关于ZAKER 宙世代元宇宙 ZAKER智慧云 免费视频剪辑 合作 加入
虎嗅APP 2022-12-02

华为投资的这个产业,能不能让中国弯道超车?

出品 | 虎嗅科技组

作者 | 丸都山、陈伊凡

编辑 | 陈伊凡

头图 | 视觉中国

如果说华为是对半导体扎根最深、布局最细的企业,应该没人会有异议。

华为的哈勃投资,堪称行业风向标。

从 2019 年 4 月成立哈勃投资至今,这家公司的足迹几乎涉及半导体行业的每一个环节,第三代半导体,是其重点布局的领域之一。

11 月 15 日,华为投资的北京天科合达宣布成功研制出 "8 英寸碳化硅衬底 ",这项号称第三代半导体行业中技术难度最高的衬底产品,此前仅有英飞凌、Wolfspeed、意法半导体等少数公司能够掌握。

这是一个鼓舞人心的消息,在美国商务部工业安全局(BIS)宣布对出口管制进行针对性更新后,在第三代半导体领域国产替代方案的出现无疑会为中国的半导体产业注入一针强心剂。

倘若告诉你小到智能手机,大到超级计算机所使用的芯片都属于 " 第一代半导体 " 的范畴,那么你大概率会惊讶于国内的半导体行业发展水平—— " 第三代半导体得厉害成什么样子?"

但如果把这则消息分享给国际第三代半导体巨头们,他们可能会一头雾水,根本不理解什么是第三代半导体。

因为在国际上并没有这个概念,所谓的 " 第三代半导体 " 的标准名称是 " 宽禁带半导体 "。一位业内资深从业者告诉虎嗅," 第三代半导体 " 当初只是国内为了方便政府招商领导记住所创造出的名词。

" 第三代半导体与一、二代半导体之间不存在迭代关系,其应用场景也完全无法与第一代半导体相提并论。" 这位从业者表示。

当然,这并不代表第三代半导体没有发展前景。实际上,第三代半导体如今已经出现较之前庞大的市场需求,尤其是在新能源汽车行业爆发后。

只不过在这个名字之下,许多人认为它能够解决中国芯片行业被 " 卡脖子 " 的问题,甚至被视为中国弯道超车的机会,因为第三代半导体并不需要使用先进制程——以此可以摆脱美国政府的单边制裁。

但这个令资本、地方政府趋之若鹜的第三代半导体真能帮助中国芯片产业实现 " 弯道超车 " 吗?

一个被 " 误解 " 的名字

在回答这个问题之前,我们还需厘清下,国内对于半导体 " 迭代 " 究竟是如何定义的。

首先需要明确一个概念,所谓几代半导体,是以衬底材料作为区分标准。我们日常生活中接触到形态各异的芯片,是由晶圆切割后封装而成,而晶圆制备包括衬底、外延两大工艺环节,可以简单地理解成衬底是加工一切芯片的基础。

传统意义上,硅基半导体被视为第一代半导体,目前人类社会中 95% 以上的芯片使用的材料仍然是单晶硅,由于材料价格便宜,且产业链十分成熟,短期内硅基半导体的占比不会发生太大变化。

第二代半导体则是由砷化镓、磷化铟材料为代表,这类化合物半导体具有高频、抗辐射等特性,因此被应用在国防、航空航天、卫星通讯等领域。

至于本文提到的第三代半导体,其标准名称应该为 " 宽禁带半导体 ",这类材料以碳化硅、氮化镓为代表,具有更高的禁带宽度,适用于高温、高压、高功率场景。相比于单晶硅的便宜价格,第三代半导体使用的衬底价格昂贵,甚至会占到成本的将近 70%。

禁带宽度是决定 " 耐受高压、通态电阻、导热性能、耐高温、耐辐射 " 等性能的因素。在新能源汽车行业出现之前,第三代半导体的主要应用场景集中在 5G 基站、高铁、光伏逆变器等领域。

它最大的优势在于节能,公开信息显示,高铁上应用第三代半导体器件,能够在减少动力系统体积的同时节能 20%;在光伏逆变器领域,可以降低 25% 以上的光电转换损失;智能电网领域能够提高 40% 以上供电效率并降低 60% 的电力损失。

如果这么看,第三代半导体似乎和我们日常生活并没有过多关联。

的确,除了新能源汽车,在大多数情况下,第三代半导体的应用场景很难被人感知。而就目前来看,第三代半导体也完全不具备取代硅基半导体的能力。

以我们每天都会使用的智能手机为例,它的核心是处理器芯片及协处理器芯片,在分类上都属于逻辑芯片,顾名思义,就是负责运算和逻辑判断的芯片,这类芯片对于制程工艺的要求很高,比如我们经常能听见的 "5nm 芯片 ""7nm 芯片 " 等。

但就第三代半导体的发展情况来看,绝大部分还停留在 " 微米级 " 的制程工艺,而且它的特性更适合做功率器件,即电子装置中,电能转换与电路控制的核心,比如最简单的二极管。

" 第三代半导体根本不适合做逻辑芯片。" 碳化硅行业公司绿能芯创董事长廖启泊告诉虎嗅," 碳化硅、氮化镓不会取代硅基,各有各的特性。"

因此,所谓靠第三代半导体解决先进制程被 " 卡脖子 " 的问题完全是无稽之谈,也并不是弯道超车的机会。

但这是否意味着第三代半导体全无用武之地呢?

当然不是,由于第三代半导体材料具有耐高温且导热性能良好的特性,它被视为新能源汽车上功率器件的最佳替代品。

特斯拉是这个应用上," 第一个吃螃蟹 " 的企业。

中信证券曾在拆解特斯拉 Model 3 的研报中提到,Model 3 采用 48 颗 SiC MOSFET 替代了 84 颗 IGBT(绝缘栅双极型晶体管),使体积、功耗大幅减小,为全车增加了续航里程。

Model 3 是第一款在电机控制器中采用 SiC MOSFET 的电动车

这一里程碑式的创新迅速在新能源厂商中传播,一把火点燃了中国的第三代半导体行业。

" 特斯拉助推了中国第三代半导体在新能源汽车上的发展。" 一位在国内和国外从事多年半导体投资的投资人表示。

资本涌入,遍地开花

" 在 2019 年之前,国内第三代半导体产业并不存在投资过热的问题,甚至可以说是非常惨。"一位第三代半导体创业者表示。

实际上,中国对于第三代半导体材料的探索并不算晚。国际上,最早的商品碳化硅器件诞生于 90 年代。前述投资人表示,几十年前,他在国外一家头部半导体设备厂商工作时,他们就已经在看第三代半导体的项目了,彼时不投,是因为这个市场太小。这一点,在天岳先进的故事中得到了印证。

21 世纪初,山东大学晶体研究所的蒋民华院士就组建了碳化硅课题组开始攻关,并成功研制出碳化硅材料所需要的单晶炉,并掌握了碳化硅的加工技术,实现了从单晶生长炉制造、单晶生长、衬底加工和应用的全部国产化试验。

2011 年 5 月,蒋民华院士逝世,由于碳化硅半导体此时并没有成熟的市场作为支撑,鲜有企业愿意承接这一项目,课题也因此一度中断。此时,从事工程器械的宗艳民得知这一项目后,果断购买了山东大学碳化硅材料技术,成立了山东天岳先进科技股份有限公司,开始碳化硅材料技术的产业化研发。

几乎在同一时间,北京泰科天润半导体也开始第三代半导体的研制,并在次年开始产线建设工作。

此时国内的第三代半导体产业最显著的特点是,几乎完全是民间资本在驱动,官方少有介入。

很大程度上,正如前文所提到的,地方政府对于 " 碳化硅 "" 氮化镓 " 这些概念太过于陌生,这驱使当时的创业者们为 " 宽禁带半导体 " 换上了 " 第三代半导体 " 这个存在歧义,但却通俗易懂的名字。

2016 年,势单力薄的创业者们迎来了第一缕曙光。国务院国家新产业发展小组将第三半导体产业列为发展重点,国内企业扩大第三半导体研发项目投资,行业正式进入快速发展期。虎嗅根据公开资料统计,2016 年上马的第三代半导体项目有 11 个,平均投资金额上亿元。

企业时间项目名称投资额(万元)
江苏华功半导体有限公司2016 年 1 月年产硅基氮化镓外延片 24 万片项目119000
河北普兴电子科技股份有限公司2016 年 1 月碳化硅外延产业化项目5000
厦门瀚天天成2016 年 3 月六英寸碳化硅外延生产线项目130000
山东科恒晶体材料科技有限公司2016 年 7 月年产 12000 片 2 英寸氮化镓单晶基片项目10318
青海矽珂电子科技有限公司2016 年 8 月第三代半导体碳化硅材料产业化项目22600
北京世纪金光半导体有限公司2016 年 8 月宽禁带半导体功能材料与功率器件产业化项目98600
北京国联万众半导体科技有限公司2016 年 8 月第三代半导体材料及应用联合创新基地9000
南方半导体科技有限公司2016 年 9 月第三代半导体产业南方基地200000
江西德义半导体科技有限公司2016 年 11 月年产 600 万片新型半导体材料项目300000
厦门芯光润泽科技有限公司2016 年 12 月碳化硅功率模块研发及产业化项目200000
厦门华天恒芯2016 年 12 月碳化硅生产线项目150000

2016 年国内部分第三代半导体项目列表,单位(万元)

而特斯拉 Model 3 的发布,也为其他新能源车厂指明了方向:原来第三代半导体是这么用的。Model3 上,特斯拉把全部硅基功率器件改用碳化硅器件。

" 在特斯拉之前没有车厂想到用碳化硅来做替代。" 廖启泊向虎嗅表示,尽管将全车的硅基功率器件换为碳化硅器件,成本上要贵 300 美元左右,但使用碳化硅器件后可以简化水冷系统,在整车的总成本上反而会降低。对车厂来说是一桩更划算的生意。

最重要的是,没有一家车厂能够拒绝续航里程增加 5%-10% 的诱惑。

有了官方背书和增量市场,此时的国内第三代半导体产业实际上已经完成了从 " 导入期 " 到 " 成长期 " 的过渡,万事俱备只欠产业资本注入。

这项工作由华为挑起了大梁。2019 年 8 月,山东天岳先进的首份融资名单中,华为旗下的哈勃投资名字赫然在列,站在当时的视角,彼时的华为正在酝酿一个庞大的造车计划。

为了不再重蹈海思的覆辙,华为选择从源头培育供应链。在随后 18 个月,哈勃投资陆续注资 7 家第三代半导体公司,其中既包括天岳先进这样的衬底片公司,也包括从事外延片生产的天域半导体,以及提供第三代半导体相关设备的苏州晶拓。

被投企业参与轮次披露时间被投企业相关业务
山东天岳先进股份有限公司A 轮2019 年 8 月碳化硅衬底材料
北京天科合达半导体股份有限公司定向增发2019 年 10 月碳化硅晶片
苏州东微半导体股份有限公司战略融资2020 年 7 月碳化硅功率器件
瀚天天成电子科技(厦门)有限公司D 轮2020 年 12 月碳化硅外延片
广东天域半导体股份有限公司战略融资2021 年 7 月碳化硅外延片
苏州晶拓半导体科技有限公司战略融资2021 年 12 月第三代半导体设备
北京特思迪半导体设备有限公司Pre-A 轮2022 年 2 月第三代半导体设备

哈勃投资参与的第三代半导体产业投融资事件

华为带给天岳先进的影响是立竿见影的。在华为融资之前,天岳先进的估值为 10 亿元,而在短短一年后,这家公司的估值飙升至 100.95 亿元。

更大的影响则是华为加快了整个行业的投资进度。第三方调研机构 CASA Research 的统计显示,在 2018 年中国大陆共发生 4 起围绕第三代半导体的投资,涉及金融 60 亿,而到了 2019 年共有 14 起投资事件,涉及金额达 220.8 亿元。

也是在这一时期,国内新能源车厂开始效仿特斯拉,将第三代半导体器件用于新车。2020 年,比亚迪汉 EV 车型下线,该车搭载了碳化硅 MOSFET 模块,加速性能与续航显著提升;2021 年,比亚迪唐 EV 加入碳化硅电控系统;2021 年 4 月,蔚来 ET7 搭载具备碳化硅功率模块的第二代高效电驱平台。

由此,第三代半导体产业迎来真正的市场爆发阶段。根据《2020" 新基建 " 风口下第三代半导体应用发展与投资价值白皮书》内容,2019 年我国第三代半导体市场规模为 94.15 亿元,预计 2025 年市场规模将达到 623.42 亿元。

地方政府更是大刀阔斧引进第三代半导体项目,遍地开花。根据第三方分析机构芯谋研究的文章分析,2020 年,我国各地方发布的第三代半导体相关政策就有数十条,覆盖了超十个省(含直辖市)。

不过,在一片欣欣向荣的景象之下,国内第三代半导体企业似乎并未真正被市场所接纳,海量投资换来的高光时刻似乎并未持续太久。

疯狂过后的一地鸡毛

" 哈勃投资曾主动考察过我们的项目,但这些项目还处于立项阶段,我们都不知道该怎么和哈勃的人讲。" 一位业内人士向虎嗅表示,2021 年哈勃投资在全国范围内搜集第三代半导体项目,让许多硅基半导体企业也开始谋划上马碳化硅或是氮化镓项目。

但是,华为对于第三代半导体的热忱在 2022 年年初戛然而止。

2022 年 2 月,哈勃投资入股特迪斯半导体,后者主要从事化合物半导体设备的研发与制造,而在此之后华为至今再未染指第三代半导体行业。

一位从事半导体行业研究人士向虎嗅表示,现阶段国内第三代半导体产业的发展水平可能还无法满足华为造车的需求,因此华为暂时停止了对产业的投资。

这里我们可以拿比亚迪数据作为参考,在今年 6 月的一份交流纪要中,比亚迪披露了目前公司碳化硅器件的采购情况:在主要应用于车载 OBC(充电机)的大功率单管产品中,比亚迪经台湾汉磊代工,自供率实现 65%-70%,余下由深圳埃斯科等厂商采购。

在碳化硅模块芯片的采购上,70% 来自博世,20% 来自意法半导体,少数来自科锐(更名前的 Wolfspeed),而国内厂商无一家入选。

原因在于,目前碳化硅器件的成本端国外更有优势。比亚迪方面表示,科锐等市占率领先的大厂在良率上可以实现 75% 以上,国内的良率 55%-60% 左右。虎嗅就这一数字向业内人士求证,对方表示 " 理想状态下能够达到 50% 的良率,而且只有少部分国内厂商的产品能够满足车规级的稳定性要求 "。

云岫资本合伙人兼首席技术官赵占祥表示,因为在第三代半导体上很多制造、器件、封装、材料等工艺还没有大规模使用,还有许多不成熟的地方,其次是在具体的市场应用上,还没有各种细分市场中广泛使用,生产工艺和市场应用上还需要花很多时间把他们做稳定。

第三代半导体属于偏工艺端的产业,从设计难度来说,技术含量不高,难在工艺上。

由于第三代半导体的材质较为特殊,以碳化硅为例,它的莫氏硬度(一种矿物硬度标准)可以达到 9.5 级,仅次于金刚石(10 级),加工难度比硅基半导体要难得多。

廖启泊向虎嗅表示,在碳化硅产业的芯片端,尽管有六七成的工艺流程与硅基半导体相同,但核心工序的加工条件完全不同:比如硅基芯片可以在常温状态下完成离子注入,碳化硅材料在这道工序上需要高温。

而且,材料的硬度与脆性往往是呈正相关的,碳化硅材料极高的硬度也让其在加工过程中存在碎片、卷曲的风险,因此在良率上远不及硅基半导体。

导电型碳化硅衬底片,图片来源:天岳先进

显然,硅基半导体产业的制造经验很难直接套用在第三代半导体产业上,但国外在该领域商品化起步较早,因此在良率及成本上控制较好。

此外,国外的行业巨头们目前都掌握了一定的准入门槛:如意法半导体的应用经验与封装,Wolfspeed 的 8 英寸产品开发能力,英飞凌和罗姆的设计能力,还有安森美的垂直整合。短时间内,国内半导体公司还很难与海外巨头相竞争。

第三方研究机构 Yole 的统计数据显示,在 2021 年,上述五家企业已经掌握全球 88% 的碳化硅市场份额。在氮化镓行业中,市场也基本被富士、东芝、飞利浦等国外厂商所主导。

而在技术与工艺的差距之外,国内对于第三代半导体应用端的开发也较为滞后。

" 特斯拉 Model 3 改用全车碳化硅让中国的车企有了一个借鉴的起点,类似这种应用端的创新国内是需要补足的。" 廖启泊向虎嗅表示,包括碳化硅在内的第三代半导体产业,其实在国内有很大的增量市场。

以光伏逆变器产业为例,中国拥有全球最大的三家光伏逆变器企业:阳光电源、华为智能光伏、锦浪科技,近年来这些企业正逐步将硅基 IGBT 换为能量传导效率更高的碳化硅器件,另据第三方产业研究机构前瞻产业研究院的统计,仅国内的光伏逆变器市场,目前的产业规模就高达 460 亿元。

如果未来国内第三代半导体的应用端能够打开市场,那么即使技术不及国外巨头,但至少在成本上一定会有所降低。一位资深从业人士向虎嗅透露,在半导体行业中,通常情况下,如果产能提高一倍,成本至少能够下降 18%。

不过,就目前来看,行业内针对第三代半导体的投资已经有收紧的势头。一位业内人士说,他观察到,今年和他接触的地方政府已经不怎么签大型的半导体项目了,反而开始关注一些光伏之类的项目。

而多位投资人和业内人士都向虎嗅证实,尽管第三代半导体在前两年遍地开花,成为地方政府眼中的香饽饽,但真正做起来的项目寥寥。" 他们对外宣称金额总是很大。" 一位业内人士表示。

另外,一些项目立项之后,往往由于各种原因中途夭折,例如对材料的掌握远远不足、对工艺的把握远远不够,等等,还有更关键的问题就是买不到设备。

一位业内人士向虎嗅透露,第三代半导体在芯片端的设备以二手的六寸线设备为主,其中部分核心设备,如注入机、光刻机、刻蚀机、溅射台等,目前国内还不具备成熟的解决方案,而上述设备在国外也因产线升级而早早停产,因此无论是硅基半导体,还是第三代半导体,只要是六英寸规格的设备,都需要在二手市场中淘换。

与此同时,过去几年国内硅基半导体相关产能的数轮扩张,已经让二手市场的六寸线设备所剩无几,给第三代半导体行业的投建造成了阻碍。

写在最后

由于硅基半导体与第三代半导体互补的特性,因此 " 借助第三代半导体帮助国内半导体产业弯道超车 " 的说法恐难成立。

至于国内相关企业能否在这一赛道中实现 " 异军突起 ",不可否认的是,新能源相关行业的出现给第三代半导体产业创造了崛起的条件,哈勃投资等产业基金的强势进场紧接着又助推了一把,但无论是产业规模还是核心竞争力,都与国外巨头相比仍有不小的差距。

不仅如此,多位业内人士都向虎嗅表达了一个观点,许多在第三代半导体上耕耘的公司,市场集中度很高,核心还是在材料和工艺,没有人愿意把核心的工艺配方变成标准,交给代工厂。因此,很多时候,第三代半导体行业的头部效应尤为明显,且基本都是 IDM 的模式为主,留给创业公司的空间并不大。但业内人士同时表示,在一些特殊工艺或是器件上,还是会有一些能力很强的小公司,能够找到生存的机会。

但不管怎么样," 现在投资行业把第三代半导体这个东西炒得太热了,很多创业企业的估值并不合理。" 一位资深半导体投资人认为,第三代半导体产业爆发的拐点可能比较接近,但远没到实现的时候。

这位投资人告诉虎嗅,半导体行业并不是一个能够 " 大力出奇迹 " 的行业,相较于动辄几百亿的投资,第三代半导体产业更需要的是,用时间去解决产品与技术的难题。

Tips:我是虎嗅前沿科技组张晋源,关注消费电子、半导体及元宇宙相关行业,欢迎交流(请务必备注商业身份,谢谢。微信:18510113471)。

虎嗅APP

虎嗅APP

有视角的商业资讯与交流平台

订阅

觉得文章不错,微信扫描分享好友

扫码分享