矿机芯片厂商的激荡十年：从理想时代、产业时代到资本时代

日前，全球知名矿机生产商亿邦国际在美股上市，又让矿机芯片成为大家热议的焦点。

以比特大陆、嘉楠耘智为代表的矿机芯片厂商，创造了量产全球首款7nm芯片的记录，垄断了全球近90%的矿机芯片市场份额，作为台积电的前十大客户，订单量一度超过华为海思。在矿机芯片这个领域，我们不仅能看到像比尔·盖茨退学创办微软这样的传奇故事，也会看到过去激荡十年的大时代浪潮。

不仅如此，矿机芯片对前沿领域的技术积累、半导体行业人才培养等诸多领域，都具有巨大的行业价值和意义。

理想时代

2008年11月，在全球金融危机爆发一个多月后，中本聪在麻省理工的邮件讨论组中发表了一篇著名的论文---《比特币：一种点对点电子现金系统》；随后又在2009年1月于芬兰的一个小型服务器上挖出了比特币的创世区块，宣告了比特币的正式诞生。

时间来到2011年，还在北航上学的张楠赓第一次接触到了比特币。彼时的比特币还是GPU挖矿时代---在比特币世界中，拥有算力越高的矿工，其挖到的比特币数量也越多。为此，电路设计专业背景的张楠赓设计了全球第一款FPGA矿机。随后，张楠赓以“ngzhang”的ID在比特币论坛bitcointalk中推广其FPGA矿机，并开始在行业内小有名气。

然而，FPGA矿机也逐渐不能满足市场的需求，人们开始把目光转向专用集成电路（ASIC）领域。为此，2012年6月美国的蝴蝶实验室打响了研发比特币ASIC矿机的第一枪，如果蝴蝶实验室的ASIC矿机研制成功，那么比特币网络的大部分算力都将掌握在他们手中，拥有了发动51%攻击的能力，届时比特币将不再安全。

为了打破蝴蝶实验室的垄断，自称“为了捍卫比特币世界和平”的张楠赓也开始着手研发矿机。然而，此时的张楠赓正在攻读博士学位，学业任务繁重的他无法专注于ASIC矿机的研发。为此，张楠赓做出了一个大胆的决定---直接退学创业。

当时蝴蝶实验室研发ASIC矿机的消息也传到了中国另一个天才少年---蒋信予那里。人称“烤猫”的蒋信予，当年以全国第11名的成绩考入中科大少年班，随后在2011年前往耶鲁大学深造。在耶鲁大学，蒋信予第一次接触到了比特币，并迅速对其产生兴趣。随后也从耶鲁休学，并在2012年7月于深圳注册成立了自己的公司Bitfountain，专注比特币ASIC矿机的研发。

2013年上半年，蒋信予和张楠赓的矿机先后研发成功，并进行了首批矿机交付。此时蝴蝶实验室却还在悠哉游哉，芯片设计问题迟迟无法解决，发货日期遥遥无期。2013年9月，阿瓦隆矿机芯片实现量产并大规模发货，很快有80万个芯片投放市场；蒋信予的烤猫矿机此时也占据了比特币全网20%的算力，成为矿机芯片领域最大的赢家。至此，ASIC挖矿时代正式来临，国内的矿机芯片企业在该领域占得先机。

多年过去，回顾这段往事，很多人都会觉得不可思议---芯片一直是我国的薄弱产业。但为什么中国的矿机芯片厂商在早期就能如此成功？ 除了张楠赓的“破釜沉舟”和蒋信予的“聪慧过人”这些“人和”因素外，更多的在于两个原因：矿机芯片市场的特殊性和中国的工程师人口红利。

（1）矿机芯片市场的特殊性

在芯片设计领域，市场一直存在一个误区：国内芯片设计的瓶颈在于技术落后，并以华为事件为例，指出目前我国在EDA软件和底层架构方面受制于人。然而在2018年以前，我国的芯片设计公司在EDA软件的使用和底层架构的授权上并没有受多大影响，但发展壮大起来的芯片设计公司仍是少数。

事实上，我国芯片设计领域的发展瓶颈，不仅仅在于技术壁垒领域，更重要的是缺乏市场支持。我国大多数芯片设计公司的尴尬在于：设计出的芯片没有客户愿意使用，而芯片的问题又必须在实际中不断运用才能发现并解决。

以华为海思为例，2012年开始华为手机开始搭载海思设计的芯片。然而当时海思的K3V2芯片性能极差，造成华为推出的Ascend D系列手机一经面世就被消费者诟病：发热严重，加载缓慢。即便这样，华为依然选择坚持使用海思芯片，并不断进行优化。到了2018年，海思的麒麟980芯片性能已经达到全球顶尖。如果没有华为手机对本公司芯片的无条件支持，也就没有今天的华为海思。

相较于华为海思的厚积薄发，矿机芯片厂商则更幸运一些，这主要取决于矿机芯片市场的特殊性：首先，当时的大部分矿机设备都是GPU，而ASIC领域还是一片市场空白，属于市场的新需求新产品；而诸如英伟达、高通这类大公司并不屑于进入该领域，这就让新进入者避开了与行业巨头的竞争，有做大做强的机会。

其次，矿机芯片有很强的金融属性。普通芯片主要用于各类生产生活活动，而矿机芯片则可以通过挖矿产生现金流收入。在算力方面，ASIC比同时代的GPU高出几百倍。更高的算力即意味着更高的挖矿收入：当时一台定价8000元的阿瓦隆矿机，每天能够通过挖矿获得近7万元的收入。

就普通芯片而言，用户更在乎的是芯片的性能问题；但对于早期的矿机芯片而言，用户只要能买到一台矿机即意味着可观的利润，而矿机芯片本身的性能问题当时看来就不那么重要。所以ASIC矿机一经推出，就立刻受到市场的热捧，而在矿机厂商在出售矿机的同时又能不断对矿机芯片进行优化，由此形成一种正向循环。

（2）中国工程师人口红利

中国矿机芯片厂商的成功，很大一部分归功于中国的工程师人口红利。ASIC矿机芯片，本质上是SHA265算法的硬件实现，设计难度并不大。尤其是在早期从0-1的阶段，并不需要集成电路领域的顶尖人才参与。而在过去二十年间，我国高等院校培育了大批理工科背景的人才，形成了工程师群体的人口红利。根据官方统计，我国理工科硕士毕业生数，从2000年的2万人/年上升到2018年的20万人/年，年复合增长率近25%。

过去十年来规模庞大的工程师群体，也许不是行业内最顶尖的，但在劳动力成本和效率上却具有明显优势。这在早期与美国蝴蝶实验室的竞争中就得到了充分的体现。ASIC矿机方案提出之初，国内的阿瓦隆矿机采用110 nm工艺技术，烤猫矿机用的是130 nm 工艺技术，而美国的蝴蝶实验室一开始就采用65nm 工艺技术。正如当时亲历者回忆的那样：相较于国内开发人员顶着高烧，夜以继日研发矿机；美国的开发人员则都是热爱生活的人，不会把精力都放在矿机研发的工作上。蝴蝶公司从2012年6月开放预订，但直到一年后也没有交货，而此时国内的矿机厂商已经开始大规模发货。

产业时代

2013年的矿机芯片市场是属于张楠赓和蒋信予的“双子星”时代，国内矿机芯片厂商依靠工程师红利在起跑线上获得了领先，但这种优势并不牢固，因为起步阶段的矿机芯片设计难度并不大，进入门槛很低。由于早期矿机市场的超高利润，国内涌现出许多新的矿机厂商，俄罗斯瑞典日本等一众国外厂商都在虎视眈眈。在激烈的市场竞争中，国内厂商是如何赢得最后胜利的呢？这就不得不谈一家著名的公司---比特大陆。

相比声名显赫的比特大陆，其创始人吴忌寒的经历也非常传奇。北大经济学毕业的吴忌寒早年在金融行业工作，从2011年就开始关注比特币，并为此做了大量的工作：成为Bitcointalk中文社区的版主，第一次将中本聪比特币论文翻译成中文，与科幻作家长铗成立了国内第一家比特币资讯交流平台---巴比特。2013年4月，看准时机的吴忌寒从金融行业辞职，并与有集成电路设计背景的詹克团一起成立了比特大陆。

在詹克团的带领下，比特大陆迅速研发出55 nm矿机芯片，并在2013年11月推出了蚂蚁S1矿机。凭借其优异的性能，比特大陆很快占据了一部分市场份额。然而好景不长，2013年12月，加密货币市场开始进入寒冬，比特币价格从1,100美元的巅峰，一路下滑到200美元的最低点。

在2014年的漫长寒冬中，矿机市场也大受影响，一大批矿机厂商纷纷倒闭。“天才少年”蒋信予也同样没有熬过这个冬天---2014年初蒋信予推出了第三代芯片BE300，但却出现了严重的质量问题，导致芯片滞销，亏损严重的蒋信予随后从人们的视野中消失。

出乎意料的是，比特大陆却在寒冬中开始崛起：2014年4月蚂蚁S2矿机开始出售；7月推出蚂蚁S3矿机；12月蚂蚁S5矿机量产；到了第二年的11月，蚂蚁S7矿机研发成功...在比特大陆的凌厉攻势下，2015年下半年市场逐步回暖时，人们惊奇地发现矿机市场上几乎只剩下比特大陆的蚂蚁矿机。2015年，比特大陆全年净利润达3.34亿元，成了当之无愧的行业巨头。

比特大陆为何可以取得如此大的成功？很多人认为矿机芯片的设计难度低，一开始确实这样，但随着矿机市场的逐步成熟，芯片设计也开始呈现出专业化和产业化的趋势。矿机芯片的特殊之处在于，其主要用来并行运算，因此算力并不那么重要，关键在于芯片的功耗---对于算力相同的两款矿机，谁的功耗小，那么谁的电费成本更低，进而在市场上更有优势。

为此，比特大陆的开发人员经过一系列探索，发现了一种适合动态逻辑面积大管子多的标准单元，而这种标准单元的特别之处在于其触发器是动态的。相比静态逻辑的触发器，动态逻辑触发器的优势在于其面积和功耗都是前者的一半。

同样地，在这一时期，清华博士毕业的杨作兴也开始以兼职形式加入比特大陆，并带来了全定制方法学。众所周知，目前的芯片设计依赖EDA（电子设计自动化）工具，而全定制方法学则打破了该模式。全定制方法学在RTL设计的晶圆厂单元库、逻辑综合和布局三个设计环节采用定制化、人工化设计，每个细节设计都力求精雕细刻。尽管这样效率低下，但对芯片的各方面都进行了定制化设计，使得芯片的功耗×面积优化比例大幅提高。

在动态逻辑方案和全定制方法学下，比特大陆于2015年完成了蚂蚁矿机S7系列（28 nm）和S9系列（16 nm）的研发。这两款机型在性能上远远优于其他厂商，其产品成本仅仅只有对手的一半。

芯片设计行业的特点在其特殊的市场结构。对于一般行业而言，低端产品占据大部分市场份额，但高端产品的市场份额较低。而芯片市场的特殊之处在于，往往会出现“赢者通吃”的局面。

凭借蚂蚁S7与S9的销量的成功，比特大陆一跃成为矿机芯片市场的巨头，占据市场80%以上的份额。在比特大陆的强大技术优势下，国外的矿机芯片厂商纷纷出局：2014年和2015年高调的KNC、bitfury、Spondoolies-Tech、21 Inc.都很快宣布破产或者退出矿机芯片市场。而随着比特大陆的员工流动，动态触发器和全定制方法学也逐渐传播到国内其他芯片厂商手中，但相关技术仍然保留在国内。2017年日本的GMO公司想要进入矿机芯片市场，但其落伍的技术设计，根本无法与国内的厂商抗衡，很快就因亏损而退出市场。

至此，矿机芯片市场成了中国厂商的天下。数据显示，在2017年，中国的三大矿机厂商比特大陆，嘉楠耘智和亿邦国际，垄断了全球近90%的市场份额，剩下的也被诸如武汉芯动，比特微等其他中国厂商瓜分。

资本时代

2017年比特币迎来牛市，全年涨幅高到1700%，巨额的投资收益吸引了全世界的目光。一时间比特币和区块链成为市场上最热门的话题，众多区块链公司如雨后春笋般诞生，A股市场则兴起了“区块链概念股”，创投圈也开始兴起了“All in Blockchain”，而作为行业中最赚钱的矿机厂商也成了炙手可热的公司。

在市场最疯狂的2017年12月，比特大陆的销售们受到了众星捧月般的对待，客户们纷纷给销售送礼，请客吃饭，就为了得到蚂蚁矿机的订单，而此时比特大陆的订单已经排到了第二年的春天。根据弗若斯特沙利文的数据显示，在2016年ASIC矿机的市场规模仅仅7亿美元，而到了2017年其市场规模就达到了30亿美元；在当年的矿机交付量中，比特大陆出售了94万台矿机，嘉楠耘智29万台，亿邦国际5万台，占据了全球市场88%的份额。在此情况下，矿机公司纷纷开始酝酿上市。

2018年9月26日，比特大陆正式向港交所递交招股说明书，加上嘉楠耘智和亿邦国际分别与2018年早前先后赴港递交上市申请书，一时间矿机芯片公司占据了资本市场的头条，而外界也终于可以一窥这些神秘矿机厂商的业务营收情况。当然，其结果大出人们意料，其经营绩效情况居然优于同行业大多数的A股上市公司。

在营业收入方面，2017年比特大陆的营收达到164.52亿元，而同时期的A股半导体行业上市公司，营业收入最高的是天合光能 261.58亿元。因此从营收排名上看，比特大陆将在所有A股半导体上市公司中排名第四，低于第二名长电科技的238.5亿元，第三名纳思达的213亿元，但高于隆基股份的163.6亿元。

从净利润上看，嘉楠耘智与比特大陆连续三年都保持1倍以上的净利润增长率。在2017年，比特大陆的净利润高达45.83亿元，嘉楠耘智为3.61亿元，亿邦国际为3.85亿元。如果和上市公司一起按净利润排名，那么2017年比特大陆的净利润可以傲视整个半导体行业---2017年A股半导体上市公司中净利润最高的是隆基股份，但其净利润也只有35.49亿元，较比特大陆少了近10亿元的净利润。

然而，由于区块链业务过于超前，港交所对矿机厂商的持续经营能力存疑，最终拒绝了三大矿机厂商的上市申请。区块链企业的首次上市尝试就此黯然退场。随后三大矿机巨头纷纷把目光转向美国证券市场：2019年11月21日，嘉楠耘智成功登陆美国纳斯达克，成为全球首家区块链上市公司；2020年6月，亿邦国际成功在美上市；据相关报道，比特大陆也在准备赴美上市。

（杭州市为庆祝嘉楠耘智上市成为“全球区块链第一股”而举办的灯光秀）

矿机厂商们跌宕起伏的发展历程，并未随着赴美上市就划上终点，在不远的未来，他们还会继续抒写属于自己的辉煌。也许很多人对此会不屑，认为矿机芯片除了用于加密数字货币的挖矿外毫无价值。这是目前市场上颇为流行的错误观点，然而很多人都没有意识到，矿机芯片对半导体行业的价值和意义，不亚于如今规模达几千亿的国家集成电路基金，至少体现在以下三个方面：

（1）半导体产业人才的培育

我国芯片行业的问题在于，行业本身是一个人才密集型行业，但对人才的吸引力却远远不足。根据《中国集成电路产业人才白皮书（2018-2019）》的调查，2018年我国高校毕业生为820万人，集成电路相关专业的毕业生总数约为19.9万人，但只有3.8万集成电路相关专业的毕业生进入本行业，即仅有19%左右的毕业生进入半导体行业就业。

究其原因，主要在于芯片行业的薪资水平不高。根据统计，在2019年中国上市公司中，半导体行业的高管平均薪酬不到金融行业的一半，是房地产行业的64%。没有市场竞争力的薪酬，无法吸引人才，因此产生大量人才缺口，根据《白皮书》预测，至2021年中国仍然存在26.1万人的缺口。

相比而言，矿机厂商所在的区块链行业平均薪水却很高。根据猎聘网的相关数据，在2019年区块链行业技术类岗位平均年薪为38.4万元，高于互联网行业的20.1万元。在2018年以前，半导体行业的待遇远低于互联网行业，导致大部分集成电路专业的毕业生都流入后者，而矿机芯片领域的兴起，吸引了大批优秀的人才投身到矿机芯片设计领域，包括我们前面介绍的现任比特微公司创始人杨作兴。

毫无疑问地，矿机芯片厂商，尤其是在2018年的“全民学芯”，力争芯片国产化的热潮前，其优厚的薪资待遇为我国的半导体产业挽留了大量芯片设计人才。更难能可贵的是，相比于连“流片”环节都没有接触过的高校科研人员，矿机芯片厂商为我国的芯片从业人员提供了绝佳的平台，无论是全球领先的7nm工艺，还是最先进的5nm工艺，都可以在第一时间参与设计并进行测试。

（2）前沿领域的技术积累

很多人对矿机芯片的一大误区是其积累的技术在其他领域没有用。在人工智能日益崛起和摩尔定律日渐失效的当下，这些技术展现出极大的价值和用途。

首先是人工智能领域，由于边缘运算的需求与日俱增，AI开始从“云端”走向“终端”。在各类平台中，CPU擅长控制，并且其设计决定了在工作时为了减小数据传输对运算力的浪费，需要累积到一定数据量才进行计算，而这无法满足AI需要的强实时性；GPU则在负担高功耗的同时只利用其中部分的计算资源，不论是在云端还是终端，都不是一个具有良好能耗比的选择。因此，在高性能、低功耗的终端，ASIC芯片越来越受欢迎。除了不能扩展以外，ASIC芯片在功耗、可靠性、体积方面都有优势。

为此，市场分析普遍认为，随着边缘计算的发展，ASIC将成为未来AI芯片的核心。Ovum调查报告指出，在2016年，云端(包含企业、数据中心等)为深度学习芯片的主要营收领域，占了80%，但到2025年，此比例将会改变，边缘占比将达到80%，而云端的比例则降为20%，ASIC的市占率有望随着边缘运算的需求增加而明显攀升。预计到2025年ASIC的市占率将从目前的11%大幅增加至48%。

目前市场上主流 ASIC 有 TPU 芯片、NPU 芯片、VPU 芯片以及 BPU 芯片。由于 ASIC 开发周期长，仅有大厂有资金与实力进行研发，而比特大陆正是其中的佼佼者，在矿机芯片的研发中积累了大量的技术和经验。除此之外，嘉楠耘智，亿邦国际等其他厂商也对AI领域有所布局。

矿机芯片积累技术的另一个应用则是“摩尔定律”领域。上世纪70年代，Intel公司创始人戈登·摩尔提出“当价格不变时，集成电路上可容纳的晶体管的数目，约每隔18-24个月便会增加一倍”。与此同时，计算机性能通常也将提升一倍。然而自2011年开始，摩尔定律就很难持续推进下去。为此，包括英特尔在内的众多半导体企业和专业机构纷纷寄希望于“架构创新”来实现“超越摩尔”。

矿机芯片领域的“全定制方法学”即一种全新的“架构创新”方向：由杨作兴采用全定制方法学设计的蚂蚁S7、蚂蚁S9、神马M3、神马M10，每一代矿机的推出，与同样制程工艺的采用传统方法设计的矿机芯片相比，在功耗×成本优化比例上，都提升了4倍以上。这远超出了单纯依靠先进制程工艺所带来的提升。因此正如杨作兴坦言，全制定方法学带来了芯片设计上的创新，将有望继续推动摩尔定律前行5-10年。

（3）对国内半导体产业的促进作用

2020年4月，A股上市公司的长电科技发布公告称，由于封装质量不合格，武汉芯动技术公司向无锡市中级人民法院提起诉讼，向长电科技索偿1.75亿元。值得注意的是，根据财报披露，2019年长电科技全年净利润仅为0.89亿元。

很多人在看到这条新闻时都表示不可思议，这家名不见经传的武汉芯动公司，其索赔额度竟可以吃掉长电科技近一年的净利润。事实上，武汉芯动也是中国的一家矿机芯片厂商，只不过与比特大陆，嘉楠耘智这些市场巨头相比，规模更小也更为低调。

当然，很多人也通过这件事，开始认识到矿机芯片在我们半导体产业链中的地位已经不可小觑，是下游的晶圆制造商和测封厂起到了重要的作用，尤其是在先进制程工艺领域，其作用更为重要。

从2017年开始，比特大陆和华为海思就成为台积电在中国大陆最大的两个客户。2017年10月，台积电公布第三季度业务营收，令人震惊的是来自矿机芯片的需求，为台积电第三季营收增加了3.5亿到4亿美元。甚至由于矿机芯片在当年对华为海思的麒麟芯片产能形成了挤压效应。根据集微网报道，2017年12月比特大陆在台积电的10nm制程的订单超过了华为海思的麒麟芯片。

从财务数据上也能发现此类现象，根据三大矿机公司的招股说明书和财报，从2015年至2019年，比特大陆，嘉楠耘智和亿邦国际的销售成本分别达到83.24亿元，19.39亿元和9.49亿元。在矿机的各类成本中，晶圆制造成本约为75%，封装及测试成本约为15%，由此我们可以测算出三大矿机厂商在各年份花费在晶圆制造和测封上的费用，如下图所示，在晶圆制造领域，三大矿机厂商的花费由2015年的3.92亿元上升至2019年的84.09亿元；测封费用由2015年的7,848万元上升至2019年的16.81亿元，年复合增长率均超过1倍。

以为三大矿机厂商提供测封服务的长电科技为例。长电科技是国内最大，也是全球第三大测封厂商。根据财报，2019年长电科技的营业收入为235.26亿元，净利润刚扭亏为盈，达到0.97亿元。即便如此，长电科技的大部分盈利实际上是来源于政府补助。2019年长电科技披露获得政府补助10,358.77万元，同样地，从2016年到2018年的这三年，长电科技的净利润分别为1.06亿元、3.43亿元、-9.39亿元，对应计入当期损益的政府补助却高达2.07亿元、3.51亿元、1.55亿元。这也意味着，作为全球第三大测封厂商的长电科技，很大程度上是依赖政府补贴过活。

很显然，对于矿机芯片这个一个已经达到十亿级别，且还在迅速增长的市场，对于国内的测封厂商而言十分重要。

同样地，在晶圆制造领域，由于矿机芯片要求进行大规模、高性能和低功耗的计算，对先进制造工艺的需求十分大。由于矿机芯片更多地在意性能，加上需要抢占市场，因此对晶圆的价格不是很在意，所以诸如台积电之类的晶圆代工厂，很乐意为矿机厂商增加订单，甚至为允许矿机厂商参与7nm和5nm最新制程工艺的测试。

以嘉楠耘智为例，根据最新消息，目前国内的晶圆制造巨头中芯国际已经开始与嘉楠耘智协商在14nm矿机上合作。那么嘉楠耘智对14nm工艺芯片的需求有多大呢？欧科云链研究院根据嘉楠耘智披露的每年各类型矿机销售记录以及矿机内部的芯片数量情况，测算了其每年对先进制程芯片的需求。如下表所示，在2019年，嘉楠耘智对16 nm芯片的需求大约为7,609 万片，预计对14nm芯片的需求，也将保持在同样数量级别上。

根据中芯国际的官方消息，截至2019年底，中芯国际的14nm产能只有3000到5000晶圆/月，预计到2020年底也仅能达到15,000片晶圆/月。考虑到晶片的成品率和每个晶圆上的晶片数，我们预计假使嘉楠耘智将全部的14nm订单都给了中芯国际，即使在2020年底完成了产能扩张，中芯国际也需要花费1-2个月的产能才能完成所有订单。

因此，对于国内的晶圆代工巨头而言，来自于矿机芯片的订单绝对是一笔可观的收入，这也将推动中国的晶圆制造商研发更先进的制程工艺。

后记

由于区块链技术尚处于早期，出现很多市场乱象，人们对矿机芯片厂商也颇有微词。然而，作为加密数字货币底层的区块链技术，可能是未来的“甘露”。2019年10月24日，中共中央政治局就区块链技术发展现状和趋势进行第十八次集体学习，国家领导人就此发表重要讲话，肯定了区块链技术的集成应用在新的技术革新和产业变革中起着重要作用，并将区块链技术作为国家核心技术自主创新的重要突破口。相信未来随着我国区块链产业的进一步发展，人们会更多认识到矿机芯片厂商的价值。