中國集成電路產業分析：國產替代實現難 集中火力單點突破

01中國集成電路產業規模與分布

市場:中國集成電路行業從2000 年左右起步,在經歷金融危機的行業低谷后,自2010 年起逐步開始復蘇。2010-2019 年中國集成電路市場年均增速達到21．63%?,市場增長率均遠超全球、美國和其他國家地區;2020年中國集成電路銷售收入達8848億元,平均增長率達20%,為同期全球產業增速的3倍。

技術:我國集成電路在技術創新上也不斷取得突破,目前制造工藝、封裝技術、關鍵設備材料都有大幅提升,在設計、制造、封測等產業鏈上也涌現出一批新的龍頭企業。

產業布局:全國集成電路產值分布有顯著的聚集性,長三角地區產值占全國集成電路總值的52%,具體分布如下圖所示。

圖1:國內集成電路產值區域分布

來源:根據公開資料整理

同時,企業的分布也呈現聚集特征,近50%的企業位于長三角地區。

表1:按環節分類的企業分布區域情況

來源:根據公開資料整理

02全球集成電路市場格局

集成電路產業在推動經濟發展、社會進步、保障國家安全等方面發揮著廣泛且重要的作用,已成為國際競爭的焦點和衡量一個國家綜合實力的重要標志。2019 年中國進口集成電路金額達?3055．50 億美元,在總進口額中占比為14．70%?,其中美國占據中國市場的48．80%份額,這反映了中國對美國集成電路產業的依賴程度較高。

過去的七十年里,除了在20世紀80年代被日本短暫超越以外,美國在全球集成電路市場中一直居于主導地位。2019年世界十大半導體廠商占全球半導體市場54．78%,美國占據5席,市場份額達30．58%。美國集成電路產業的強大不僅體現在總量上,更重要的是在各細分領域,幾乎沒有短板。

在芯片設計領域,美國獨占鰲頭。2018年全球前十大Fabless公司中美國占有6家,前三大均為美國企業。在個人計算機和數據中心市場,Intel、AMD和英偉達占據絕對統治地位;而在通信領域,高通是全球最大的移動處理芯片供應商,除了華為,安卓系列旗艦機型均被高通的驍龍芯片壟斷;而射頻前端芯片市場,Skyworks、Avago和Qorvo占據全球90%以上市場,這三家公司均為美國企業。

全球前五的集成電路設備廠商,三家來自美國:應用材料、泛林科技和科天半導體。這三家都是綜合性設備供應商,能夠提供集成電路制造過程幾乎所有環節的設備,包括沉積、刻蝕、離子注入、退火、拋光、檢測設備等。而光刻機之王(ASML)雖然是荷蘭公司,但是它在美國納斯達克上市,前兩大股東都是美國公司,并且其眾多零部件供應商來自美國。

集成電路材料領域,整體被日本壟斷,但美國的陶氏化學作為材料巨頭,產品涉及光刻膠、CMP研磨液等多類電子化學品。

表2:集成電路生產商營收及市場份額

來源:根據公開資料整理

同時,美國也在積極制定游戲規則,十分重視自身在集成電路產業中的領導地位,主動從資金注入、技術推動和產業結構調整等多個角度進行市場干預。

03我國集成電路制造環節瓶頸

繼2018年中興通訊事件后,2019 年5 月16 日美國商務部將華為及其關聯公司列入“實體清單”。美國的打壓可能對華為產業鏈和國內集成電路發展帶來一定程度的負面影響。在全球供應鏈視角下,準確把握我國集成電路發展現狀,探尋提高集成電路創新能力政策路徑,對保障國家經濟安全有著重要意義。

下面從集成電路設計、材料、設備三個核心環節來分析我國集成電路行業面臨的瓶頸。

表3:集成電路各產業鏈環節國產替代情況

來源:根據公開資料整理

1． 芯片設計EDA工具——嚴重進口依賴、短期難以實現國產替代

EDA(Electronics Design Automation)軟件是一種在計算機的輔助下,完成集成電路的功能設計、綜合、驗證、物理設計等流程的軟件工具集群。在集成電路產業鏈中,EDA是芯片設計的“基石”,也是制造和設計的紐帶。

2020年中國EDA工具市值66．2億元,前四大供應商占82%市場份額,其中Top3為新思科技、楷登電子、西門子EDA,均為海外企業;而華大九天為本土唯一一家能在部分領域提供全流程EDA工具的企業,雖在部分設計技術上已達到國際主流水平,但與國際巨頭能提供整套EDA工具不同,國內EDA企業產品不全,只在局部形成一定突破,形成完整可用的全流程工具鏈還需要長期的技術積累。

2． 材料——國產替代主要集中在低中端環節

集成電路制造材料存在很多細分行業,且不同細分行業存在明顯的技術差異,使得不同細分行業存在不同的行業龍頭企業。整體而言,日本、歐盟和美國廠商占據優勢。國內在低中端環節可以實現國產替代,但是對工藝要求高的材料則替代率較低。

此處以光刻膠為例簡單說明。如下圖所示,光刻膠可分為半導體用光刻膠、LCD用光刻膠、PCB用光刻膠等,其技術壁壘依次降低。國內光刻膠企業產品94%用于PCB,遠高于全球25%的平均值。

圖2:全球外光刻膠市場結構

來源:根據公開資料整理

圖3:中國本土企業光刻膠生產結構

來源:根據公開資料整理

目前國內半導體光刻膠生產研發企業少于10家,其中g/i線光刻膠國產化率15%,KrF/ArF國產化率1%,EUV光刻膠尚處于早期研究階段。

表4:光刻膠國產化情況

來源:根據公開資料整理

3． 設備——產業鏈相對完備,未來提升空間大

集成電路設備制造是一個巨大的市場,年規模可達500億～600億美元,美國、歐盟、日本營收占有率分別為35．86%、26．13%、12．16%,中國大陸僅占3．46%,自給率不足12%。

設備前十強被美國、日本、荷蘭三國瓜分,其中前五大廠商(美國應用材料、荷蘭ASML、美國泛林科技、日本東京電子和美國科天)市場占有率超過90%。

我國芯片制造設備產業鏈相對完備,不同環節均有企業進行技術開發和產品研制。但畢竟發展時間優先,雖各個領域都有可用產品,但在12英寸大硅片制造中離實現替代還有不小距離。

04中國集成電路產業突破點

1、材料:大硅片初現曙光、跨境合作為突破所在

芯片的加工是以硅片為單位進行的,硅片尺寸越大,能夠切出來的芯片數量越多,單個芯片的成本也就越低。

2015年以來,Intel、三星和臺積電開始進入18英寸領域。但目前8/12英寸硅片已成為主流產品,占據90%以上硅片市場份額,4/6硅片則為化合物半導體主流配置。我國大陸地區硅片生產多集中在8英寸以下:4/5/6英寸為主,少量8英寸,極少量12英寸,重摻為主。而輕摻8/12英寸本地化率低于5%。

但隨著晶合集成的投產,紫光南京、長鑫合肥、晉華集成的存儲芯片工廠建成,我國本土12英寸硅片需求將在2021年年底達到293萬片/月,而目前上海硅產業集團實現了部分批量供應;超硅半導體則已向客戶提供12英寸樣品,初步得到了論證。

從技術差距和發展可行性看,我國本土企業在未來5～10年的主要競爭對手應該是中國臺灣地區環球晶圓、德國世創和韓國硅德容。

這些跨國企業考慮工藝的保密性,迄今未在中國大陸設廠,大陸專業人才缺乏。但由于這些企業重視良率和盈利標準,如果不達標會通過關閉業務、整體出售等方式進行切割。考慮到個別企業經營確實不太理想卻掌握了成熟了12英寸硅片工藝,我國本土企業可以抓住這個重要機會,借助外界力量,實現跨越式發展。

2、制造設備:局部突破

目前我國集成電路制造設備產業鏈相對完備,不同的環節均有企業進行技術開發和產品研制,但是它們大部分只解決了“有無問題”,少部分解決了“可用問題”,極少部分做到了進口替代。

考慮到我國的資源有限,按照行業特點進行單點突破的策略比全面推進其實更為有效。建議地區政府和產業規劃者線集中力量把單個種類設備做到先進水平,再逐一突破,連點成面,最終逐步實現產業的整體提升。在刻蝕設備、清洗設備、沉積設備三個方向,本土企業技術儲備最為充分,且單體產業規模山也僅次于光刻機,累加近150億美元,可作為設備環節的集中突破點。

3、封裝測試:超越摩爾,提高封裝技術

封裝測試是我國集成電路產業鏈中全球份額占比最高的環節,我國臺灣地區占全球份額52%,大陸地區占21%。從2011年大陸封裝占比4．5%發展至今,勢頭非常迅猛,技術水平雖與國際有一定差距,但整體來看我國已是全球封測的重要力量。但是,目前我國大陸地區封測范圍比較單一,多為電源管理芯片等比較成熟的領域,在汽車電子這種具有廣闊未來的領域布局極少。未來高性能SoC和SiP芯片將成為人工智能、汽車電子的主流芯片,我國可以通過提高封裝技術,切入這些藍海領域,在后摩爾時代抓住先機。

過去的半個多世紀,半導體行業一直遵循著摩爾定律的軌跡高速發展,如今全球芯片制程節點已經來到了5nm;借助EUV光刻等先進技術,目前正在向2nm甚至更小的節點演進,已接近市場化的工藝極限。從投入產出角度來看,未來的芯片性能的提升不能再靠單純的堆疊晶體管,而更多地需要靠電路設計以及系統算法優化。中國集成電路產業,可以依托目前優勢,借助先進封裝技術,在實現異質集成(把依靠先進工藝實現的數字芯片模塊和依靠成熟工藝實現的模擬/射頻等集成到一起以提升芯片性能)領域做到領先。

05小結

我國是全球對半導體巨頭最友好的國家之一,沒有要求任何一家企業必須合資和轉移技術,但也導致了我國在核心設計工具、設備與材料三個領域存在明顯缺失。

產業鏈的任何一個環節都不是孤島,我國集成電路的突圍方式也暗藏其中——單點突破,確保在集成電路強國威脅面前有與之“同生共死”的能力:中國可以學習日本(日本因牢牢全球掌控核心材料供應,如今美國無法對其實施過激的半導體產業制裁),與其全面追趕,不如在某2～3個領域重點突破,5～10年內在產業鏈的某個環節或者某個具體產品上成為全球95%以上產能的供應者。因此,建議集成電路產業政策有所聚焦,重點培育核心技術和能力,如此才能真正實現集成電路的自主可控發展。