中国在半导体产业链各环节所处位置以及一个弯道超车的产业机会
2020-11-23
14:29:46
来源: 苦笋与茗 虚舟
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根据中国海关总署数据，2019年我国集成电路进口额度3055亿美元，进口金额在中国重点进口商品种类中排名第一
一、概述
半导体指常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料。常见的半导体材料有硅、锗、砷化镓等。硅，作为集成电路晶圆片的主要制备材料，是各种半导体材料应用中最具有影响力的一种。
半导体可以分为四类产品，分别是集成电路（也称之为IC、芯片）、光电子器件、分立器件和传感器，后三种统称OSD。其中规模最大的是集成电路，市场规模达到2,753亿美元，占半导体市场的83%。下文说的半导体产业，主要是指集成电路产业。
全球半导体产业有两种商业模式，即IDM（Integrated Device Manufacture，集成器件制造）模式和垂直分工模式。
IDM模式是大包大揽，啥都自己干。这类企业主要有Intel、三星、德州仪器（TI）等
垂直分工模式主要包括Fabless（无晶圆制造的设计公司）+Foundry（晶圆代工厂）+OSAT（封装测试企业），另外还有IP核（Intellectual Property Core）提供方等。
其中设计公司以高通、博通、联发科、海思为代表；晶圆代工厂以台积电、格罗方德(美)、联电（中国台湾）、中芯国际为代表；封测以日月光（中国台湾）、矽品（台湾）、安靠（美）、长电科技（中）为代表。
二、产业链
半导体产业从产业链角度划分，可分为：材料、生产设备【最上游】；EDA、IP核【上游】；集成电路（芯片）设计、晶圆代工、封装测试这7个领域。
1、材料与生产设备
半导体材料已经发展到第三代。
第一代半导体材料以硅为代表，主要应用于集成电路的晶圆片和功率器件。
第二代半导体材料砷化镓也已经广泛应用，主要应用于大功率发光电子器件和射频器件。
而以氮化镓和碳化硅、氧化锌、氧化铝、金刚石等为代表的第三代半导体材料，相较前两代产品性能优势显著，凭借其高效率、高密度、高可靠性等优势，在新能源汽车、通信以及家用电器等领域发挥重要作用。
半导体材料全球市场规模400多亿美金，日美德占主导地位。
半导体生产设备，包括材料加工设备、晶圆制造设备。我们重点关注晶圆制造设备。
半导体晶圆制造过程分为7大生产区域：扩散、光刻、刻蚀、离子注入、薄膜生长、抛光、金属化；相应的，制造过程依赖七大类生产设备：氧化炉、光刻机、刻蚀机、离子注入器、薄膜沉积设备、化学机械抛光机、清洗机。
其中最具价值的是镀膜设备、刻蚀设备和光刻机。
光刻机被誉为半导体产业的王冠，世界上技术最先进的公司是荷兰的ASML，全球市场占有率80%。其最先进的EUV光刻机可以做到7nm和5nm制程，单台设备售价超过1亿美金；国内唯一一家从事光刻机研发制造的公司：上海微电子，目前只能做到90nm的制程（据说2020年年底可生产11nm制程的光刻机）。
所谓制程，指的是IC内电路与电路之间的距离，制程越小，同样面积下可容纳的电路就越多，集成度越高。
作为参考，当前半导体产业内顶尖工艺(7nm+10nm)占据13%的市场份额，主要用于CPU、GPU等超大规模逻辑集成电路的制造；14nm-28nm工艺占据了34%的市场份额，主要用于存储芯片制造；MCU/MPU、模拟器件、分立器件和传感器主要使用40nm以上工艺，占据了剩余的41%市场份额。
半导体生产设备由于技术难度高，每一种设备基本是前三名垄断了全球90%的市场，很遗憾，在这个名单里目前还看不到国内厂商的身影。
值得庆幸的是，这7大类设备，都有中国企业在攻坚，虽然目前体量规模都比较小，但是在技术层面，已经取得多项突破。在某些特定设备上，已经能跟国际垄断巨头掰掰手腕了。
国内生产规模最大的半导体设备厂商：北方华创，旗下产品线涵盖了沉积设备、刻蚀机、氧化炉和清洗机四大类，为国内最全；
中微半导体（上海）在LED芯片的MOCVD设备方面，达到国际先进水平。
国内半导体设备企业中体量规模最大的中电科电子装备（中国电子科技集团旗下），主攻离子注入机和化学机械抛光机；
盛美半导体主攻硅片清洗机。
上海微电子则是唯一研制光刻机的企业。
当前，国内设备厂商的主要客户是国内的晶圆制造厂商，如中芯国际、上海华力微、长江存储、合肥长鑫、杭州士兰微等。
国产集成电路制造厂家的规模，直接决定了上游设备厂家的发展。
2、EDA与IP核
EDA，即电子设计自动化（Electronics Design Automation），包括电路设计与仿真工具、PCB 设计软件、IC 设计软件、PLD 设计工具等。
芯片制造流程长，成本高昂，容错率极低，所以在正式生产之前，需要用EDA进行虚拟设计、模拟、仿真。
EDA软件在全球不过100亿美金的市值，但却主宰着4500亿美金的半导体市场。
目前EDA设计软件领域集中度较高，Synopsys（美）、Cadence（美）和MentorGraphics（德）三巨头占据了EDA设计软件全球60%以上的市场，在中国的市场占有率95%。国产EDA软件公司华大九天、广立微、芯禾科技等，只占国内市场的0.8%。
国产EDA软件发展始于上世纪80年代中后期，在“巴黎统筹委员会”的禁运管制下，中国无法买到国外的EDA，只能自研。1991年，国产首款EDA熊猫系统发布原型，1993年正式问世，与国外的商业EDA软件相比，差距仅在5年左右。
1994年，“巴统”解散，国外EDA软件迅速进驻中国市场。在“造不如买”思维的驱使下，大多国内企业选择使用技术更先进的国外产品。中国自主的EDA软件发展中道崩殂。
EDA软件是基于工艺参数迭代的。只要工艺参数更新，EDA就要更新。代工厂提供工艺设计工具包（PDK），EDA厂家拿到后，根据里面的参数，更新软件。
EDA大厂与全球顶尖的代工厂合作紧密，对工艺理解到位。国内EDA公司只能拿到落后的参数，始终处于跟在巨头后面捡肉渣的追赶者地位。
强者恒强。纯粹靠市场力量，国产EDA很难出头。
IP核（Intellectual Property Core）指已经完成逻辑设计或物理设计的芯片功能模块，通过授权允许客户将其集成在其芯片设计中，通过流片形成最终的芯片产品。
目前主流的IP核有：x86（Intel）、ARM、Power（IBM）、MIPS。
IP核所使用的指令集（底层指令的集合），分为RISC（简单指令集）和CISC（复杂指令集）两大类。x86使用的是CISC、ARM使用的是RISC。
指令集架构，又称为微架构，是一系列硬件电路，以实现指令集所规定的操作运算。
Intel的靠与微软联合，占据了全球PC市场几乎100%的份额。x86的IP核以及其所使用的指令集架构是轻易不对外授权的。
前端时间英特尔停止向国内云计算服务器龙头公司浪潮提供芯片，浪潮信息股票应声跌停。
Arm指令集架构从诞生至今聚焦于低功耗设计，一直在嵌入式领域耕耘。
在移动互联网大发展的这几年，Arm指令集得到了苹果iOS和Google的Android的支持，成为了事实上的标准。苹果，高通，三星等国外大厂都选择了Arm指令集。国内厂商如华为海思，紫光展锐，瑞芯微，全志科技等也通过Arm IP核参与到全球竞争，在手机和平板市场取得了较好的成绩。
在物联网领域，基于Arm指令集的处理器也占据了主导地位，占据了一半的MCU市场份额。这其中，国外厂商ST，NXP，Infenion等都有基于Arm指令集的产品，国内厂商如兆易创新，同方微电子，大唐微电子，华大半导体等也通过Arm核进入了相关领域，蚕食国外厂商的市场份额。
ARM生态如此繁荣，就不得不提ARM公司的授权策略：三级授权策略。
结合下面这张图：
左边即指令集架构，右边是基于指令集架构设计出来的IP核。
所谓三级授权指的是：
I、指令集架构的授权。可在此基础上进行修改，形成自己的一套指令集架构。苹果就是这么干的，它买来ARM的指令集架构，修改后，形成自己的SWIFT架构，再基于此架构设计了处理器A系列。当然这对硬件设计能力要求很高。
II、IP核授权。可在此基础上进行修改，形成自己的IP核。高通就是这么干的，且其修改幅度较大，可以重新命令修改后的IP核。高通855便是基于改过的IP核设计的芯片，高通称之为kryo。
华为海思的麒麟980也是购买的IP核授权，进行了自主修改。
III、使用级授权。也就是所谓的公版架构。啥都不能改，只能基于买来的核，进行SOC（system on chip，片上芯片）的设计。ARM要求购买公版架构的厂商在自己的SOC上注明，是用到了ARM哪个系列的IP核。
x86封闭，ARM需要支付授权费用，有没有完全开源免费的指令集架构，可以拿来做IP核设计，和SOC设计呢？有，它就是2010年问世的RISC-V。
RISC-V是基于精简指令集的开源指令集架构，是完全开源的，任何设计厂家都可基于它设计自己的IP核、处理器，无需支付授权费。
PC和服务器，是x86的天下；ARM，则统一了移动领域。RISC-V作为后生晚辈，最有获胜希望的战场，在AIot。
实际上，国内已经问世的RISC-V构架芯片，如华米科技的AI芯片黄山1号、中天微电子的CK902、阿里平头哥的玄铁910等，都瞄准的是物联网这个大市场。
3、设计、制造、封测
芯片设计，国内最强是华为海思，毫无疑问。世界第一是高通，二者从营收角度对比，后者大概是前者的3倍强。
然而，华为海思的设计，还是基于ARM架构。设计使用的EDA软件，也来自于上文提到的三巨头。
制造环节，国内种子选手是中芯国际，依靠国外生产设备，可批量生产28nm制程的芯片，其14nm制程，真正放量可能要到2020年底。中芯国际19年全年营收31亿美元，中国区占比59.5%。
对比世界第一台积电。台积电代工的麒麟990和骁龙865的制造工艺，都已经达到7nm。5nm也在研发中。台积电19年全年营收364亿美元，是中芯国际的10倍。
在美国禁令下，台积电断供华为。中芯国际需要尽快搭建去美化产线，任重道远。
封测行业位于半导体产业链末端，其附加价值较低，劳动密集度高，进入技术壁垒较低，封测龙头日月光每年的研发费用占收入比例约为4%左右，远低于半导体IC 设计、设备和制造的世界龙头公司。
封测行业呈现出台湾地区、美国、大陆地区三足鼎立之态，其中长电科技/通富微电/华天科技已通过资本并购运作，市场占有率跻身全球前十（长电科技市场规模位列全球第三）。
综上，在整个半导体产业链中，中国在上游的材料、生产设备、EDA、IP核方面，与国际先进水平差别较大，均不同程度受制于人；在中游，设计环节，需依赖国外IP核；制造环节，离台积电还有很大差距；仅封测环节，占有一席之地。
从国内龙头企业营业额与世界第一位的营业额对比来看。芯片设计环节，我国与世界最高水平的差距是3倍，芯片制造环节，差距是10倍，到了芯片生产设备环节，差距来到了60倍。
二、产业历史
如今美国在半导体整个产业链各个环节，都具有垄断优势。
上世纪七八十年代，日本的芯片产业一度领先美国。美国在1987年政府牵头，集合14家美国最大的电子公司，成立了芯片研发联盟Sematech，并获得DARPA（美国国防部高级研究计划局）的大力支持。
联盟聚集了全美电子产业最优秀的公司里最优秀的研发人员，再加上充裕的资金，美国的芯片产业在80年代末开始反超日本。
半导体产业耗资巨大，起步阶段往往依靠国家的支持。只有华为这种体量的巨头公司，才有足够的资金进行研发投入，以及广阔的下游市场以回收成本。
我国的半导体产业发展，有3个关键时间点。
第一个是2008年的02专项启动的时间点。政府对IC全领域：材料、装备、制造、设计进行技术跟踪和企业补贴。
第二个是2014年，国家启动集成电路大基金，截止2017年总计投入资金818亿。但也是分散在所有领域，单一领域化下来也没多少。
第三个是2018年中兴事件，美国断供中兴，导致中兴业务停摆三个月。此事件后，芯片国产替代成为举国上下的共识。
目前国内规模超100亿人民币的集成电路企业有：华为海思、中芯国际、长电科技、豪威科技、紫光展锐、比特大陆。长江存储和合肥长鑫潜力很大。
当下，美国在芯片产业链各关键环节对我国实行封锁围剿，正是我国半导体产业在各重要环节实现国产替代的战略机遇，相信在国家和龙头企业的合力下，我们最终可以实现自力更生，产业链“内循环”的目标。借用毛主席的一句话：封锁吧，封锁个几年，我们什么都有了。
其实，除了在主赛道穷追猛进，中国在另外一个赛道，隐隐有弯道超车之势，那就是AI专用芯片。
三、产业机遇
芯片产品按照大的领域划分，可分为简单的三类：代表过去的通用计算机芯片（CPU）；代表现在的以人工智能芯片为主的专用芯片；代表未来的量子计算、光子计算的下一代芯片。
随着人工智能的兴起，现在计算领域的一个趋势，就是从通用的CPU解决所有问题，转为专用芯片处理图像处理、音频处理这类计算量更大的任务，把非计算的任务（主要是逻辑处理）交给CPU，也就是所谓的异构计算。
x86架构的CPU，由于技术壁垒和当前已经形成的产业生态，中国很难再突围。但是随着移动应用的极大丰富，更适合移动计算的ARM架构的CPU兴起，苹果也发布基于ARM架构的芯片。
用ARM架构的CPU，搭配人工智能芯片，是中国弯道超车的机会。
人工智能当前尚处在从感知智能向认知智能过度阶段。目前落地程度较高的图像识别、人脸识别、语音识别都属于感知智能。
图像识别主要使用CNN深度学习算法模型；语音识别、自然语言处理主要使用RNN模型。
深度学习算法本质上就是矩阵或向量的乘法、加法、指数运算，对算力要求很高，这就催生出专门的芯片，用来处理计算问题。
因此，AI芯片也被称之为AI加速器。
AI芯片领域，我国离国外先进水平也还有一定差距，但是差距没有传统芯片领域那么大。
国内代表企业有寒武纪、比特大陆、华为海思、深鉴科技等
AI芯片部分内容较多，本文不做展开，后续有机会单独写一篇文章介绍。
主要参考资料：
宁南山：《未来站在中国这一边》（书）
机器之能：这项主宰全球4500亿半导体市场的命门，国产率却不到5%
王煜全：全球风口-焦虑的中国芯，如何化解？
虎嗅：ARM中断合作，华为面临的机遇和挑战
CSDN上面的一些文章
网上一些公开资料
责任编辑：sophie
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