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中國社科院 |集成電路產業①中國自主產業鏈正在形成
作者: 佚名 時間:2019-9-15文章來源:澎湃新聞訪問量:3668

在美國采取非常規手段對中國集成電路企業進行圍堵之際,中國加快芯片自主研發和提高核心技術和關鍵裝備的自給率具有重要的戰略意義。總體而言,美國依然在集成電路產業鏈中居于統治地位,中國與其存在較顯著的差距。芯片設計及相關的軟件工具領域,中國已有了點上的突破;芯片的制造、封測環節正在加速向中國轉移,尤其是封測及相關設備制造,是中國最接近世界先進水平的領域;硅晶圓材料方面,中國目前解決了“從無到有”的問題,但國產化率還非常低。從整體來看,中國集成電路的自主產業鏈正在形成,一些局部的創新已經達到世界領先水平,但在一些關鍵技術和關鍵材料及設備方面仍然受制于人,如高端光刻機、芯片設計的工具軟件以及高純硅的供應方面,中國存在明顯短板。

一、中國集成電路產業發展情況

(一)全球集成電路產業發展概況

全球半導體貿易統計組織(wsts)數據顯示,2018年,全球集成電路產業總銷售額為4688億美元,同比增長13.7%;全球集成電路行業增速為全球gdp平均增速的三倍以上,成為驅動全球經濟增長的重要力量來源,預計未來依然保持高速增長態勢。

從區域市場來看,中國、韓國、美國、歐洲、日本等成為全球半導體行業的主要市場。根據wsts統計,2018年,中國大陸市場銷售額達1584億美元,同比增長6.1%;韓國市場銷售額達到1147億美元,增速達到24.3%;美國半導體市場銷售額為1030億美元,同比增長16.4%;歐洲半導體市場銷售額達430億美元,同比增長12.1%;日本半導體市場銷售額達400億美元,同比增長9.2%,韓國市場銷售額達到1147億元,增速達到24.3%。

從貿易情況來看,由于技術優勢和各國市場容量的差異,全球半導體行業市場貿易分化顯著,而中國的貿易逆差問題尤甚。據wto統計,2017年全球集成電路產品進口總額約為9600億美元,約占全球貨物貿易進口總額的5.3%;集成電路出口總額約為8088億美元,約占全球貨物貿易出口總額的4.0%。集成電路產品已成為全球多個國家或地區的進出口最大宗商品,如中國大陸、中國香港、中國臺灣、韓國等。從凈出口情況來看,中國大陸是全球半導體行業貿易逆差最大的地區,2017年半導體行業貿易逆差為2010億美元,美國、歐盟和中國香港地區為少量的貿易逆差,而韓國、馬來西亞、中國臺灣、日本、新加坡等為貿易順差。

圖1 2017年全球半導體行業主要貿易國家進出口情況

數據來源:世界貿易組織,https://data.wto.org。

設備對于集成電路行業發展極為關鍵,據semi統計,2018年全球半導體設備銷售額達621億美元,較2017年的566億美元增長9.7%。美國作為半導體產業的發源地,依然是集成電路行業設備的全球領導者,其占據全球約47%的市場份額。且從美國集成電路行業設備的供需情況來看,其主要設備供出口,據美國商務部統計數據,84%的半導體制造設備銷往美國以外的地方。

(二)中國集成電路產業發展概況

據工信部研究報告顯示,中國已成為全球規模最大、增速最快的集成電路市場,市場規模不斷擴大,保持年均20%以上的增長率。另據中國半導體行業協會統計,2018年,中國集成電路產業銷售額6532億元,同比增長20.7%。從進出口情況來看,盡管增長率短期內有所波動,但總體保持增長態勢,且貿易逆差不斷擴大。

2018年,中國大陸進口金額達到3120.6億美元,同比增長19.8%;出口額達到846.46億美元,增長26.6%,集成電路貿易逆差進一步擴大到2274億美元,比2017年增長了17.7%。

圖2 2013-2018年中國集成電路市場增長情況及進出口情況

數據來源:中國半導體行業協會。

從中國集成電路行業內部結構來看,設計業、制造業和封裝業均保持較高的增速,其中設計業和制造業增速超過封裝業。2018年,設計業銷售額為2519.3億元,較2013年的808.8億元增長211.49%;制造業銷售額從600.86億元增長到1818.2億元,增長了202.60%;封裝業從1098.85億元增長到2093.9億元,增長了99.65%。然而,這種情況并不能表明中國集成電路產業在設計和制造環節競爭力的提升,這兩個環節外資企業比重較高,2017年,中國大陸芯片設計制造企業中top10中有四家為外資企業,這四家企業市場份額達到40%。

圖3 2013-2018年中國集成電路細分行業的銷售額變化情況

數據來源:中國半導體行業協會。

從中國集成電路產品的總體競爭力來看,中國產品的市場份額持續增長,但價值鏈增值能力有待進一步提升。2013—2018年,集成電路行業進口量從2663.1億塊增長到4175.7億塊,均價從0.869美元/塊降至0.747美元/塊,降幅為14%;出口量從1426.7億塊增長至2171億塊,均價從0.651美元/塊降至0.390美元/塊,降幅為36.6%;進出口單價差(出口單價減去進口單價)從0.254美元/塊增加至0.357美元/塊。盡管進口量和出口量都保持較快增長,但在芯片持續降價的背景下,進出口價差不斷擴大,反映了中國集成電路產業總體競爭力的現實困境。

圖4 2013-2018年中國集成電路產品進出口單價比較

數據來源:中國半導體行業協會。

二、中國在集成電路產業鏈各環節的競爭地位

集成電路產業鏈包括縱向的設計技術授權、芯片設計、芯片制造和封裝測試以及作為重要支撐的材料和設備供應。美國在產業鏈關鍵環節占據主導權,即使有些技術轉移、擴散到日韓和中國臺灣,美國也仍然具有技術話語權和控制力,預計今后相當長的一段時期內美國講依然保持芯片產業鏈的霸主地位。

但也應該看到,在國家科技重大專項和國家集成電路產業投資基金的支持下,中國芯片產業取得了一些重大成就,集成電路產業正在加速向中國轉移。然而,由于集成電路產業高技術密集性和高資本密集性特征,決定了中國在該領域的技術追趕不可能一蹴而就,除了踏踏實實推動自主技術研發之外,沒有捷徑可走。

由于技術壁壘和投資壁壘的存在,集成電路產業關鍵環節的市場集中度都比較高,各國關鍵企業之間的規模和技術水平差距直接反映各國在集成電路產業特定環節的競爭態勢。通過分析集成電路產業鏈上中國企業與世界先進水平的差距,我們可以了解中國在集成電路產業鏈各環節的競爭地位(如圖5所示)。

圖5世界高端芯片產業鏈主要廠商

注:為產業鏈環節,上端綠色框為除中國大陸之外世界主要廠商,下端藍色框為中國大陸主要廠商。

資料來源:作者整理

(一)源頭技術和基礎架構短期內難以打破固有生態系統

主導的技術范式會對產業發展形成強有力的技術鎖定和技術路徑依賴(soh,2010)效應,這也是制約產業后進入者的有效壁壘。

集成電路產業的源頭技術目前掌握在英特爾、amd和arm手中,其中英特爾和amd在個人電腦領域居于統治地位,arm則幾乎壟斷了移動端芯片的底層技術。源頭技術架構決定了芯片產業的通用技術標準,既有標準已經與芯片相關的硬件、軟件和操作系統形成穩定的生態系統,單一企業想通過技術創新打破這一生態系統幾乎不可能。

華為已經獲得了arm8的永久架構授權,并基于該架構研發了taishan核,完全有能力獨立開發高性能處理器,確保整體芯片開發能力。各芯片開發廠商為了避免受制于人,都積極推動源頭技術開源和新架構。

(二)移動端芯片設計自主技術能力逐步形成,但開發平臺仍受制于人

在基層架構和底層技術的基礎上,芯片產業“掐脖子”的技術環節在于芯片設計階段。隨著臺積電這樣專業晶圓代工廠商的出現,芯片設計和制造得以分開。

目前,國際上知名的芯片設計廠商如高通、英特爾、博通和amd,除了英特爾有自主制造之外,其他基本都是專攻芯片設計。在個人電腦端,由于技術授權的封鎖,我國大陸芯片企業雖也取得了不俗的進步,但與美國巨頭之間仍然存在較大的差距。在移動端,中國臺灣地區的聯發科在中低端芯片方面具有一定的市場地位,大陸的華為海思、展訊等企業在手機芯片設計領域已具備相當實力。人工智能芯片是中國最容易實現彎道超車的領域,目前已經有大量產業資本投入研發,已經取得一些具有自主知識產權的世界領先技術。

大規模集成電路設計離不開軟件開發平臺,也就是電子設計自動化(eda)工具軟件。應該說,國產軟件與美國巨頭之間還有10年左右的差距。在工具軟件方面,我國芯片設計企業仍然處于受制于人的境地,在中興事件中,美國廠商就曾停止向中興進行軟件授權。但也應該看到,國產軟件如華大九天等在局部領域已經達到世界領先水平。

(三)全球芯片制造一家獨大,關鍵生產設備依賴于國際采購

在芯片制造環節,臺積電包攬了全球晶圓代工業務的一半以上,是芯片制造業首屈一指的巨鱷。我國大陸晶圓代工廠有中芯國際、華虹宏力等,但規模和技術遠不及臺灣同行。之前受先進設備和人才短缺限制,在12nm以下高精度晶圓加工技術方面,大陸企業仍然處于空白。當前,中芯國際如能突破設備限制,有望將與世界先進制程的差距縮小到兩代以內。

芯片生產設備是芯片大規模制造的基礎,設備制造在芯片產業中處于舉足輕重的地位。芯片加工工藝繁雜,需要各種不同的設備。等離子刻蝕設備、離子注入機、薄膜沉積設備、熱處理成膜設備、涂膠機、晶圓測試設備等不同環節的關鍵設備由美國應用材料公司和日本東京電子等企業壟斷。而核心設備光刻機被譽為半導體產業皇冠上的明珠。世界上目前能生產高端光刻機的廠商只有一家——荷蘭的asml,這是技術路線演化的自然選擇結果。

(四)芯片材料實現了“從無到有”的跨越,亟需推進大規模量產

設計和制造雖然關鍵,但巧婦難為無米之炊,缺少芯片材料,芯片設計和制造都無法實現。芯片材料中最主要的是高純硅,我國企業雖然在太陽級高純硅中占據絕對優勢,但芯片級高純硅則幾乎完全依賴進口,德國、美國和日本在該領域處于技術領先地位。2018年江蘇鑫華公司實現量產,并開始出口韓國,有望逐步提高我國高純硅的自給率。芯片級高純硅還要經過一系列加工,才能生成集成電路所需的基本材料硅晶圓片,加工硅晶圓片的企業就是芯片代工廠的直接供應商。隨著美國技術轉移和企業之間的兼并收購,目前,硅片生產被日本信越、日本勝高sumco和臺灣的環球晶圓等巨頭壟斷,前五大供應商囊括了全球90%以上的市場份額。我國大陸新興的硅片企業上海新昇、浙江金瑞泓通過吸引全球優秀人才、引進國際先進技術,形成了一定產能,完善了國內芯片產業的自主供應鏈。

(五)封裝測試環節已具備國際競爭力

在集成電路的三大產業鏈環節,封裝測試階段是我國企業最容易突破、也是目前發展最迅速的一個領域。

當前,芯片封測產業正在從人力驅動轉向資本和技術驅動,行業門檻將越來越高。我國相關龍頭企業在前期技術積累和產業政策推動下,加速了全球趕超的步伐。隨著長電科技收購新加坡封測巨頭星科金鵬,清華紫光入股臺資企業南茂、力成和全球行業龍頭日月光,加之臺資和美資封測企業也都已在中國大陸投資建廠,中國大陸成為芯片封測廠商最主要的集聚地。

從技術和市場地位來看,中國芯片封測產業已經成為與美資和臺資企業相抗衡的重要一極,形成了一批具有國際競爭力的企業。在國家科技重大專項“極大規模集成電路制造裝備及成套工藝”的支持下,封裝測試設備國產化也獲得快速推進。北方華創、長川科技等企業已經對國內封測企業形成了強力支撐。在芯片后道封裝設備方面,上海微電子公司的500系列步進投影光刻機已經占到了國內80%以上的市場份額。

總體而言,通過對集成電路產業鏈進行梳理可以發現,美國仍然在產業鏈中居于統治地位。芯片設計及相關的軟件工具領域,中國已經形成了一些點上的突破,但面上追趕尚待時日。芯片的制造、封測環節正在加速向中國轉移,尤其是封測及相關設備制造,是中國最接近世界先進水平的領域。在硅晶圓材料方面,中國目前解決了從無到有的問題,但國產化率還非常低。從整體來看,中國集成電路的自主產業鏈正在形成,一些局部的創新已經達到世界領先,但在一些關鍵技術和關鍵材料及設備方面仍然受制于人,如高端光刻機、芯片設計的工具軟件以及高純硅的供應方面,中國存在明顯短板。

受瓦森納協議的影響,中國集成電路產業在追趕世界先進水平的過程中遭遇不小的困難。從現實情況來看,短期內任何一個國家要形成完全獨立、完整的集成電路產業鏈是不可能的,但美國的技術封鎖和技術打壓又讓我們不得不重新審視全球價值鏈的風險,在自由貿易和自主創新之間尋求新的平衡點。在此背景下,研究集成電路產業的技術突圍路徑具有重大的現實意義。

(作者劉建麗為中國社會科學院工業經濟研究所研究員,該篇為作者發表在《財經智庫》2019年7月號第4卷第4期的論文,澎湃新聞經授權轉載。文章發表時刪去了相關注釋。)

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