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集成电路产业的经济逻辑 商学院观察

发布时间:2022-09-11 22:30:49 来源:乐鱼官网登录app 作者:乐鱼体育免费版

内容简介:  在众多现代科技中,集成电路(芯片)占有独特地位,是信息处理和计算的基础,是高科技的核心。  全球芯片产业在过去三十多年中保持了高速发展,年均增速近10%,2021年全球市场规模约为5600亿美元。  集成电路产业在全球经济体量中的直接占比并不高,约占全球GDP的 0.5%,但其对经济的影响力却要大得多。近两年,汽车产业“缺芯”令很多汽车厂商不得不限产而带来巨大经济损失。  集成电路在各行各业的应用广泛,下游需求结构在过去二十多年发生着显著变化:计算机行业从1998年带来超一半的芯片需求,到如今需求占比约三成;通讯领域一度是最重要的...

  在众多现代科技中,集成电路(芯片)占有独特地位,是信息处理和计算的基础,是高科技的核心。

  全球芯片产业在过去三十多年中保持了高速发展,年均增速近10%,2021年全球市场规模约为5600亿美元。

  集成电路产业在全球经济体量中的直接占比并不高,约占全球GDP的 0.5%,但其对经济的影响力却要大得多。近两年,汽车产业“缺芯”令很多汽车厂商不得不限产而带来巨大经济损失。

  集成电路在各行各业的应用广泛,下游需求结构在过去二十多年发生着显著变化:计算机行业从1998年带来超一半的芯片需求,到如今需求占比约三成;通讯领域一度是最重要的需求增长力量,但过去十年在需求占比中基本稳定维持在三成左右。汽车和工业是两个值得重点关注的下游应用领域。

  汽车行业对芯片的消费占比从1998年的4.7%增长到2021年的12.4%。随着智能化和电动化发展,汽车行业在可见的未来将对集成电路的需求保持强劲增长。工业领域的信息化、智能化带来的芯片需求增量是另一个重要的增长点。

  由于应用场景多样,集成电路产业的产品种类繁多。集成电路大致可以分为数字芯片和模拟芯片两大类。数字芯片包括存储器、处理器和数字逻辑芯片等。模拟芯片包含电源管理类、信号链类和射频类芯片等。在这个分类层面上的存储器和数字逻辑芯片,都是超过1500亿美元规模的细分市场,里面又包含很多不同的芯片产品。

  集成电路的生产过程主要包括设计、制造、封装和测试。集成电路的发展还离不开重要的支撑产业,如提供芯片设计工具的EDA软件行业;为芯片制造和封测提供不可或缺支撑的集成电路设备行业和材料行业。

  在集成电路的产业链中,设计是创新需求最高,变化最快,附加值最高的部分,占据产业链条中超一半的附加值(53%),远高于制造(24%)、封测(6%)和设备(11%)等环节。

  英伟达、高通等国际巨头都是芯片设计企业,不直接参与芯片生产。在全球化背景下,芯片产业在发展过程中,领先企业往往有巨大动力把产业中附加值较低的部分外包出去,从而培育出巨大的全球性生态体系。

  这种生态体系得以让每个芯片公司把精力集中到自己的专项上。生态体系的形成、设计和制造的分工,降低了芯片设计领域的进入门槛,使很多小型化芯片设计公司也可以寻得生存空间,从而进一步丰富芯片行业的生态。

  芯片制造大概可分为前端单晶硅片的制造、从硅片到晶圆的前道工艺和晶圆切割封装测试的后道工艺三部分。芯片制造/代工企业,通常指在产业链中主要承担前道晶圆制造的企业,这部分也是整个制造链条中最精密复杂、技术和资本最为密集的领域。

  英特尔、德州仪器等芯片企业,既从事芯片研发设计,又通过自有工厂制造晶圆。这类企业被称为IDM(整合制造模式)公司。IDM模式是集成电路产业早期发展的主流模式。但随着产业分工的发展,以台积电为代表的晶圆代工厂(为纯芯片设计企业提供制造服务的模式)在芯片制造领域的影响力越来越大,成为主流模式。

  在晶圆代工领域,台积电约占全球晶圆代工市场52%的份额。此外,台湾还有联电、力晶等代工厂,与台积电合计约占全球64%的市场份额。韩国三星市占率约18%(代工份额,不包括IDM部分),是全球第二大晶圆代工企业。美国和中国大陆也有部分领先企业,但整体份额较小。中芯国际的全球市占率约为5%。

  芯片的制程是衡量其先进性的重要标准,制程越小,芯片性能越高,制造难度也越大,企业获得的超额收益也更高。从不同制程的市场格局看,在制程越先进的领域,台积电的市场份额越高。10nm以下的尖端制程领域,台积电占据近90%的市场份额。5nm制程,目前仅有台积电和三星有能力实现量产。也只有台积电、三星和英特尔三家公司,还在对未来先进制程进行研发和建厂的规划。

  中芯国际在制程方面,和产业领先水平还有较大差距。根据公司披露的数据,中芯国际虽技术上突破14nm,但产品出货量占比还非常低。整体上看,中芯应该和台积电存在超过3-4代(5年以上)的技术差距。

  台积电在晶圆代工行业之所以如此领先,与晶圆制造高固定成本、低边际成本的特征相关。

  晶圆厂的投建成本极高,以月产能1万片的28nm晶圆厂为例,资本开支为12亿美元。5nm工艺制程的资本开支高达42亿美元。

  晶圆厂约80%的资本开支用于购买设备。一方面晶圆制造需要大量精密复杂的设备。而随着制程进步,设备也发展得更加精密和昂贵。一台EUV光刻机就需要约1.5亿欧元,这是2000年时产线上DUV光刻机价格的十几倍。

  高昂的资本开支也对芯片制造的成本结构影响很大,台积电的完全成本中近一半为折旧摊销费用,直接人力成本和原料成本分别只占3%和6%。大型晶圆厂制造芯片的边际成本很低,规模效应很强。

  此外,晶圆制造对研发人才的需求高。台积电2021年的研发支出约为45亿美元,是中芯国际的7.4倍,其发展壮大也得益于创始团队深厚的技术背景以及高质量电子业工程师群体。

  晶圆代工行业还有一个显著特点,就是制造流程极其复杂,制程越先进对精益制造的能力要求也越高:65nm制程大概需要900道工艺;10nm制程则需要多达3300道工艺。

  简单测算,如果每道工艺的良品率是99.9%,900道工艺最终良品率仅有40%,3300道工艺的最终良品率只有3.7%。可见晶圆生产对于精益制造品质的要求有多高。

  完成晶圆制造后需要对生产出的裸片进行封装测试。从全球封测市场格局看,中国台湾占52%市场份额,中国大陆占21%。

  封测可以说是国内集成电路产业链发展最成熟的领域,国内公司在全球十大封测公司中占据三席,其中长电科技是全球第三大封测企业,市占率约10.8%。除中国外,马来西亚、新加坡等国家也在封测行业中占据一定市场份额。

  但封测行业具有附加值较低、进入门槛较低和相对的劳动密集的特点,是芯片产业链中价值分布较少的环节,只占了6%的产业链附加值。

  芯片设计企业的代表高通和制造企业台积电的多年平均毛利率都在50%以上,而封测龙头日月光、长电科技等企业的毛利率都不到20%。观察成本结构,长电科技材料成本占68%,直接人工成本占12%,远高于典型的晶圆代工企业。

  此外,封测行业进入门槛较低还和封测技术路线并不遵循摩尔定律有关。封测技术的迭代发展速度远低于晶圆制造环节的技术进步速度,这使得该领域后发者的追赶难度没那么大,竞争更加激烈,头部企业也无法获得台积电式的议价能力。

  但随着芯片制程不断进步,摩尔定律的效应逼近极限,从制程进步中获得芯片性能提升的难度和成本越来越高。这令3D封装等前沿封装技术成为提升复杂芯片性能的重要途径,封测行业未来有可能会往更加技术密集的方向转变。

  集成电路行业整体研发支出占销售收入的比例高达22%,高于同样技术密集的生物医药(21%)和计算机软件(14%)行业,是研发收入比例最高的行业之一。设计环节又占据整个集成电路产业研发支出的55%,是技术含量最高的细分行业。

  美国是集成电路设计领域的霸主,在fabless细分市场占据68%的市场份额,在IDM领域占据47%的市场份额;中国分别仅占9%和不到1%。

  美国集成电路设计领域的强大实力,一方面来自于社会强大的创新能力,另一方面也来自于先发者的深厚积累——美国是集成电路产业的发源地。这种积累不仅是技术或经验上的,也体现在对知识产权(IP核)和底层架构的掌握上。

  以集成电路中最精密复杂的CPU为例,CPU设计需要计算机指令作为底层基础。X86(英特尔推出)和ARM(英国公司ARM推出)是目前两大主流指令集架构,分别在PC端和移动端占垄断地位。

  操作系统、应用软件以及各种硬件的驱动程序都是建立在对应的底层处理器架构之上的,上层的应用与底层的架构形成了深度捆绑、互相依存的生态关系。

  如Intel及微软构建的Wintel联盟生态,相关的应用、配套软件、软件开发工具等具有极高的兼容性,使X86在PC领域形成了难以被轻易超越的优势。ARM架构则凭借低功耗的特点在移动端取得很大优势。

  这些底层架构依靠生态具有很强的网络效应,新的架构很难与其竞争。但在现今国际局势下,我们又必须降低对这些底层架构的依赖,我们应该对RISC-V这类开源架构给予足够的重视,因其提供了一种绕开既有被控制的集成电路底层规则的可能性。

  此外,在芯片设计领域,还有一个必要的支撑工具——EDA软件。美国企业Cadence、Synopsys和Mentor graphic是EDA软件三大龙头企业,全球市占率合计78%,在中国市场的市占率同样高达77%。国内芯片设计公司必须依赖美国的设计软件。

  在美国对一些中国企业发起制裁的背景下(如华为2020年已被停止授权,license到期后将不再支持),EDA软件领域的国产替代也是关注的重点。

  国内EDA企业虽有一些点的突破,但整体与全球顶尖企业仍相距甚远。为何EDA软件的壁垒这么高?

  首先,EDA开发具有很高的技术门槛。EDA软件涉及计算机、数学、物理、及集成电路设计制造等多学科的综合应用,需要进行长时间的研发投入、人才培养和专利积累,头部公司的研发支出比例甚至高达40%。

  其次,EDA的技术开发和销售依托于制造、设计、EDA形成的生态圈,比如EDA企业需要借助晶圆厂积累大量测试数据。领先企业通过与上下游的长期的合作,形成较高的生态壁垒。

  对于国内企业来说,可能的机会在于新的需求场景下催生出的新生态,这包括RISC-V这类开源架构带来的潜在新生态,也包括AI等领域发展带来的潜在新生态。

  芯片生产流程复杂、工序繁多,需要大量的生产设备及材料。半导体设备主要用于集成电路制造和封测两个环节,其中制造环节设备占比约70%。制造设备中,最重要的三大设备是光刻机、刻蚀机和薄膜沉积设备,市场占比分别约为30%、25%和25%;涂胶显影、清洗、过程控制等其他设备合计占20%。

  全球半导体设备市场主要被美国及日本垄断。以三大制造设备为例,作为光刻机龙头的荷兰企业阿斯麦占75%市场份额,且在高端EUV光刻机领域一家垄断(阿斯麦的第一二大股东均为美国企业,合计持股23.8%),第二和第三分别是日本的尼康和佳能。刻蚀机领域的龙头是美国的泛林半导体、应用材料和日本的东京电子,合计占91%的市场份额;薄膜沉积设备同样由美国和日本厂商主导。

  中国半导体制造设备整体自给率比较低,技术门槛相对较低的研磨抛光、清洗、去胶等设备,国产化率能达30%以上,刻蚀、热处理等设备国产化率能到20%左右,但光刻、涂胶显影等尖端设备,国产化率均在5%以下。

  以光刻机为例,我国最领先的上海微电子,目前可以生产90/65nm制造工艺的光刻机,与阿斯麦5nm工艺大概有10年左右的差距。即便在封测环节我国能占全球20%市场份额,关键设备也大多依赖进口,封测设备整体国产化率在10%左右。

  对于国内厂商而言,实现尖端半导体设备的完全自主化很困难,设备作为半导体全球生态的一部分,其研发制造是全球各国最顶尖科技的集合。以光刻机为例,阿斯麦光刻机的光源、控制软件来自美国,镜头和精密加工平台来自德国,复合材料来自日本。一台光刻机的零件超过10万个,供应链生态依赖全球发达国家的尖端科技。

  除设备,半导体生产还会用到大量的材料。半导体材料细分领域众多,制造材料中,硅片占比最大(约33%),其次是气体和光刻胶及配套试剂;封装材料中,封装基板占比最大(约40%)。

  日本是全球半导体材料的龙头,其中在硅片领域,日本企业信越和胜高几乎垄断大尺寸硅片市场,占据全球份额的60%左右。

  在光刻胶领域,日本厂商在全球前五大光刻胶企业中占四席,占据70%的市场份额,其他关键材料日本也有绝对领先优势。日本厂商在全球半导体材料市场占有的综合份额高达52%,生产半导体必备的19种材料都离不开日本企业的生产。

  国内半导体材料的自给率整体不高,其中光刻胶、电子特气国产化率不足5%,仅封测所需的引线框架、基板等门槛较低的材料能基本实现国产替代。

  半导体设备、材料领域和制造环节密不可分,前两者也有一些共性:细分品类众多,单一市场规模不一定很大,但对产业生态有不可缺少的支撑作用。

  对中国集成电路产业来说,在如此复杂的设备、材料供应链格局下,几种设备、材料的不稳定性因素出现就可能带来整个产业的发展遇阻。

  芯片行业的生态系统,经过70余年的发展,形成了复杂、交错、细致的全球化产业分工。

  美国是目前生态的核心;日本可能占据着仅次于美国的生态地位;欧洲、韩国和中国台湾也扮演着重要角色;中国是最大的市场和众多细分产业领域的后起之秀。

  中国一直大力发展集成电路产业,同时也拥有发展该产业的关键要素:巨大的市场规模、资本投入和产业人才。在国际环境较好的情况下,实现行业的快速追赶是可期的。

  但集成电路作为一个国家高端科技实力的重要体现和关乎国计民生的战略性产业,是全球高科技国力竞争的战略必争制高点。包括美国、欧洲、日韩在内的发达国家,也在大力发展芯片,且发达国家在人才、创新体制、市场和资金方面都有很大优势,具备发展集成电路的优良土壤。

  对这些国家而言,中国在集成电路领域的发展战略和实际突破构成了一种威胁,以美国为首的西方国家便形成了运用政治手段遏制中国技术进步的总体方针,具体战术包括:在高端领域技术禁运,如停止EDA软件对国内企业的授权,限制高端光刻机的出口等;在低端领域通过产业优势进行价格战;此外还在本国内颁布芯片法案,加大科研投入和政府补贴,以弥补产业短板,推动芯片制造的回流。

  在全球芯片产业竞争加剧,中国集成电路被“卡脖子”的背景下,国内芯片产业的发展实际不容乐观。

  虽然短期内实现诸如光刻机尖端制程的自主突破十分困难,但国内产业发展还是有两个关键的机遇。

  一是在成熟制程领域的发展:不是所有的下游应用都需要最先进制程,汽车领域大部分芯片都可以由28nm以下成熟制程满足。以台积电为例,成熟制程芯片占其收入约40%。随着下游应用领域的丰富及成熟制程芯片市场规模的增长,国内芯片产业仍有很大市场空间。

  另一个机遇是摩尔定律极限的逼近。芯片制程的发展和性能的提升来源于单个芯片上集成的晶体管数量的增加,在技术上通过不断缩小晶体管尺寸来实现。但晶体管的尺寸存在物理极限,缩小到一定程度会遇到很大瓶颈,且边际成本将大幅提高。领先企业在制程推进上可能快要跑到终点。

  中国应对这些难题:首先要意识到芯片产业是个复杂生态,要有耐心和定力建设生态,某一项或几项技术突破不足以解决这个难题。利用好开源架构是很重要的策略,因可以借助开源架构打破现有的底层规则和吸引更多的力量来丰富新的生态。

  芯片产业具有高度的人才密集属性,并且需要的人才还涉及到精细化工、设备科学甚至量子物理等领域。所以我们需要加强基础研究和教育,也需要建立对全球人才有吸引力的工作和生活环境。

  此外,我们除了加大对国产替代的补贴,还要坚定利用好市场化机制,充分发挥市场机制和民营企业的作用:建立好生态需要无数未经规划的创新。

  在当前国际环境,未来,中美大概会在芯片领域成为二分世界,可能的情况是西方占据技术高地,中国通过逐步建立自主产业链,在成熟制程领域有能力做到自给。

  从产业链各环节看,设计领域将能持续产生大量创新;制造领域,在目前全球各国都在大力度补贴以扶持本国集成电路制造产业链的情况下,需要警惕未来会引发全球的制造产能过剩和价格战;制造的需求还将带动设备领域的火爆发展。

  国内的芯片产业在未来很长一段时间都将处于追赶状态。要实现真正的弯道超车,可能需要等待颠覆性技术的出现或产业发展赛道的切换,如碳基芯片、量子计算等技术的产业化。这类新技术的发展有可能打开全新的产业格局。

  (刘劲系长江商学院教授,刘振东系联东U谷董事长,段磊系深之度研究咨询总经理。本文源自于联东U谷和深之度芯片产业联合研究的部分成果。)返回搜狐,查看更多