國內的芯片產業(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的出現(xiàn)或產業(yè)發(fā)展賽道的切換，如碳基芯片、量子計算等技術的產業(yè)化。這類新技術的發(fā)展有可能打開全新的產業(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，是高科技的核心。
全球芯片產業(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。
集成電路產業(yè)在全球經濟體量中的直接占比并不高，約占全球GDP的 0.5%，但其對經濟的影響力卻要大得多。近兩年，汽車產業(yè)“缺芯”令很多汽車廠商不得不限產而帶來巨大經濟損失。
集成電路在各行各業(yè)的應用廣泛，下游需求結構在過去二十多年發(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)是兩個值得重點關注的下游應用領域。
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。
芯片產業(yè)的生態(tài)
由于應用場景多樣，集成電路產業(yè)的產品種類繁多。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)模的細分市場，里面又包含很多不同的芯片產品。
集成電路的生產過程主要包括設計、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業(yè)，如提供芯片設計工具的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備行業(yè)和材料行業(yè)。
在集成電路的產業(yè)鏈中，設計是創(chuàng)新需求最高，變化最快，附加值最高的部分，占據(jù)產業(yè)鏈條中超一半的附加值(53%)，遠高于制造(24%)、封測(6%)和設備(11%)等環(huán)節(jié)。
英偉達、高通等國際巨頭都是芯片設計企業(yè)，不直接參與芯片生產。在全球化背景下，芯片產業(yè)在發(fā)展過程中，領先企業(yè)往往有巨大動力把產業(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、設計和制造的分工，降低了芯片設計領域的進入門檻，使很多小型化芯片設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)的基礎架構
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)，通常指在產業(yè)鏈中主要承擔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雜、技術和資本最為密集的領域。
英特爾、德州儀器等芯片企業(yè)，既從事芯片研發(fā)設計，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模式是集成電路產業(yè)早期發(fā)展的主流模式。但隨著產業(yè)分工的發(fā)展，以臺積電為代表的晶圓代工廠(為純芯片設計企業(yè)提供制造服務的模式)在芯片制造領域的影響力越來越大，成為主流模式。
在晶圓代工領域，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準，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，在制程越先進的領域，臺積電的市場份額越高。10nm以下的尖端制程領域，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。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，和產業(yè)領先水平還有較大差距。根據(jù)公司披露的數(shù)據(jù)，中芯國際雖技術上突破14nm，但產品出貨量占比還非常低。整體上看，中芯應該和臺積電存在超過3-4代(5年以上)的技術差距。
臺積電在晶圓代工行業(yè)之所以如此領先，與晶圓制造高固定成本、低邊際成本的特征相關。
晶圓廠的投建成本極高，以月產能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備。一方面晶圓制造需要大量精密復雜的設備。而隨著制程進步，設備也發(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構影響很大，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)始團隊深厚的技術背景以及高質量電子業(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%。可見晶圓生產對于精益制造品質的要求有多高。
完成晶圓制造后需要對生產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%。
封測可以說是國內集成電路產業(yè)鏈發(fā)展最成熟的領域，國內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，是芯片產業(yè)鏈中價值分布較少的環(huán)節(jié)，只占了6%的產業(yè)鏈附加值。
芯片設計企業(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%。觀察成本結構，長電科技材料成本占68%，直接人工成本占12%，遠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路線并不遵循摩爾定律有關。封測技術的迭代發(fā)展速度遠低于晶圓制造環(huán)節(jié)的技術進步速度，這使得該領域后發(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成為提升復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密集的方向轉變。
芯片設計：技術密集、研發(fā)驅動、網絡效應
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。設計環(huán)節(jié)又占據(jù)整個集成電路產業(yè)研發(fā)支出的55%，是技術含量最高的細分行業(yè)。
美國是集成電路設計領域的霸主，在fabless細分市場占據(jù)68%的市場份額，在IDM領域占據(jù)47%的市場份額;中國分別僅占9%和不到1%。
美國集成電路設計領域的強大實力，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——美國是集成電路產業(yè)的發(fā)源地。這種積累不僅是技術或經驗上的，也體現(xiàn)在對知識產權(IP核)和底層架構的掌握上。
以集成電路中最精密復雜的CPU為例，CPU設計需要計算機指令作為底層基礎。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，分別在PC端和移動端占壟斷地位。
操作系統(tǒng)、應用軟件以及各種硬件的驅動程序都是建立在對應的底層處理器架構之上的，上層的應用與底層的架構形成了深度捆綁、互相依存的生態(tài)關系。
如Intel及微軟構建的Wintel聯(lián)盟生態(tài)，相關的應用、配套軟件、軟件開發(fā)工具等具有極高的兼容性，使X86在PC領域形成了難以被輕易超越的優(yōu)勢。ARM架構則憑借低功耗的特點在移動端取得很大優(yōu)勢。
這些底層架構依靠生態(tài)具有很強的網絡效應，新的架構很難與其競爭。但在現(xiàn)今國際局勢下，我們又必須降低對這些底層架構的依賴，我們應該對RISC-V這類開源架構給予足夠的重視，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，在芯片設計領域，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%。國內芯片設計公司必須依賴美國的設計軟件。
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，license到期后將不再支持)，EDA軟件領域的國產替代也是關注的重點。
國內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。為何EDA軟件的壁壘這么高?
首先，EDA開發(fā)具有很高的技術門檻。EDA軟件涉及計算機、數(shù)學、物理、及集成電路設計制造等多學科的綜合應用，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的技術開發(fā)和銷售依托于制造、設計、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這類開源架構帶來的潛在新生態(tài)，也包括AI等領域發(fā)展帶來的潛在新生態(tài)。
產業(yè)鏈中易被忽略的部分
芯片生產流程復雜、工序繁多，需要大量的生產設備及材料。半導體設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)設備占比約70%。制造設備中，最重要的三大設備是光刻機、刻蝕機和薄膜沉積設備，市場占比分別約為30%、25%和25%;涂膠顯影、清洗、過程控制等其他設備合計占20%。
全球半導體設備市場主要被美國及日本壟斷。以三大制造設備為例，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。刻蝕機領域的龍頭是美國的泛林半導體、應用材料和日本的東京電子，合計占91%的市場份額;薄膜沉積設備同樣由美國和日本廠商主導。
中國半導體制造設備整體自給率比較低，技術門檻相對較低的研磨拋光、清洗、去膠等設備，國產化率能達30%以上，刻蝕、熱處理等設備國產化率能到20%左右，但光刻、涂膠顯影等尖端設備，國產化率均在5%以下。
以光刻機為例，我國最領先的上海微電子，目前可以生產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，關鍵設備也大多依賴進口，封測設備整體國產化率在10%左右。
對于國內廠商而言，實現(xiàn)尖端半導體設備的完全自主化很困難，設備作為半導體全球生態(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，復合材料來自日本。一臺光刻機的零件超過10萬個，供應鏈生態(tài)依賴全球發(fā)達國家的尖端科技。
除設備，半導體生產還會用到大量的材料。半導體材料細分領域眾多，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%)。
日本是全球半導體材料的龍頭，其中在硅片領域，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，其他關鍵材料日本也有絕對領先優(yōu)勢。日本廠商在全球半導體材料市場占有的綜合份額高達52%，生產半導體必備的19種材料都離不開日本企業(yè)的生產。
國內半導體材料的自給率整體不高，其中光刻膠、電子特氣國產化率不足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)國產替代。
半導體設備、材料領域和制造環(huán)節(jié)密不可分，前兩者也有一些共性：細分品類眾多，單一市場規(guī)模不一定很大，但對產業(yè)生態(tài)有不可缺少的支撐作用。
對中國集成電路產業(yè)來說，在如此復雜的設備、材料供應鏈格局下，幾種設備、材料的不穩(wěn)定性因素出現(xiàn)就可能帶來整個產業(yè)的發(fā)展遇阻。
產業(yè)鏈中易被忽略的部分
芯片行業(yè)的生態(tài)系統(tǒng)，經過70余年的發(fā)展，形成了復雜、交錯、細致的全球化產業(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分產業(yè)領域的后起之秀。
中國一直大力發(fā)展集成電路產業(yè)，同時也擁有發(fā)展該產業(yè)的關鍵要素：巨大的市場規(guī)模、資本投入和產業(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)和關乎國計民生的戰(zhàn)略性產業(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，中國在集成電路領域的發(fā)展戰(zhàn)略和實際突破構成了一種威脅，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進步的總體方針，具體戰(zhàn)術包括：在高端領域技術禁運，如停止EDA軟件對國內企業(yè)的授權，限制高端光刻機的出口等;在低端領域通過產業(yè)優(yōu)勢進行價格戰(zhàn);此外還在本國內頒布芯片法案，加大科研投入和政府補貼，以彌補產業(yè)短板，推動芯片制造的回流。
在全球芯片產業(yè)競爭加劇，中國集成電路被“卡脖子”的背景下，國內芯片產業(yè)的發(fā)展實際不容樂觀。
雖然短期內實現(xiàn)諸如光刻機尖端制程的自主突破十分困難，但國內產業(yè)發(fā)展還是有兩個關鍵的機遇。
一是在成熟制程領域的發(fā)展：不是所有的下游應用都需要最先進制程，汽車領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%。隨著下游應用領域的豐富及成熟制程芯片市場規(guī)模的增長，國內芯片產業(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。領先企業(yè)在制程推進上可能快要跑到終點。
中國應對這些難題：首先要意識到芯片產業(yè)是個復雜生態(tài)，要有耐心和定力建設生態(tài)，某一項或幾項技術突破不足以解決這個難題。利用好開源架構是很重要的策略，因可以借助開源架構打破現(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化工、設備科學甚至量子物理等領域。所以我們需要加強基礎研究和教育，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)未經規(guī)劃的創(chuàng)新。
展望芯片行業(yè)的未來
在當前國際環(huán)境，未來，中美大概會在芯片領域成為二分世界，可能的情況是西方占據(jù)技術高地，中國通過逐步建立自主產業(yè)鏈，在成熟制程領域有能力做到自給。
從產業(yè)鏈各環(huán)節(jié)看，設計領域將能持續(xù)產生大量創(chuàng)新;制造領域，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業(yè)鏈的情況下，需要警惕未來會引發(fā)全球的制造產能過剩和價格戰(zhàn);制造的需求還將帶動設備領域的火爆發(fā)展。
國內的芯片產業(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的出現(xiàn)或產業(yè)發(fā)展賽道的切換，如碳基芯片、量子計算等技術的產業(yè)化。這類新技術的發(fā)展有可能打開全新的產業(yè)格局。
(作者：劉勁 劉振東 段磊 劉勁系長江商學院教授)
