半导体行业是信息社会的基础，而集成电路又是半导体行业的核心，其过去50多年的发展历程基本遵循摩尔定律。集成电路细分市场当中，存储器芯片行业周期性最为显著而模拟芯片发展较为平稳。在逻辑芯片领域中，晶圆制造厂商扮演核心地位，属于典型的资金密集型行业，晶圆制造厂商为保持核心竞争力，需要持续的研发投入和先进制程工艺投入，在7nm以下全球仅剩为数不多的几家公司尚有能力布局。

 

目前中国是世界上最大的芯片消费市场，2018年中国集成电路进口金额首次超过3000亿美元，集成电路逆差突破2000亿美元。个人电脑、笔记本、智能手机、物联网智能设备分别在不同的时代推动了半导体产业的发展。未来在5G、人工智能、物联网等新型市场需求的驱动下，集成电路技术将加快变革创新。

 

 

半导体、集成电路、芯片

一、半导体集成电路行业概况

 

1、 半导体集成电路行业概述

 

半导体是指介于导体与绝缘体之间的物理材料。半导体是许多工业整机设备的核心，普遍应用于消费电子、计算机、通信、汽车、工业、医疗、国防军工等核心领域，是整个信息产业的基石。半导体行业主要产品包括集成电路（IC）、分立器件、光电子器件和传感器四个大类。20世纪最伟大的发明之一就是“将沙子变成了晶体管”，世界上首个可运行晶体管于1947年12 月23日在美国贝尔实验室面世，距今已有70多年历史，而集成电路就是由数以亿计的晶体管构成。

 

全球半导体贸易协会（WSTS）数据显示2018年全球半导体市场规模达4688亿美元，同比增长13%。集成电路、分立器件、光电器件和传感器这四大类产品市场规模分别为3933亿美元、241亿美元、380亿美元、134亿美元。

从应用市场看，半导体应用市场主要包括通信、计算机、消费电子、工业应用、汽车电子、军工/航天等，其中最大的两类应用市场为通信和计算机，占比接近30%。消费电子、工业应用和汽车电子三大类应用占比相当，分别为10%左右。近两年，存储类数据处理与计算类数据处理增速较快主要来源于云计算、大数据等技术的发展，给服务器等整机带来较大的市场需求。

集成电路为整个半导体产业的核心，占据整个半导体规模的84%，其又可以进一步分为微处理器、逻辑芯片、存储器、模拟芯片四个子领域。2018年全球模拟芯片、微处理器、逻辑芯片和存储器市场规模分别为588亿美元、672亿美元、1093亿美元和1580亿美元。

全球集成电路近4000亿美元市场规模。随着全球信息化、网络化和知识经济的迅速发展，集成电路产品应用已渗透到汽车、军工、消费、通信、计算机和国防建设等各方面，其市场规模随着应用领域的扩大也越来越大。回溯集成电路的发展历史，其应用市场跟随电子制造业产业链的迁移而迁移。由80年代日本、美国向90年代的台湾再向新世纪的中国转移。自2000年加入WTO以来，日韩台湾电子制造业企业纷纷在中国设立工厂，中国慢慢成为世界电子行业制造中心。2018年，工信部统计中国手机、计算机和电视的产量在全球总产量中占比分别超过90%、90%和70%，均处于全球首位。正是在这种背景下，中国已成为世界上最大的芯片消费市场。WSTS 数据显示2018年亚洲其他地区（主要为中国）半导体销售额为2488亿美元，占到全球市场总值的 60.4%，为全球最大的销售市场。根据世界半导体协会统计数据，截至2019年3月，全球半导体36.8%出货目的地为中国，中国半导体行业协会副理事长5月17日在世界半导体大会上表示2018年中国集成电路进口金额约3120.6亿美元，同比增长19.8%，首次超过3000亿美元，出口金额846.4亿美元，集成电路逆差突破2000亿美元。

2、 集成电路细分市场概述

 

1）存储芯片产值最大，周期性很强

 

在集成电路四个细分领域中，存储芯片产值最大。存储芯片，又称为存储器，是指利用电能方式存储信息的半导体介质设备，其存储与读取过程体现为电子的存储或释放，广泛应用于内存、U盘、消费电子、智能终端、固态存储硬盘等领域，是应用面最广、市场比例最高的集成电路基础性产品之一。

 

目前比较主流的存储器包括DRAM（动态随机存储记忆体）和NAND（闪存），其性能和成本较为平衡，二者合计占据市场份额的90%以上。DRAM是最为常见的系统内存，其只能将数据保持很短的时间。为了保持数据，DRAM使用电容存储，所以必须隔一段时间刷新一次，如果存储单元没有被刷新，存储的信息就会丢失。NAND Flash可以实现大容量存储、高写入和擦除速度，其断电后不会丢失数据，多应用于大容量数据存储，例如智能手机、平板电脑、U盘、固态硬盘等领域。其他还有NOR Flash、SRAM、SLC NAND 等利基型存储器，市场份额较小。

 

存储器行业属于强周期性行业，从历史表现上看，存储器行业总是处于交替出现的涨跌循环之中。存储器行业的波动剧烈，其产业周期强于电子市场及电子元器件市场整体的周期性，暴涨暴跌的情况可谓常态。2008年全球金融危机中，DRAM市场陷入严重供过于求，市场价格大幅下跌，三星逆势扩产，德国存储器厂奇梦达宣布破产退出市场。2012年2月末，日本唯一的DRAM厂商、DRAM产品市场占有率位居全球第三的尔必达公司宣告经营破产。经过几轮周期，目前DRAM 行业被韩美三大存储器公司高度垄断，三星、SK海力士、美光占据了全球市场的90%以上，台湾华亚科、华邦电等公司有小部分市场份额。在NAND FLASH领域，主要的企业有三星、SK海力士、美光，东芝、英特尔和西部数据，台湾华亚科、华邦电、宏旺等公司也有涉及，其中三星市场占有率约40%。目前中国己有三家企业进入存储器领域，分别是武汉长江存储的NAND闪存，福建晋华的DRAM利基型产品，以及合肥长鑫(睿力)的19纳米DRAM产品。其中，长江存储计划在2019年下半年量产64层堆栈的3D NAND闪存，合肥长鑫12英寸存储晶圆制造基地项目的一期研发阶段所有单体已经完成，成品芯片功能通过，正在进行良率提升和量产准备工作，计划2019年三季度推出8Gb LPDDR4，到2019年年底，产能达到2万片/月。

 

2017年，由于移动设备存储容量的大幅度提升、存储器厂家进行技术迭代升级由2D NAND Flash转向3D NAND Flash，导致存储器行业大幅度涨价，整体市场规模增长50%并首次超过1000亿美元。2018年存储芯片市场达到1580亿元，占全球集成电路市场规模的比例为 40.17%，连续两年超越历年占比最大的逻辑电路，是全球集成电路市场销售额占比最高的分支。

2018年下半年，由于下游需求的放缓以及厂商的扩产行为，存储器行业进入了下行期，存储器芯片大幅降价。以NAND为例，2018年64层堆栈的3D NAND闪存大规模量产，使得NAND闪存每GB成本降至8美分，相比之前2D NAND闪存的成本高达每GB 21美分，成本的降低以及下游需求的放缓使得NAND价格走入下行通道。进入2019年以来，存储器行业依然处于下行通道，2019年以来NAND Flash价格跌幅已快逼近30%。整体上来看，存储器行业是一个周期性很强的行业。

 

2）逻辑芯片种类众多，部分细分领域寡头垄断

 

逻辑芯片是另一大细分领域，逻辑芯片是一种以二进制为原理、实现数字信号逻辑运算和操作的电路，其在计算机、数字控制、通信、自动化和仪表等方面中被大量运用。目前世界范围内主流逻辑芯片有几种：CPU（微处理器）、GPU（图形处理器）、ASIC(专用集成电路)、FPGA（现场可编程逻辑门阵列）、DSP（数字信号处理器）。

 

目前，在桌面CPU领域，主要企业有英特尔与AMD，其中英特尔在桌面CPU领域几乎占据垄断地位，笔记本电脑、台式机、服务器领域均需要用到其CPU。在移动CPU领域，主要企业有高通、苹果、三星、联发科、华为、紫光展锐等。

 

在GPU领域，主要企业有NVIDIA、AMD两家公司。

 

由于ASIC 芯片的计算能力和计算效率都直接根据特定的需要进行定制，所以在ASIC领域并没有形成一家或几家独大的企业，目前呈现出国内外电子科技巨头、科研院所和国内初创型公司互相竞争的格局，国外以Google、 IBM、 Intel、斯坦福大学为首，国内有中星微电子、寒武纪科技等公司。

 

在FPGA领域，市场被国外四大巨头Xilinx、Altera（已被英特尔收购）、Lattice、Microsemi(美高森美)垄断。国内企业方面，广东高云半导体、紫光国微、中电科下属部分研究所有所涉及。

 

在DSP领域，主要公司有TI（德州仪器）、ADI（美国模拟期间公司）、摩托罗拉等公司。

 

逻辑芯片厂商数量众多，大部分商业模式为Fabless，也就是无晶圆的IC设计厂商，其主要依靠下游晶圆代工企业如台积电、三星、中芯国际等为其生产芯片，二者相依相存。

 

3）模拟芯片产品生命周期长，行业波动较小

 

模拟芯片的主要作用在于用来处理声、光、电、热等联系变化的信号。模拟芯片作为电子产品的重要组成部分，市场需求随着各类电子产品的快速发展而不断扩大。模拟芯片强调的是高信噪比、低耗电、高可靠性和稳定性，产品生命周期较长，可达10年之久，同时，模拟芯片市场不易受单一产业景气变动影响，因此价格波动远没有存储芯片和逻辑电路等数字芯片的变化大，市场波动幅度也相对较小。模拟芯片主要包括电源管理、射频器件、AD数模转换等。IC Insights公布的2018年全球10大模拟芯片厂商营收及排名，排名前10的IC厂商占2018年模拟芯片全球销售额的60％，达到361亿美元，强者愈强、大者恒大的规律愈加突出。其中，德州仪器凭借108亿美元的销售额，以及18％的市场占有率，再次成为了2018年模拟IC行业的领头羊。

二、集成电路产业链以及商业模式

 

集成电路产业链分为上游支撑产业链、中游核心产业链以及下游需求产业链。集成电路支撑产业链包括芯片设计所需要的IP、EDA设计软件，芯片制造所需要的大硅片材料、掩膜版、光刻胶、高纯化学试剂以及光刻机、刻蚀机等半导体设备，核心产业链完成集成电路产品的设计、制造和封装测试，需求产业链包括计算机、通迅、消费电子、汽车电子、工业/医疗等领域。

从商业模式上来看，集成电路产业有垂直整合和垂直分工两种商业模式，第一种为垂直整合模式(IDM，Integrated Device Manufacturer)，指企业业务范围涵盖集成电路设计、晶圆制造、封装及测试等环节。上世纪60年代，早期企业都是IDM运营模式，这类企业一般具有规模庞大、技术全面、积累深厚的特点，如Intel、三星等。第二种模式是垂直分工模式，垂直分工又包含集成电路设计(Fabless)、晶圆代工(Foundry) 及封装测试(Package Testing)的专业分工。集成电路设计商将自己设计好的芯片交由晶圆代工厂制造，再转交封装测试厂进行封装与测试。晶圆代工厂只专注于为 IC 设计公司提供制造服务。随着技术升级成本越来越高以及对IC产业生产效率的要求提升，促使整个产业逐渐向设计、制造、封装、测试分离的垂直分工模式发展。这种垂直分工的模式首先大大提升了整个产业的运作效率。

 

IC设计是指根据设定的芯片规格，通过系统设计和电路设计将系统、逻辑与性能的设计要求转化为具体物理版图的过程。IC设计主要包含系统实现模型的搭建、数字电路代码的编写、模拟图设计逻辑和性能仿真验证后端物理版图实现等几个重要环节。IC设计处于集成电路产业链的前端，其需要EDA软件做支撑，轻资产运营，是一个人才密集型行业，设计人员水平高低决定了芯片产品的功能、性能和成本。IC设计将设计出的电路图交由晶圆代工厂生产加工。

 

晶圆制造是指晶圆制造厂接受版图文件，经过一系的加工工艺将生产掩膜，通过光刻、掺杂、溅射、刻蚀等过程，将掩膜上的电路图形复制到晶圆基片上，从而在晶圆基片上形成电路。制造完成的晶圆再送往下游封装测试场进行封装和测试。晶圆制造行业是一个重资产的行业，需要不断的投入设备、研发新的工艺来满足芯片设计厂商的需求。

 

IC封装是将生产出来的合格晶圆进行切割、焊线、塑封，使芯片电路与外部器件实现电气连接，并为芯片提供机械物理保护的工艺过程；IC测试是指利用集成电路设计企业提供的测试工具，对封装完毕的芯片进行功能和性能测试，测试合格后，即形成可供整机产品使用的芯片产品。

1965 年，英特尔联合创始人戈登•摩尔提出以自己名字命名的“摩尔定律”，意指集成电路上可容纳的元器件的数量每隔 18 至 24 个月就会增加一倍，性能也将提升一倍。集成电路产业在过去50多年按照摩尔定律持续发展，制程节点不断缩小。芯片的制程就是用来表征集成电路尺寸大小的一个参数，随着摩尔定律的发展，集成电路制程节点也不断缩小。

 

在此过程中，芯片的制造商也就是晶圆制造厂商扮演了重要的角色。晶圆制造行业一个典型的特点就是先进技术节点工艺制程掌握在少数几个公司手中。130纳米技术全球有近30家公司可以量产，但是到了14纳米技术仅掌握在6个公司手上。在目前的制程工艺中，28纳米是一个比较长的制程节点，预计工艺生命周期将会比较长。从单位晶体管成本来看，28纳米制程节点每百万门单价是目前市场上单位门成本最低的制程节点。新兴制程节点的研发投入持续攀升，7纳米制程节点的工艺研发费用达3亿美金，5纳米研发费用超过5亿美金。需要注意的是，集成电路制造行业需要高昂的研发投入及建厂成本，这大幅提高了行业门槛。晶圆制造属于典型的资金密集型行业。芯片制造公司为保持公司核心竞争力，需要持续的研发投入和先进制程工艺投入。由于晶片加工工艺极其复杂，线宽越来越小，最先进的制程工艺需要专门的激光装置进行深度紫外线（EUV）光刻，此类设备和工具投资最高价格能达上亿美金。一条 28nm 工艺集成电路生产线的投资额约 50 亿美元， 20nm 工艺生产线高达100亿美元。2019年4月，三星电子宣布将在未来10年内在包括代工服务在内的其逻辑芯片业务上投资约133兆韩元（约1160亿美元）以期超越台积电，成为全球第一大芯片代工厂。由于投资额巨大，目前在整个芯片代工领域，只剩下有限的几个公司竞争。在14纳米以下制程，截止目前仅有台积电、三星、英特尔及中芯国际四家厂商有能力布局。格罗方德、联电均战略性退出7纳米及以下市场。

 

具体到厂家来看，英特尔于2018年末推出的第九代处理器，其采用14nm++工艺的增强版本制造，2019年底将量产10nm工艺。台积电在2018年已经率先量产了7nm工艺，其表示7nm产品将成为28nm和16nm等长寿命节点。目前，台积电5纳米工艺正在开发中，预计将于2019年上半年进入风险生产阶段，到2020年将开始量产，3nm工艺目前已经进入全面开发阶段。三星在2018年初开始批量生产第二代10nm工艺，称为10LPP（低功率+）。在2018年晚些时候，三星推出了第三代10nm工艺，称为10LPU（低功耗终极），提供了另一项性能提升。三星采用10nm的三重图案光刻技术。与台积电不同，三星认为其10纳米工艺系列（包括8纳米衍生产品）的生命周期很长。三星的7nm技术于2018年10月投入生产。

据IC insights数据，2018年全球晶圆代工行业市场规模710亿美金，其中纯晶圆代工产值576亿美金，IDM晶圆代工产值134亿美金。以8寸晶圆口径测算，2018年全球芯片制造月产能为1889.7万片。其中台湾地区位居第一，占全球21.8%产能，韩国占全球21.3%产能，中国大陆地区占全球12.5%产能。2018 年大陆地区晶圆代工市场达到106.9亿美金，同比增长41%，显著高于全球5%的平均增速。2016年至2018年年均复合增长率为35.23%，呈现快速增长态势。

 

2016-2018年，晶圆代工市场，中国大陆企业市占率保持平稳，市场份额维持在9%。相比台积电而言，中国大陆厂商任重道远，在技术及产能规模上仍有不小差距。国内本土芯片制造企业的龙头企业有中芯国际、华虹、华润微电子、西安微电子技术研究所、武汉新芯。其中，中芯国际是中国内地技术最全面、配套最完善、规模最大的晶圆制造企业，2019年上半年，其将大规模量产14nm的工艺，公司12nm的工艺研发也取得突破，目前正在进入客户导入阶段。

 

三、集成电路行业未来发展趋势

 

回顾半导体行业发展的历史，个人电脑、笔记本、智能手机、物联网智能设备分别在不同的时代推动了半导体产业的发展。2000年互联网泡沫时期，半导体行业规模达到2000亿，而后在智能手机时代突破3000亿美元，在大数据、云计算时代突破了4000亿美元。在这背后，是集成电路芯片尺寸越来越小，集成的晶体管数量越来越多，计算能力越来越强大。

自从1965 年英特尔联合创始人戈登•摩尔提出以自己名字命名的“摩尔定律”以来。集成电路的发展基本上遵循摩尔定律的发展。1971年，英特尔制造全球第一款商用处理器 4004，芯片内部集成了2300个晶体管，晶体管之间的距离为10微米。在90年代初发布的奔腾处理器，内部集成了310万个晶体管。2000后发布的奔腾4处理器，线宽只有130纳米，内部集成了1.25亿个晶体管。2011年的酷睿i5处理器，晶体管数量超过了100亿，其最新的处理器线宽已经达到10纳米。尽管从10多年开始，质疑摩尔定律即将失效的声音就不绝于耳，但是摩尔定律依然展现了其强大的生命力。

 

2018年，集成电路技术仍沿着摩尔定律不断迭代演进。设计方面，手机芯片、人工智能芯片、矿机芯片等成为引领技术变革的重要产品。华为、苹果、高通纷纷发布7纳米手机芯片，融合了更强的计算处理和人工智能技术，英伟达、AMD等公司则继续发力人工智能市场，其GPU广泛应用于人工智能云端训练和推理。英特尔发布基于其14纳米FinFET工艺制造FPGA，使用了异构3D系统封装，可以将基于不同工艺制造的多枚芯片在同一封装内进行系统级互联，加快了芯片迭代速度。

 

在制造技术方面，摩尔定律仍继续推进，台积电和三星相继完成了7nm 工艺量产，在工艺制程上继续领先，进一步巩固了代工优势。但是随着芯片制程工艺升级进入“无人区”，诸多芯片厂商再也无法支撑工艺升级所耗费的财力，纷纷宣布放弃对先进工艺的研发。目前仅剩下三星、台积电、英特尔三家通过大规模研发及资本投入，在7nm先进制程竞赛中领跑，抢占产品向先进制程迁移红利。在存储领域，三星、东芝、英特尔等相继推出96层NAND存储技术，DRAM也加速迈向1ynm。国内方面，中芯国际2018年实现14nm工艺小规模量产，缩短与国外差距，长江存储、合肥长鑫和福建晋华也实现存储器工艺突破，在做量产前准备。

 

在封装测试技术方面，扇出型封装等高端封装技术相继推出，市场竞争仍然激烈。台积电、日月光等仍为技术引领龙头，国内长电科技、通富微电、华天科技等企业也在积极扩产加快部署。

 

展望未来，在5G、人工智能、物联网等新型市场需求的驱动下，集成电路技术将加快变革创新，代工厂将对工艺水平进一步升级。低功耗技术、安全技术、运算能力、视觉影像的处理能力、大数据支撑平台以及显示技术、感知技术、无线连接技术等均是未来物联网、人工智能等产业发展和产品升级的关键，也已成为未来集成电路设计及相关应用研发的方向和重点。