一顆芯片從無到有，需要經(jīng)過設(shè)計、晶圓制造和封裝測試三大環(huán)節(jié)，這也是一條完整的芯片產(chǎn)業(yè)鏈。業(yè)界有個通俗的比喻，芯片設(shè)計環(huán)節(jié)就像一棟樓的圖紙設(shè)計，圓晶制造則是在此基礎(chǔ)上施工建房，而封裝測試就是將毛坯房改成精裝房。

這一期我們聊一聊芯片產(chǎn)業(yè)鏈的整體發(fā)展情況。

上游：芯片設(shè)計、IP核、核心工具EDA

· 芯片設(shè)計

在全球芯片產(chǎn)業(yè)鏈中，芯片設(shè)計是最具創(chuàng)新性和附加值的環(huán)節(jié)。這也是一個典型的技術(shù)密集型行業(yè)，芯片設(shè)計水平將直接決定產(chǎn)品的功能、性能和成本。

同時，高技術(shù)壁壘的特性也決定了芯片設(shè)計行業(yè)的高壟斷性?？傮w來看，美國一直處于全球芯片設(shè)計行業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)地位。根據(jù)TrendForce的數(shù)據(jù)，2023年第二季度全球前10大芯片設(shè)計企業(yè)中，就有6家是美國公司：英偉達（Nvidia）、高通（Qualcomm）、博通（ Broadcom）、超威（AMD）、美滿電子（Marvell）、芯源系統(tǒng)（MPS）。

其次，中國臺灣是全球芯片設(shè)計行業(yè)的第二大陣營，聯(lián)發(fā)科（MediaTek）、聯(lián)詠（Novatek）、瑞昱（Realtek）都在前10榜單中。無論是技術(shù)創(chuàng)新、市場份額還是商業(yè)能力，這些IC設(shè)計公司的水平都遙遙領(lǐng)先。

圖片來源：TrendForce 

中國大陸位居芯片設(shè)計行業(yè)的全球第三，市場份額接近15%。諸如華為海思、韋爾半導(dǎo)體等中國本土芯片設(shè)計公司已經(jīng)崛起，大家耳熟能詳?shù)淖瞎庹逛J、寒武紀(jì)、地平線等，實力也不容小覷。

在美國對中國的芯片封鎖與國產(chǎn)替代的迎頭追趕當(dāng)中，目前中國大陸地區(qū)在芯片設(shè)計層面與世界領(lǐng)先技術(shù)水平的差距在不斷縮小。像華為海思，日前Mate60系列“未宣先發(fā)”，帶來麒麟9000S芯片+5G網(wǎng)絡(luò)的回歸直接引爆國產(chǎn)芯片自研話題，預(yù)示著在美封鎖下中國芯片產(chǎn)業(yè)鏈的重大突破。事實上，海思在2018年就已名列全球第五大IC設(shè)計公司；2020年設(shè)計水平達到5nm，與蘋果、高通處于同一水平；2020年一季度還首超高通位居中國手機處理器市場第一。

又如吉利控股子公司芯擎科技，是全球為數(shù)不多推出并實現(xiàn)量產(chǎn)上市7nm車規(guī)級智能座艙芯片（“龍鷹一號”）的公司，實現(xiàn)國產(chǎn)高端汽車芯片領(lǐng)域的技術(shù)突破，也驗證了國內(nèi)芯片產(chǎn)業(yè)獨立自主的可能。

需指出的是，一顆復(fù)雜的芯片要設(shè)計出來，背后還離不開兩個核心：IP核和EDA。它們也被認(rèn)為是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的基石。

· IP核

IP核是指芯片中具有獨立功能的電路模塊的成熟設(shè)計，可降低冗余設(shè)計成本，減少錯誤并提高芯片設(shè)計效率。根據(jù)不同的設(shè)計IP，半導(dǎo)體IP市場可分為接口IP、處理器IP、存儲器IP以及其他IP。

一直以來，全球半導(dǎo)體IP市場的競爭格局呈現(xiàn)著寡頭壟斷的特點。2022年，全球前十IP供應(yīng)商占據(jù)超八成的市場份額，其中8家是歐美廠商。ARM、新思科技（Synopsys）、楷登電子（Cadence）是全球IP核三巨頭，占據(jù)全球超6成市場份額。

芯原股份是中國大陸地區(qū)唯一一家躋身全球前十的IP廠商。根據(jù)IPnest的數(shù)據(jù)顯示，在半導(dǎo)體IP行業(yè)，2022年芯原股份市占率為2%，全球排名第七，對比龍頭ARM 41.1%的市場份額，差距仍比較明顯。

圖片來源：IPnest

去年，美國對中國的芯片技術(shù)出口進一步實施管制，導(dǎo)致ARM對華斷供了高端芯片設(shè)計IP，此舉也進一步緊逼中國加速芯片國產(chǎn)化進程。

目前，在該領(lǐng)域，國內(nèi)正寄希望于開源RISC-V架構(gòu)，以打破原有以X86和Arm架構(gòu)為壟斷的IP產(chǎn)業(yè)格局。在汽車產(chǎn)業(yè)，更為精簡的RISC-V指令集也已經(jīng)開始受到業(yè)界關(guān)注。2023年8月，恩智浦、英飛凌、高通、博世、Nordic五家芯片巨頭聯(lián)合成立了一家面向汽車電子領(lǐng)域的RISC-V公司，可見RISC-V進軍車規(guī)芯片已經(jīng)勢不可擋。

· EDA

EDA全稱是Electronic Design Automation，即電子設(shè)計自動化軟件，是指利用計算機輔助設(shè)計（CAD等）軟件，完成超大規(guī)模集成電路芯片的功能設(shè)計、綜合、驗證、物理設(shè)計（包括布局、布線、版圖、設(shè)計規(guī)則檢查等）等流程的設(shè)計方式，被譽為“芯片之母”。如果把芯片設(shè)計公司比喻為樓房建筑師，那么EDA工具就是將復(fù)雜建筑圖紙得以快速、高質(zhì)量呈現(xiàn)的“畫筆”。

與IP核市場格局相仿，EDA行業(yè)市場集中度較高，現(xiàn)由Synopsys、Cadence和Siemens EDA（前身為Mentor Graphics）“三分天下”，不僅占據(jù)全球超7成的市場份額，也拿下近8成的中國市場份額。

數(shù)據(jù)來源：集微咨詢；制圖：蓋世汽車

國際三巨頭EDA產(chǎn)品已經(jīng)能夠支持2nm先進工藝。本土供應(yīng)商主要是華大九天、概倫電子、廣立微等，目前大多數(shù)國產(chǎn)EDA還只能支持28nm、40nm等，14nm也不是特別多。在高端EDA軟件上，本土企業(yè)暫無法實現(xiàn)平替，但已經(jīng)能夠提供全流程成熟工藝模擬芯片設(shè)計EDA工具，部分?jǐn)?shù)字芯片設(shè)計EDA工具堪比國際領(lǐng)先水平。目前中國芯片自制率的持續(xù)提升，對于培育本土EDA軟件廠家大有助力。

中游：晶圓制造 

在芯片設(shè)計完成后，就來到了晶圓制造環(huán)節(jié)，涉及晶圓加工、清洗、熱處理、光刻、刻蝕、薄膜沉積、互連等，這里也就涉及到了我們常常談到的晶圓代工。

作為上游芯片設(shè)計和下游應(yīng)用的橋梁，制造環(huán)節(jié)不僅是“卡脖子”關(guān)鍵，也是相對最為花錢的地方，光是一座工廠就需要動輒十幾、上百億的真金白銀投資。

全球芯片代工產(chǎn)業(yè)由中國臺灣地區(qū)主導(dǎo)，在全球TOP10晶圓代工廠中，僅中國臺灣地區(qū)就占了4家，包括臺積電、聯(lián)電、力積電和世界先進。其中臺積電的霸主地位無人能撼動，全球市占率過半，良品率在90%以上。

大陸地區(qū)則有中芯國際和華虹半導(dǎo)體，兩家穩(wěn)居全球代工廠前十，并稱為大陸地區(qū)“晶圓代工雙雄”。此外，晶合集成實力也較為優(yōu)秀，多次擠進全球前10。

圖片來源：TrendForce集邦

作為全球第五、中國大陸第一大晶圓代工龍頭，中芯國際也是中國大陸第一家提供28nm先進工藝的純晶圓代工企業(yè)。其工藝覆蓋0.35μm~14nm，涵蓋智能手機、智能家居、消費電子、汽車工業(yè)等多個領(lǐng)域。

華虹半導(dǎo)體則是中國大陸第二、全球第六大晶圓代工廠，專注在特色工藝領(lǐng)域，工藝技術(shù)主要覆蓋1μm至65/55nm，不久前，還創(chuàng)造了科創(chuàng)板年內(nèi)最大IPO。華虹不僅是大陸地區(qū)最大的MCU制造代工企業(yè)，也是全球最大的功率IC代工廠，同時擁有8英寸和12英寸功率器件代工能力。在新能源汽車市場飛速增長的當(dāng)下，華虹的汽車業(yè)務(wù)也跟著水漲船高。

談起晶圓代工，不得不談到的便是工藝節(jié)點，即晶體管尺寸。工藝節(jié)點越小，芯片集成度就越高，代表芯片性能更強、功耗更低。目前，全球最先進的工藝節(jié)點已經(jīng)突破到3nm，臺積電和三星是全球唯二兩家最先走到這一步的代工廠，并且都在開發(fā)2nm工藝，量產(chǎn)計劃在2025年左右。

對比來看，中國大陸地區(qū)在這方面有較大差距，但也在加快追趕。根據(jù)官方披露，中芯國際在先進工藝方面已經(jīng)建立了14nm FinFET技術(shù)，這也代表了中國大陸目前最先進工藝水平。不過，在當(dāng)前國際形勢下，受制于設(shè)備和輔助材料高度依賴美歐日等海外供應(yīng)商，中芯國際的14nm芯片項目已經(jīng)“下架”，可能正在尋求新的技術(shù)突破。

事實上，這里提到的生產(chǎn)設(shè)備及原材料也是中國半導(dǎo)體“卡脖子”最大痛點之一。受地緣政治影響，設(shè)備與材料皆難以獲取，國內(nèi)芯片產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也遇到極大挑戰(zhàn)。

首先來看半導(dǎo)體材料。

按應(yīng)用環(huán)節(jié)來進行劃分，半導(dǎo)體材料主要包括晶圓制造材料和封裝材料。其中，晶圓制造材料包括硅片、掩模版、電子氣體、光刻膠、CMP拋光材料、濕電子化學(xué)品、靶材等，封裝材料包括封裝基板、引線框架、鍵合絲、包封材料、陶瓷基板、芯片粘結(jié)材料等。

這些都主要由美國、日本、韓國等企業(yè)主導(dǎo)，占據(jù)全球9成市場份額，國內(nèi)半導(dǎo)體材料對外依存度非常高，大部分高端晶圓制造材料需要依靠進口。

以光刻膠為例，日本的東京應(yīng)化、JSR、富士、信越化學(xué)、住友化學(xué)，以及美國杜邦、歐洲AZEM和韓國東進世美肯等幾乎完全占據(jù)該市場。其中，日企全球市占率約80%，處于絕對領(lǐng)先地位。特別是EUV光刻膠，日本100%壟斷，而這是生產(chǎn)7nm以下半導(dǎo)體設(shè)備不可或缺的材料。

值得一提的是，以碳化硅、氮化鎵等為代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料正在成為全球半導(dǎo)體市場爭奪的焦點，這也被中國認(rèn)為是彎道超車的機會。不過，像價值量較高的碳化硅襯底市場，主要還是以美國CREE（科銳）、Ⅱ-Ⅵ（2022年更名為Coherent）和日本 Rohm（羅姆）三家企業(yè)為主，占據(jù)全球近90%的市場份額。國內(nèi)則有天岳先進、三安光電等逐漸擁有與國際企業(yè)競爭的能力。

在全球半導(dǎo)體設(shè)備市場，美日荷同樣占據(jù)了全球90%以上的份額，并囊括了全球前10家半導(dǎo)體設(shè)備廠商。以刻蝕機舉例，光是美國泛林集團、應(yīng)用材料和日本東京電子便壟斷了超9成的市場份額；而荷蘭的ASML（阿斯麥）則完全壟斷了全球中高端光刻機市場，最精密的EUV光刻機也只有ASML才能提供。

可見，加強技術(shù)研發(fā)和創(chuàng)新能力，推動芯片產(chǎn)業(yè)的自主自研，降低對進口技術(shù)的依賴，對中國芯片產(chǎn)業(yè)的發(fā)展多么重要。

下游：封裝測試

在晶圓片生產(chǎn)出來后，就需要進行切割、焊線、塑封，使芯片電路與外部器件實現(xiàn)電氣連接，并為芯片提供機械物理保護，如此便是封裝環(huán)節(jié)。封裝完畢的芯片還需進行功能和性能測試，若測試合格，芯片便能投入使用。

在整個封測環(huán)節(jié)中，封裝價值占比約80%-85%，測試價值占比約15%-20%。隨著摩爾定律放緩，業(yè)界不僅在琢磨“如何把芯片變得更小”，也提出要“把芯片封得更小”。于是，封測行業(yè)的發(fā)展重點，正從傳統(tǒng)封裝快速向以倒裝封裝、晶圓級封裝、2.5D/3D封裝為代表的先進封裝轉(zhuǎn)移。

不同于設(shè)計與制造環(huán)節(jié)的技術(shù)與資金壁壘高筑，封測環(huán)節(jié)的附加價值相對偏低、勞動密集度高、行業(yè)壁壘也就相對偏低，因此在整個芯片產(chǎn)業(yè)鏈中，封測產(chǎn)業(yè)的國產(chǎn)化程度最高，無論是規(guī)模還是技術(shù)水平，與國際差距并非很大。

目前，中國大陸已成為封測產(chǎn)業(yè)的三大市場之一，市場規(guī)模呈增長趨勢。據(jù)集微咨詢數(shù)據(jù)顯示，2022年中國大陸封測產(chǎn)業(yè)規(guī)模為2901億元，同比微增5%。先進封裝市場需求將維持較高速度的增長，預(yù)計2023年中國大陸先進封裝產(chǎn)值將達到1330億元，占比超過40%。 

中國臺灣的日月光半導(dǎo)體和矽品精密是全球半導(dǎo)體封測領(lǐng)域的兩大龍頭，兩家公司在2016年完成合并，進一步強強聯(lián)合。此外，美國的安靠（Amkor）、馬來西亞的Unisem、中國大陸的長電科技、通富微電和華天科技等，在該領(lǐng)域也占據(jù)了重要位置。同時，隨著臺積電、三星、英特爾、中芯國際等代工巨頭紛紛“殺入”先進封裝戰(zhàn)場，原有的市場格局也在慢慢改變。

總結(jié)來說，從設(shè)計到制造，再到封裝測試，整個芯片產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)且粋€高度復(fù)雜和專業(yè)化的系統(tǒng)，需要大量且源源不斷的資金、技術(shù)和人才投入。也正因為如此，芯片產(chǎn)業(yè)的壁壘非常高，行業(yè)尖端技術(shù)不斷集中，強者的壟斷地位愈發(fā)突出。

不過，汽車芯片產(chǎn)業(yè)鏈，正給予國內(nèi)企業(yè)更多彎道超車的機會。雖然車規(guī)級芯片對可靠性等要求極為嚴(yán)苛，但對先進工藝的要求不如手機芯片那么高；其次，新能源汽車市場帶來了巨大的增量空間，中國又是目前最大的新能源車產(chǎn)銷國，汽車已經(jīng)成為半導(dǎo)體行業(yè)下行周期中為數(shù)不多的一抹亮色。

芯片產(chǎn)業(yè)鏈的國產(chǎn)化進程未來可期。

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