集成電路產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)邏輯

在眾多現(xiàn)代科技中，集成電路（芯片）占有獨(dú)特地位，是信息處理和計(jì)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(jì)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(jì)的影響力卻要大得多。

芯片設(shè)計(jì)：技術(shù)密集、研發(fā)驅(qū)動(dòng)、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(dá)22%，高于同樣技術(shù)密集的生物醫(yī)藥（21%）和計(jì)算機(jī)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(jì)環(huán)節(jié)又占據(jù)整個(gè)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(jì)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(jì)領(lǐng)域的強(qiáng)大實(shí)力，一方面來自于社會(huì)強(qiáng)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(yàn)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(jì)需要計(jì)算機(jī)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(dòng)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(dòng)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(diǎn)在移動(dòng)端取得很大優(yōu)勢。

這些底層架構(gòu)依靠生態(tài)具有很強(qiáng)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(jì)領(lǐng)域，還有一個(gè)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(jì)78%，在中國市場的市占率同樣高達(dá)77%。國內(nèi)芯片設(shè)計(jì)公司必須依賴美國的設(shè)計(jì)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(diǎn)。國內(nèi)EDA企業(yè)雖有一些點(diǎn)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(jì)算機(jī)、數(shù)學(xué)、物理、及集成電路設(shè)計(jì)制造等多學(xué)科的綜合應(yīng)用，需要進(jìn)行長時(shí)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(dá)40%。其次，EDA的技術(shù)開發(fā)和銷售依托于制造、設(shè)計(jì)、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(jī)會(huì)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(gè)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(jī)、刻蝕機(jī)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(jì)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(jī)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(jī)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(jì)持股23.8%），第二和第三分別是日本的尼康和佳能?？涛g機(jī)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(jì)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(dá)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(jī)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(jī)，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(jìn)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(shí)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(jī)為例，阿斯麥光刻機(jī)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(jī)的零件超過10萬個(gè)，供應(yīng)鏈生態(tài)依賴全球發(fā)達(dá)國家的尖端科技。

除了設(shè)備，半導(dǎo)體生產(chǎn)還會(huì)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(dá)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(shí)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(gè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展遇阻。

中國的難題與機(jī)會(huì)

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(cuò)、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(shí)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(shí)現(xiàn)行業(yè)的快速追趕是可期的。但集成電路作為一個(gè)國家高端科技實(shí)力的重要體現(xiàn)和關(guān)乎國計(jì)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(diǎn)。包括美國、歐洲、日韓在內(nèi)的發(fā)達(dá)國家，也在大力發(fā)展芯片，且發(fā)達(dá)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(shí)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(yùn)用政治手段遏制中國技術(shù)進(jìn)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(yùn)，如停止EDA軟件對國內(nèi)企業(yè)的授權(quán)，限制高端光刻機(jī)的出口等；在低端領(lǐng)域通過產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢進(jìn)行價(jià)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(bǔ)貼，以彌補(bǔ)產(chǎn)業(yè)短板，推動(dòng)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(shí)際不容樂觀。

雖然短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)諸如光刻機(jī)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(gè)關(guān)鍵的機(jī)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(jìn)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(gè)機(jī)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(gè)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(shí)現(xiàn)。但晶體管的尺寸存在物理極限，縮小到一定程度會(huì)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(jìn)上可能快要跑到終點(diǎn)。

中國應(yīng)對這些難題首先要意識到芯片產(chǎn)業(yè)是個(gè)復(fù)雜生態(tài)，要有耐心和定力建設(shè)生態(tài)，某一項(xiàng)或幾項(xiàng)技術(shù)突破不足以解決這個(gè)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(qiáng)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(bǔ)貼，還要堅(jiān)定利用好市場化機(jī)制，充分發(fā)揮市場機(jī)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(huì)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(jì)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(bǔ)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(huì)引發(fā)全球的制造產(chǎn)能過剩和價(jià)格戰(zhàn)；制造的需求還將帶動(dòng)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(shí)間都將處于追趕狀態(tài)。要實(shí)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(jì)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。