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一文看懂國產晶片現狀 （梳理最全版）

2018-05-02 16:57

作者：光大證券

來源：半導體行業觀察（ID:icbank）

摘要

週期性波動向上，市場規模超4000億美元

半導體是電子產品的核心，資訊產業的基石。半導體行業因具有下游應用廣泛、生產技術工序多、產品種類多、技術更新換代快、投資高風險大等特點，產業鏈從整合化到垂直化分工越來越明確，並經歷了兩次空間上的產業轉移。全球半導體行業大致以4-6年為一個週期，景氣週期與巨集觀經濟、下游應用需求以及自身產能庫存等因素密切相關。2017半導體產業市場規模突破4000億美元，儲存晶片是主要動力。

供需變化漲價蔓延，創新應用驅動景氣週期持續

半導體本輪漲價的根本原因為供需變化，並沿產業鏈傳導，漲價是否持續還是看供需，NAND隨著產能釋放價格有所降低，DRAM、矽片產能仍吃緊漲價有望持續。展望未來，隨著物聯網、區塊鏈、汽車電子、5G、AR／VR及AI等多項創新應用發展，半導體行業有望保持高景氣度。

提高自給率迫在眉睫，大國戰略推動產業發展

國內半導體市場接近全球的三分之一，但國內半導體自給率水平非常低，特別是核心晶片極度缺乏，國產佔有率都幾乎為零。晶片關乎到國家安全，國產化迫在眉睫。2014年《國家積體電路產業發展推進綱要》將半導體產業新技術研發提升至國家戰略高度。大基金首期投資成果顯著，撬動了地方產業基金達5000億元，目前大基金二期募資已經啟動，募集金額將超過一期，推動國內半導體產業發展。

大陸設計製造封測崛起，材料裝置重點突破

經過多年的發展，國內半導體生態逐漸建成，設計製造封測三業發展日趨均衡。設計業：雖然收購受限，但自主發展迅速，群雄並起，海思展訊進入全球前十。製造業：晶圓製造產業向大陸轉移，大陸12寸晶圓廠產能爆發。代工方面，雖然與國際巨頭相比，追趕仍需較長時間，但中芯國際28nm製程已突破，14nm加快研發中；儲存方面，長江儲存、晉華整合、合肥長鑫三大儲存專案穩步推進。封測業：國內封測三強進入第一梯隊，搶先佈局先進封裝。裝置：國產半導體裝置銷售快速穩步增長，多種產品實現從無到有的突破，星星之火等待燎原。材料：國內廠商在小尺寸矽片、光刻膠、CMP材料、濺射靶材等領域已初有成效；大尺寸矽片國產化指日可待。

1、週期性波動向上，市場規模超4000億美元

1.1、半導體是電子產品的核心，資訊產業的基石

從電晶體誕生，再到積體電路

計算機的基礎是1和0，有了1和0，就像數學有了10個數字，語言有了26個字母，人類基因有了AGCT，通過編碼和邏輯運算等便可以表示世間萬物。1946年的第一臺計算機是通過真空管實現了1和0，共使用了18800個真空管，大約是一間半的教室大，六隻大象重。

通過在半導體材料裡摻入不同元素，1947年在美國貝爾實驗室製造出全球第一個電晶體。電晶體同樣可以實現真空管的功能，且體積比電子管縮小了許多，用電子管做的有幾間屋子大的計算機，用電晶體已縮小為幾個機櫃了。

把一個電路中所需的電晶體、電阻、電容和電感等元件及佈線互連一起，製作在一小塊或幾小塊半導體晶片或介質基片上，然後封裝在一個管殼內，成為具有所需電路功能的微型結構，這便是積體電路，也叫做晶片和IC。積體電路中所有元件在結構上已組成一個整體，使電子元件向著微小型化、低功耗、智慧化和高可靠性方面邁進了一大步。

積體電路發明者為傑克·基爾比（基於鍺（Ge）的積體電路）和羅伯特·諾伊思（基於矽（Si）的積體電路）。當今半導體工業大多數應用的是基於矽的積體電路。

1965年，戈登·摩爾（GordonMoore）預測未來一個晶片上的電晶體數量大約每18個月翻一倍(至今依然基本適用)，這便是著名的摩爾定律誕生。1968年7月，羅伯特·諾伊斯和戈登·摩爾從仙童（Fairchild）半導體公司辭職，創立了一個新的企業，即英特爾公司，英文名Intel為“整合電子裝置（integratedelectronics）”的縮寫。

電子產品的核心，資訊產業的基石

以智慧手機為例，諸如驍龍、麒麟、蘋果A系列CPU為微元件，手機基帶晶片和射頻晶片是邏輯IC；通常所說的2G或者4G執行記憶體RAM為DRAM，16G或者64G儲存空間為NANDflash；音視訊多媒體晶片為模擬IC。以上這些統統是屬於半導體的範疇。

半導體位於電子行業的中游，上游是電子材料和裝置。半導體和被動元件以及模組器件通過整合電路板連線，構成了智慧手機、PC等電子產品的核心部件，承擔資訊的載體和傳輸功能，成為資訊化社會的基石。

半導體主要分為積體電路和半導體分立器件。半導體分立器件包括半導體二極體、三極體等分立器件以及光電子器件和感測器等。

積體電路可分為數位電路、類比電路。一切的感知：影象，聲音，觸感，溫度，溼度等等都可以歸到模擬世界當中。很自然的，工作內容與之相關的晶片被稱作模擬晶片。除此之外，一些我們無法感知，但客觀存在的模擬訊號處理晶片，比如微波，電訊號處理晶片等等，也被歸類到模擬範疇之中。比較經典的類比電路有射頻晶片、指紋識別晶片以及電源管理晶片等。數字晶片包含微元件（CPU、GPU、MCU、DSP等），儲存器（DRAM、NANDFlash、NORFlash）和邏輯IC（手機基帶、乙太網晶片等）。

1.2、積體電路工序多、種類多、換代快、投資大

簡單的講，電子製造產業包括：原材料砂子-矽片製造-晶圓製造-封裝測試-基板互聯-儀器裝置組裝。積體電路產業鏈主要為設計、製造、封測以及上游的材料和裝置。

積體電路產業主要有以下特徵：製造工序多、產品種類多、技術換代快、投資大風險高。

生產工序多：核心產業鏈流程可以簡單描述為：IC設計公司根據下游戶（系統廠商）的需求設計晶片，然後交給晶圓代工廠進行製造，這些IC製造公司主要的任務就是把IC設計公司設計好的電路圖移植到矽晶圓製造公司製造好的晶圓上。完成後的晶圓再送往下游的IC封測廠，由封裝測試廠進行封裝測試，最後將效能良好的IC產品出售給系統廠商。

具體來說，可以細分為以下環節：

>IC設計：根據客戶要求設計晶片

IC設計可分成幾個步驟，依序為：規格制定→邏輯設計→電路佈局→佈局後模擬→光罩製作。規格制定：品牌廠或白牌廠的工程師和IC設計工程師接觸，提出要求；邏輯設計：IC設計工程師完成邏輯設計圖；電路佈局：將邏輯設計圖轉化成電路圖；佈局後模擬：經由軟體測試，看是否符合規格制定要求；光罩製作：將電路製作成一片片的光罩，完成後的光罩即送往IC製造公司。

>IC製造：將光罩上的電路圖轉移到晶圓上

IC製造的流程較為複雜，過程與傳統相片的製造過程有一定相似主要步驟包括：薄膜→光刻→顯影→蝕刻→光阻去除。薄膜製備：在晶圓片表面上生長數層材質不同，厚度不同的薄膜；光刻：將掩膜板上的圖形複製到矽片上。光刻的成本約為整個矽片製造工藝的1/3，耗費時間約佔整個矽片工藝的40～60%；

>IC封測：封裝和測試

封裝的流程大致如下：切割→黏貼→切割焊接→模封。切割：將IC製造公司生產的晶圓切割成長方形的IC；黏貼：把IC黏貼到PCB上；焊接：將IC的接腳焊接到PCB上，使其與PCB相容；模封：將接腳模封起來；

產品種類多。從技術複雜度和應用廣度來看，積體電路主要可以分為高階通用和專用積體電路兩大類。高階通用積體電路的技術複雜度高、標準統一、通用性強，具有量大面廣的特徵。它主要包括處理器、儲存器，以及FPGA(現場可程式設計門陣列)、AD/DA(模數/數模轉換)等。專用積體電路是針對特定系統需求設計的積體電路，通用性不強。每種專用積體電路都屬於一類細分市場，例如，通訊裝置需要高頻大容量資料交換晶片等專用晶片；汽車電子需要輔助駕駛系統晶片、視覺感測和影象處理晶片，以及未來的無人駕駛晶片等。

技術更新換代快。根據摩爾定律：當價格不變時，積體電路上可容納的元器件數目，約每隔18-24個月便會增加一倍，效能也將提升一倍，從而要求積體電路尺寸不斷變小。

晶片的製程就是用來表徵積體電路尺寸的大小的一個引數，隨著摩爾定律發展，製程從0.5微米、0.35微米、0.25微米、0.18微米、0.15微米、0.13微米、90納米、65納米、45納米、32納米、28納米、22納米、14納米，一直髮展到現在的10納米、7納米、5納米。目前，28nm是傳統制程和先進製程的分界點。

以臺積電為例，晶圓製造的製程每隔幾年便會更新換代一次。近幾年來換代週期縮短，臺積電2017年10nm已經量產，7nm將於今年量產。蘋果iPhoneX用的便是臺積電10nm工藝。除了晶圓製造技術更新換代外，其下游的封測技術也不斷隨之發展。

除了製程，建設晶圓製造產線還需要事先確定一個引數，即所需用的矽片尺寸。矽片根據其直徑分為6寸（150mm）、8寸（200mm）、12寸（300mm）等型別，目前高階市場12寸為主流，中低端市場則一般採用8寸。晶圓製造產線的製程和矽片尺寸這兩個引數一旦確定下來一般無法更改，因為如果要改建，則投資規模相當於新建一條產線。

投資大風險高。根據《積體電路設計業的發展思路和政策建議》，通常情況下，一款28nm晶片設計的研發投入約1億元～2億元，14nm晶片約2億元～3億元，研發週期約1～2年。對比來看，積體電路設計門檻顯著高於網際網路產品研發門檻。網際網路創業企業的A輪融資金額多在幾百萬元量級，積體電路的設計成本要達到億元量級。但是，相比積體電路製造，設計的進入門檻又很低，一條28nm工藝積體電路生產線的投資額約50億美元，20nm工藝生產線高達100億美元。

積體電路設計存在技術和市場兩方面的不確定性。一是流片失敗的技術風險，即晶片樣品無法通過測試或達不到預期效能。對於產品線尚不豐富的初創設計企業，一顆晶片流片失敗就可能導致企業破產。二是市場風險，晶片雖然生產出來，但沒有猜對市場需求，銷量達不到盈虧平衡點。對於獨立的積體電路設計企業而言，市場風險比技術風險更大。對於依託整機系統企業的積體電路設計企業而言，晶片設計的需求相對明確，市場風險相對較小。

1.3、全球半導體產業轉移與產業鏈變遷

半導體行業因具有下游應用廣泛，生產技術工序多、產品種類多、技術更新換代快、投資高風險大等特點，疊加下游應用市場的不斷興起，半導體產業鏈從整合化到垂直化分工越來越明確，並經歷了兩次空間上的產業轉移。

1.起源，美國，垂直整合模式

1950s，半導體行業於起源於美國，主要由系統廠商主導。全球半導體產業的最初形態為垂直整合的運營模式，即企業內設有半導體產業所有的製造部門，僅用於滿足企業自身產品的需求。

2.家電，美國→日本，IDM模式

1970s，美國將裝配產業轉移到日本，半導體產業轉變為IDM（IntegratedDeviceManufacture，整合器件製造）模式，即負責從設計、製造到封裝測試所有的流程。與垂直整合模式不同，IDM企業的晶片產品是為了滿足其他系統廠商的需求。隨著家電產業與半導體產業相互促進發展，日本孵化了索尼、東芝等廠商。我國大部分分立器件生產企業也採用該類模式。

3.PC，美日→韓國、臺灣地區，代工模式

1990s，隨著PC興起，儲存產業從美國轉向日本後又開始轉向了韓國，孕育出三星、海力士等廠商。同時，臺灣積體電路公司成立後，開啟了晶圓代工（Foundry）模式，解決了要想設計晶片必須鉅額投資晶圓製造產線的問題，拉開了垂直代工的序幕，無產線的設計公司（Fabless）紛紛成立，傳統IDM廠商英特爾、三星等紛紛加入晶圓代工行列，垂直分工模式逐漸成為主流，形成設計（Fabless）→製造（Foundry）→封測（OSAT）三大環節。

4.智慧手機，全球--->中國大陸

2010s，隨著大陸智慧手機品牌全球市場份額持續提升，催生了對半導體的強勁需求，加之國家對半導體行業的大力支援以及人才、技術、資本的產業環境不斷成熟，全球半導體產業醞釀第三次產業轉移，即向大陸轉移趨勢逐漸顯現。

人力成本是產業鏈變遷和轉移的重要動力

韓國和臺灣地區的積體電路產業均從代工開始，代工選擇的主要因素便是人力成本，當時韓國和臺灣地區的人力成本相比於日本低很多，封測業便開始從日本轉移到韓國、臺灣地區。同樣由於人力成本的優勢，在21世紀初，封測業已經向國內轉移，可以說已經完成了當年韓國、臺灣地區的發展初期階段。勞動力密集型的IC封測業最先轉移；而技術和資金密集型的IC製造業次之，轉移後會相差1-2代技術；知識密集型的IC設計一般很難轉移，技術差距顯著，需要靠自主發展。