中国集成电路的自主产业链正在形成
2019-09-13
13:58:00
来源: 互联网
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来源：内容来自「澎湃新闻」，作者刘建丽为中国社会科学院工业经济研究所研究员，该篇为作者发表在《财经智库》2019年7月号第4卷第4期的论文，谢谢。
图1 2017年全球半导体行业主要贸易国家进出口情况
在美国采取非常规手段对中国集成电路企业进行围堵之际，中国加快芯片自主研发和提高核心技术和关键装备的自给率具有重要的战略意义。总体而言，美国依然在集成电路产业链中居于统治地位，中国与其存在较显著的差距。芯片设计及相关的软件工具领域，中国已有了点上的突破；芯片的制造、封测环节正在加速向中国转移，尤其是封测及相关设备制造，是中国最接近世界先进水平的领域；硅晶圆材料方面，中国目前解决了“从无到有”的问题，但国产化率还非常低。从整体来看，中国集成电路的自主产业链正在形成，一些局部的创新已经达到世界领先水平，但在一些关键技术和关键材料及设备方面仍然受制于人，如高端光刻机、芯片设计的工具软件以及高纯硅的供应方面，中国存在明显短板。
一、中国集成电路产业发展情况
（一）全球集成电路产业发展概况
全球半导体贸易统计组织（WSTS）数据显示，2018年，全球集成电路产业总销售额为4688亿美元，同比增长13.7%；全球集成电路行业增速为全球GDP平均增速的三倍以上，成为驱动全球经济增长的重要力量来源，预计未来依然保持高速增长态势。
从区域市场来看，中国、韩国、美国、欧洲、日本等成为全球半导体行业的主要市场。根据WSTS统计，2018年，中国大陆市场销售额达1584亿美元，同比增长6.1%；韩国市场销售额达到1147亿美元，增速达到24.3%；美国半导体市场销售额为1030亿美元，同比增长16.4%；欧洲半导体市场销售额达430亿美元，同比增长12.1%；日本半导体市场销售额达400亿美元，同比增长9.2%，韩国市场销售额达到1147亿元，增速达到24.3%。
从贸易情况来看，由于技术优势和各国市场容量的差异，全球半导体行业市场贸易分化显著，而中国的贸易逆差问题尤甚。据WTO统计，2017年全球集成电路产品进口总额约为9600亿美元，约占全球货物贸易进口总额的5.3%；集成电路出口总额约为8088亿美元，约占全球货物贸易出口总额的4.0%。集成电路产品已成为全球多个国家或地区的进出口最大宗商品，如中国大陆、中国香港、中国台湾、韩国等。从净出口情况来看，中国大陆是全球半导体行业贸易逆差最大的地区，2017年半导体行业贸易逆差为2010亿美元，美国、欧盟和中国香港地区为少量的贸易逆差，而韩国、马来西亚、中国台湾、日本、新加坡等为贸易顺差。
图1 2017年全球半导体行业主要贸易国家进出口情况
数据来源：世界贸易组织，https：//data.wto.org。
设备对于集成电路行业发展极为关键，据SEMI统计，2018年全球半导体设备销售额达621亿美元，较2017年的566亿美元增长9.7%。美国作为半导体产业的发源地，依然是集成电路行业设备的全球领导者，其占据全球约47%的市场份额。且从美国集成电路行业设备的供需情况来看，其主要设备供出口，据美国商务部统计数据，84%的半导体制造设备销往美国以外的地方。
（二）中国集成电路产业发展概况
据工信部研究报告显示，中国已成为全球规模最大、增速最快的集成电路市场，市场规模不断扩大，保持年均20%以上的增长率。另据中国半导体行业协会统计，2018年，中国集成电路产业销售额6532亿元，同比增长20.7%。从进出口情况来看，尽管增长率短期内有所波动，但总体保持增长态势，且贸易逆差不断扩大。
2018年，中国大陆进口金额达到3120.6亿美元，同比增长19.8%；出口额达到846.46亿美元，增长26.6%，集成电路贸易逆差进一步扩大到2274亿美元，比2017年增长了17.7%。
图2 2013-2018年中国集成电路市场增长情况及进出口情况
数据来源：中国半导体行业协会。
从中国集成电路行业内部结构来看，设计业、制造业和封装业均保持较高的增速，其中设计业和制造业增速超过封装业。2018年，设计业销售额为2519.3亿元，较2013年的808.8亿元增长211.49%；制造业销售额从600.86亿元增长到1818.2亿元，增长了202.60%；封装业从1098.85亿元增长到2093.9亿元，增长了99.65%。然而，这种情况并不能表明中国集成电路产业在设计和制造环节竞争力的提升，这两个环节外资企业比重较高，2017年，中国大陆芯片设计制造企业中TOP10中有四家为外资企业，这四家企业市场份额达到40%。
图3 2013-2018年中国集成电路细分行业的销售额变化情况
数据来源：中国半导体行业协会。
从中国集成电路产品的总体竞争力来看，中国产品的市场份额持续增长，但价值链增值能力有待进一步提升。2013—2018年，集成电路行业进口量从2663.1亿块增长到4175.7亿块，均价从0.869美元/块降至0.747美元/块，降幅为14%；出口量从1426.7亿块增长至2171亿块，均价从0.651美元/块降至0.390美元/块，降幅为36.6%；进出口单价差（出口单价减去进口单价）从0.254美元/块增加至0.357美元/块。尽管进口量和出口量都保持较快增长，但在芯片持续降价的背景下，进出口价差不断扩大，反映了中国集成电路产业总体竞争力的现实困境。
图4 2013-2018年中国集成电路产品进出口单价比较
数据来源：中国半导体行业协会。
二、中国在集成电路产业链各环节的竞争地位
集成电路产业链包括纵向的设计技术授权、芯片设计、芯片制造和封装测试以及作为重要支撑的材料和设备供应。美国在产业链关键环节占据主导权，即使有些技术转移、扩散到日韩和中国台湾，美国也仍然具有技术话语权和控制力，预计今后相当长的一段时期内美国讲依然保持芯片产业链的霸主地位。
但也应该看到，在国家科技重大专项和国家集成电路产业投资基金的支持下，中国芯片产业取得了一些重大成就，集成电路产业正在加速向中国转移。然而，由于集成电路产业高技术密集性和高资本密集性特征，决定了中国在该领域的技术追赶不可能一蹴而就，除了踏踏实实推动自主技术研发之外，没有捷径可走。
由于技术壁垒和投资壁垒的存在，集成电路产业关键环节的市场集中度都比较高，各国关键企业之间的规模和技术水平差距直接反映各国在集成电路产业特定环节的竞争态势。通过分析集成电路产业链上中国企业与世界先进水平的差距，我们可以了解中国在集成电路产业链各环节的竞争地位（如图5所示）。
图5世界高端芯片产业链主要厂商 资料来源：作者整理
注：为产业链环节，上端绿色框为除中国大陆之外世界主要厂商，下端蓝色框为中国大陆主要厂商。
（一）源头技术和基础
架构短期内难以打破固有生态系统
主导的技术范式会对产业发展形成强有力的技术锁定和技术路径依赖（Soh，2010）效应，这也是制约产业后进入者的有效壁垒。
集成电路产业的源头技术目前掌握在英特尔、AMD和ARM手中，其中英特尔和AMD在个人电脑领域居于统治地位，ARM则几乎垄断了移动端芯片的底层技术。源头技术架构决定了芯片产业的通用技术标准，既有标准已经与芯片相关的硬件、软件和操作系统形成稳定的生态系统，单一企业想通过技术创新打破这一生态系统几乎不可能。
华为已经获得了ARM8的永久架构授权，并基于该架构研发了Taishan核，完全有能力独立开发高性能处理器，确保整体芯片开发能力。各芯片开发厂商为了避免受制于人，都积极推动源头技术开源和新架构。
（二）移动端芯片设计自主技术能力逐步形成，但开发平台仍受制于人
在基层架构和底层技术的基础上，芯片产业“掐脖子”的技术环节在于芯片设计阶段。随着台积电这样专业晶圆代工厂商的出现，芯片设计和制造得以分开。
目前，国际上知名的芯片设计厂商如高通、英特尔、博通和AMD，除了英特尔有自主制造之外，其他基本都是专攻芯片设计。在个人电脑端，由于技术授权的封锁，我国大陆芯片企业虽也取得了不俗的进步，但与美国巨头之间仍然存在较大的差距。在移动端，中国台湾地区的联发科在中低端芯片方面具有一定的市场地位，大陆的华为海思、展讯等企业在手机芯片设计领域已具备相当实力。人工智能芯片是中国最容易实现弯道超车的领域，目前已经有大量产业资本投入研发，已经取得一些具有自主知识产权的世界领先技术。
大规模集成电路设计离不开软件开发平台，也就是电子设计自动化（EDA）工具软件。应该说，国产软件与美国巨头之间还有10年左右的差距。在工具软件方面，我国芯片设计企业仍然处于受制于人的境地，在中兴事件中，美国厂商就曾停止向中兴进行软件授权。但也应该看到，国产软件如华大九天等在局部领域已经达到世界领先水平。
（三）全球芯片制造一家独大，关键生产设备依赖于国际采购
在芯片制造环节，台积电包揽了全球晶圆代工业务的一半以上，是芯片制造业首屈一指的巨鳄。我国大陆晶圆代工厂有中芯国际、华虹宏力等，但规模和技术远不及台湾同行。之前受先进设备和人才短缺限制，在12nm以下高精度晶圆加工技术方面，大陆企业仍然处于空白。当前，中芯国际如能突破设备限制，有望将与世界先进制程的差距缩小到两代以内。
芯片生产设备是芯片大规模制造的基础，设备制造在芯片产业中处于举足轻重的地位。芯片加工工艺繁杂，需要各种不同的设备。等离子刻蚀设备、离子注入机、薄膜沉积设备、热处理成膜设备、涂胶机、晶圆测试设备等不同环节的关键设备由美国应用材料公司和日本东京电子等企业垄断。而核心设备光刻机被誉为半导体产业皇冠上的明珠。世界上目前能生产高端光刻机的厂商只有一家——荷兰的ASML，这是技术路线演化的自然选择结果。
（四）芯片材料实现了“从无到有”的跨越，亟需推进大规模量产
设计和制造虽然关键，但巧妇难为无米之炊，缺少芯片材料，芯片设计和制造都无法实现。芯片材料中最主要的是高纯硅，我国企业虽然在太阳级高纯硅中占据绝对优势，但芯片级高纯硅则几乎完全依赖进口，德国、美国和日本在该领域处于技术领先地位。2018年江苏鑫华公司实现量产，并开始出口韩国，有望逐步提高我国高纯硅的自给率。芯片级高纯硅还要经过一系列加工，才能生成集成电路所需的基本材料硅晶圆片，加工硅晶圆片的企业就是芯片代工厂的直接供应商。随着美国技术转移和企业之间的兼并收购，目前，硅片生产被日本信越、日本胜高SUMCO和台湾的环球晶圆等巨头垄断，前五大供应商囊括了全球90%以上的市场份额。我国大陆新兴的硅片企业上海新昇、浙江金瑞泓通过吸引全球优秀人才、引进国际先进技术，形成了一定产能，完善了国内芯片产业的自主供应链。
（五）封装测试环节已具备国际竞争力
在集成电路的三大产业链环节，封装测试阶段是我国企业最容易突破、也是目前发展最迅速的一个领域。
当前，芯片封测产业正在从人力驱动转向资本和技术驱动，行业门槛将越来越高。我国相关龙头企业在前期技术积累和产业政策推动下，加速了全球赶超的步伐。随着长电科技收购新加坡封测巨头星科金鹏，清华紫光入股台资企业南茂、力成和全球行业龙头日月光，加之台资和美资封测企业也都已在中国大陆投资建厂，中国大陆成为芯片封测厂商最主要的集聚地。
从技术和市场地位来看，中国芯片封测产业已经成为与美资和台资企业相抗衡的重要一极，形成了一批具有国际竞争力的企业。在国家科技重大专项“极大规模集成电路制造装备及成套工艺”的支持下，封装测试设备国产化也获得快速推进。北方华创、长川科技等企业已经对国内封测企业形成了强力支撑。在芯片后道封装设备方面，上海微电子公司的500系列步进投影光刻机已经占到了国内80%以上的市场份额。
总体而言，通过对集成电路产业链进行梳理可以发现，美国仍然在产业链中居于统治地位。芯片设计及相关的软件工具领域，中国已经形成了一些点上的突破，但面上追赶尚待时日。芯片的制造、封测环节正在加速向中国转移，尤其是封测及相关设备制造，是中国最接近世界先进水平的领域。在硅晶圆材料方面，中国目前解决了从无到有的问题，但国产化率还非常低。从整体来看，中国集成电路的自主产业链正在形成，一些局部的创新已经达到世界领先，但在一些关键技术和关键材料及设备方面仍然受制于人，如高端光刻机、芯片设计的工具软件以及高纯硅的供应方面，中国存在明显短板。
受瓦森纳协议的影响，中国集成电路产业在追赶世界先进水平的过程中遭遇不小的困难。从现实情况来看，短期内任何一个国家要形成完全独立、完整的集成电路产业链是不可能的，但美国的技术封锁和技术打压又让我们不得不重新审视全球价值链的风险，在自由贸易和自主创新之间寻求新的平衡点。在此背景下，研究集成电路产业的技术突围路径具有重大的现实意义。
责任编辑：sophie
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