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中国的先进芯片研发,什么水平?

从地缘政治学和地缘经济学的角度来看,芯片的生产地可能很重要,但谁来开发、定义和塑造我们未来的芯片,也同样重要。
2021-06-22 07:00 微信公众号:半导体行业观察 stiftung-nv

半导体是一项对现代社会的各方各面都不可或缺的基础技术,它们的应用远远超出了智能手机、笔记本电脑和云基础设施等典型的信息和通信技术,例如,医院、汽车制造商和电力公司都依赖于越来越复杂的芯片。生产这些芯片的全球半导体价值链受到了决策者和媒体的广泛关注,它是美中技术竞争的核心,包括欧盟在内的多个国家及地区都在努力加强自己的半导体产业,以减少对外国技术供应商的依赖。

但是,半导体行业中一个经常被忽视的方面是推进尖端技术所需的研发(R&D)的数量。芯片行业是所有行业中研发利润率最高的行业之一——半导体公司很容易将其平均收入的18%以上用于研发。此外,绝大多数的研发都是由少数几个国家完成的,它们是这一研究工作的中心。

为什么要专注于研发?美国、欧洲和韩国最近的政策举措十分关注于半导体制造业——如何最好地补贴制造厂(fabs)和增加国内晶圆产能,在现代晶圆厂的投资成本飙升的背景下这类举措是可以理解的。但半导体行业在能源效率、可持续性、新材料等方面也同样面临许多技术挑战,因此,所有工艺环节的研发都至关重要。从地缘政治学和地缘经济学的角度来看,芯片的生产地可能很重要,但谁来开发、定义和塑造我们未来的芯片,也同样重要。

在首次尝试评估不同国家和地区的半导体研发实力时,SNV的数据科学部门与“技术和地缘政治计划”合作,共同分析了三个主要半导体学术会议的论文贡献:

国际电子器件会议(IEDM)始于1955年,涵盖了从半导体和电子器件技术到设计、制造、物理和建模的技术创新等整个半导体价值链的国际研究。

国际固态电路会议(ISSCC)始于1954年,汇集了固态电路和片上系统领域的顶尖专家,涵盖半导体设计过程不同阶段的科学成就。

VLSI技术和电路研讨会始于1981年,它连接了两个关于半导体技术和电路的国际多利益相关者会议,旨在就从工艺技术到片上系统等共同感兴趣的主题创造协同效应。VLSI研讨会的重点是研究超大规模集成电路(VLSI)的制造和设计。

以下是从定量分析中得出的一些关键见解,我们邀请您自己在报告末尾的交互式图表中探索这些数据。要进一步了解我们的方法,它的局限性和挑战,请查看底部的常见问题。要了解更多关于SNV数据科学部门的信息,请随时联系Pegah Maham,如果您对SNV在半导体和地缘政治方面的工作感兴趣,请联系Jan-Peter Kleinhans。

分析结论1:在过去的25年里,美国和日本开发了未来的芯片

可以看到:上图显示了过去25年(1995-2020年)每个国家的累计论文贡献。例如,中国台湾的组织或大学(合作)在过去的25年中,在所有三个会议(IEDM、ISSCC、VLSI)上撰写了1201篇研究论文,也就是说,这1201篇论文中,每篇论文至少有一个作者来自中国台湾的一个组织或大学。

这意味着:首先,很难高估美国和日本的组织和大学对半导体研发的重要性。在过去25年中,这两个国家的论文贡献加起来超过了世界其他国家的总和(10.338对8.187)。虽然各国的研究力量随着时间的推移而不断转移,特别是在日本,但它们对半导体研发的整体重要性和贡献是巨大的。

其次,只有少数地区开发出未来的芯片。美国、日本、欧洲、韩国、中国台湾和中国不仅是半导体价值链最重要的地区,也是迄今为止半导体研发最重要的地区。在过去的25年里,美国、日本、韩国、中国台湾和比利时这五个主要国家的论文占了所有论文的75%。

分析结论2:美国和欧盟一直拥有很高的研究实力

可以看到:上面的图表显示了美国和欧盟28国(包括英国)每年的论文贡献比例。例如,2005年,欧盟(共同)撰写了21%的会议论文,美国(共同)撰写了40%的会议论文。

这意味着:首先,美国是一个半导体研发大国——平均而言,超过40%的会议论文是由美国组织或机构撰写或合著的。此外,美国能够在过去25年中保持如此高水平的研发贡献,部分原因是美国的大型芯片设计行业。近30年来,美国半导体公司控制着全球芯片市场(销售额)的50%左右。由于半导体行业是研发利润率最高的行业之一——公司将其收入的18%左右投资于研发——更高的收入直接转化为更多的研发力量。

其次,欧盟在过去25年中(1995年:13%,2020年:25%)的论文贡献几乎翻了一番,而30年来,欧洲公司在全球芯片销售中所占的市场份额很小,只有不到10%。将一个地区的研究力量与其市场份额进行比较,能反映出创新转化为发明的效果的能力如何。与研究能力相比,市场份额显著降低,这表明欧洲生态系统在从研发中获取价值方面存在潜在障碍和低效。

分析结论3:深入分析欧洲——拥有领先RTO的成员国贡献最大

可以看到:上图显示了欧盟成员国每年的论文投入的相对份额。例如,在2020年,比利时的组织和大学(合作)撰写了8.7%的会议论文,而法国贡献了6.1%的会议论文。本图表中各成员国的累计贡献高于上一图表中欧盟的贡献,因为法国、比利时和德国可能会共同撰写同一篇论文,这使得每个国家都有1个贡献额,但该论文对欧盟来说只有1个贡献额。

这意味着:首先,欧盟的绝大多数研发力量来自少数成员国——比利时、法国、德国、荷兰、意大利和英国——在过去25年中,这些国家一直占欧盟论文贡献的80%以上。2020年,仅比利时和法国就占了欧盟论文总数的一半以上。

其次,论文投稿最多的成员国(比利时、法国和德国)也有重要的半导体行业研究和技术组织(RTO):imec(比利时)、CEA Leti(法国)和Fraunhofer(德国)。过去25年,比利时的论文贡献份额大幅增加,因为imec处于工艺升级的前沿,并与TSMC、三星、英特尔等公司密切合作来生产更小的晶体管。

分析结论4: 中国大陆、韩国和中国台湾地区的研发实力显著提高

可以看到:上图显示了中国大陆、韩国和中国台湾地区每年的论文投稿的比例。例如,在2014年提交的所有会议论文中,中国大陆贡献了5%,韩国占8.8%,中国台湾地区占13%。

这意味着:首先,中国大陆、韩国和中国台湾在半导体研发中扮演着越来越重要的角色——这三个国家及地区在2020年的会议论文中所占比例超过了三分之一。它们不再仅仅是半导体产业链的制造中心,而是深深地嵌入到未来芯片的开发中。

第二,特别是中国大陆在过去十年中显著提高其研发能力,这与海思(Huawei)、中芯国际(SMIC)和Goodix等具有全球竞争力的中国半导体企业的崛起相关。虽然中国在整个半导体产业链上高度依赖外国技术提供商,但其原始研究论文的贡献已经高于比利时。

第三,由于韩国和中国台湾是尖端晶圆制造业最重要的国家及地区,因此他们的公司(中国台湾的台积电、韩国的三星和韩国的SK-Hynix)和研究机构(中国台湾的ITRI)也大量从事研发是有道理的。

分析结论5:相反方向的发展——日本的份额下降,而中国的份额上升

可以看到:上面的图表显示了中国和日本的组织和大学每年在所有三个会议上的论文贡献的相对份额。2015年,日本占所有会议论文的18%,而中国占3.8%。

这意味着:首先,日本的科研实力在过去25年中大幅下降,从1995年的近40%下降到2020年的不到10%。日本在半导体价值链中的整体份额也是如此:而在1990年,十大半导体公司(销售额)中有六家是日本公司,2020年,没有一家日本公司跻身前十。

第二,与此相反,中国的发展尤其令人印象深刻。就在10年前,他们根本没有利害关系。直到最近5年,中国才成功接近日本,并最终在2020年超越日本。作为后来者和过去25年增长最快的地区,中国的份额从2015年的4%增长到2020年的10%,增长了一倍多。

分析结论6:欧盟最重要的研究伙伴是美国,中国超过日本成为其第二大研究伙伴

可以看到:上面的图表显示了欧盟和外国之间的合作数量。imec(比利时)与Intel(美国)、Sony(日本)、JCET(中国)联合撰写的一份假设性的联合论文将被视为这些国家的一个合作。在这里,我们选择了欧盟与中国、日本、美国的研究合作。下面的图表显示了欧盟的论文贡献总数。2020年,欧盟与中国机构或大学合作发表论文11篇(占全部164篇欧盟论文的7%),与日本合作发表论文4篇(占全部欧盟论文的2%),约五分之一的论文(共34篇)是与美国合作的。

这意味着:首先,对欧洲来说,迄今为止最重要的研发伙伴是美国。在过去的五年里,欧盟至少有15%的论文是与美国的研发合作。

第二,有趣的是,排在第二位的是中国——自2016年以来,欧洲与中国合著的论文比与日本合著的论文多。

分析结论7:中国与著名的研发伙伴合作

可以看到:上图显示了中外合作的数量。在这里,我们举例说明中国与欧盟、中国台湾和美国的论文合作。2005年,中国提交了3篇会议论文,其中一篇与中国台湾合作,另一篇与美国合作。

这意味着:首先,作为半导体行业的快速追随者,中国从一开始就注重研究合作。中国最重要的研发合作伙伴是美国和欧洲:中国近一半的会议论文是与欧洲或美国合著的。

其次,底部较小的图表说明了自2010年以来,中国的研发参与率增长的速度和幅度。

结论

谁在开发我们未来的芯片?这个问题的答案在过去的25年里开始发生变化,在过去的10年里更是如此。首先,尽管美国现在是并将继续是一个半导体研究大国,但亚洲国家及地区——特别是中国、韩国和中国台湾——在半导体研发中发挥着越来越重要的作用。在一个严重依赖研发的价值链中,这不应令人感到意外:目前世界上只有中国台湾和韩国拥有7nm及以下的最先进制造能力。为了提高尖端技术并发展未来的制造工艺,台积电(中国台湾)和三星(韩国)等公司大量投资于其研发工作——通常与欧洲RTO或美国芯片设计公司合作。因此,中国、韩国和中国台湾不仅成为芯片制造中心,而且是重要的研究伙伴。

第二,科研协作发挥着越来越重要的作用。虽然目前欧洲、美国和中国关于半导体的政策辩论主要是关于“技术主权”、“经济安全”和“自力更生”,但半导体研究界的国际合作也在大大加强:1995年,美国只有11%的论文是与外国研究伙伴合著的,而2020年,美国约36%的论文是基于国际合作。如今,要跟上摩尔定律的步伐,研究人员的数量是上世纪70年代的18倍——加强国际研究合作是克服半导体行业未来面临的技术挑战的唯一出路。因此,政策制定者最好鼓励半导体研究领域的国际合作。

第三,市场份额的减少似乎与研发能力的下降有相关性:日本的全球芯片销售从1990年的49%下降到2020年的6%,同时其研究贡献从1995年的40%下降到2020年的不到10%。这些发展是简单地并行进行还是一个导致另一个,这一点我们无法通过数据分析得出答案。但对欧洲来说,可能会有一些教训(和警告),欧洲的研发能力大大高于其市场份额,部分原因是imec、CEA-Leti和Fraunhofer等非常成功的RTO。

说明

这是SNV首次对半导体研发力量进行分析,以更好地了解谁在开发未来的芯片、行业动态、能力平衡以及全球半导体价值链内的合作。随后将进行进一步的分析。

SNV的“技术和地缘政治项目”是在荷兰经济事务和气候政策部、芬兰国家紧急供应局、芬兰外交部、德国联邦外交部和瑞典外交部的支持下实现的。本文所表达的观点不一定代表这些部委的官方立场。

SNV的数据科学单元是由Stiftung Mercator实现的。

交互式图表:浏览数据

在本节中,您可以了解我们过去25年全球论文贡献和论文合作的数据。

论文贡献 (1995 - 2020)

上图显示各个国家及地区每年的论文发表数量。您可以使用上面的按钮在条形图或折线图与贡献份额或绝对值之间切换。在图表右侧选择要比较的国家。底部较小的图表提供了有关每年论文投稿总数的信息。

论文合作 (1995 - 2020)

上图显示的是某个国家与其它个国家间合作发表论文的数量。首先,从图表上方的下拉列表中选择一个国家。接下来,选择要显示的与所选国家的研究协作的国家。然后可以使用下拉列表下面的按钮在条形图或折线图之间切换。底部有两个较小的图表:第一个显示选定国家的论文投稿总数。第二个是指每年的论文投稿总数。

【本文作者stiftung-nv,由投资界合作伙伴微信公众号:半导体行业观察授权发布,文章版权归原作者及原出处所有。文章系作者个人观点,不代表投资界立场。如内容、图片有任何版权问题,请联系(editor@zero2ipo.com.cn)投资界处理。】

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