科创中国

      从全球GDP增长和全球IC市场增长率我们可以发现，其二者的变化趋势出奇的一致。这是由于集成电路产业（半导体）是各种电子终端产品得以运行的基础。被广泛的应用于PC、手机、平板电脑等电子产品中，是现在科技发展的重要基础。同时也是5G、云计算、AI、物联网等未来技术/应用的硬件支撑，堪称全球经济趋势的晴雨表。

      因此，研究集成电路产业对于国家经济发展的预测是十分有借鉴意义的。

      今天小爽带大家对我国集成电路行业进行整体趋势的判断。我依次从政策、投融资、市场、技术方面进行集成电路行业的宏观分析。并通过产业链、价值链以及产业规律推导出行业的未来发展走势。

      首先，政策面，我们可以发现各个地方政府均高举高打，大力推出集成电路产业的配套政策。政策的推动呢，也造就了基金投资热。从投融资面来看，由于政府内部较为缺少专业判断项目的能力，比如说VC机构和初创公司共同圈政府的钱之后一起跑路了的现象也屡见不鲜。因此一定要看看自己地方的产业和集成电路产业是否有协同性，不能因为建芯片厂又有功绩又能带动当地就业就盲目招商引资。而且投资机构也需理性，不能看大机构投了，那我也跟投，否则项目越来越贵、一二级市场倒挂也是有可能的。从市场面来看，我国在芯片尤其是高端芯片领域还是有很大的市场缺口，也给了国产替代的创业项目更多的机会。从技术面来看，More than Moore 方兴未艾，Beyond Moore可以作为技术储备源。并且因为芯片是一个产业体系工程，切不可头痛医头、脚痛医脚、企业和企业/企业和高校间应该联动配合，成产业体系的提高我国产业体系能力。关于More than Moore、Beyond Moore的具体含义我接下来具体分析时会讲。

政策面

      我国从中央和地方层面也都在税收减免、建产线等方面加持集成电路产业链的国产化替代。

经济面

      为了从全方位鼓励集成电路行业发展，国家在出台一系列优惠政策之外，还牵头成立产业基金，直接参与到集成电路产业投资中去。基金首批计划募集规模为1106亿元，从资金流向上看，主要集中在芯片制造和芯片设计领域，其中，芯片制造515.4亿元；芯片设计215.7亿元。国家集成电路产业基金一期近半流向了研发资金需求大、工艺复杂、技术攻坚困难的芯片制造领域，投资方向集中于存储器和先进工艺生产线。

        截至2021年2月25日，A股上市公司属于国产芯片概念的企业共计238家，占总上市公司数（4028家）的5.91%。目前，有35家芯片企业登陆科创板（含芯片概念股及实际业务与芯片相关企业），占科创板总企业数（231家）的15.15%，显著高于总体比例。反映近年来芯片企业前往科创板上市融资活力强劲，更受高净值投资者和机构青睐。从具体细分行业分布来看，目前科创板上市的芯片公司业务覆盖设计、材料、设备开发、制造、封测的全部环节，同时也涵盖部分芯片外延行业，如光电设备、量子通信、系统解决方案服务商等产业链上下游企业。其中，以澜起科技、寒武纪为代表的17家芯片设计类公司占比最高，占比达到科创板芯片企业的48.57%。

      募资金额方面，35家相关公司IPO首发募集资金合计528.38亿元，其中，中芯国际、华润微、寒武纪、沪硅产业、澜起科技、恒久科技6家公司募资超过20亿元。制造和设计企业首次融资占比超过七成，基本反映了目前国内产业需求和重点发展方向。

      资本市场对集成电路相关企业的估值因其技术复杂程度和未来前景不同也有着差异，其中以制造和设计板块市值最为庞大。技术较为完善的封测板块仅有一家上市企业，且市值处于较低水平。

      从投资细分领域来看，私募的投资重点主要是芯片设计和芯片产业的支撑产业如材料与设备制造。近两年芯片设计行业发生的投资数占比均超过总数的三分之二，是投资的绝对重点，反映了目前国内一级私募市场对资金投入相对较小、设备和技术受限程度较低的芯片设计行业更加青睐。

市场面

      市场方面，以集成电路为主的半导体行业在过去几十年里整体处于上涨趋势，自2017年起全球半导体销售规模已经连续四年超过4000亿美元。2019年，由于存储芯片厂商产能扩张，市场供大于求；且模拟芯片需求也有所下降，导致世界半导体销售规模出现下滑。随后的2020年，疫情导致芯片出现短缺，全球销售规模又随价格波动和需求的增长而小幅上扬。

      从区域分布来看，2020年亚太地区(除日本)半导体市场规模为2675.90亿美元，占全球市场的61.78%。而中国半导体行业市场规模为1517亿美元，占全球比重34.5%，虽然较2019年世界占比34.9%有所下降，但仍是全球最大半导体消费国家。

尽管我国集成电路产量增速迅猛，但我国集成电路供应量与需求量之间的差距过于悬殊，大量的芯片仍然需要通过进口获得。据海关总署统计，2020年我国集成电路进口金额3500.4亿美元，出口仅为1166亿美元，进出口贸易差达高2334.4亿美元，较2019年的2039亿美元再度扩大。

技术面

      那以芯片领域的老大哥华为为例，华为把未来战略定为——云、管、端、芯全一栈式赋能数字社会。首先底层不同系列芯片为端、管、云提供传感、存储、计算等方面的支撑。其次，华为致力于智能手机、可穿戴设备、家庭智能终端、车载终端等“端”侧的信息分发与呈现。收集上来的数据通过“管”侧传向云端，在云端进行信息处理与存储，+智能信息推理返回终端。基于上述全站的模式服务亿万消费者、服务全球运营商、服务全球政府及行业客户。所以，在不同的应用测，出现了不同系列的的支撑芯片。

      而在芯片这样一个兵家必争之地，我国在高端芯片领域的市占率实惨！有很多都不足20%，有的则100%依赖进口。

      那我国实惨的历史原因在于我国没有按照科技创新的规律发展我国的集成电路产业，在王煜全老师的《中国优势》一书中，将科技创新的几个环节分为高校的原始科研类创新，企业研发部的产品化式研发创新、和上产先后良品率很高的大规模量产阶段、和最后的铺市场阶段。而上个世纪七十年代，我国并没有经历放在科技创新的前两环也就是科研和研发上，而是通过购买欧美日韩的淘汰产线，凭借廉价劳动力人口红利走量获得的第一桶金。那么这有一个很大的问题就是，你买的产线都是人家落后淘汰的产线，而你的经费又不投入到之前的环节，那么

      1、你的技术永远都是follow型的，而不是引领型的，你永远都是落后的。

      2、我们承接的都是欧美日韩国家外溢的不成产业体系的局部的产业，那么也就根本没有所谓产业链上下游合作研发协同创新的能力。20世纪初开始，以华为海思为代表的芯片设计企业开始发力布局芯片设计，勉强看到了原始创新的影子，直到贸易战芯片断供，可谓是釜底抽薪，把我国多年来缺少根技术的痛点、不成产业体系的发展的问题一下子都爆露出来了。

      我国长时间不成产业体系的发展即依靠人口要素红利与投资红利的发展方式，让我国呈现了创新供给大进大出的外向型发展结构。一方面，中国制造业大而不强，很多关键核心技术严重依赖外国进口，整个制造业仍处于全球价值链的中低端，大量人口成为发达国家的廉价劳动力，大量生产红利被发达国家攫取。之前的ppt中也提到了2020年我国芯片进口总额高达3800亿美元。对于芯片应用终端产品——手机，我国投入了大量劳动力，但无线充电接收端的线圈模组、射频天线、外观件等所有硬件投入的综合价值仅占手机产业总价值的1/20。随着全球局势和我国自身发展形势的变化这种创新链在外，大进大出的模式的弊端日益凸显。一方面，我国经济发展迅速，劳动力成本急剧上升，这种以国际循环为主的发展模式难以为继。另一方面，外部环境和我国当前的要素禀赋发生变化，我国提出了“推动以国内大循环为主体，国际双循环互相促进的新发展格局”，目标是实现中国经济发展到更高水平的动态平衡。在双循环的发展格局下，中国亟需培育创新的新引擎。一方面，通过源源不断的增加高端创新供给，为我国经济发展注入新动能，提升我国在全球化分工体系中的地位，推动产业链向中高端升级发展。另一方面，通过深化供给侧改革，激发我国强大的内需。

      我们来看一下集成电路的相关产业链，对于上游，需要根据特定场景下的能效比、延时等参数进行逻辑设计、电路设计、并将其转化为制造过程中光刻设备可识别的版图。再到中游制造环节，通过光刻、刻蚀、离子注入激活、引线键合等一系列手段将硅片制造为一颗颗具有电路复杂结构的裸器件电路，进入下游封装测试环节。我们将进做设计的公司成为fabless公司，比如英伟达。他们集中做设计交给诸如台积电这样的Fab厂做代工。而从上有设计到中游制造再到下游封测全做的企业成为IDM模式企业，比如Intel。另外EDA软件、TCAD/Comsol仿真软件是支撑设计的关键性软件，原材料、设备、都是支撑制造和封测的支撑产业。但是很不幸设计仿真类软件、关键IP核、关键制造设备和材料我们依然需要依靠进口。甚至很多二手翻新设备都是一机难求。

      除了产业链外，我还想讲讲集成电路的发展关键规律。“集成电路上可以容纳的晶体管数目在大约每经过18个月便会增加一倍，则成本降低一半。换言之，处理器的性能每隔两年翻一倍。”被称为摩尔定律。20世纪90年代到21世纪第一个十年，摩尔定律发展速度很快，每18个月迭代一次。但近十年，尤其是芯片进入10纳米以下，每一代工艺的发展速度大大放缓，最近是两三年可以迭代一代，以后有可能到四五年走一代。并且每一代性能提升非常有限，平均性能提升只有10%，通过优化可以提升到20%左右。更重要的一点，半导体行业是成本驱动，但随着摩尔定律放缓走向尽头，成本其实越来越高，尤其是研发成本，从7纳米到5纳米研发成本增加50%以上，芯片越来越贵，像5纳米的A14芯片400多美元一颗，是上一代芯片的两倍。

      也就是说，随着摩尔定律走到10纳米以下，采用越先进的工艺，芯片的性能提升非常有限，但成本会急剧增加。像3纳米的研发投入是几十亿元人民币，必须有足够大的市场才能cover住摩尔定律的发展所需要的研发经费，大部分场景其实都做不到，这也是后摩尔时代的一个情况。

      而为什么进入到10nm以下器件特征尺寸继续所减会变得那么难呢？从左边透射电镜关于不同节点器件的截面图可以发现，一方面，为了提高栅电极对于沟道区的控制能力，由传统的平面器件过渡到三维的纳米线堆叠器件。另外一方面，硅的本征载流子迁移率较锗硅低，因此通过引入新材料来改善，但是新材料的引入必然带来对于制备过程中温度、刻蚀陡直度、后续引线金属的选择都有影响，可谓牵一发而动全身。

      而解决这类CPU的问题涉及到新材料、接触电阻率、迁移率、互联金属可靠性等一系列问题。要从新器件结构、新机理、后端排线等方面综合考量，可谓是设备、材料、仿真软件要求都极高的马太效应极强的领域。但是摩尔定律即将走向终结——“当器件节点接近原子尺度时，将会发生量子隧穿效应，则晶体管变为常开器件彻底失效”

      而随着摩尔定律走向极限，现在集成电路行业分为三个方向，一个是More Moore，它是指仍然沿着摩尔定律的形式走下去，不过侧重点变为通过更改新的期间材料、器件机理、器件类型来降低功耗，应用在诸如长开IOT设备中。另外一个是More than Moore，它是指不追求器件节点绝对的小，我在我国能够做出来的比如说28nm的芯片基础上做一些应用，比如做一些可穿戴设备的传感芯片、微机电系统芯片、RRAM类脑计算芯片、或者通过电路设计补偿的方式来提高某些计算性能等等，最后呢是Beyond Moore，这个比较偏学术前沿的探索，不追求量产，为10年甚至更长时间的产品做储备，比如说二维材料相关的感存算一体化芯片、全柔性有机物芯片等等这类适合发文章的芯片，比如早在2016年二硫化钼二维材料作为源漏和沟道、碳纳米管作为栅极的器件单个就能做到1nm，发了nature，但是二维材料的生长不均匀、不可定位行、与传统CMOS的不兼容都导致到现在他也只是一篇被引很多次的文章，还是不适合创业。

      所以总结以下，从材料角度来说，最有望先突破的就是氮化镓类闪充芯片、射频芯片。其次是其他三五族、四族高迁移率材料制备FinFET或者碳基FET。而二维材料由于材料生长均匀性、无法做到8寸晶圆级外延、不可定位的特点或许需要5年以上甚至十年以上的转化时间。另外，如果由自旋导电的话理论上可以避免由电子导电带来的焦耳热现象，也一直是学术热点，但离应用还太远。相应的，在器件层面，离应用由近到远分别对应了小于三年的GaN第三代半导体射频器件以及基于先进封装工艺的2.5D封装、3D封装。三到五年的围栅纳米线器件、RRAM器件和5年以上的自旋器件、单电子器件等。在架构层小于三年的寸算一体等等。

----------------------------------------------------------------------------------------------------------
本文作者：

孙爽，北京大学集成电路学院博士。科研课题涉及到染料敏化太阳能电池、钙钛矿太阳能电池、AI芯片、sub 3nm逻辑器件节点关键工艺、光电传感器等，发表论文10余篇。曾任OPPO高级产学研事务经理，奇绩创坛fellow、半导体产业纵横专家级作家。