先驅Gordon Moore (摩爾定律因其而得名) 和Robert Noyce（最早的IC發明人之一）創立，并在Andrew Grove（《只有偏執狂才能生存》的作者）的協助和領導下得以發展成為全球最大的計算機CPU芯片供應商。據說該公司的英文名稱（Intel）是集成（integrated）和電子（electronics）兩個詞的組合，另外“Intel”也有情報信息（intelligence）的意思，成為信息技術（IT）時代的代言者也是實至名歸。

英特爾早期以SRAM和DRAM 內存芯片開發為主，上世紀80年代初存儲器是其主要營收來源。1987年英特爾曾經是全球第10大半導體廠商。但日本存儲器廠商快速崛起并占據大部分市場，迫使英特爾轉向微處理器開發和生產。其在微處理器設計上的投入促進了計算機行業的快速發展，也讓英特爾轉型成為最大的PC微處理器供應商。從1992年直到2017年，英特爾一直是全球最大的半導體芯片廠商，AMD、三星、東芝、TI、ST和TSMC都難望其項背。

2018年，由于全球對存儲器芯片的需求強勁讓三星的營收大幅增長，從而超越英特爾而成為全球第一大半導體廠商。由于在10nm晶圓工藝上的一再延遲，英特爾在最先進制造工藝的競賽中被臺積電和三星甩在后面。與此同時，采用TSMC最新工藝的AMD在PC處理器市場直追英特爾。盡管英特爾仍然是全球最大的半導體公司，在財務出身的CEO Bob Swan領導下營收和利潤都在穩步增長，但因為無法趕上晶圓制造技術的快速發展而飽受投資人和業界詬病。

英特爾于今年2月份聘請原CTO Pat Gelsinger擔任CEO，并啟動IDM 2.0戰略，在加速研發下一代晶圓制造工藝的同時開始對外提供晶圓代工服務。為配合美國政府振興半導體制造產業的號召，英特爾計劃投資200億美元在亞利桑那州興建新的晶圓廠，TSMC和三星也緊隨其后計劃在該州興建新的晶圓廠。

下表列出了英特爾自2009年至今的并購案例，其中影響比較大的并購包括：

1. 2009年以8.84億美元收購嵌入式系統廠商Wind River Systems；

2. 2010年以76億美元收購安全軟件廠商McAfee，同年以14億美元收購英飛凌旗下的無線業務；

3. 2014年以6.5億美元收購Avago旗下的通信處理器業務；

4. 2015年以167億美元收購FPGA廠商Altera；

5. 2016年分別收購AI和新技術公司Nervana Systems, Movidius和Soft Machines；

6. 2017年以150億美元收購以色列自動駕駛技術公司Mobileye；

7. 2019年收購網絡交換機廠商Barefoot Networks，同年以20億美元收購以色列AI芯片初創公司Habana Labs。

模擬巨頭TI是如何煉成的？

德州儀器（TI）的2020年財報數據顯示，2020全年營收為144.61億美元，同比增長0.54%；毛利為92.69億美元，毛利率約64%；凈利潤55.95億美元，同比增長11.52%。在營收組成方面，TI主要有六大業務版塊。其中工業市場占37%；汽車占20%；個人電子產品占27%；通信占8%；企業系統占6%；其它占2%。

在IC Insights每年發布的全球十大模擬芯片廠商排行榜上，TI已經多年穩居第一，2020年也不例外。2020年TI的模擬器件業務營收為108.86億美元，利潤高達49.12億美元。根據芯思想整理的數據，2020年TI在中國的營收占比高達55.32%。

排名第二的ADI與第七名Maxim合并后，模擬業務總營收超過70億美元，進一步逼近龍頭老大TI，但仍需幾年的時間才有可能趕上甚至超過TI，因為模擬芯片的應用廣泛，增長相對比較穩定，短時間內很難有大的飛躍。

德州儀器于1951年由一家地震測量設備和國防電子公司重組而成，于1954年制造出世界上第一個商用硅晶體管，并于同年設計并制造了第一臺晶體管收音機。Jack Kilby于1958年在 TI 的中央研究實驗室發明了集成電路，并因此獲得諾貝爾獎（英特爾的Robert Noyce在同期也發明了IC，但因為諾貝爾獎提名時已經過世而沒有獲獎）。TI還在1967年發明了手持計算器，并于1970年推出了第一款單芯片微控制器MCU（將所有計算單元集成到一塊硅片上）。

1987 年，TI 發明了數字光處理器（DLP），該技術是大屏幕投影和影院DLP Cinema的基礎。TI于1997年將其國防業務出售給雷神公司（Raytheon），從而使 TI 能夠專注于DSP等數字解決方案。2011年收購 National Semiconductor 后，TI擁有了45,000種模擬產品種類和客戶設計工具組合。在股市上，TI通常被視為半導體和電子行業的風向標，因為其芯片產品幾乎滲透到了所有電子產品領域。

自1996至2011年，TI的并購案例匯總如下：

1. 1996收購Tartan公司；

2. 1997年以3.95億美元收購Amati Communications；

3. 1998收購GO DSP，并收購Harris半導體旗下的標準邏輯業務

4. 1999年以3.65億美元收購以色列公司Libit Signal Processing；5000萬美元收購Butterfly VLSI；4.57億美元收購Telogy Networks；以及Unitrode公司；

5. 2000年以76億美元收購Burr-Brown；

6. 2006年以2億美元收購Chipcon；

7. 2009年收購CICLON和Luminary Micro；

8. 2011年以65億美元收購National Semiconductor。

德州儀器在2011年超過ST而成為模擬老大，占據整個模擬市場份額的15.4％。過去10年來，全球半導體并購跌宕起伏，而TI是前10大廠商中唯一一個沒有大型并購的廠商，但卻一直穩坐模擬芯片市場頭把交椅。

2012年，TI開始戰略性地退出手機基帶處理器領域，將模擬和嵌入式處理作為重點業務，緊緊抓住汽車電子和工業電子市場，實現營收66億美元，并以16.7%的市場占有率繼續穩居模擬市場首位。

德州儀器是最早在300mm晶圓上制造模擬芯片的公司之一。與200mm晶圓相比，在300mm晶圓上制造模擬IC可使每個裸片的成本降低40％。2017年，TI模擬業務收入約50%都來自300mm晶圓。2018年TI的模擬業務營收為108億美元，市場份額為18％，幾乎是排名第二的ADI營收的兩倍。2019年，TI模擬收入下降至102億美元，市場份額增至19％。至今其模擬半導體市場龍頭地位仍然固若金湯，無人能夠撼動。

今年7月份，TI宣布出價9億美元收購美光位于猶他州的一座300nm晶圓廠，這座工廠的65nm和45nm工藝生產線將進一步增強TI在模擬器件和嵌入式處理器芯片方面的產能。

模擬器件公司ADI

ADI的2020財年營收為57.94億美元，凈利潤為12.2億美元。其主要技術和產品包括：模擬和混合信號（轉換器、放大器、接口）；電源管理（調壓器、PMIC、監控）；RF射頻（DC-100GHz、微波、毫米波）；邊緣處理器和傳感器（DSP、MCU、慣性、光學）。

ADI公司全稱為Analog Devices, Inc. (ADI)，于1965年由兩位MIT畢業生Ray Stata 和 Matthew Lorber創立。該公司第一款產品是101 型運算放大器，并于1973 年率先推出激光修整晶片和第一個CMOS 數模轉換器。 最近幾年在CEO Vincent Roche帶領下，ADI并購動作頻繁，2016年以148 億美元收購Linear Technology，2020年又以200億美元高價收購Maxim，從而成為銷售額僅次于TI的模擬巨頭。

ADI公司總部位于馬薩諸塞州威爾明頓，區域總部分別位于中國上海、德國慕尼黑、愛爾蘭利默里克和日本東京。ADI在美國和愛爾蘭設有晶圓工廠，其封裝測試工廠位于菲律賓。ADI的設計中心遍布澳大利亞、加拿大、中國、埃及、英國、德國、印度、以色列、日本、蘇格蘭、西班牙、中國臺灣和土耳其。

在50多年的發展歷史上，ADI并購了很多公司，現按時間順序梳理如下：

1. 1969年：Pastoriza Electronics

2. 1971年：Nova Devices

3. 1978年：Computer Labs

4. 1984年：International Imaging Systems

5. 1990年：Precision Monolithics, Inc.

6. 1991年：Edsun Laboratories的技術資產

7. 1996年：Mosaic Microsystems Ltd.

8. 1997年：Medialight Inc.

9. 1999年：Edinburgh Portable Compilers

10. 2000年：BCO Technologies PLC, Signal Processing Associates, Integrated Micro Instruments Inc., Chiplogic Inc. 和Staccato Systems Inc.

11. 2006年：AudioAsics A/S, Integrant Technologies和TTPCom部分資產

12. 2011年：Lyric Semiconductor, Inc.

13. 2014年：Hittite Microwave Corporation

14. 2016年：Linear Technology, Sypris Electronics和Cyber Security Solutions Business

15. 2018年：Symeo GmbH

16. 2019年：Test Motors

17. 2020年：Maxim Integrated。

美國這三家芯片巨頭都有超過50年的歷史，而且在發展歷程中都進行了多次并購，經過融合和調整，并適應市場和時代的發展而成就現今的輝煌。從總部所在地來看，位于硅谷心臟的英特爾是與硅谷同步成長起來的，附近有斯坦福和加州大學伯克利分校為其源源不斷地輸送工程技術人才；位于德州達拉斯的德州儀器盡管在地域上不是高科技集散地，但德州大學和德州首府奧斯汀為TI提供了很多高質量的工程技術人才（2011年并購National Semiconductor之后在硅谷也占據了一席之地）；ADI發源于MIT，自然不愁頂尖的工程技術人才，麻省和波士頓區域的高科技地帶也是半導體等高科技創新的沃土。

中國半導體企業的自主創新之路

自臺積電上世紀90年代開創晶圓代工模式以來，全球半導體供應鏈的分工越來越明細。晶圓代工造就了很多fabless巨頭，比如高通、英偉達和聯發科。多年來一直掙扎在英特爾陰影下的AMD剝離其晶圓制造業務而轉型為fabless之后，其技術研發和市場競爭力越來越強，在PC市場甚至有實力跟英特爾正面對決了。

中國的半導體產業也得益于這種晶圓制造、封測和IC設計分工的發展模式。中芯國際不但是中國晶圓代工的龍頭，也是中國整個半導體行業的領頭羊，其戰略布局和未來發展線路對中國半導體產業有著舉足輕重的影響力。本文開頭提及的臨港28nm晶圓項目也將進一步推動臨港新片區往中國新一代集成電路產業基地的方向發展。中芯國際同時在上海、北京和深圳的晶圓制造布局也代表著中國半導體產業的均衡分布和發展格局。

在整個半導體產業供應鏈上，國產IC設計公司的數量最多（去年底統計數據顯示為2000多家，今年仍在飛速增長中），供應鏈上游的晶圓代工、封裝測試、EDA和IP都要圍繞fabless公司展開研發、服務和市場競爭。在中國國產IC設計公司中，最近剛剛科創板上市的格科微有一定的代表性。這家耕耘CMOS圖像傳感器市場18年，憑借自主研發的技術創新模式，以及主導中低端CIS市場的發展策略，成為CIS領域國產替代的先鋒。格科微計劃通過上市和其它融資渠道募集資金，預計投資22億美元在臨港新片區啟動12英寸CIS 集成電路特色工藝研發與產業化項目，擬通過 “自建產線、分段加工”來實現生產工藝的自主可控。這是國產Fabless公司嘗試轉向集設計、研發、制造、測試為一體的Fablite模式的探索，以保障供應鏈安全和企業長期穩健發展。（編者注：格科微董事長兼CEO趙立新將在9月14日舉行的臨港半導體產業發展高峰論壇上發表主題為“中國半導體發展機遇”的演講，歡迎半導體業界人士報名參會）

中芯國際放緩7nm及以下先進工藝的研發而轉向28nm等成熟工藝，高端晶圓制造設備受到美國政府的限制是一個主要原因。其實中國半導體真正被“卡脖子”的地方在于高端半導體制造設備。中國半導體設備行業的龍頭，中微半導體設備公司董事長兼CEO尹志堯對此頗有感觸。中微公司在刻蝕領域和薄膜沉積領域深耕已久，并曾制造出中國第一臺電解質刻蝕機。其等離子體刻蝕設備已被廣泛應用于國際一線客戶從65納米到14納米、7納米和5納米的集成電路加工制造及先進封裝，芯片介質刻蝕設備占據了中芯國際50%以上的新增采購額。在客戶方面，中微半導體已成功進入海內外主流半導體制造企業，例如其刻蝕設備客戶包括臺積電、中芯國際、聯華電子、華力微電子、海力士、長江存儲等；其MOCVD設備客戶包括三安光電、璨揚光電、華燦光電、乾照光電等LED芯片及功率器件制造商。

近日，中微半導體在臨港的產業化基地項目開工，該項目規劃總建筑面積約18萬平方米，項目基礎建設總投資約15億元。項目建成后將滿足中微公司集成電路設備、泛半導體設備的研發、測試和產業化需求。中微臨港產業化基地計劃于2022年底建成并投入使用。（編者注：中微公司董事長尹志堯將出席臨港半導體產業發展高峰論壇，并發表《打造全方位高質量、有國際競爭力的半導體設備公司》的主題演講）

國產IC設計公司進行IC設計所采用的EDA工具市場也主要被美國三大EDA公司所壟斷，國產EDA開發商華大九天近日首發申請獲深交所通過，將登陸深交所創業板上市。華大九天通過上市募集的資金將主要用于電路仿真及數字分析優化 EDA 工具升級項目、模擬設計及驗證 EDA 工具升級項目、面向特定類型芯片設計的 EDA 工具開發項目、數字設計綜合及驗證 EDA 工具開發項目等。

最近，國內四家最大的EDA企業相繼申請IPO并獲受理，分別是：2021年6月21日，深交所正式受理華大九天的創業板IPO申請；6月25日，上交所正式受理概倫電子的科創板IPO申請；6月30日，深交所正式受理廣立微的創業板IPO申請；8月24日，上交所正式受理國微思爾芯的科創板IPO申請。通過上市融資來加強EDA技術研發以提升市場競爭力，這是國產EDA開發商的可行之路。

2009年，劉偉平帶領原華大電子EDA事業部創立華大九天，主要從事 EDA 工具軟件的開發、銷售及相關服務，其主要產品包括模擬電路設計全流程 EDA 工具系統、數字電路設計 EDA 工具、平板顯示電路設計全流程 EDA 工具系統和晶圓制造 EDA 工具等 EDA 工具軟件，并圍繞相關領域提供技術開發服務。截至2020年底，華大九天共有477位員工，其中研發與技術人員共322人，占比達68%。此外，該公司擁有已授權專利144項，以及已登記軟件著作權50項。（編者注：華大九天董事長劉偉平將參加臨港半導體產業發展高峰論壇，并發表主題為《自主EDA發展之路》的演講）

當然，除以上介紹的IC設計、晶圓代工、半導體設備和EDA之外，中國半導體產業的健康發展還需要IP、封測和各種半導體材料等環節。為加速國產半導體的快速發展，探討中國半導體企業的自主創新之路，上海臨港新片區管委會將于9月14日舉辦第二屆半導體產業發展高峰論壇，本屆論壇以“新變局下的全球半導體合作與機遇”為主題，邀請晶圓制造、封測、EDA/IP、IC設計、分銷、EMS全產業鏈公司近百位高層參會，交流集成電路產業發展機會，分享最前沿的技術趨勢及科研成果。