国之重器！新基建时代进击的中国半导体产业，你了解多少？

本文作者：上海图书馆冯霄

我们马上要迎来后疫情时代里，有个词会被反复提到——“新基建”。新基建到底是什么？背后的产业是哪些？为什么这个产业关乎国家命运？为什么国家要设立科创板？看完这篇文章你就都懂了。

所谓新基建，是指以5G、人工智能、工业互联网、物联网为代表的新型基础设施，本质上是信息数字化的基础设施。2020年3月6日，工信部召开了加快5G发展专题会，强调要加快新型基础设施建设，4月15日，上海集成电路产业园开园。你一定还记得去年华为事件、去年年底日本对韩国半导体材料的制裁，以及前段时间网上调侃的拿口罩换荷兰光刻机，这些信息的背后都指向一个关乎国家大计的行业——电子信息产业和它背后庞大电子元器件产业。让我们来了解下这个当下最热的产业。

国内电子元器件产业现状

电子元器件是对于各种电子元件以及电子器件的总称，按照工作时是否需要外部能量源，电子元器件可以分为器件和元件两大类。器件指的是工厂在生产加工时改变了原材料分子结构的产品，包括主动器件和分立器件；元件指不需要能源的元器件，包括：电阻、电容、电感。

在电子信息产业里，电气元器件产业处于中游，介于电子整机行业和电子原材料行业之间，可以说电子元器件的发展对电子信息产业起到支撑作用。

中国电子工业近些年持续高速增长，带动了我国电子元器件产业强劲发展。我国许多门类的电子元器件产量已稳居全球第一位。工信部的数据显示，2019年我国电子元件及电子专用材料制造业增加值同比增长20.7%，出口交货值同比下降2.3%。主要产品中，电子元件产量同比增长26.9%。去年12月，电子器件制造业增加值同比增长8.3%，出口交货值同比增长5.4%。主要产品中，集成电路产量同比增长30%。

国内半导体的自给率之痛

目前全世界正在量产的电子元器件约有两三千万种，大多数电子元器件品种并不需要用到最先进的工艺，比如最常见、也是用量最大的电阻和电容。然而电子元器件另一条分支半导体就不一样了，半导体的工艺代表着一个国家最真实，也是最前沿的科技水平。半导体和我们的生活息息相关，其介于导体和绝缘体之间的导电性能决定了它最适合用来做电子产品。从小时候收听的“半导体”到你的手机再到飞向宇宙的火箭，它们的核心都是半导体材料做成的芯片和器件。就像蒸汽机时代的煤，内燃机时代的油，电器时代的电一样，半导体是信息时代的核心燃料。

半导体产品可分为集成电路、分立器件、光电器件和传感器四种，其中集成电路占整个半导体行业规模八成以上。

集成电路（integrated circuit）（缩写IC）是一种微型电子器件或部件。采用半导体工艺，把一个电路中所需的晶体管、电阻、电容和电感等元件及布线互连一起，制作在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上，然后封装在一个管壳内，成为具有所需电路功能的微型结构；其中所有元件在结构上已组成一个整体，使电子元件向着微小型化、低功耗、智能化和高可靠性方面迈进了一大步。芯片是集成电路一种简称，是集成电路经过设计、制造、封装、测试后的结果。集成电路的出现加速了半导体行业的发展。

半导体技术包括芯片制造技术与设计技术，主要体现在加工设备、加工工艺、封装测试、批量生产及设计创新等能力上。半导体的产业链上游是设备制造，材料供应，设计工具；中游是核心产业链，包括芯片设计/制造/封装等；下游是通信，计算机，消费电子品等庞大的需求产业链。而在核心环节中，IC设计处于产业链上游，IC制造为中游环节，IC封装为下游环节。

中国已成为全球半导体最大的消费市场。其中智能手机、平板电脑、汽车电子、智能家居等物联网市场快速发展，撬动了各类集成电路产品需求不断增长。据海关统计，2019年中国集成电路进出口总额为4071.3亿美元，其中进口集成电路金额就达到3055.5亿美元，2019年中国集成电路进出口量为6638.3亿块，其中进口集成电路4451.3亿块。2018年。中国市场的快速增长，是全球集成电路发展的主要动力之一。

然而这么大规模的市场，需求供给却严重不平衡，中国的集成电路高度依赖进口，国产核心芯片自给率不足10%，也就是说90%以上的芯片都依靠进口。从2015年开始，我国的集成电路芯片进口额就超过石油成为第一大进口商品。中国大陆集成电路市场规模已达到1.6万亿人民币，占全球市场中的份额接近50%，市场中上游和中游的收益都被外国厂商瓜分，因为中国还处于半导体产业链的最下游：只有需求却无法自给自足。

首先从半导体产业链最上游的芯片设计工具来看，芯片设计需要的设计工具，一是通过IP授权（购买成熟ip方案实现某个特定功能），二是购买EDA软件。EDA软件是IC设计，电路板设计最上游、最高端的产业，可以说是国产芯片的命门，然而国产EDA的国内市场份额不到5%。IP市场英国ARM公司占41%的市场份额，EDA设计软件市场Synopsys、Cadence和MentorGraphics三巨头占据95%以上的市场份额。2018年美国在全球芯片设计领域拥有59%的市场占有率，居世界第一；中国台湾地区市场占有率约16%，居全球第二；中国大陆则拥有12%的市场占有率，位居世界第三。

然后是半导体材料，可分为制造材料和封装材料，包括：硅片，靶材，CMP抛光材料、光刻胶、高纯试剂、电子特种气体、（光掩膜），其中硅片是半导体材料的核心。我国半导体材料在国际分工中多处于中低端领域，高端产品市场主要被美、日、欧、韩、台湾地区等少数国际大公司垄断，国内大部分产品自给率较低， 基本不足30%，主要依赖于进口。

芯片制造和封装测试所需要的的半导体设备包括晶圆加工设备、检测设备、封装设备和其他设备，都具备极高的门槛和壁垒。全球半导体设备主要被日美所垄断，核心设备如光刻、刻蚀、PVD、CVD、氧化/扩散等设备的top3市占率普遍在90%以上。目前光刻机、刻蚀、镀膜、量测、清洗、离子注入等核心设备的国产率普遍较低。其中高精度光刻机被ASML、尼康、佳能三家垄断；刻蚀设备前三家厂商LAM、东京电子、应用材料市占率超过90%；镀膜设备分为PVD和CVD，PVD前三大厂商AMAT、Evatec、Ulvac占比96.2%，CVD三大厂商AMAT、TEL、LAM占比70%。量测方面前端检测前三甲厂商科磊、应材、日立占比72%，后道测试设备厂商美国泰瑞达、日本爱德万占全球份额64%；清洗设备主要设备厂商SCREEN、东京电子、LAM合计占比88%；高端离子注入机前三家则包揽97%市场份额。中国本土厂商的半导体设备只占全球份额的1-2%。

这些设备不仅被垄断，更重要的是你有钱也未必能买到，光刻机是半导体制造设备中价格占比最大，也是最关键的设备，被誉为是半导体产业皇冠上的明珠，以荷兰ASML生产的高精度光刻机为例，每年产量仅几台，每台售价几亿美金，要想用它生产最先进工艺的芯片，你得拿着钱在后面排队。

接着就是半导体中游产业链里的核心，芯片。国产芯片自给率还远远不足，目前中国IC芯片的自给率仅为15%。我们常说的“中国制造”其实主要都是整机产品，在最核心的“芯片制造”领域，中国还和国际领先水平有很大差距。以手机的存储芯片dram为例，这是产业链中游芯片产品下体量最大的细分产品，dram的市场空间将近1000亿美元，这其中韩国三星电子、韩国SK海力士和美国美光电子三分天下，全球的手机厂商都要找这三家公司买dram，2018年，中国进口了超过900亿美元的存储芯片，而国内厂商的市场份额为——0％。再看看其他系统国产芯片占有率：

芯片制造的代工厂方面，台积电以将近60%的市场占有率处于绝对领先的地位，格罗方德和联华电子分列第二、第三。国内厂商中芯国际暂列第五。中国的晶圆代工厂市场份额仅为4%。

当然也不是完全没有好消息，芯片设计方面包括华为海思、紫光展锐，都已经能跟国外的巨头PK了，比如海思已经大规模生产世界上第一颗7nm芯片，还研发出首款TD-LTE基带芯片——巴龙700，甚至在部分参数上超越了高通，成为最优秀的手机基带芯片之一，在5G基带芯片和AI芯片领域中处于领先地位。芯片的封测环节则由于技术含量相对较低，国内企业最早以此为切入点进入集成电路产业，技术实力和销售规模，已进入世界第一梯队，长电+华天+通富三家全球整体市占率达19%。

半导体行业的马太效应

想知道为什么国内半导体行业自给率这么低，得先从摩尔定律聊起。摩尔定律指的是当价格不变时，集成电路上可容纳的元器件的数目，约每隔18-24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。要想容纳更多的元器件，就要求集成电路的沟道宽度不断缩小，于是线宽就成为了代表IC工艺的指标。每一次制程工艺的进步，都带来更小的线宽、更小的功耗、更高的工作频率，能够集成更多的元件，有更强的性能。线宽已经从最初的几十微米发展到如今的6纳米、5纳米。

线宽是一门需要不断投入巨资研究新技术的制程工艺，随着制程工艺的不断发展，新建工厂所需投资额也大幅度增长，三星、英特尔的7纳米生产厂，投资额均已经超过200亿美元。像这样的巨资，不是一般企业能烧的起的。所以，半导体行业目前主流商业模式分为了两种：一是IDM（Integrated Device Manufacturing）模式，以英特尔、三星、SK海力士为代表，从设计到制造、封测直至进入市场全部覆盖；另一种则是垂直分工模式，上游的芯片设计公司（Fabless）负责芯片的设计，设计好的芯片掩膜版图交由中游的晶圆厂（Foundry）进行制造，加工完成的晶圆交由下游的封装测试公司（OSAT）进行切割、封装和测试，每一个环节由专门的公司负责，便于集中产能，摊薄成本。比如台积电就是全世界第一家晶圆代工Foundry企业，它的出现标志着中小公司也能进入芯片制造行业承包某个生产环节。国外的AMD、NVIDIA、高通、MTK、博通，国内的华为海思都属于没有IC工厂的Fabless企业，通过使用美国的设计软件设计自己的芯片，再交由代工厂制造。国内的中芯国际则属于中游的晶圆厂。目前Fabless+Foundry+OSAT模式成为主流趋势。

那些入行较早的公司，他们凭借早期成本较低时赚取的利润，不断投入新制程工艺的研发来获得技术壁垒，比如三星和台积电甚至能获得各自政府的全力支持，进入了以厂养厂的良性循环，台积电就表示2020年资本支出不会受到疫情影响，将依然保持在150-160亿美元之间。以制造半导体晶体管或集成电路的衬底晶圆为例，其原材料是硅，要把硅做成最后的芯片，需要不断提纯，纯度大概在99.9999999% —— 99.99999999%，为什么要这么高的纯度？因为集成电路的芯片制造过程对制造工艺以及水平要求是零容忍的，任何颗粒杂质残留在晶圆表面，都会对下一道工序造成不可估量的损失，一旦出错就是一整批晶圆的报废。这就难倒了绝大多数中国企业，而这还只是第一步。

晶圆是圆柱形的单晶硅切割成的圆形硅薄片，所有的集成电路都是在晶圆上加工而成的，然后经切割、封装、测试，形成芯片成品。晶圆越大，能在晶圆上制造的IC就越多，成本就越低。全球一半以上的半导体硅材料产能集中在日本，尤其是随着尺寸越大、垄断情况就越严重。

以目前需求最广的12英寸集成电路器件为例，日本的信越化工、(盛高)，台湾的环球晶圆、德国思创，IOG这五大巨头占据95%的市场，而中国只有1%不到。中国现在想追赶国外先进工艺，仅仅建造一条12英寸、14纳米生产线的投资金额就在在500亿到600亿人民币之间，相当于于两条辽宁号航母的造价。这样的技术壁垒和资金壁垒，使得那些新进入IC行业的国家，根本没有实力追求最先进的制程工艺。

工艺上乘的集成电路不仅代表高性能，更重要的是高质量，要知道，焊到你的电路板上的元器件，只要有一颗坏了，就会让你整个电路板报废，无论你的电路板有多值钱。这就是为什么国内公司更多选择国外大厂的集成电路产品，因为他们承担不起损坏的风险，而这样的市场选择，最终只会让国外厂商的护城河越挖越宽， 马太效应愈加明显。

关乎国运的国产替代

中国集成电路制造工艺总体落后国际同行两代，庞大的需求造成了严重的依赖。对国外芯片的高度依赖不仅仅影响电子信息产业收益和发展，也严重影响一个国家的安全战略，一旦国外停供芯片或代工，国防、能源、信息、金融等行业都存在被卡住脖子的可能。因此，中国开始瞄准半导体产业链中游：芯片的自主研发和国产替代。尽管没有任何一个国家能自己生产全部的电子元器件——即便是美国，也有大量元器件依赖进口，这是全球化下产业分工的必然——但通过国产替代能最大限度避免被人卡脖子，尤其是考虑到美国一旦继续加大贸易制裁，产业自主已经不仅事关市场份额，更关乎国家命运。

什么是国产替代？我们拿手机举例。根据研究机构Counterpoint给出的2月份智能手机市场份额调查看，市场份额前7的手机厂商中国占据5家，占全球总额超过1/3：

但是把手机拆成一个个电子元器件我们发现，国产手机的主要电子元器件基本依赖进口。首先oled柔性屏幕，目前全球范围基本被三星和LG display垄断，包括苹果手机也用这两家的oled屏。尤其是三星，花了15年时间取得了屏幕这一细分领域的垄断地位，2020年第一季度报告显示，三星oled屏幕出货量占全球的90%份额。要想真正制造出中国的手机，就需要半导体产业链上的材料供应商能提供足以匹配进口产品的国行半导体产品。随着美国对华为的打压，华为已经开始扶持国内屏幕生产商，比如京东方为华为mate20pro提供oled屏幕，小米首次在量产旗舰机上采用柔性AMOLED屏，该屏幕由国内OLED面板企业维信诺提供。

我们从半导体产业链来梳理各环节国产替代情况，总体来看，垂直分工模式的芯片产业链初步搭建成形，产业上中下游已然打通。

首先在芯片设计方面，除了大家熟悉的华为海思的麒麟芯片外，2017年全球TOP50无晶圆厂IC设计公司中中国已经占据10家；

在半导体设备方面，上海微电子作为国内顶尖的光刻机制造商光刻机已经实现90nm制程，并有望延伸至65nm和45nm；中微半导体则是唯一打入台积电7nm制程的中国刻蚀设备商，封装环节刻蚀机基本实现国产化，国产化率近90%；镀膜设备方面，国内厂商北方华创实现28nmPVD设备的突破，16年国内市占率已经有10%；北方华创整合Akrion后提供单片清晰和槽式清洗设备，已经进入中芯国际产线。

在半导体材料领域，核心产品大硅片逐步实现国产化。目前国内在积极扩产8寸硅片，包括合晶科技、Ferrotec，以及国内的Gritek（有研新材）、JRH（金瑞泓）、AST（超硅）等。靶材、封装基板、CMP 等，我国技术已经比肩国际先进水平的、实现大批量供货、可以立刻实现国产化，代表企业是江丰电子，其产品已经打入主流国际市场。硅片、电子气体、掩模板等技术可以比肩国际、但还没做到批量供货。

芯片制造，也就是代工厂方面，以中芯国际、华虹半导体为代表的晶圆代工制造企业逐步进入高速发展渠道；中芯国际已经接下了华为14nm芯片的大单，很快将能制造7nm芯片，未来一颗彻底国产的中国芯不再是梦想，而华虹则是全球领先的8英寸晶圆代工厂商和特色工艺聚焦者。储存芯片方面，紫光国微旗下的西安紫光国芯目前最新DDR4芯片已经小批量产，长江存储公司则宣布攻克128层3D闪存技术，QLC类型容量做到了1.33Tb容量，破下三个世界纪录，长鑫存储、福建晋华也在奋力追赶，国内存储芯片的依赖有望缓解。cis芯片的龙头企业目前还是是索尼和三星，但中国的韦尔股份已经攀升到第三，成为苹果手机的主要供应商之一，许多国产手机的cis芯片也已经开始从索尼转向国产。

最后封测环节，以长电科技、华天科技、通富微电为代表的中国公司市场占有率已经十分优秀，台湾地区知名IC设计公司联发科、联咏、瑞昱等企业已经将本地封测订单逐步转向大陆同业公司。

在集成电路之外的光电子器件、传感器和分立器件也都在半导体行业内有至关重要的作用，这些细分行业国产化也已经有所成效，比如华为发布800G光芯片，引领了高端光器件国产替代；扬杰科技在功率器件的大部分细分产品市场具有较高的市占率。

中国能弯道超车吗？

如果要说哪一个国家还有望能赶上集成电路产业的最先进工艺，恐怕只有中国。在军用电子元器件上我们已经实现了80%的自给率。而在民用方面，十几年前中国还没有足够资金进场，但最近十年开始了大规模投资，SEMI的数据显示，2017-2020年间全球投产的半导体晶圆厂为62座,其中有29座设于中国大陆，占全球总数的42%，总投资额约14568亿元，产能将达到265万片。政策方面，中国的支持力度也可谓空前，2014年《国家集成电路产业发展推进纲要》的推出催生了国家大基金的诞生，2019年一级市场在国家大基金的引领之下，总基金规模超过了4000亿，科创板的创立进一步提升了创投基金的积极性和主动性。

一方面，半导体产能开始向中国大陆转移。半导体产业经历了两次产业转移，第一次是从美国向日本的转移，第二次是从美日向韩台的转移，这两次转移都和技术升级有关，比如pc技术的发展和智能手机的普及，随着中国智能手机品牌全球市场份额持续提升，以及国家对下一代技术的布局，未来半导体产业在中国兴起有了基础。中国现有的12寸晶圆厂产能总计共42万片/月，其中包括中芯国际、SK Hynix、Intel（大连）、武汉新芯、华力微电子，而新增的12寸晶圆厂总产能将高达63.50万片/ 月，占全球12寸晶圆厂的产能比重已由2016年的10%攀升至2018年的22%。受到疫情影响，承载了大量电子上游核心元器件及材料生产的日本企业材料库存紧张，这也为中国半导体向上游产业链渗透提供了机会。

另一方面下游产业链的发达必将带动中游和上游产业的发展，产业链结构也会逐步向上游扩展。2018年，中国集成电路设计业销售收入2519亿元， 所占比重从2012年的28%增加到38%；制造业销售收入1818亿元，所占比重从23%增加到28%；封测业销售收入2194亿元， 所占比重从2012年的48%降低到34%， 结构更加趋于优化。PC、手机行业已经较为成熟，但汽车电子、人工智能、5G、物联网、大数据、VRAR等新兴行业有望成为半导体国产化的新动能。

还有一点，就是当制程工艺达到一定水平，比如3纳米以下，将可能遇上瓶颈，全球各领先企业的研发进度一旦停滞，或许将是中国弯道超车的机会。

不过集成电路产业毕竟是真正的资本密集型、技术密集型，人才密集型产业，除了技术的积累资金的投入，人才的培养同样重要，目前北京、清华、交通大学等硕、博士高材生毕业后，首选是互联网＋公司，IC行业只有IC设计有一定吸引力，这也是为什么中国在IC设计方面的发展比其他环节更好。据工信部《中国集成电路产业人才白皮书》（2018-2019年版）指出：预计达到2022年前后，全行业人才需求规模为72.2万左右，然而2019年国内半导体从业人员总计46.1万人，缺口巨大，一个工程师需要10年的时间才能独当一面，这需要稳定的环境。中国的半导体振兴之路任重而道远，我们呼唤“两弹一星”的自力更生艰苦创业的精神。

参考资料：

工信部2019年电子信息制造业运行情况

http://www.miit.gov.cn/n1146312/n1146904/n1648373/c7673583/content.html

中国产业信息网：电子元器件行业发展回顾（概念、产业链、政策、规模等）及展望

http://www.chyxx.com/industry/202004/852030.html

半导体产业链全面梳理：中国还缺什么？https://www.sohu.com/a/331510721_774177

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