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01中国集成电路产业规模与分布

市场:中国集成电路行业从2000 年左右起步,在经历金融危机的行业低谷后,自2010 年起逐步开始复苏。2010-2019 年中国集成电路市场年均增速达到21．63% ,市场增长率均远超全球、美国和其他国家地区;2020年中国集成电路销售收入达8848亿元,平均增长率达20%,为同期全球产业增速的3倍。

技术:我国集成电路在技术创新上也不断取得突破,目前制造工艺、封装技术、关键设备材料都有大幅提升,在设计、制造、封测等产业链上也涌现出一批新的龙头企业。

产业布局:全国集成电路产值分布有显著的聚集性,长三角地区产值占全国集成电路总值的52%,具体分布如下图所示。

图1:国内集成电路产值区域分布

来源:根据公开资料整理

同时,企业的分布也呈现聚集特征,近50%的企业位于长三角地区。

表1:按环节分类的企业分布区域情况

来源:根据公开资料整理

02全球集成电路市场格局

集成电路产业在推动经济发展、社会进步、保障国家安全等方面发挥着广泛且重要的作用,已成为国际竞争的焦点和衡量一个国家综合实力的重要标志。2019 年中国进口集成电路金额达 3055．50 亿美元,在总进口额中占比为14．70% ,其中美国占据中国市场的48．80%份额,这反映了中国对美国集成电路产业的依赖程度较高。

过去的七十年里,除了在20世纪80年代被日本短暂超越以外,美国在全球集成电路市场中一直居于主导地位。2019年世界十大半导体厂商占全球半导体市场54．78%,美国占据5席,市场份额达30．58%。美国集成电路产业的强大不仅体现在总量上,更重要的是在各细分领域,几乎没有短板。

在芯片设计领域,美国独占鳌头。2018年全球前十大Fabless公司中美国占有6家,前三大均为美国企业。在个人计算机和数据中心市场,Intel、AMD和英伟达占据绝对统治地位;而在通信领域,高通是全球最大的移动处理芯片供应商,除了华为,安卓系列旗舰机型均被高通的骁龙芯片垄断;而射频前端芯片市场,Skyworks、Avago和Qorvo占据全球90%以上市场,这三家公司均为美国企业。

全球前五的集成电路设备厂商,三家来自美国:应用材料、泛林科技和科天半导体。这三家都是综合性设备供应商,能够提供集成电路制造过程几乎所有环节的设备,包括沉积、刻蚀、离子注入、退火、抛光、检测设备等。而光刻机之王(ASML)虽然是荷兰公司,但是它在美国纳斯达克上市,前两大股东都是美国公司,并且其众多零部件供应商来自美国。

集成电路材料领域,整体被日本垄断,但美国的陶氏化学作为材料巨头,产品涉及光刻胶、CMP研磨液等多类电子化学品。

表2:集成电路生产商营收及市场份额

来源:根据公开资料整理

同时,美国也在积极制定游戏规则,十分重视自身在集成电路产业中的领导地位,主动从资金注入、技术推动和产业结构调整等多个角度进行市场干预。

03我国集成电路制造环节瓶颈

继2018年中兴通讯事件后,2019 年5 月16 日美国商务部将华为及其关联公司列入“实体清单”。美国的打压可能对华为产业链和国内集成电路发展带来一定程度的负面影响。在全球供应链视角下,准确把握我国集成电路发展现状,探寻提高集成电路创新能力政策路径,对保障国家经济安全有着重要意义。

下面从集成电路设计、材料、设备三个核心环节来分析我国集成电路行业面临的瓶颈。

表3:集成电路各产业链环节国产替代情况

来源:根据公开资料整理

1． 芯片设计EDA工具——严重进口依赖、短期难以实现国产替代

EDA(Electronics Design Automation)软件是一种在计算机的辅助下,完成集成电路的功能设计、综合、验证、物理设计等流程的软件工具集群。在集成电路产业链中,EDA是芯片设计的“基石”,也是制造和设计的纽带。

2020年中国EDA工具市值66．2亿元,前四大供应商占82%市场份额,其中Top3为新思科技、楷登电子、西门子EDA,均为海外企业;而华大九天为本土唯一一家能在部分领域提供全流程EDA工具的企业,虽在部分设计技术上已达到国际主流水平,但与国际巨头能提供整套EDA工具不同,国内EDA企业产品不全,只在局部形成一定突破,形成完整可用的全流程工具链还需要长期的技术积累。

2． 材料——国产替代主要集中在低中端环节

集成电路制造材料存在很多细分行业,且不同细分行业存在明显的技术差异,使得不同细分行业存在不同的行业龙头企业。整体而言,日本、欧盟和美国厂商占据优势。国内在低中端环节可以实现国产替代,但是对工艺要求高的材料则替代率较低。

此处以光刻胶为例简单说明。如下图所示,光刻胶可分为半导体用光刻胶、LCD用光刻胶、PCB用光刻胶等,其技术壁垒依次降低。国内光刻胶企业产品94%用于PCB,远高于全球25%的平均值。

图2:全球外光刻胶市场结构

来源:根据公开资料整理

图3:中国本土企业光刻胶生产结构

来源:根据公开资料整理

目前国内半导体光刻胶生产研发企业少于10家,其中g/i线光刻胶国产化率15%,KrF/ArF国产化率1%,EUV光刻胶尚处于早期研究阶段。

表4:光刻胶国产化情况

来源:根据公开资料整理

3． 设备——产业链相对完备,未来提升空间大

集成电路设备制造是一个巨大的市场,年规模可达500亿～600亿美元,美国、欧盟、日本营收占有率分别为35．86%、26．13%、12．16%,中国大陆仅占3．46%,自给率不足12%。

设备前十强被美国、日本、荷兰三国瓜分,其中前五大厂商(美国应用材料、荷兰ASML、美国泛林科技、日本东京电子和美国科天)市场占有率超过90%。

我国芯片制造设备产业链相对完备,不同环节均有企业进行技术开发和产品研制。但毕竟发展时间优先,虽各个领域都有可用产品,但在12英寸大硅片制造中离实现替代还有不小距离。

04中国集成电路产业突破点

1、材料:大硅片初现曙光、跨境合作为突破所在

芯片的加工是以硅片为单位进行的,硅片尺寸越大,能够切出来的芯片数量越多,单个芯片的成本也就越低。

2015年以来,Intel、三星和台积电开始进入18英寸领域。但目前8/12英寸硅片已成为主流产品,占据90%以上硅片市场份额,4/6硅片则为化合物半导体主流配置。我国大陆地区硅片生产多集中在8英寸以下:4/5/6英寸为主,少量8英寸,极少量12英寸,重掺为主。而轻掺8/12英寸本地化率低于5%。

但随着晶合集成的投产,紫光南京、长鑫合肥、晋华集成的存储芯片工厂建成,我国本土12英寸硅片需求将在2021年年底达到293万片/月,而目前上海硅产业集团实现了部分批量供应;超硅半导体则已向客户提供12英寸样品,初步得到了论证。

从技术差距和发展可行性看,我国本土企业在未来5～10年的主要竞争对手应该是中国台湾地区环球晶圆、德国世创和韩国硅德容。

这些跨国企业考虑工艺的保密性,迄今未在中国大陆设厂,大陆专业人才缺乏。但由于这些企业重视良率和盈利标准,如果不达标会通过关闭业务、整体出售等方式进行切割。考虑到个别企业经营确实不太理想却掌握了成熟了12英寸硅片工艺,我国本土企业可以抓住这个重要机会,借助外界力量,实现跨越式发展。

2、制造设备:局部突破

目前我国集成电路制造设备产业链相对完备,不同的环节均有企业进行技术开发和产品研制,但是它们大部分只解决了“有无问题”,少部分解决了“可用问题”,极少部分做到了进口替代。

考虑到我国的资源有限,按照行业特点进行单点突破的策略比全面推进其实更为有效。建议地区政府和产业规划者线集中力量把单个种类设备做到先进水平,再逐一突破,连点成面,最终逐步实现产业的整体提升。在刻蚀设备、清洗设备、沉积设备三个方向,本土企业技术储备最为充分,且单体产业规模山也仅次于光刻机,累加近150亿美元,可作为设备环节的集中突破点。

3、封装测试:超越摩尔,提高封装技术

封装测试是我国集成电路产业链中全球份额占比最高的环节,我国台湾地区占全球份额52%,大陆地区占21%。从2011年大陆封装占比4．5%发展至今,势头非常迅猛,技术水平虽与国际有一定差距,但整体来看我国已是全球封测的重要力量。但是,目前我国大陆地区封测范围比较单一,多为电源管理芯片等比较成熟的领域,在汽车电子这种具有广阔未来的领域布局极少。未来高性能SoC和SiP芯片将成为人工智能、汽车电子的主流芯片,我国可以通过提高封装技术,切入这些蓝海领域,在后摩尔时代抓住先机。

过去的半个多世纪,半导体行业一直遵循着摩尔定律的轨迹高速发展,如今全球芯片制程节点已经来到了5nm;借助EUV光刻等先进技术,目前正在向2nm甚至更小的节点演进,已接近市场化的工艺极限。从投入产出角度来看,未来的芯片性能的提升不能再靠单纯的堆叠晶体管,而更多地需要靠电路设计以及系统算法优化。中国集成电路产业,可以依托目前优势,借助先进封装技术,在实现异质集成(把依靠先进工艺实现的数字芯片模块和依靠成熟工艺实现的模拟/射频等集成到一起以提升芯片性能)领域做到领先。

05小结

我国是全球对半导体巨头最友好的国家之一,没有要求任何一家企业必须合资和转移技术,但也导致了我国在核心设计工具、设备与材料三个领域存在明显缺失。

产业链的任何一个环节都不是孤岛,我国集成电路的突围方式也暗藏其中——单点突破,确保在集成电路强国威胁面前有与之“同生共死”的能力:中国可以学习日本(日本因牢牢全球掌控核心材料供应,如今美国无法对其实施过激的半导体产业制裁),与其全面追赶,不如在某2～3个领域重点突破,5～10年内在产业链的某个环节或者某个具体产品上成为全球95%以上产能的供应者。因此,建议集成电路产业政策有所聚焦,重点培育核心技术和能力,如此才能真正实现集成电路的自主可控发展。

参考文献:

方欣 《集成电路产业发展:现状、制约因素与促进政策》

沈晓萍 《疫情冲击下我国集成电路产业发展的回顾与展望》

赛迪智库集成电路研究所 《后摩尔时代对EDA工具提出新需求》

冯锦锋 郭启航 《芯路——集成电路产业的现在与未来》