缺芯之惑

張帥

2021年8月25日，臺積電于通過內部決議確定，自2022年第一季度開始，調高晶圓代工報價。其中，16nm及以下制程工藝代工的價格上調近10%，16nm以上的成熟制程則上調至10%～20%，本次價格上調將于2022年第一季度生效。隨著消息經“非官方”途徑被廣泛傳播，人們對由于全球“缺芯”所帶來的芯片供需關系失衡，以及由此可能對更多下游產所帶來的負面影響，擔憂又增加了一分。

實際上，自2019年底突發的新冠疫情打斷了全球產業鏈以后，芯片制造商在2020年就已經連續提升了四次芯片價格：與2019年同期相比，2020年芯片廠商的漲價幅度大多在20%至60%之間，其中單就8寸晶圓價格上漲了近50%。而這部分價格的增長，到了經銷商手里時，價格就會同比暴增10倍，甚至20倍。

“眼下的芯片價格不是常規的出貨價格，屬于異常的價格交易。在芯片短缺的情況下，漲價才有可能買的到。”作為中國某本土汽車企業的采購人員，任卉怎么都沒有預料到，一場看似突然而至的“缺芯”問題，正在從最初的芯片“拉鋸戰”，變成完全由芯片企業主導的“殲滅戰”。“往年芯片的訂貨周期在三個季度之久，現今卻變為一年甚至更久。”任卉強調，現在整個芯片供應鏈中，不僅上游芯片原材料及供應商的價格逐步攀升，而且即便下游應用商接受日益提高的單價，也仍無法按時提貨，只能被迫延長訂貨周期：“上游廠商在目前擁有供需關系中的絕對領導權。”

受芯片持續緊缺影響的汽車企業，只是其中一枚多米諾骨牌：根據高盛一項最新的研究報告顯示，全球有多達169個行業在一定程度上受到了芯片短缺的打擊，包括從鋼鐵產品、混凝土生產到空調制造、啤酒生產等所有行業，甚至連肥皂制造業也受到了影響。高盛的研究表明，那些在芯片上的花費超過行業GDP1%的產業將受到芯片短缺的影響。比如，汽車行業在芯片上的花費就占到這一行業GDP的4.7%。不僅如此，芯片短缺給企業帶來生產壓力，商品價格也將隨之上漲。高盛經濟學家斯賓塞·希爾表示，盡管隨著封鎖逐步放開，消費也將得到提升，但芯片短缺將令美國2021年國內生產總值萎縮多達1%，同時，商品價格漲幅將達到1%到3%。

全球經濟的發展，儼然被芯片卡了脖子。

芯片產業“失能”從摩爾定律失效開始？

芯片作為一個商品，從商業邏輯上分析，此次全球缺芯完全是產能不足造成的。而產能不足問題所暴露出來的，在很大程度上是整個芯片產業自身的發展遇到了瓶頸。

回溯芯片產業的歷史，1965年戈登·摩爾（GordonMoore）提出的摩爾定律一直是該行業嚴格遵守的一項黃金法則：當時，戈登·摩爾在一本雜志上發表了一篇文章指出：我們將會看到集成芯片上的元件數量每年增加一倍，從 1965年到1975年持續10年。此后，各種版本的“摩爾定律”就逐漸多起來。最后被業界廣泛接受的摩爾定律版本成了：集成電路上可以容納的晶體管數目在大約每經過18個月便會增加一倍，換言之，處理器的性能每隔兩年翻一倍。

客觀來看，摩爾定律并不是物理法則，更像是對芯片發展趨勢的一種分析和預測。只不過在芯片技術持續不斷地發展趨勢下，摩爾定律正一步步地被推向“盡頭”——晶體管電路愈加接近性能極限，這一定律是否會走向失效？

中國工程院院士、浙江大學微納電子學院院長吳漢明今年早些時候接受媒體采訪時曾經談到：摩爾定律最初給社會及經濟帶來了巨大的效益，讓芯片的成本在幾十年內降低了百萬倍。但是在2014年左右，芯片工藝從28nm進階到20nm過程中，100萬晶體管的價格已經從大約2.7美分漲到2.9美分，這也就是意味著：從此刻開始，當初摩爾定律所帶來的經濟效益，已經失效。

需要注意的是，隨著經濟效益的反向增加，芯片性能的提升反而在持續下降：在2002年以前，每年的芯片性能提升約57%，到2010年每年提升23%，到2010年每年提升12%，直到近期，性能提升約為3%。

于是有關“摩爾定律正在放緩”又或者“摩爾定律已經失效”的爭論甚囂塵上，就連英偉達（Nvidia）CEO黃仁勛以及AMD公司CTO Mark Papermaste在內的行業專家也參與其中。

要知道，“摩爾定律”對于芯片產業來講，不僅僅是所有廠商公認的黃金定律，甚至整個芯片產業的構成都是依據摩爾定律的原則形成的：芯片設計公司根據市場需求設計芯片；芯片代工廠按照設計方案進行晶圓制造；封測廠將制造好的晶圓封裝測試為芯片成品；整機廠商完成電子設備硬件的制造組裝和軟件安裝——而隨著摩爾定律本身正在逼近物理極限，企業芯片性能和功耗、加工成本和技術手段，以及經濟成本都已經達到了一個瓶頸，那么整個芯片產業實際上可以發展的空間就非常有限了。這，實際上才是整個芯片產品產能始終難以與市場需求相匹配的最底層邏輯。

解開死結，或者繞開死結

由于全球“缺芯”的根源是產能受限，產能受限的原因是芯片產業黃金定律的失效，而黃金定律的失效就意味著，整個產業以往50年賴以維系的產業模式、產業鏈構成、產品研發理論……所有該產業中以往被證明有價值的知識，都存在失效的風險：摩爾定律實際上已經把整個芯片產業帶到了一個難以逾越的壁壘面前——不打破摩爾定律的束縛，整個芯片產業將無法真正提高產能，突破供貨瓶頸。

如果在一時之間，沒有辦法徹底改變整個芯片產業，那么全球的各個產業就要繼續忍受因為芯片供應不足帶來的影響，直到問題從芯片產業內部得到解決嗎？

當然不是。從商業邏輯上，存在供需雙方，當供方出現供貨問題時，需求方最明智的做法，是尋找替代方案。具體到全球缺芯的問題，就是繞開“芯片死結”，或許能夠發現破除行業發展阻礙的正確邏輯。

“摩爾定律商用化，本身就是一個與現實相違背的邏輯，繼續延續下去，只有物理上會限制行業的門檻與發展的多樣性。”從事云端技術開發多年的資深IT技術人員劉青強調：“當一個技術，甚至是關乎各項領域命脈的技術被限制時，那么其未來的發展只會越來越窄，這是當代芯片行業的弊端。所以必要也需要從當下的芯片應用價值著手，來思考行業核心的應用形態。”

事實上，從芯片需求側角度考慮：從PC時代過渡到數據中心時代，再進階到如今的云計算時代，無論是個人用戶還是企業用戶，獲得IT能力的方式都已經不再僅僅依賴芯片本身性能和功能的增加。

疫情期間，居家辦公的需求成就了一款筆記本，其銷量甚至一度超越了戴爾和蘋果，這就是Chromebook——這個價格更低廉、沒有硬盤、所有應用都是通過SaaS的服務獲得的網絡筆記本電腦，與傳統更強調芯片性能的筆記本不同，其全部的性能和功能都取決于網絡。而這種模式正在由于移動網絡、云計算、5G等新興技術的廣泛應用，被越來越多的企業級用戶和個人接受。

“現在一個強調團隊作戰能力的時代，早就不是以前那個講究單打獨斗的時代了。”另外一位從事云計算技術研發多年的本土云計算廠商技術研發主管王強認為：云計算是利用“團隊作戰”提高整個IT在實際應用中的作用，而單純依靠芯片性能的提高，獲得更大IT能力，則更像過時的“個人英雄”時代，既不現實，也不持久。因此在他看來，眾多行業將自己的IT能力需求與芯片行業技術和能力的提升進行強綁定，本身就是問題，對于企業和個人用戶而言，算力集中并分配至終端運行才是當今算力最佳的選擇。

于是我們注意到，解決全球缺芯問題就有了兩個主要方向：其一，是在芯片產業內部，盡快找到“后摩爾定律”時代的發展邏輯，從而在內部解決產能天花板的問題；其二，在用戶群中，找到繞開芯片產能的限制，用其他方式獲得同等的IT能力——前者實際上是為了尋求技術發展規則上的突破，而后者則是給不同應用場景以更靈活的解決邏輯。

中國的后發優勢

有數據顯示，2019年底，我國芯片的消耗量占世界芯片消耗量的42%，國產芯片的自給率，卻不足30%。因此，作為信息產業的關鍵部件，芯片至今仍然是中國科技發展的短板，因此還是中國經濟發展的“卡脖子”項目，因此對于中國而言，如何找到“后摩爾定律”時代的發展軌跡，是重中之重。

2020年8月，國務院發布了《新時期促進集成電路產業和軟件產業高質量發展的若干政策》。文件中提到，要不斷探索構建社會主義市場經濟條件下關鍵核心技術攻關新型舉國體制。同時，在“十四五”規劃和2035年遠景目標綱中也提出，要深入實施制造強國戰略，加快補齊基礎零部件及元器件、基礎軟件等瓶頸短板，推動集成電路等產業創新發展。

在產業界，吳漢明強調：后摩爾時代下，半導體產業技術發展趨緩，創新空間和追趕機會也隨之擴大，而高性能計算、移動計算、自主感知成為芯片技術發展的驅動方向。

另據中國科學院院士、上海交通大學黨委常委、副校長毛軍發的觀點：半導體芯片未來繞道摩爾定律的途徑中，異構集成是其中一種。而所謂異構集成是指可以通過融合不同半導體材料、工藝、結構和元器件或芯片的優點，實現強大復雜的功能，具有優異的綜合性能，突破了單一半導體工藝的性能極限，從而使得芯片產品突破摩爾定理的束縛，具有靈活性大、可靠性高、研發周期短等優點。

顯而易見，從在芯片產業內突破摩爾定律束縛方面，中國無論是從背負的歷史包袱、產業集中度、技術研發能力等方面，都更具有后發優勢。由此，中國造芯的邏輯基本明了：不僅要挑戰物理極限的技術難度，還要進入業界主流。而在此過程中，中國下游芯片應用的發展，實際上是推動了中國對于新技術領域的發展，加速了云、網、邊、端的加速變化，從而實現了在用戶側一端的技術和應用場景進階。

IDC咨詢最新的《中國公有云服務市場（2020H1）跟蹤報告》顯示：2020年H1中國公有云服務整體市場規模（IaaS/PaaS/SaaS）達到84億美元，同比增長51%。其中（IaaS+PaaS）市場規模為64.05億美元（約416億人民幣）。IaaS市場同比增長57.1%，PaaS市場同比增長64.4%。在提供云服務的系統廠商中，阿里云、騰訊云和華為云，分別以41.6%、12%和8.4%位列前三，市場占有率超過60%。而跨國提供云服務的AWS和Azure分別以7.2%和2.8%僅名列第五和第八位。

與此同行，就是不久前，中國互聯網絡信息中心（CNNIC）最新發布的第48次《中國互聯網絡發展狀況統計報告》顯示，中國5G商用發展已實現規模、標準數量和應用創新三大領先：在規模上，中國已開通建設5G基站99.3萬個，覆蓋全國所有地級市、95%以上的縣區和35%的鄉鎮，5G終端手機連接數超過3.92億戶；在標準數量上，中國5G標準必要專利數量占比超過38%，居全球首位；在應用創新上，中國5G應用案例已超過1萬多個，覆蓋了鋼鐵、電力、礦山等22個國民經濟的重要行業和有關領域，形成了一大批豐富多彩的應用場景。

而工信部等十部門2021年7月聯合發布的《5G應用“揚帆”行動計劃（2021-2023年）》顯示：到2023年，中國5G個人用戶普及率將超過40%；在垂直行業領域，大型工業企業的5G應用滲透率超過35%；在社會民生領域，還將打造一批“5G+智慧教育”“5G+智慧醫療”“5G+文化旅游”樣板項目，“5G+智慧城市”建設水平進一步提升——所有的以上的信息都說明，在繞開芯片產能發掘新興技術能力、應用場景等方面，中國已經做好了準備。

沒有芯片不行，但只有芯片也不行。對于中國來說，國產芯片水平也許還不太行，但其他方面實在太行了。因此行業圍繞芯片而興，芯片反作用于行業而成，這是一個正常的技術邏輯，也是中國產業界用“兩條腿走路”的邏輯解決確信困惑的理論依據。

結語

無論如何，芯片產業目前已經成為牽動各個行業、甚至全球經濟走勢的一個節點——有人甚至將其類比成石油，這一問題始終都將被解決，困惑始終會消散，取而代之的，是在此過程中，誰找到了更合適的方式、用了更明智的方法，贏得了更多的先機？那么它就將具有主導下一個人類進化階段的節奏。從技、市場和后發優勢上分析，中國的勝算，很大。