半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)——歷久彌新的科學(xué)魔方

前言

“基礎(chǔ)研究將導(dǎo)致出新的知識，它將提供科學(xué)上的資本。它創(chuàng)造了這樣一種儲備，而知識的實際應(yīng)用必須從中提取。今天，基礎(chǔ)研究已經(jīng)成為技術(shù)進步的帶路人，這比以往任何時候都更加明確。一個在新的基礎(chǔ)科學(xué)知識方面依靠別國的國家，其工業(yè)發(fā)展將是緩慢的。而不管他的機械技術(shù)如何，在世界貿(mào)易競爭中所處的地位將是虛弱的?！?/p>

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——萬尼瓦爾·布什

01
半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)——歷久彌新的科學(xué)魔方?

1947 年圣誕節(jié)前兩天的一個中午，物理學(xué)家肖克利和兩位同事美國物理學(xué)家沃爾特·布拉頓（Walter Brattain）和約翰·巴?。↗ohn Bardeen），一起完成了“理論家+實驗家”的合作，發(fā)明了雙點接觸型晶體三極管。晶體管被譽為“20 世紀最重要的發(fā)明”。三位科學(xué)家也共同獲得了 1956 年的諾貝爾物理學(xué)獎。

事實上，三極管并非由上述三位發(fā)明。美國發(fā)明家德福雷斯特早在 1906 年就發(fā)明了熱電子三極真空管。為了實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，美國工業(yè)界非常渴望能用有整流作用的晶體制成三極管, 從而減小體積和功耗，同時提高可靠性, 延長壽命。

如果能夠達到這個目的，將會帶來一個必然結(jié)果：降低成本。這意味著巨大的經(jīng)濟利益。

但歷時四十余年幾乎毫無進展，直到物理學(xué)家巴丁出現(xiàn)。巴丁熟知量子理論，同時融會貫通了 1930s 的三項半導(dǎo)體理論（1931 年英國威爾遜電子能帶理論, 1938 年英國茅特及德國肖特基金屬半導(dǎo)體接觸整流理論, 以及 1935 年蘇聯(lián)理論物理學(xué)家弗朗克爾的光致導(dǎo)電性理論)，同時與肖克利和布拉頓完美的合作，最終才發(fā)現(xiàn)了晶體管效應(yīng)。

這直接導(dǎo)致了接觸型晶體三極管的誕生。然而，初始的晶體三極管依然無法工業(yè)化。如果當(dāng)時沒有肖克利這位“實驗家”的話，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展可能就會延遲了。經(jīng)過肖克利的改良，最終發(fā)展成面接觸 NPN 結(jié)型晶體三極管。這里面有兩種晶體可供選擇：鍺和硅。

這里想表達一個觀點：看似“最簡單”的晶體管，也需要完成理論的跨越以及多種理論的融合，同時需要達到可產(chǎn)業(yè)化的程度。對于人類來說，發(fā)展一門能夠推動人類社會前進的工程科學(xué)技術(shù)不僅僅需要全面而廣闊的研究，而且不能夠依賴特定應(yīng)用的技術(shù)發(fā)展，最終能夠為工藝過程和產(chǎn)品的開發(fā)提供理論指導(dǎo)。

這是極為困難的過程，屬于人類對于完全未知領(lǐng)域的探索。這意味著半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)從誕生伊始，就擁有著極高的知識含量。

終于在 1952 年，美國 TI 公司生產(chǎn)出了工業(yè)上適用的硅晶體三極管，從此美國出現(xiàn)了真正的半導(dǎo)體工業(yè)，這讓電子技術(shù)小型化成為可能。五年后仙童建立，之后仙童的蒲公英（中芯國際的朋友圈和仙童的蒲公英）飄向了全世界。

到 1960 年，美國 TI 公司和費爾柴德半導(dǎo)體公司的工程師們創(chuàng)制出半導(dǎo)體集成電路, 為電子技術(shù)微型化開辟了道路。TI 工程師基爾比因此獲得了 2000 年諾貝爾物理學(xué)獎。這里也有仙童和 IT 的集成電路專利之爭的故事，八仙童之一、后來 Intel 的創(chuàng)始人諾伊斯和基爾比的競爭也讓美國因為擁有這么多卓越的科學(xué)家而陷入“甜蜜的煩惱”。

半導(dǎo)體技術(shù)正在飛躍發(fā)展。隨著集成電路和微處理器帶來了電子技術(shù)革命而外, 還衍生出了發(fā)光二極管、二極管激光, 功率整流器, 以及各種半導(dǎo)體探測器等等豐富的工業(yè)產(chǎn)品。我們之前文章也提到了 1970s 年代 DRAM（【上篇】榮耀、財閥與政治：存儲器戰(zhàn)爭的陽謀）等等的發(fā)展。

事實上，半導(dǎo)體三極管的發(fā)現(xiàn)是在二戰(zhàn)后，依托于貝爾實驗室的固態(tài)物理學(xué)的基本理念做出的一項研究計劃。這是當(dāng)時的實驗室系統(tǒng)的主席凱利制定的，而做這計劃的緣由是：

凱利認為通過對量子力學(xué)的理解，人們有可能改進一些材料的性能。1979 年，貝爾公司已經(jīng)擁有了一張由 17 個實驗室組成的、遍布美國各地的龐大科研網(wǎng)。在 19300 多名工作人員中，博士 2580 人，碩士將近 400 人。

這是一種難以置信的公司科研能力，更是直接推動了美國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展。結(jié)果是，貝爾公司使全美國用上了“十二鍵”的集成電路按鍵式電話，將轉(zhuǎn)盤式電話徹底淘汰。

換句話說：如果不是形成了如此強大的基礎(chǔ)科學(xué)研究能力，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)恐怕也無法快速發(fā)展。

自從巴丁發(fā)現(xiàn)表面處理和接觸技術(shù)在發(fā)明晶體三極管過程中的關(guān)鍵性后，半導(dǎo)體集成電路和半導(dǎo)體激光器技術(shù)的發(fā)展是同表面科學(xué)研究成就有密切相關(guān)性的。

如何更好地制造半導(dǎo)體元件材料成為極為重要的學(xué)術(shù)以及工業(yè)研究課題。而半導(dǎo)體材料領(lǐng)域的研究，又回到了基礎(chǔ)科學(xué)研究的范疇。從某種程度上說，這又回到了人類對于未知領(lǐng)域的探索上了。

除此之外，美國的 17 個國家實驗室中，有大量的關(guān)于半導(dǎo)體技術(shù)的研究項目。例如能源部旗下大名鼎鼎的勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室、桑迪亞國家實驗室、洛斯·阿拉莫斯國家實驗室和美國商務(wù)部國家標準與技術(shù)研究院（NIST）。美國半導(dǎo)體工業(yè)協(xié)會（SIA）認為這 4 個實驗室對美國半導(dǎo)體工業(yè)未來的成功發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，例如光刻、建模和仿真，包括設(shè)備設(shè)計。1993 年，這 4 個實驗室將價值約 1.2 億美元的資源用于與商業(yè)半導(dǎo)體行業(yè)的合作研究與開發(fā)協(xié)議。

而半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展到現(xiàn)在，事實上已經(jīng)進入了一種更加極致的狀態(tài)。2019 年 10 月 11 日，位于比利時的微電子研究中心（IMEC）在東京舉辦的年度研究結(jié)果介紹會上，發(fā)布了新的半導(dǎo)體技術(shù)路線圖。

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圖 1：邁向 1nm 節(jié)點的技術(shù)路線圖（來源：IMEC）

在 1nm 節(jié)點，IMEC 提出了基于 CMOS 結(jié)構(gòu)的 Complementary FET（CFET）方案。同時，IMEC 對材料和晶體結(jié)構(gòu)進行著持續(xù)的改良，未來采用 high-NA EUV 光刻可能使晶體管結(jié)構(gòu)繼續(xù)微縮。而在全新的領(lǐng)域里，需要科學(xué)界、產(chǎn)業(yè)界以及社會各個領(lǐng)域更多的資源投入。

到這里有一個明顯的結(jié)論：半導(dǎo)體是這樣一個產(chǎn)業(yè)，它蘊含著極高的知識含量，融合著多個學(xué)科的研究成果，最終還要和工程技術(shù)實現(xiàn)完美的結(jié)合一起進行大規(guī)模的民用方面的生產(chǎn)。

同時做到這三點的產(chǎn)業(yè)，目前基本上只有半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)。這對于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的估值尤為重要。也就是說：

估值來自于對未來的認識和看法。一個可能會持續(xù)顛覆人類現(xiàn)有生活方式的產(chǎn)業(yè)，估值怎么給？IMF 測算過，每 1 美元半導(dǎo)體業(yè)的產(chǎn)值可帶動相關(guān)電子信息產(chǎn)業(yè) 10 美元的產(chǎn)值，并最終能帶來 100 美元的 GDP。2019 年全球的 GDP 為 87.75 萬億美金，就以全球半導(dǎo)體銷售額 4121 億美金來計算，可撬動的 GDP 高達 40 萬億美金。

這種價值鏈的放大效應(yīng)奠定了半導(dǎo)體行業(yè)在國民經(jīng)濟中的重要地位。很明顯，極高的知識含量、對未來的締造以及由此帶來的巨大的經(jīng)濟利益形成了科學(xué)魔方的三條變量，這讓半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)存在持續(xù)突破“估值天花板”的合理性。

我們需要做好充分的心理建設(shè)，因為這個產(chǎn)業(yè)的估值將會持續(xù)的讓你“無法接受”。更深的含義，在這里就不展開說了。

02
美國的“全產(chǎn)業(yè)鏈”和中國的缺失

1908 年 7 月 3 日，一些考古學(xué)家在對古代米諾斯文化時期的宮殿進行發(fā)掘時，無意中發(fā)現(xiàn)了技術(shù)史上一個最引人注目也最神秘的文物之一。

它是一個小小的、扁平的、沒有色彩的圓盤，直徑 6.5 英寸。同時這個圓盤上每一面都布滿了文字，文字落在一條曲線上。這條曲線以順時針的方向，從圓盤的邊緣呈螺旋形指向圓盤中心，一共 5 圈?？偣?241 個字母由刻畫出來的垂直線整齊的分布。

自出土后的 110 年來，這個菲斯托斯圓盤一直是個未解之謎。它的年代約在公元前 1700 年，這使得它成為了最早的印刷品。但是這個圓盤的作用和代表卻一直困擾著技術(shù)史學(xué)家，這明顯是一個“發(fā)明”，但是卻不知道用在何處。

但是技術(shù)史學(xué)家們認為：菲斯托斯圓盤開啟了人類印刷業(yè)的后續(xù)努力。

這個例子，是為了說明：發(fā)明和需求之間的關(guān)系。

我們通常認為，需求乃發(fā)明之母。人類的懶惰直接導(dǎo)致了眾多發(fā)明，例如洗衣機。也比如蒸汽機這一重要發(fā)明，就是為了解決從英國煤礦里抽水的問題。這讓我們誤以為其他很多重要發(fā)明也是因為察覺到了人們的某種需求，從而會為了發(fā)明而發(fā)明。

事實上，也有很多重要的發(fā)明，可以說明“發(fā)明乃需求之母”。

最有代表性的例子就是愛迪生發(fā)明的留聲機。留聲機可以說是現(xiàn)代最偉大的發(fā)明家完成的最具獨創(chuàng)性的發(fā)明之一。愛迪生于 1877 年發(fā)明了第一臺留聲機，但是現(xiàn)實卻非常骨感。他為此發(fā)表了一篇文章，來說明留聲機的作用，例如保留人的語言、錄下書的內(nèi)容讓盲人來聽、簡單的報時等等。包括音樂的復(fù)制，而這并不在當(dāng)時他重點推薦的應(yīng)用里。

1880 年后，愛迪生發(fā)現(xiàn)沒什么人對他的留聲機感興趣。他對助手說，這是一個失敗的發(fā)明，它沒有商業(yè)價值。又過了幾年，愛迪生還是決定銷售他的留聲機，主要推銷用途是作為辦公室口述記錄機使用，就是現(xiàn)在錄音筆的前身了。當(dāng)他有一天看到一些人把他的留聲機改成投幣就能播放音樂的唱片機時，他其實非常反感，因為這顯然“糟?！绷怂陌l(fā)明…

然而我們都知道，后來關(guān)于音樂的錄放，事實上正式開啟了現(xiàn)代音樂產(chǎn)業(yè)。

又比如汽車。我們常說，當(dāng)?shù)谝惠v汽車被發(fā)明的時候，就敲響了馬車產(chǎn)業(yè)的喪鐘。但是一直到卡爾·奔馳造出第一輛汽車的二十年后，汽車依然不被認可，因為當(dāng)時馬匹和鐵路已經(jīng)足夠滿足當(dāng)時人們的各種運輸需求。直至第一次世界大戰(zhàn)，軍方開始認可卡車作為均需品的運輸，以致在戰(zhàn)后軍方和汽車制造商進行了大量的游說，公眾才逐漸開始接受汽車作為他們的一種需求。在美國，汽車完全替代馬車也花了超過 50 年的時間。

因此，我們在談?wù)摪l(fā)明和需求時，常常搞反了他們的關(guān)系。

講發(fā)明和需求的關(guān)系，看似和半導(dǎo)體估值無關(guān)，實則息息相關(guān)。因為最近二十年最偉大的“發(fā)明”——智能手機，這恰恰是一個現(xiàn)象級的產(chǎn)品，而這個產(chǎn)品是由喬布斯讓我們成功的接受：我們有智能手機的需求。

在 2010 年 6 月 8 日，當(dāng)喬布斯拿著 iPhone4 出現(xiàn)在發(fā)布會現(xiàn)場時，很多人感覺到，這個“發(fā)明”將開啟一個全新的偉大的時代，喬布斯將會告訴我們，我們到底需要什么。

當(dāng)天發(fā)布會的現(xiàn)場，因為 iPhone4 的金屬邊框結(jié)構(gòu)導(dǎo)致信號不好。蘋果就讓工程師拿著信號發(fā)射器在臺下，保證喬布斯的演示正常。

在 2010 年時，諾基亞其實正如日中天，我們絕大多數(shù)人都還在用全鍵盤或者滑蓋、直板手機。諾基亞曾經(jīng)公開表示：iPhone 太易碎了，而諾基亞可以經(jīng)受的起任何摔打，用戶沒有觸摸屏的需求。后來，諾基亞也推出了一些觸摸屏手機，但是使用的是觸摸筆…

我認為：喬布斯發(fā)明了智能手機，然后我們發(fā)現(xiàn)我們可以用智能手機完成眾多的需求。而在滿足這個需求的過程中，例如信號更好，需要射頻和天線企業(yè)的努力創(chuàng)新；搭載更大的應(yīng)用，需要芯片設(shè)計公司的持續(xù)改進；智能手機輕薄的需求，需要芯片制造企業(yè)推動制程的微縮…而整個過程都離不開半導(dǎo)體材料和設(shè)備企業(yè)的支持。

正如此，在出現(xiàn)新的現(xiàn)象級發(fā)明以前，蘋果就會是整個半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的帶頭大哥，無論是從利潤獲取還是市值上。而滿足蘋果向前發(fā)展需求的企業(yè)，例如各種供應(yīng)商都不應(yīng)超越蘋果的市值。

偉大的現(xiàn)象級發(fā)明的出現(xiàn)，將會帶來一個產(chǎn)業(yè)事實：美國在解決這個發(fā)明所需要解決的問題時，就形成了全產(chǎn)業(yè)鏈?；蛘哒f，美國通過全球的產(chǎn)業(yè)合作，解決了全產(chǎn)業(yè)鏈的問題，例如 ASML 的光刻機。美國是目前全世界唯一一個不用擔(dān)心半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈斷裂的國家。

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圖 2 全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)布局
資料來源：Source: BCG analysis, using market data from Gartner and WSTS

上面這幅圖，很清晰的列出了全球幾個核心的玩家，其中包括中國。美國人考慮半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，思路可以說很清晰了：從宏觀（經(jīng)濟、政治、文化）到產(chǎn)業(yè)邏輯，最終實現(xiàn)了全面的布局。

我們之前提到，韓國在存儲器領(lǐng)域遠遠壓制美國，然而美國對此不恐慌，因為并不會對美國構(gòu)成“國家安全”威脅。美國對韓國的控制可以說是全方位的，無論是軍事、科技亦或是經(jīng)濟上，存儲器 1000 億美金的市場被韓國拿走 80%，美國也無須擔(dān)心。美國有美光，雖然市場份額只有 25%，但是這已經(jīng)足夠了。這僅僅是經(jīng)濟利益上的選擇，產(chǎn)業(yè)鏈并不面臨斷裂的風(fēng)險。

美國在幾乎全產(chǎn)業(yè)鏈領(lǐng)域都是“最強”的，除了材料和制造。而其中只有制造，美國看起來相對比較弱，其實有 Intel，這個“落后”也還好。即使是材料領(lǐng)域，美國也和日本、韓國相當(dāng)。?

歐洲沒有制造和封裝、日本沒有制造、韓國沒有 Core IP，中國臺灣沒有設(shè)備、CoreIP。這其中一個很大的原因，就是“iPhone”沒有出現(xiàn)在這些地方。

然而我們看到，中國什么都有，真的是全產(chǎn)業(yè)鏈，雖然每一環(huán)節(jié)都很弱，弱到近乎不存在，除了需求非常強。這是一個內(nèi)涵極豐富的圖。這一定程度上得益于我們之前提到的 IC 設(shè)計、制造和封測、材料和設(shè)備全產(chǎn)業(yè)鏈布局。但是我們事實上，是以美國成型的 IC 設(shè)計、制造和封裝、材料和設(shè)備三大環(huán)節(jié)去發(fā)展的，我們沒有美國產(chǎn)業(yè)發(fā)展之初的積累，在面臨沖突的時候產(chǎn)業(yè)鏈斷裂幾乎是必然。

悲劇的是，我們也沒有美國的金融、軍事實力，無法對全球產(chǎn)業(yè)鏈施加壓力，最終產(chǎn)生了如今的產(chǎn)業(yè)被動的結(jié)果。如果當(dāng)年我們有一項“現(xiàn)象級”的發(fā)明，或者更直接的說：iPhone 出現(xiàn)在中國，也許中國的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)又全又強…然而這不太可能，目前看起來，AI 時代中國有點可能有偉大的發(fā)明，希望如此。

至此，我們需要厘清估值的邏輯：

美國的全產(chǎn)業(yè)鏈構(gòu)建了合理的估值體系，至少是目前華爾街以及各種金融資本認可的合理估值體系，包括產(chǎn)業(yè)鏈不同環(huán)節(jié)的市值分布和 PE、PB 倍數(shù)。中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)估值不應(yīng)超過美國，因為我們面臨著產(chǎn)業(yè)斷裂的風(fēng)險，理論上某一環(huán)節(jié)的某一公司可能瞬間休克。

03
政治、經(jīng)濟與估值的螺旋?

然而，上面說的情況，僅僅是“截止目前”以及“理論上”。最后一部分，簡單談一點基于以上兩點的全新的變化。

中芯國際的上市，可以將“截止目前”轉(zhuǎn)化為“從此以后”。中芯國際作為整個半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的錨，中芯國際的市值為中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)打開了估值和市值空間。

中國作為占全球半導(dǎo)體需求 23%的龐大市場，理應(yīng)在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中劃分出一塊巨大的財富和市值。但是因為技術(shù)原因、政治原因、產(chǎn)業(yè)缺失等原因，中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)過去一直陷入偏見之中。然而中國經(jīng)濟的快速發(fā)展，又必然的會推升半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的市值與估值。

假如中芯國際的市值，在一定程度上逼近了臺積電，而且市值和營收、凈利潤極度不匹配，我們?nèi)绾翁幚恚?/p>

只能說：也許是臺積電被低估了。因為臺積電本身就擁有顛覆人們認知的能力，估值被壓制更重要是因為和大陸同樣的原因——政治因素。

中芯國際 vs 臺積電，市值的交替拉升也許是一個權(quán)力和財富重新分布的過程。而這個過程，又將影響到政治格局，至少中國臺灣擁有一個市值更加龐大的臺積電會讓美國更加的不安。

最后一部分的介紹，就到這里。

這是一個擁有極高知識含量的產(chǎn)業(yè)，這也是一個擁有創(chuàng)造未來的能力的產(chǎn)業(yè)，這還是一個對政治、經(jīng)濟格局產(chǎn)生巨大影響的產(chǎn)業(yè)。

至于估值，可以樂觀一點。