解锁我国芯片产业发展现状及趋势

一、概况

1 简介

芯片通常是指封装后的集成电路。集成电路是指采用一定的工艺，将数以亿计的晶体管、三极管、二极管等半导体器件与电阻、电容、电感等基础电子元件连接并集成在小块基板上，然后封装在一个管壳内，成为具备复杂电路功能的一种微型电子器件或部件。

芯片作为全球信息产业的基础与核心，被誉为“现代工业的粮食”，其应用领域广泛，在电子设备（如智能手机、电视机、计算机等）、通讯、军事等方面得到广泛应用，对经济建设、社会发展和国家安全具有重要战略意义和核心关键作用，是衡量一个国家或地区现代化程度和综合实力的重要标志。

根据中国半导体行业协会统计，2018 年中国集成电路产业中最大的三类应用市场为网络通信领域、计算机领域及消费电子领域，合计占比 79%。未来随着汽车智能化、电子化、自动化的不断发展，人工智能、物联网、5G 等新兴领域的不断扩展，集成电路的市场规模将不断扩大、应用领域将不断延伸。

2 全球集成电路行业发展概况

近年来，随着人工智能、智能驾驶、5G 等新兴市场的不断发展，全球集成电路行业市场规模整体呈现增长趋势。根据世界半导体贸易统计协会统计，全球集成电路行业销售额由 2012 年的 2,382 亿美元增长至 2018 年的 3,933 亿美元， 年均复合增长率达 8.72%，具体如下：

数据来源：世界半导体贸易统计协会

3 中国集成电路行业发展概况

近年来，凭借着巨大的市场需求、丰富的人口红利、稳定的经济增长及有利的产业政策环境等众多优势条件，中国集成电路产业实现了快速发展，市场增速明显高于全球水平。根据中国半导体行业协会统计，中国集成电路产业销售额由 2012 年的 2,158 亿元增长至 2018 年的 6,531 亿元，年均复合增长率达 20.27%。其中，2016 年、 2017 年及 2018 年中国集成电路产业销售额分别为 4,336 亿元、5,411 亿元及 6,531 亿元，增速分别达 20%、25%及 21%，具体如下：

数据来源：中国半导体行业协会

二、芯片制造行业发展概况

伴随技术进步、行业竞争和市场需求的不断变化，芯片产业在经历了多次结构调整后，已逐渐由集成电路设计、制造以及封装测试只能在公司内部一体化完成的垂直整合制造模式演变为垂直分工的多个专业细分产业，发展历程如下：

1 产业链简介

集成电路产业链包括核心产业链、支撑产业链以及需求产业链。核心产业链包括集成电路设计、制造和封装测试，支撑产业链包括集成电路材料、设备、EDA、IP 核等，需求产业链包括通讯产品领域、消费电子领域、计算类芯片领域、汽车/工业领域及其他领域。

其中，集成电路核心产业链的主要环节如下：

（1）集成电路设计

集成电路设计是集成电路的开发过程，即通过系统设计和电路设计，将设定的规格形成设计版图的过程。集成电路完成设计环节后进入集成电路制造环节。

（2）集成电路制造

集成电路制造是指将光掩模上的电路图形信息大批量复制到晶圆上，并在晶圆上大批量形成特定集成电路结构的过程，其技术含量高、工艺复杂，在芯片生产过程中处于至关重要的地位。集成电路制造完毕后进入封装测试环节。

（3）封装测试

封装是指将生产加工后的晶圆进行切割、焊线塑封，使电路与外部器件实现连接，并为集成电路提供机械保护，使其免受物理、化学等环境因素损伤的工艺。测试是指利用专业设备，对封装完毕的集成电路进行功能和性能测试。测试合格后，即形成可供使用的集成电路产品。

2 经营模式

集成电路制造企业的经营模式主要包括两种：一种是 IDM 模式，即垂直整合制造模式，其涵盖了产业链的集成电路设计、制造、封装测试等所有环节；另一种是 Foundry 模式，即晶圆代工模式，仅专注于集成电路制造环节。垂直整合制造模式下的集成电路企业拥有集成电路设计部门、晶圆厂、封装测试厂，属于典型的重资产模式，对研发能力、资金实力和技术水平都有很高的要求，因而采用垂直整合制造模式的企业大多为全球芯片行业的传统巨头，包括英特尔、三星电子等。

晶圆代工模式源于集成电路产业链的专业化分工，形成无晶圆厂设计公司、晶圆代工企业、封装测试企业。其中，无晶圆厂设计公司为市场需求服务，从事集成电路设计和销售业务。晶圆代工企业以及封装测试企业为这类设计公司服务。目前，世界领先的晶圆代工企业有台积电、格罗方德、联华电子和中芯国际等。

3 全球晶圆代工行业市场概况

自上世纪八十年代晶圆代工模式诞生以来，晶圆代工市场经过 30 多年发展， 已成为全球半导体产业中不可或缺的核心环节。根据 IC Insights 统计，2018 年， 全球晶圆代工行业市场规模为 576 亿美元，较 2017 年的 548 亿美元增长 5.11%， 2013 年至 2018 年的年均复合增长率为 9.73%。通过与无晶圆厂设计公司等客户形成共生关系，晶圆代工企业能在第一时间受益于新兴应用的增长红利。

数据来源：IC Insights

晶圆代工行业属于技术、资本和人才密集型行业，市场集中度较高，呈明显的行业寡头垄断特征。根据 IC Insights 统计，2018 年前十大纯晶圆代工厂商占全球市场 97%的市场份额，前五大厂商（台积电、格罗方德、联华电子、中芯国际、力晶科技）占全球市场 88%的市场份额。

4 中国晶圆代工行业市场概况

中国大陆晶圆代工行业起步较晚，但发展速度较快。根据中国半导体行业协会统计，2018 年中国集成电路产业制造业实现销售额 1,818 亿元人民币，同比增长 25.55%，相较于 2013 年的 601 亿元人民币，复合增长率达 24.78%，实现高速稳定增长。

数据来源：中国半导体行业协会

三、芯片行业新技术发展情况

1 新技术

（1）逻辑工艺技术

集成电路制造需要在高度精密的设备下进行，经过光刻、刻蚀、离子注入等工艺步骤反复几十次甚至上百次的循环，最终实现从光掩模上复杂的电路结构到晶圆上集成电路图形的转移，在指甲盖大小的空间中集成了数公里长的导线和数以亿计的晶体管器件，这些图形的最小宽度甚至不到头发丝直径的千分之一。

集成电路行业在经历数十年的发展后，目前已经进入后摩尔时代，随着先进光刻技术、3D 封装技术等不断涌现，各种先进工艺不断改进和完善，集成电路已由本世纪初的 0.35 微米的 CMOS 工艺发展至纳米级 FinFET 工艺。

全球最先进的量产集成电路制造工艺已经达到 7 纳米至 5 纳米，3 纳米技术有望在 2022 年前后进入市场。同时，作为集成电路的衬底，晶圆的直径已经由最初的 6 英寸、8 英寸增长到现在的 12 英寸。

（2）特色工艺技术

近年来，随着新兴应用的推陈出新，对除逻辑电路以外的其他集成电路和半导体器件类型都提出了更高的要求，举例如下：

高清电视、AMOLED 手机等设备上所搭载的愈发强大的显示面板技术，推动静态随机存储器的存储上限从早期的 10Mb、64Mb 不断演变至目前最先进的 128Mb，驱动着工艺节点的不断升级，将静态随机存储器的工艺节点从早期的 80 纳米、55 纳米、40 纳米，升级至目前先进的 28 纳米。

高速非易失性存储在市场的驱动下快速演进，其从最早的 8Mb 快速成长至如今的 48 纳米工艺节点 256Mb。嵌入式非挥发性存储芯片因广泛应用于汽车电子、消费电子、工业及无线通讯领域中，从 0.18 微米迅速发展到 40 纳米的工艺节点，向着面积更小、速度更快的方向前进。

2 设计服务与IP支持

集成电路技术的不断发展推动了设计服务领域的技术革新。随着 FinFET DTCO 技术的推出，设计服务可以与工艺开发深度协同，从设计的角度对工艺设计规则、后端布线规则、器件种类等进行优化，基于优化成果提供更好的设计服务，令其产品更具竞争力。

此外，由于传统静态随机存储器在功耗、速度和面积等方面存在技术瓶颈， 设计服务厂商开始提供新一代存储 IP 解决方案（如 MRAM 等），以解决高性能计算对片内大容量高速度存储器的需求及物联网应用对非挥发存储器的需求。

FinFET 工艺持续发展所产生的晶体管线宽限制与日趋复杂的设计规则，也对模拟、混合信号电路的设计带来较大程度限制。在符合设计规则的前提下，市场推出了基于模板的设计服务技术与模块，使得客户设计如同搭积木式一般，而不用受制于复杂的设计规则，节约了电路设计和后端版图时间。

3 光掩模制造

麒麟5nm芯片将如期发布，将用于供货800万部华为Mate 40新机

此前美国商务部表示，将全面限制华为购买采用美国软件和技术生产的半导体，也就是说美国将限制台积电对华为海思芯片的代工。这也让不少网友担忧会不会对麒麟5nm芯片造成较大影响。 近日有网友表示华为将会在10月份，如期发布搭载5nm工艺麒麟的华为Mate 40系列

光掩模作为集成电路制造中光刻环节必不可少的核心工具，其制造技术的发展随着光刻技术的发展而演变。光掩模的类型从早期的二元掩模发展成相位移掩模，其图形传递介质从金属铬进化成钼硅材料。近年来，随着极紫外光刻（EUV）技术的引入，光掩模从传统的透射型基材转变为反射型基材，结构的复杂程度和制造的难度成倍增加。

随着光掩模上所绘电路图形尺寸不断缩小，晶体管等器件的密集度不断提高，传统的电子束描画设备完成单张光掩模描画的时间不断增加，单张 EUV 掩模的描画时间甚至可达数日之久，对光掩模的研发和制造提出了极高的挑战。

多重电子束描画技术的出现和日益成熟为解决上述难题提供了新途径，该技术运用数十万根电子束同时描画互不干扰，既能保证图形精度，又能将 EUV 掩模描画时间控制在可接受的范围之内，在很大程度上提高了先进技术节点的研发效率和商业量产能力。

4 凸块加工及测试

集成电路封装作为集成电路产业链中不可或缺的环节，一直伴随着集成电路工艺技术的不断发展而变化。

传统封装的作用包含对芯片的支撑与机械保护、电信号的互连与引出、电源的分配和热管理等。传统封装形式主要是利用引线框架或基板作为载体，采用引线键合互连的形式使电路与外部器件实现连接。

随着集成电路制造工艺技术的不断发展，对端口密度、信号延迟及封装体积等提出了越来越高的要求，促进了先进封装如凸块、倒装、硅穿孔、2.5D、3D 等新封装工艺及封装形式的出现和发展。

相对于引线键合工艺，凸块工艺是通过高精密曝光、离子处理、电镀等设备和材料，基于定制的光掩模，在晶圆上实现重布线，允许芯片有更高的端口密度，缩短了信号传输路径，减少了信号延迟，具备了更优良的热传导性及可靠性。

凸块工艺配合倒装技术带来封装体积的缩小，实现了芯片级封装。凸块工艺、三维芯片系统集成等先进封装工艺实现了各种晶圆级封装和系统级封装，成为拓展摩尔定律的另外一种实现方式。

四、集成电路行业新产业发展情况

集成电路是信息产业的基础，涉及计算机、家用电器、数码电子、电气、通信、交通、医疗、航空航天等几乎所有电子设备领域。近年来，集成电路应用领域随着科技进步不断延展，5G、物联网、人工智能、智能驾驶、云计算和大数据、机器人和无人机等新兴领域蓬勃发展，为集成电路产业带来新的机遇。

1 5G

根据中国信通院《5G 经济社会影响白皮书》预测，5G 商用预计在 2020 年带动中国市场约 4,840 亿元的直接产出，并于 2030 年增长至 6.3 万亿元，年均复合增长率为 29%。5G 的正式商用化将为新型芯片的上市带来更多机遇和挑战。

2 物联网

强化的数据传输、边缘计算和云分析功能的综合要求将带动物联网的加速发展，并推动信息链接、收集、计算和处理等 4 个方面功能芯片的不断优化和升级。

3 人工智能

目前全球人工智能正在经历新的发展浪潮，基于云计算和大数据的人工智能采用深度学习算法，能拥有更强的计算能力进行数据分析。人工智能对数据运算、存储和传输的需求越来越高，推动芯片设计和制造水平的不断升级。

4 智能驾驶

汽车电子系统中，智能驾驶辅助系统和车联网系统很大程度上决定了汽车智能化的程度，其对车用芯片的技术水平提出了更高的要求。

5 云计算和大数据

云计算和大数据为人工智能和机器学习发展奠定了基础，云计算和大数据的持续发展对于高性能计算芯片和大容量存储芯片提出了新的要求。

6 机器人和无人机

未来，全球机器人和无人机芯片市场将快速增长，相关应用将会深入到生产、生活等各个领域，为半导体市场带来多样化的需求。

五、行业面临的挑战

1 与国际顶尖技术水平仍有一定差距

中国大陆集成电路企业在顶尖技术积累方面与业界龙头企业存在一定差距。尽管中国政府和企业愈发重视对集成电路产业的研发投入，但由于技术发展水平、人才培养等方面的滞后性，以及企业资金实力不足等诸多原因，中国大陆集成电路产业的研发力量薄弱、自主创新能力不足的状况依然存在。

就集成电路晶圆代工行业而言，在先进工艺线宽这一关键指标上，中国大陆企业在生产设备和技术人才等方面与业界龙头企业还存在一定差距。在集成电路行业面临全球范围内充分竞争的背景下，中国大陆企业在与业界龙头企业竞争的过程中仍会在未来一段时间内处于相对弱势的地位。

2 高端专业技术人才不足

集成电路晶圆代工行业属于技术和人才密集型行业。相对于发展成熟的美国、日本、欧洲和中国台湾等，中国大陆因产业发展起步晚，导致经验丰富的集成电路高端人才稀缺。

尽管近年来国家对高端专业人才的培养力度逐步加大，但人才匮乏的情况依然存在，已成为当前制约行业发展的主要因素。

六、行业面临的机遇

1 新应用推动市场需求持续旺盛

集成电路行业虽然呈现周期性波动的特性，但整体增长趋势并未发生变化，每次技术变革持续带动行业增长。随着消费电子产品向智能化、轻薄化、便携化的方向发展，新的智能终端产品层出不穷，使得集成电路产业的市场前景越来越广阔。以物联网为代表的新需求所带动的如云计算、人工智能、大数据等新应用的兴起，逐渐成为集成电路行业新一代技术变革动力。

集成电路下游应用领域的不断延展带动了市场需求的持续旺盛。同时，伴随着全球的集成电路巨头不断加大资本性投资力度，集成电路行业的景气度有望保持上升趋势，有利于集成电路制造企业发展壮大。

2 技术水平逐渐提高

近年来，中国集成电路市场的迅速发展推动了中国集成电路领域的产业进步与技术革新。随着应用领域的分化，中国大陆在集成电路制造领域技术水平不断取得突破，在先进与特色工艺的技术研发和产业化等方面取得了显著进展。中国大陆集成电路制造技术与国际领先技术的差距越来越小，为推动集成电路产业实现跨越发展奠定了牢固的基础。

3 集成电路产能向中国大陆转移

集成电路产业链逐步从美国、日本、欧洲和中国台湾向中国大陆和东南亚等地区转移，有利于国内企业研发先进技术和积累管理经验，促进本土企业的快速发展。产业链转移的全球大趋势为中国大陆集成电路行业的发展提供了新的机遇。

中国大陆新增晶圆厂的逐步建设完成为国内集成电路行业在降低成本、扩大产能、地域便利性等方面提供了新的支持，对于集成电路产业的发展起到了促进作用。大陆市场的旺盛需求和投资热潮带动了集成电路产业专业人才的培养及配套产业的发展，集成电路产业环境的良性发展为中国大陆集成电路制造环节扩张和升级提供了机遇。

4 集成电路产线愈加昂贵加剧头部企业集中趋势

在摩尔定律的推动下，元器件集成度的大幅提高要求集成电路线宽不断缩小，导致生产技术与制造工序愈为复杂，制造成本呈指数级上升趋势。当技术节点向 5 纳米甚至更小的方向升级时，普通光刻机受其波长的限制，其精度已无法满足工艺要求。因此，集成电路的制造需要采用昂贵的极紫外光刻机，或采用多重模板工艺，重复多次薄膜沉积和刻蚀工序以实现更小的线宽，使得薄膜沉积和刻蚀次数显著增加，意味着集成电路制造企业需要投入更多且更先进的光刻机、刻蚀设备和薄膜沉积设备等，造成巨额的设备投入。

根据 IBS 统计，随着技术节点的不断缩小，集成电路制造的设备投入呈大幅上升的趋势。以 5 纳米技术节点为例，其投资成本高达数百亿美元，是 14 纳米 的两倍以上，28 纳米的四倍左右。

巨额的设备投入只有具备一定规模的头部集成电路制造厂商可以负担，其进一步加剧了集成电路制造行业向头部集中的趋势，为头部集成电路制造企业的发展创造了良好机遇。

5 产业政策的有力支持

目前，中国大陆集成电路产业的快速发展尚不能完全满足日益增长的市场需求。2018 年中国大陆集成电路进口额达 3,121 亿美元，是目前进口金额最高的商品，同期中国大陆集成电路出口额为 846 亿美元，贸易逆差达 2,275 亿美元。

数据来源：中国半导体行业协会

集成电路产业是国民经济和社会发展的战略性、基础性、先导性产业，是电子信息产业的核心。近年来，国家相继出台产业政策，以市场化运作的方式推动集成电路产业的发展。2014 年 6 月，国务院发布《国家集成电路产业发展推进纲要》，明确了集成电路产业未来几年的发展目标，具体如下：

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