根據中國海關總署數據，2019年我國集成電路進口額度3055億美元，進口金額在中國重點進口商品種類中排名第一

       一、概述

       半導體指常溫下導電性能介于導體與絕緣體之間的材料。常見的半導體材料有硅、鍺、砷化鎵等。硅，作為集成電路晶圓片的主要制備材料，是各種半導體材料應用中最具有影響力的一種。

       半導體可以分為四類產品，分別是集成電路（也稱之為IC、芯片）、光電子器件、分立器件和傳感器，后三種統稱OSD。其中規模最大的是集成電路，市場規模達到2,753億美元，占半導體市場的83%。下文說的半導體產業，主要是指集成電路產業。

       全球半導體產業有兩種商業模式，即IDM（Integrated Device Manufacture，集成器件制造）模式和垂直分工模式。

       IDM模式是大包大攬，啥都自己干。這類企業主要有Intel、三星、德州儀器（TI）等

       垂直分工模式主要包括Fabless（無晶圓制造的設計公司）+Foundry（晶圓代工廠）+OSAT（封裝測試企業），另外還有IP核（Intellectual Property Core）提供方等。

       其中設計公司以高通、博通、聯發科、海思為代表；晶圓代工廠以臺積電、格羅方德(美)、聯電（中國臺灣）、中芯國際為代表；封測以日月光（中國臺灣）、矽品（臺灣）、安靠（美）、長電科技（中）為代表。

       二、產業鏈

       半導體產業從產業鏈角度劃分，可分為：材料、生產設備【最上游】；EDA、IP核【上游】；集成電路（芯片）設計、晶圓代工、封裝測試這7個領域。

       1、材料與生產設備

       半導體材料已經發展到第三代。

       第一代半導體材料以硅為代表，主要應用于集成電路的晶圓片和功率器件。

       第二代半導體材料砷化鎵也已經廣泛應用，主要應用于大功率發光電子器件和射頻器件。

       而以氮化鎵和碳化硅、氧化鋅、氧化鋁、金剛石等為代表的第三代半導體材料，相較前兩代產品性能優勢顯著，憑借其高效率、高密度、高可靠性等優勢，在新能源汽車、通信以及家用電器等領域發揮重要作用。

       半導體材料全球市場規模400多億美金，日美德占主導地位。

       半導體生產設備，包括材料加工設備、晶圓制造設備。我們重點關注晶圓制造設備。

       半導體晶圓制造過程分為7大生產區域：擴散、光刻、刻蝕、離子注入、薄膜生長、拋光、金屬化；相應的，制造過程依賴七大類生產設備：氧化爐、光刻機、刻蝕機、離子注入器、薄膜沉積設備、化學機械拋光機、清洗機。

       其中最具價值的是鍍膜設備、刻蝕設備和光刻機。

       光刻機被譽為半導體產業的王冠，世界上技術最先進的公司是荷蘭的ASML，全球市場占有率80%。其最先進的EUV光刻機可以做到7nm和5nm制程，單臺設備售價超過1億美金；國內唯一一家從事光刻機研發制造的公司：上海微電子，目前只能做到90nm的制程（據說2020年年底可生產11nm制程的光刻機）。

       所謂制程，指的是IC內電路與電路之間的距離，制程越小，同樣面積下可容納的電路就越多，集成度越高。

       作為參考，當前半導體產業內頂尖工藝(7nm+10nm)占據13%的市場份額，主要用于CPU、GPU等超大規模邏輯集成電路的制造；14nm-28nm工藝占據了34%的市場份額，主要用于存儲芯片制造；MCU/MPU、模擬器件、分立器件和傳感器主要使用40nm以上工藝，占據了剩余的41%市場份額。

       半導體生產設備由于技術難度高，每一種設備基本是前三名壟斷了全球90%的市場，很遺憾，在這個名單里目前還看不到國內廠商的身影。

       值得慶幸的是，這7大類設備，都有中國企業在攻堅，雖然目前體量規模都比較小，但是在技術層面，已經取得多項突破。在某些特定設備上，已經能跟國際壟斷巨頭掰掰手腕了。

       國內生產規模最大的半導體設備廠商：北方華創，旗下產品線涵蓋了沉積設備、刻蝕機、氧化爐和清洗機四大類，為國內最全；

       中微半導體（上海）在LED芯片的MOCVD設備方面，達到國際先進水平。

       國內半導體設備企業中體量規模最大的中電科電子裝備（中國電子科技集團旗下），主攻離子注入機和化學機械拋光機；

       盛美半導體主攻硅片清洗機。

       上海微電子則是唯一研制光刻機的企業。

       當前，國內設備廠商的主要客戶是國內的晶圓制造廠商，如中芯國際、上海華力微、長江存儲、合肥長鑫、杭州士蘭微等。

       國產集成電路制造廠家的規模，直接決定了上游設備廠家的發展。

       2、EDA與IP核

       EDA，即電子設計自動化（Electronics Design Automation），包括電路設計與仿真工具、PCB 設計軟件、IC 設計軟件、PLD 設計工具等。

       芯片制造流程長，成本高昂，容錯率極低，所以在正式生產之前，需要用EDA進行虛擬設計、模擬、仿真。

       EDA軟件在全球不過100億美金的市值，但卻主宰著4500億美金的半導體市場。

       目前EDA設計軟件領域集中度較高，Synopsys（美）、Cadence（美）和MentorGraphics（德）三巨頭占據了EDA設計軟件全球60%以上的市場，在中國的市場占有率95%。國產EDA軟件公司華大九天、廣立微、芯禾科技等，只占國內市場的0.8%。

       國產EDA軟件發展始于上世紀80年代中后期，在“巴黎統籌委員會”的禁運管制下，中國無法買到國外的EDA，只能自研。1991年，國產首款EDA熊貓系統發布原型，1993年正式問世，與國外的商業EDA軟件相比，差距僅在5年左右。

       1994年，“巴統”解散，國外EDA軟件迅速進駐中國市場。在“造不如買”思維的驅使下，大多國內企業選擇使用技術更先進的國外產品。中國自主的EDA軟件發展中道崩殂。

       EDA軟件是基于工藝參數迭代的。只要工藝參數更新，EDA就要更新。代工廠提供工藝設計工具包（PDK），EDA廠家拿到后，根據里面的參數，更新軟件。

       EDA大廠與全球頂尖的代工廠合作緊密，對工藝理解到位。國內EDA公司只能拿到落后的參數，始終處于跟在巨頭后面撿肉渣的追趕者地位。

       強者恒強。純粹靠市場力量，國產EDA很難出頭。

       IP核（Intellectual Property Core）指已經完成邏輯設計或物理設計的芯片功能模塊，通過授權允許客戶將其集成在其芯片設計中，通過流片形成最終的芯片產品。

       目前主流的IP核有：x86（Intel）、ARM、Power（IBM）、MIPS。

       IP核所使用的指令集（底層指令的集合），分為RISC（簡單指令集）和CISC（復雜指令集）兩大類。x86使用的是CISC、ARM使用的是RISC。

       指令集架構，又稱為微架構，是一系列硬件電路，以實現指令集所規定的操作運算。

       Intel的靠與微軟聯合，占據了全球PC市場幾乎100%的份額。x86的IP核以及其所使用的指令集架構是輕易不對外授權的。

        前段時間英特爾停止向國內云計算服務器龍頭公司浪潮提供芯片，浪潮信息股票應聲跌停。

       Arm指令集架構從誕生至今聚焦于低功耗設計，一直在嵌入式領域耕耘。

       在移動互聯網大發展的這幾年，Arm指令集得到了蘋果iOS和Google的Android的支持，成為了事實上的標準。蘋果，高通，三星等國外大廠都選擇了Arm指令集。國內廠商如華為海思，紫光展銳，瑞芯微，全志科技等也通過Arm IP核參與到全球競爭，在手機和平板市場取得了較好的成績。

       在物聯網領域，基于Arm指令集的處理器也占據了主導地位，占據了一半的MCU市場份額。這其中，國外廠商ST，NXP，Infenion等都有基于Arm指令集的產品，國內廠商如兆易創新，同方微電子，大唐微電子，華大半導體等也通過Arm核進入了相關領域，蠶食國外廠商的市場份額。

       ARM生態如此繁榮，就不得不提ARM公司的授權策略：三級授權策略。

       結合下面這張圖：

       左邊即指令集架構，右邊是基于指令集架構設計出來的IP核。

       所謂三級授權指的是：

       I、指令集架構的授權?？稍诖嘶A上進行修改，形成自己的一套指令集架構。蘋果就是這么干的，它買來ARM的指令集架構，修改后，形成自己的SWIFT架構，再基于此架構設計了處理器A系列。當然這對硬件設計能力要求很高。

       II、IP核授權?？稍诖嘶A上進行修改，形成自己的IP核。高通就是這么干的，且其修改幅度較大，可以重新命令修改后的IP核。高通855便是基于改過的IP核設計的芯片，高通稱之為kryo。

       華為海思的麒麟980也是購買的IP核授權，進行了自主修改。

       III、使用級授權。也就是所謂的公版架構。啥都不能改，只能基于買來的核，進行SOC（system on chip，片上芯片）的設計。ARM要求購買公版架構的廠商在自己的SOC上注明，是用到了ARM哪個系列的IP核。

       x86封閉，ARM需要支付授權費用，有沒有完全開源免費的指令集架構，可以拿來做IP核設計，和SOC設計呢？有，它就是2010年問世的RISC-V。

       RISC-V是基于精簡指令集的開源指令集架構，是完全開源的，任何設計廠家都可基于它設計自己的IP核、處理器，無需支付授權費。

       PC和服務器，是x86的天下；ARM，則統一了移動領域。RISC-V作為后生晚輩，最有獲勝希望的戰場，在AIot。

       實際上，國內已經問世的RISC-V構架芯片，如華米科技的AI芯片黃山1號、中天微電子的CK902、阿里平頭哥的玄鐵910等，都瞄準的是物聯網這個大市場。

       3、設計、制造、封測

       芯片設計，國內最強是華為海思，毫無疑問。世界第一是高通，二者從營收角度對比，后者大概是前者的3倍強。

       然而，華為海思的設計，還是基于ARM架構。設計使用的EDA軟件，也來自于上文提到的三巨頭。

       制造環節，國內種子選手是中芯國際，依靠國外生產設備，可批量生產28nm制程的芯片，其14nm制程，真正放量可能要到2020年底。中芯國際19年全年營收31億美元，中國區占比59.5%。

       對比世界第一臺積電。臺積電代工的麒麟990和驍龍865的制造工藝，都已經達到7nm。5nm也在研發中。臺積電19年全年營收364億美元，是中芯國際的10倍。

       在美國禁令下，臺積電斷供華為。中芯國際需要盡快搭建去美化產線，任重道遠。

       封測行業位于半導體產業鏈末端，其附加價值較低，勞動密集度高，進入技術壁壘較低，封測龍頭日月光每年的研發費用占收入比例約為4%左右，遠低于半導體IC 設計、設備和制造的世界龍頭公司。

       封測行業呈現出臺灣地區、美國、大陸地區三足鼎立之態，其中長電科技/通富微電/華天科技已通過資本并購運作，市場占有率躋身全球前十（長電科技市場規模位列全球第三）。

       綜上，在整個半導體產業鏈中，中國在上游的材料、生產設備、EDA、IP核方面，與國際先進水平差別較大，均不同程度受制于人；在中游，設計環節，需依賴國外IP核；制造環節，離臺積電還有很大差距；僅封測環節，占有一席之地。

       從國內龍頭企業營業額與世界第一位的營業額對比來看。芯片設計環節，我國與世界最高水平的差距是3倍，芯片制造環節，差距是10倍，到了芯片生產設備環節，差距來到了60倍。

       三、產業歷史

       如今美國在半導體整個產業鏈各個環節，都具有壟斷優勢。

       上世紀七八十年代，日本的芯片產業一度領先美國。美國在1987年政府牽頭，集合14家美國最大的電子公司，成立了芯片研發聯盟Sematech，并獲得DARPA（美國國防部高級研究計劃局）的大力支持。

       聯盟聚集了全美電子產業最優秀的公司里最優秀的研發人員，再加上充裕的資金，美國的芯片產業在80年代末開始反超日本。

       半導體產業耗資巨大，起步階段往往依靠國家的支持。只有華為這種體量的巨頭公司，才有足夠的資金進行研發投入，以及廣闊的下游市場以回收成本。

       我國的半導體產業發展，有3個關鍵時間點。

       第一個是2008年的02專項啟動的時間點。政府對IC全領域：材料、裝備、制造、設計進行技術跟蹤和企業補貼。

       第二個是2014年，國家啟動集成電路大基金，截止2017年總計投入資金818億。但也是分散在所有領域，單一領域化下來也沒多少。

       第三個是2018年中興事件，美國斷供中興，導致中興業務停擺三個月。此事件后，芯片國產替代成為舉國上下的共識。

       目前國內規模超100億人民幣的集成電路企業有：華為海思、中芯國際、長電科技、豪威科技、紫光展銳、比特大陸。長江存儲和合肥長鑫潛力很大。

       當下，美國在芯片產業鏈各關鍵環節對我國實行封鎖圍剿，正是我國半導體產業在各重要環節實現國產替代的戰略機遇，相信在國家和龍頭企業的合力下，我們最終可以實現自力更生，產業鏈“內循環”的目標。借用毛主席的一句話：封鎖吧，封鎖個幾年，我們什么都有了。

       其實，除了在主賽道窮追猛進，中國在另外一個賽道，隱隱有彎道超車之勢，那就是AI專用芯片。

       四、產業機遇

       芯片產品按照大的領域劃分，可分為簡單的三類：代表過去的通用計算機芯片（CPU）；代表現在的以人工智能芯片為主的專用芯片；代表未來的量子計算、光子計算的下一代芯片。

       隨著人工智能的興起，現在計算領域的一個趨勢，就是從通用的CPU解決所有問題，轉為專用芯片處理圖像處理、音頻處理這類計算量更大的任務，把非計算的任務（主要是邏輯處理）交給CPU，也就是所謂的異構計算。

       x86架構的CPU，由于技術壁壘和當前已經形成的產業生態，中國很難再突圍。但是隨著移動應用的極大豐富，更適合移動計算的ARM架構的CPU興起，蘋果也發布基于ARM架構的芯片。

       用ARM架構的CPU，搭配人工智能芯片，是中國彎道超車的機會。

       人工智能當前尚處在從感知智能向認知智能過度階段。目前落地程度較高的圖像識別、人臉識別、語音識別都屬于感知智能。

       圖像識別主要使用CNN深度學習算法模型；語音識別、自然語言處理主要使用RNN模型。

       深度學習算法本質上就是矩陣或向量的乘法、加法、指數運算，對算力要求很高，這就催生出專門的芯片，用來處理計算問題。

       因此，AI芯片也被稱之為AI加速器。

       AI芯片領域，我國離國外先進水平也還有一定差距，但是差距沒有傳統芯片領域那么大。

       國內代表企業有寒武紀、比特大陸、華為海思、深鑒科技等

       AI芯片部分內容較多，本文不做展開，后續有機會單獨寫一篇文章介紹。

       主要參考資料：

       寧南山：《未來站在中國這一邊》（書）

       機器之能：這項主宰全球4500億半導體市場的命門，國產率卻不到5%

       王煜全：全球風口-焦慮的中國芯，如何化解？

       虎嗅：ARM中斷合作，華為面臨的機遇和挑戰

       CSDN上面的一些文章

       網上一些公開資料

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