國內(nèi)的芯片產(chǎn)業(yè)在未來很長一段時間都將處于追趕狀態(tài)。要實現(xiàn)真正的彎道超車，可能需要等待顛覆性技術(shù)的出現(xiàn)或產(chǎn)業(yè)發(fā)展賽道的切換，如碳基芯片、量子計算等技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化。這類新技術(shù)的發(fā)展有可能打開全新的產(chǎn)業(yè)格局。

　　在眾多現(xiàn)代科技中，集成電路(芯片)占有獨特地位，是信息處理和計算的基礎(chǔ)，是高科技的核心。

　　全球芯片產(chǎn)業(yè)在過去三十多年中保持了高速發(fā)展，年均增速近10%，2021年全球市場規(guī)模約為5600億美元。

　　集成電路產(chǎn)業(yè)在全球經(jīng)濟體量中的直接占比并不高，約占全球GDP的 0.5%，但其對經(jīng)濟的影響力卻要大得多。近兩年，汽車產(chǎn)業(yè)“缺芯”令很多汽車廠商不得不限產(chǎn)而帶來巨大經(jīng)濟損失。

　　集成電路在各行各業(yè)的應(yīng)用廣泛，下游需求結(jié)構(gòu)在過去二十多年發(fā)生著顯著變化：計算機行業(yè)從1998年帶來超一半的芯片需求，到如今需求占比約三成;通訊領(lǐng)域一度是最重要的需求增長力量，但過去十年在需求占比中基本穩(wěn)定維持在三成左右。汽車和工業(yè)是兩個值得重點關(guān)注的下游應(yīng)用領(lǐng)域。

　　汽車行業(yè)對芯片的消費占比從1998年的4.7%增長到2021年的12.4%。隨著智能化和電動化發(fā)展，汽車行業(yè)在可見的未來將對集成電路的需求保持強勁增長。工業(yè)領(lǐng)域的信息化、智能化帶來的芯片需求增量是另一個重要的增長點。

　　芯片產(chǎn)業(yè)的生態(tài)

　　由于應(yīng)用場景多樣，集成電路產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)品種類繁多。集成電路大致可以分為數(shù)字芯片和模擬芯片兩大類。數(shù)字芯片包括存儲器、處理器和數(shù)字邏輯芯片等。模擬芯片包含電源管理類、信號鏈類和射頻類芯片等。在這個分類層面上的存儲器和數(shù)字邏輯芯片，都是超過1500億美元規(guī)模的細(xì)分市場，里面又包含很多不同的芯片產(chǎn)品。

　　集成電路的生產(chǎn)過程主要包括設(shè)計、制造、封裝和測試。集成電路的發(fā)展還離不開重要的支撐產(chǎn)業(yè)，如提供芯片設(shè)計工具的EDA軟件行業(yè);為芯片制造和封測提供不可或缺支撐的集成電路設(shè)備行業(yè)和材料行業(yè)。

　　在集成電路的產(chǎn)業(yè)鏈中，設(shè)計是創(chuàng)新需求最高，變化最快，附加值最高的部分，占據(jù)產(chǎn)業(yè)鏈條中超一半的附加值(53%)，遠(yuǎn)高于制造(24%)、封測(6%)和設(shè)備(11%)等環(huán)節(jié)。

　　英偉達、高通等國際巨頭都是芯片設(shè)計企業(yè)，不直接參與芯片生產(chǎn)。在全球化背景下，芯片產(chǎn)業(yè)在發(fā)展過程中，領(lǐng)先企業(yè)往往有巨大動力把產(chǎn)業(yè)中附加值較低的部分外包出去，從而培育出巨大的全球性生態(tài)體系。

　　這種生態(tài)體系得以讓每個芯片公司把精力集中到自己的專項上。生態(tài)體系的形成、設(shè)計和制造的分工，降低了芯片設(shè)計領(lǐng)域的進入門檻，使很多小型化芯片設(shè)計公司也可以尋得生存空間，從而進一步豐富芯片行業(yè)的生態(tài)。

　　芯片行業(yè)的基礎(chǔ)架構(gòu)

　　芯片制造大概可分為前端單晶硅片的制造、從硅片到晶圓的前道工藝和晶圓切割封裝測試的后道工藝三部分。芯片制造/代工企業(yè)，通常指在產(chǎn)業(yè)鏈中主要承擔(dān)前道晶圓制造的企業(yè)，這部分也是整個制造鏈條中最精密復(fù)雜、技術(shù)和資本最為密集的領(lǐng)域。

　　英特爾、德州儀器等芯片企業(yè)，既從事芯片研發(fā)設(shè)計，又通過自有工廠制造晶圓。這類企業(yè)被稱為IDM(整合制造模式)公司。IDM模式是集成電路產(chǎn)業(yè)早期發(fā)展的主流模式。但隨著產(chǎn)業(yè)分工的發(fā)展，以臺積電為代表的晶圓代工廠(為純芯片設(shè)計企業(yè)提供制造服務(wù)的模式)在芯片制造領(lǐng)域的影響力越來越大，成為主流模式。

　　在晶圓代工領(lǐng)域，臺積電約占全球晶圓代工市場52%的份額。此外，臺灣還有聯(lián)電、力晶等代工廠，與臺積電合計約占全球64%的市場份額。韓國三星市占率約18%(代工份額，不包括IDM部分)，是全球第二大晶圓代工企業(yè)。美國和中國大陸也有部分領(lǐng)先企業(yè)，但整體份額較小。中芯國際的全球市占率約為5%。

　　芯片的制程是衡量其先進性的重要標(biāo)準(zhǔn)，制程越小，芯片性能越高，制造難度也越大，企業(yè)獲得的超額收益也更高。從不同制程的市場格局看，在制程越先進的領(lǐng)域，臺積電的市場份額越高。10nm以下的尖端制程領(lǐng)域，臺積電占據(jù)近90%的市場份額。5nm制程，目前僅有臺積電和三星有能力實現(xiàn)量產(chǎn)。也只有臺積電、三星和英特爾三家公司，還在對未來先進制程進行研發(fā)和建廠的規(guī)劃。

　　中芯國際在制程方面，和產(chǎn)業(yè)領(lǐng)先水平還有較大差距。根據(jù)公司披露的數(shù)據(jù)，中芯國際雖技術(shù)上突破14nm，但產(chǎn)品出貨量占比還非常低。整體上看，中芯應(yīng)該和臺積電存在超過3-4代(5年以上)的技術(shù)差距。

　　臺積電在晶圓代工行業(yè)之所以如此領(lǐng)先，與晶圓制造高固定成本、低邊際成本的特征相關(guān)。

　　晶圓廠的投建成本極高，以月產(chǎn)能1萬片的28nm晶圓廠為例，資本開支為12億美元。5nm工藝制程的資本開支高達42億美元。

　　晶圓廠約80%的資本開支用于購買設(shè)備。一方面晶圓制造需要大量精密復(fù)雜的設(shè)備。而隨著制程進步，設(shè)備也發(fā)展得更加精密和昂貴。一臺EUV光刻機就需要約1.5億歐元，這是2000年時產(chǎn)線上DUV光刻機價格的十幾倍。

　　高昂的資本開支也對芯片制造的成本結(jié)構(gòu)影響很大，臺積電的完全成本中近一半為折舊攤銷費用，直接人力成本和原料成本分別只占3%和6%。大型晶圓廠制造芯片的邊際成本很低，規(guī)模效應(yīng)很強。

　　此外，晶圓制造對研發(fā)人才的需求高。臺積電2021年的研發(fā)支出約為45億美元，是中芯國際的7.4倍，其發(fā)展壯大也得益于創(chuàng)始團隊深厚的技術(shù)背景以及高質(zhì)量電子業(yè)工程師群體。

　　晶圓代工行業(yè)還有一個顯著特點，就是制造流程極其復(fù)雜，制程越先進對精益制造的能力要求也越高：65nm制程大概需要900道工藝;10nm制程則需要多達3300道工藝。

　　簡單測算，如果每道工藝的良品率是99.9%，900道工藝最終良品率僅有40%，3300道工藝的最終良品率只有3.7%。可見晶圓生產(chǎn)對于精益制造品質(zhì)的要求有多高。

　　完成晶圓制造后需要對生產(chǎn)出的裸片進行封裝測試。從全球封測市場格局看，中國臺灣占52%市場份額，中國大陸占21%。

　　封測可以說是國內(nèi)集成電路產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展最成熟的領(lǐng)域，國內(nèi)公司在全球十大封測公司中占據(jù)三席，其中長電科技(600584)是全球第三大封測企業(yè)，市占率約10.8%。除中國外，馬來西亞、新加坡等國家也在封測行業(yè)中占據(jù)一定市場份額。

　　但封測行業(yè)具有附加值較低、進入門檻較低和相對的勞動密集的特點，是芯片產(chǎn)業(yè)鏈中價值分布較少的環(huán)節(jié)，只占了6%的產(chǎn)業(yè)鏈附加值。

　　芯片設(shè)計企業(yè)的代表高通和制造企業(yè)臺積電的多年平均毛利率都在50%以上，而封測龍頭日月光、長電科技等企業(yè)的毛利率都不到20%。觀察成本結(jié)構(gòu)，長電科技材料成本占68%，直接人工成本占12%，遠(yuǎn)高于典型的晶圓代工企業(yè)。

　　此外，封測行業(yè)進入門檻較低還和封測技術(shù)路線并不遵循摩爾定律有關(guān)。封測技術(shù)的迭代發(fā)展速度遠(yuǎn)低于晶圓制造環(huán)節(jié)的技術(shù)進步速度，這使得該領(lǐng)域后發(fā)者的追趕難度沒那么大，競爭更加激烈，頭部企業(yè)也無法獲得臺積電式的議價能力。

　　但隨著芯片制程不斷進步，摩爾定律的效應(yīng)逼近極限，從制程進步中獲得芯片性能提升的難度和成本越來越高。這令3D封裝等前沿封裝技術(shù)成為提升復(fù)雜芯片性能的重要途徑，封測行業(yè)未來有可能會往更加技術(shù)密集的方向轉(zhuǎn)變。

　　芯片設(shè)計：技術(shù)密集、研發(fā)驅(qū)動、網(wǎng)絡(luò)效應(yīng)

　　集成電路行業(yè)整體研發(fā)支出占銷售收入的比例高達22%，高于同樣技術(shù)密集的生物醫(yī)藥(21%)和計算機軟件(14%)行業(yè)，是研發(fā)收入比例最高的行業(yè)之一。設(shè)計環(huán)節(jié)又占據(jù)整個集成電路產(chǎn)業(yè)研發(fā)支出的55%，是技術(shù)含量最高的細(xì)分行業(yè)。

　　美國是集成電路設(shè)計領(lǐng)域的霸主，在fabless細(xì)分市場占據(jù)68%的市場份額，在IDM領(lǐng)域占據(jù)47%的市場份額;中國分別僅占9%和不到1%。

　　美國集成電路設(shè)計領(lǐng)域的強大實力，一方面來自于社會強大的創(chuàng)新能力，另一方面也來自于先發(fā)者的深厚積累——美國是集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)源地。這種積累不僅是技術(shù)或經(jīng)驗上的，也體現(xiàn)在對知識產(chǎn)權(quán)(IP核)和底層架構(gòu)的掌握上。

　　以集成電路中最精密復(fù)雜的CPU為例，CPU設(shè)計需要計算機指令作為底層基礎(chǔ)。X86(英特爾推出)和ARM(英國公司ARM推出)是目前兩大主流指令集架構(gòu)，分別在PC端和移動端占壟斷地位。

　　操作系統(tǒng)、應(yīng)用軟件以及各種硬件的驅(qū)動程序都是建立在對應(yīng)的底層處理器架構(gòu)之上的，上層的應(yīng)用與底層的架構(gòu)形成了深度捆綁、互相依存的生態(tài)關(guān)系。

　　如Intel及微軟構(gòu)建的Wintel聯(lián)盟生態(tài)，相關(guān)的應(yīng)用、配套軟件、軟件開發(fā)工具等具有極高的兼容性，使X86在PC領(lǐng)域形成了難以被輕易超越的優(yōu)勢。ARM架構(gòu)則憑借低功耗的特點在移動端取得很大優(yōu)勢。

　　這些底層架構(gòu)依靠生態(tài)具有很強的網(wǎng)絡(luò)效應(yīng)，新的架構(gòu)很難與其競爭。但在現(xiàn)今國際局勢下，我們又必須降低對這些底層架構(gòu)的依賴，我們應(yīng)該對RISC-V這類開源架構(gòu)給予足夠的重視，因其提供了一種繞開既有被控制的集成電路底層規(guī)則的可能性。

　　此外，在芯片設(shè)計領(lǐng)域，還有一個必要的支撐工具——EDA軟件。美國企業(yè)Cadence、Synopsys和Mentor graphic是EDA軟件三大龍頭企業(yè)，全球市占率合計78%，在中國市場的市占率同樣高達77%。國內(nèi)芯片設(shè)計公司必須依賴美國的設(shè)計軟件。

　　在美國對一些中國企業(yè)發(fā)起制裁的背景下(如華為2020年已被停止授權(quán)，license到期后將不再支持)，EDA軟件領(lǐng)域的國產(chǎn)替代也是關(guān)注的重點。

　　國內(nèi)EDA企業(yè)雖有一些點的突破，但整體與全球頂尖企業(yè)仍相距甚遠(yuǎn)。為何EDA軟件的壁壘這么高?

　　首先，EDA開發(fā)具有很高的技術(shù)門檻。EDA軟件涉及計算機、數(shù)學(xué)、物理、及集成電路設(shè)計制造等多學(xué)科的綜合應(yīng)用，需要進行長時間的研發(fā)投入、人才培養(yǎng)和專利積累，頭部公司的研發(fā)支出比例甚至高達40%。

　　其次，EDA的技術(shù)開發(fā)和銷售依托于制造、設(shè)計、EDA形成的生態(tài)圈，比如EDA企業(yè)需要借助晶圓廠積累大量測試數(shù)據(jù)。領(lǐng)先企業(yè)通過與上下游的長期的合作，形成較高的生態(tài)壁壘。

　　對于國內(nèi)企業(yè)來說，可能的機會在于新的需求場景下催生出的新生態(tài)，這包括RISC-V這類開源架構(gòu)帶來的潛在新生態(tài)，也包括AI等領(lǐng)域發(fā)展帶來的潛在新生態(tài)。

　　產(chǎn)業(yè)鏈中易被忽略的部分

　　芯片生產(chǎn)流程復(fù)雜、工序繁多，需要大量的生產(chǎn)設(shè)備及材料。半導(dǎo)體設(shè)備主要用于集成電路制造和封測兩個環(huán)節(jié)，其中制造環(huán)節(jié)設(shè)備占比約70%。制造設(shè)備中，最重要的三大設(shè)備是光刻機、刻蝕機和薄膜沉積設(shè)備，市場占比分別約為30%、25%和25%;涂膠顯影、清洗、過程控制等其他設(shè)備合計占20%。

　　全球半導(dǎo)體設(shè)備市場主要被美國及日本壟斷。以三大制造設(shè)備為例，作為光刻機龍頭的荷蘭企業(yè)阿斯麥占75%市場份額，且在高端EUV光刻機領(lǐng)域一家壟斷(阿斯麥的第一二大股東均為美國企業(yè)，合計持股23.8%)，第二和第三分別是日本的尼康和佳能。刻蝕機領(lǐng)域的龍頭是美國的泛林半導(dǎo)體、應(yīng)用材料和日本的東京電子，合計占91%的市場份額;薄膜沉積設(shè)備同樣由美國和日本廠商主導(dǎo)。

　　中國半導(dǎo)體制造設(shè)備整體自給率比較低，技術(shù)門檻相對較低的研磨拋光、清洗、去膠等設(shè)備，國產(chǎn)化率能達30%以上，刻蝕、熱處理等設(shè)備國產(chǎn)化率能到20%左右，但光刻、涂膠顯影等尖端設(shè)備，國產(chǎn)化率均在5%以下。

　　以光刻機為例，我國最領(lǐng)先的上海微電子，目前可以生產(chǎn)90/65nm制造工藝的光刻機，與阿斯麥5nm工藝大概有10年左右的差距。即便在封測環(huán)節(jié)我國能占全球20%市場份額，關(guān)鍵設(shè)備也大多依賴進口，封測設(shè)備整體國產(chǎn)化率在10%左右。

　　對于國內(nèi)廠商而言，實現(xiàn)尖端半導(dǎo)體設(shè)備的完全自主化很困難，設(shè)備作為半導(dǎo)體全球生態(tài)的一部分，其研發(fā)制造是全球各國最頂尖科技的集合。以光刻機為例，阿斯麥光刻機的光源、控制軟件來自美國，鏡頭和精密加工平臺來自德國，復(fù)合材料來自日本。一臺光刻機的零件超過10萬個，供應(yīng)鏈生態(tài)依賴全球發(fā)達國家的尖端科技。

　　除設(shè)備，半導(dǎo)體生產(chǎn)還會用到大量的材料。半導(dǎo)體材料細(xì)分領(lǐng)域眾多，制造材料中，硅片占比最大(約33%)，其次是氣體和光刻膠及配套試劑;封裝材料中，封裝基板占比最大(約40%)。

　　日本是全球半導(dǎo)體材料的龍頭，其中在硅片領(lǐng)域，日本企業(yè)信越和勝高幾乎壟斷大尺寸硅片市場，占據(jù)全球份額的60%左右。

　　在光刻膠領(lǐng)域，日本廠商在全球前五大光刻膠企業(yè)中占四席，占據(jù)70%的市場份額，其他關(guān)鍵材料日本也有絕對領(lǐng)先優(yōu)勢。日本廠商在全球半導(dǎo)體材料市場占有的綜合份額高達52%，生產(chǎn)半導(dǎo)體必備的19種材料都離不開日本企業(yè)的生產(chǎn)。

　　國內(nèi)半導(dǎo)體材料的自給率整體不高，其中光刻膠、電子特氣國產(chǎn)化率不足5%，僅封測所需的引線框架、基板等門檻較低的材料能基本實現(xiàn)國產(chǎn)替代。

　　半導(dǎo)體設(shè)備、材料領(lǐng)域和制造環(huán)節(jié)密不可分，前兩者也有一些共性：細(xì)分品類眾多，單一市場規(guī)模不一定很大，但對產(chǎn)業(yè)生態(tài)有不可缺少的支撐作用。

　　對中國集成電路產(chǎn)業(yè)來說，在如此復(fù)雜的設(shè)備、材料供應(yīng)鏈格局下，幾種設(shè)備、材料的不穩(wěn)定性因素出現(xiàn)就可能帶來整個產(chǎn)業(yè)的發(fā)展遇阻。

　　產(chǎn)業(yè)鏈中易被忽略的部分

　　芯片行業(yè)的生態(tài)系統(tǒng)，經(jīng)過70余年的發(fā)展，形成了復(fù)雜、交錯、細(xì)致的全球化產(chǎn)業(yè)分工。

　　美國是目前生態(tài)的核心;日本可能占據(jù)著僅次于美國的生態(tài)地位;歐洲、韓國和中國臺灣也扮演著重要角色;中國是最大的市場和眾多細(xì)分產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的后起之秀。

　　中國一直大力發(fā)展集成電路產(chǎn)業(yè)，同時也擁有發(fā)展該產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵要素：巨大的市場規(guī)模、資本投入和產(chǎn)業(yè)人才。在國際環(huán)境較好的情況下，實現(xiàn)行業(yè)的快速追趕是可期的。

　　但集成電路作為一個國家高端科技實力的重要體現(xiàn)和關(guān)乎國計民生的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，是全球高科技國力競爭的戰(zhàn)略必爭制高點。包括美國、歐洲、日韓在內(nèi)的發(fā)達國家，也在大力發(fā)展芯片，且發(fā)達國家在人才、創(chuàng)新體制、市場和資金方面都有很大優(yōu)勢，具備發(fā)展集成電路的優(yōu)良土壤。

　　對這些國家而言，中國在集成電路領(lǐng)域的發(fā)展戰(zhàn)略和實際突破構(gòu)成了一種威脅，以美國為首的西方國家便形成了運用政治手段遏制中國技術(shù)進步的總體方針，具體戰(zhàn)術(shù)包括：在高端領(lǐng)域技術(shù)禁運，如停止EDA軟件對國內(nèi)企業(yè)的授權(quán)，限制高端光刻機的出口等;在低端領(lǐng)域通過產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢進行價格戰(zhàn);此外還在本國內(nèi)頒布芯片法案，加大科研投入和政府補貼，以彌補產(chǎn)業(yè)短板，推動芯片制造的回流。

　　在全球芯片產(chǎn)業(yè)競爭加劇，中國集成電路被“卡脖子”的背景下，國內(nèi)芯片產(chǎn)業(yè)的發(fā)展實際不容樂觀。

　　雖然短期內(nèi)實現(xiàn)諸如光刻機尖端制程的自主突破十分困難，但國內(nèi)產(chǎn)業(yè)發(fā)展還是有兩個關(guān)鍵的機遇。

　　一是在成熟制程領(lǐng)域的發(fā)展：不是所有的下游應(yīng)用都需要最先進制程，汽車領(lǐng)域大部分芯片都可以由28nm以下成熟制程滿足。以臺積電為例，成熟制程芯片占其收入約40%。隨著下游應(yīng)用領(lǐng)域的豐富及成熟制程芯片市場規(guī)模的增長，國內(nèi)芯片產(chǎn)業(yè)仍有很大市場空間。

　　另一個機遇是摩爾定律極限的逼近。芯片制程的發(fā)展和性能的提升來源于單個芯片上集成的晶體管數(shù)量的增加，在技術(shù)上通過不斷縮小晶體管尺寸來實現(xiàn)。但晶體管的尺寸存在物理極限，縮小到一定程度會遇到很大瓶頸，且邊際成本將大幅提高。領(lǐng)先企業(yè)在制程推進上可能快要跑到終點。

　　中國應(yīng)對這些難題：首先要意識到芯片產(chǎn)業(yè)是個復(fù)雜生態(tài)，要有耐心和定力建設(shè)生態(tài)，某一項或幾項技術(shù)突破不足以解決這個難題。利用好開源架構(gòu)是很重要的策略，因可以借助開源架構(gòu)打破現(xiàn)有的底層規(guī)則和吸引更多的力量來豐富新的生態(tài)。

　　芯片產(chǎn)業(yè)具有高度的人才密集屬性，并且需要的人才還涉及到精細(xì)化工、設(shè)備科學(xué)甚至量子物理等領(lǐng)域。所以我們需要加強基礎(chǔ)研究和教育，也需要建立對全球人才有吸引力的工作和生活環(huán)境。

　　此外，我們除了加大對國產(chǎn)替代的補貼，還要堅定利用好市場化機制，充分發(fā)揮市場機制和民營企業(yè)的作用：建立好生態(tài)需要無數(shù)未經(jīng)規(guī)劃的創(chuàng)新。

　　展望芯片行業(yè)的未來

　　在當(dāng)前國際環(huán)境，未來，中美大概會在芯片領(lǐng)域成為二分世界，可能的情況是西方占據(jù)技術(shù)高地，中國通過逐步建立自主產(chǎn)業(yè)鏈，在成熟制程領(lǐng)域有能力做到自給。

　　從產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)看，設(shè)計領(lǐng)域?qū)⒛艹掷m(xù)產(chǎn)生大量創(chuàng)新;制造領(lǐng)域，在目前全球各國都在大力度補貼以扶持本國集成電路制造產(chǎn)業(yè)鏈的情況下，需要警惕未來會引發(fā)全球的制造產(chǎn)能過剩和價格戰(zhàn);制造的需求還將帶動設(shè)備領(lǐng)域的火爆發(fā)展。

　　國內(nèi)的芯片產(chǎn)業(yè)在未來很長一段時間都將處于追趕狀態(tài)。要實現(xiàn)真正的彎道超車，可能需要等待顛覆性技術(shù)的出現(xiàn)或產(chǎn)業(yè)發(fā)展賽道的切換，如碳基芯片、量子計算等技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化。這類新技術(shù)的發(fā)展有可能打開全新的產(chǎn)業(yè)格局。

　　(作者：劉勁 劉振東 段磊 劉勁系長江商學(xué)院教授)