内外芯片产业技术现状与趋势分析
张百尚，商惠敏
(广东省科学技术情报研究所，广东广州 510033)
摘要： 芯片产业是现代产业体系中基础性、战略性和先导性的产业，是产业结构转型升级的重要支撑。重点从产业链、区域布局、企业实力等角度剖析全球以及中国芯片产业发展概况，从政策、产业链、区域布局、受制于人等角度分析中国芯片产业发展概况，从技术发展规律、多技术协同等角度探索全球芯片产业技术的发展趋势，为明晰中国芯片产业发展提供支撑。
关键词： 芯片；摩尔定律；产业链
芯片是电子信息产业的基础和核心［1］，是现代工业的“粮食”，具有高技术、重资本、高集中度等特征，与航空发动机并列誉为“工业皇冠上的明珠”。芯片产业是现代产业体系中基础性、战略性和先导性的产业［2］，是推动工业化和信息化深度融合的基础，是产业结构转型升级的重要支撑。发展芯片产业既是新一代信息技术产业内部发展的需要，也是国际市场技术竞争的需要，已上升为国家战略。
目前，东营市农产品加工企业与生产基地及其农户之间大多是以农产品买卖关系为基础的低层次的产销合作，相互间利益联结机制较为松散，各产业间协调不畅，没有真正形成“风险共担、利益共享”的经济共同体，农业龙头企业与农户之间也基本如此，一、二、三产业的融合深受制约。
若把英语例句中的主谓语结构不加以转换，直译成“1919年的五四运动目睹了新红学的开端……”，就会造成译文不太符合汉语中“以人为主”的思维，显得佶屈聱牙，因此这里在翻译时对英语原文进行了一些处理，将该句中的主谓语结构转换成了汉语中的状语，使得译文更加切合汉语思维，如此，中国读者读起来便不会觉得拗口了。
1 全球芯片产业发展概况
1.1 全球芯片产业快速增长，五大区域格局悄然形成
2017年全球芯片产业规模约3 400亿美元，同比增长22.9%，创历史新高。从产业链分布看，芯片设计、晶圆制造和封装测试的产值占比分别为3∶4∶3。其中，存储器2017年增长最快（达到61%），超越逻辑芯片成为销量最高的芯片细分产品。从市场分布看，亚太地区、美国和欧洲等地区占了全球超过90%的芯片市场份额［3］，中国、亚太地区（除中国和日本）、美国、欧洲和日本的市场规模比约为3∶3∶2∶1∶1。其中，中国2017年共进口近14万亿块芯片，总进口额约为2 600亿美元。美国既是全球的芯片消费大国，也是最大的生产国，拥有全球大部分的IC设计企业和Fab工厂，主导了全球芯片产业的发展。
1.2 芯片技术按摩尔定律快速进步，发达国家芯片技术优势明显
一直以来，芯片产业技术跟随着摩尔定律规律发展，芯片性能每隔18～24个月提升一倍。从技术指标看，芯片制程已进入到7 nm量产阶段，台湾积体电路制造股份有限公司（以下简称台积电）2018年实现量产，三星有望在2 019年前实现量产。从芯片设计软件看，主要的电子设计自动化（EDA）工具由美国三大巨头公司Synopsys（新思科技）、Mentor （明导国际）和Cadence（铿腾电子）垄断。从关键材料供给看，日本、美国、德国、韩国和中国台湾地区集聚了全球重要芯片相关材料企业，其中高纯大硅片、光刻胶、超高纯化学试剂、特种气体等关键材料主要由上述国家和地区提供。从关键装备供给看，美国、日本和荷兰是全球三大装备制造强国，荷兰ASML公司的高端光刻机技术处于国际绝对领先地位，日本和美国的刻蚀、沉积、注入机、检测等装备优势明显。
1.3 龙头企业市场占有率高，产业基础支撑不断夯实
B公司对经销商的业绩评估十分匮乏，也就更谈不上风险预警。近几年，B公司的东北市场上出现过经销商通过召开订货会收取终端门店货款，但未履行发货义务，持货款跑路现象，导致公司品牌形象受到负面影响。分析其原因有如下两点：
表1 2017年全球芯片行业十大公司
2 中国芯片产业发展概况
2.1 高度重视产业发展，出台系列扶持政策
定义1 事件(Event)[13]指在某个特定的时间和环境下发生的、由若干角色参与、表现出若干动作特征的一件事.形式上,事件可以表示为e,定义为一个六元组:
纵观芯片产业总体发展情况，目前已形成以英特尔、三星、高通等为代表的一批龙头企业。2017年全球芯片行业前十大公司(见表1)收入增长快速，平均增长率达到30%以上，市场占有率达到近60%。其中，美国和韩国分别有5家和2家，中国台湾、日本、新加坡均有1家，主要产品有存储芯片、处理器、通讯芯片、模拟芯片等。在芯片设计领域，龙头企业主要集中于美国、中国台湾和中国大陆，美国高通和博通是目前设计行业的领导者，其他的主要企业有中国台湾联发科技股份有限公司（以下简称联发科技）、英伟达、海思半导体等。在芯片制造领域，龙头企业主要集中于美国、中国台湾和韩国，龙头企业英特尔、美光、三星电子采用IDM模式(集成器件制造)，是从设计到制造、封测以及投向消费市场“一条龙”全包的企业；龙头企业台积电采用垂直分工模式，专做晶圆代工，不涉及设计、封测以及产品销售。在芯片封测领域，龙头企业主要集中在亚太地区，中国台湾是全球规模最大、技术最先进的半导体封装测试产业基地，拥有日月光集团、矽品、力成科技股份有限公司等，美国的安靠科技、中国的长电科技规模也较大。
表2 中国芯片产业技术发展相关重要政策
表3 中国主要省（市）集成电路产业投资基金情况
2.2 五大产业集聚区初步形成，区域产业发展各具特色
截止到2017年，中国芯片上中下游产业链基本形成，产业规模达到5 176亿元，2017年同比增长19.4%。其中，设计环节比重为38%，拥有海思、紫光展锐、中兴微电子等一批龙头企业，高端芯片设计能力与国际先进水平的差距逐步缩小，产业分布主要集中在深圳、上海、北京、杭州等地区。制造环节比重为26%，与全球40%的比重相比偏低，拥有中芯国际、华虹半导体、华润微电子等龙头企业，其中中芯国际已经实现28 nm制程量产，落后7 nm制程的国际先进水平2～3代；同时，国内目前共布局了22条12英寸晶圆生产线［1］（已投产8条，在建14条），主要集中在上海（4条）、江苏（4条）、北京（2条）、福建（2条）、湖北（2条）、安徽（2条）和广东（2条）等地区，广东的中芯国际和广州粤芯半导体技术有限公司的生产线都在建设中。封测环节比重为36%，拥有江苏新潮科技集团、江苏省南通华达微电子集团有限公司、华天科技等一批龙头企业，部分企业封装技术接近国际先进水平，主要集聚在江苏、上海等地区。在设备和材料领域，拥有浙江晶盛机电股份有限公司、中电科电子装备集团有限公司、深圳市捷佳伟创新能源装备股份有限公司、浙江金瑞泓科技股份有限公司、南京国盛电子有限公司、宁波江丰电子材料股份有限公司等一批龙头企业，部分关键装备和材料实现从无到有，产业分布主要集中在北京、浙江等地区，但高端光刻机、刻蚀机、高纯大硅片、超高纯电子气体等高端设备和材料仍然受制于人。
中国高度重视芯片产业发展，制定了一系列的扶持政策(见表2)。如2014年出台的《国家集成电路产业发展推进纲要》详细规划了产业发展的基本原则、目标、主要任务和发展重点等，从顶层设计推动芯片产业跨越发展［4-5］。2014年成立国家集成电路产业投资基金，实施市场化运作、专业化管理，重点投资集成电路芯片制造领域，兼顾芯片设计、封装测试、设备和材料等领域，针对性、差异化地推动了产业的发展［6］。多个省份也积极响应国家号召，成立省级集成电路产业投资基金（见表3），推动芯片产业创新发展。《中国制造2025》更是将芯片产业放在重点聚焦发展的十大领域之首，提出了产业发展的重点方向和关键技术。科技部有针对性地构建了“核心电子器件、高端通用芯片及基础软件产品”和“极大规模集成电路制造装备及成套工艺”两大国家重点科技专项，聚焦芯片、软件和电子器件领域组织开展重大科学技术攻关，力争通过持续创新，攻克一批关键技术，研发一批战略性核心产品，提升对战略性技术的自主可控能力。
2.3 上中下游产业链基本形成，龙头企业不断成长壮大
经过近10多年的发展，国内芯片产业已形成以环渤海、长三角、珠三角、中西部、福建沿海等五大产业区域为主的发展格局。其中，以北京为核心的环渤海产业区重点布局设计和制造领域，代表企业有北京兆易创新科技股份有限公司、大唐半导体科技有限公司、北京智芯微电子科技有限公司、华大半导体有限公司等；以上海为核心的长三角产业区重点布局制造和封测领域，产值规模位居首位，代表企业有中芯国际集成电路制造有限公司（以下简称中芯国际）、上海华虹宏力半导体制造有限公司（以下简称华虹半导体）、上海华力微电子有限公司（以下简称华润微电子）、紫光展锐等；以深圳为核心的珠三角产业区重点布局设计领域，产值规模位居第二，代表企业有深圳海思半导体有限公司（以下简称海思）、深圳市中兴微电子技术有限公司（以下简称中兴微电子）等；以福厦泉为核心的福建沿海产业区重点布局设计和制造领域，代表企业有福建省晋华集成电路有限公司、联芯科技有限公司等。同时，以合肥、武汉、成都、重庆、长沙、西安为主的中西部产业区近年来也不断加强存储器制造、设计等领域部署，代表企业有合肥睿力集成电路有限公司、长江存储科技有限责任公司、合肥晶合集成电路有限公司等，形成了五大产业区联动发展的格局。据统计分析，目前上海、南京、无锡、淮安、合肥、武汉、成都、重庆布局的12英寸晶圆生产线将达到全国新增12英寸晶圆产线的80%左右，全国将形成一条“长江流域芯片制造产业带”。
2.4 低端芯片基本可以自给，高端芯片长期依赖进口
虽然近几年中国的芯片产业取得了很大的发展，但由于中国芯片产业起步较晚，芯片的核心技术、制造工艺、装备、材料、产业规模、龙头企业与发达国家仍有较大的差距。目前，低端芯片基本可以自给自足，如PC主板、机顶盒、路由器、网卡、安防监控、音频、LED等领域的芯片，但处理器、控制器、存储器、逻辑芯片等数字芯片，以及放大器、标准模拟芯片、特殊应用模拟芯片等模拟芯片，这些高端芯片基本上依靠进口［7］。此外，中国芯片产业市场集中度较低，制造、设计领域的领军企业缺乏，关键装备和材料的龙头企业急需培育。
3 全球芯片产业技术的发展趋势
3.1 全球芯片产业迎来第三次产业转移与升级
全球芯片产业已经经历了两次大的产业转移与升级［8］，目前正迎来第三次大的产业转移与升级。第一次是从美国向日本的产业转移，伴随着全球家电市场的兴起，美国将芯片装配产业转移到日本，日本从芯片装配开始积累芯片技术，并将芯片技术与家电产业对接，培育了索尼、东芝等系统厂商。第二次是从美国、日本向韩国、中国台湾的产业转移，第二次转移与计算机产业的迅猛发展密切相关，第二次转移时存储芯片从美国转向日本后又转向了韩国，培育了三星等厂商；同时中国台湾从美国承接了晶圆代工环节，培育了台积电等厂商。目前伴随着手机产业、人工智能的快速发展，手机芯片、人工智能芯片成为芯片行业的重要领域，全球芯片产业正迎来第三次产业转移与升级，并培育了高通等厂商，国际芯片制造巨头纷纷到中国建厂。
3.2 芯片技术跨入后摩尔定律时代
2017年，芯片制造环节晶圆节点发展到10 nm量产的阶段，已经非常接近鳍式场效应晶体管制程(FinFET)的物理极限5 nm，推进成本变得越来越大，制程微缩不再跟随着晶体管单位成本同步降低，摩尔定律即将失效［9］，基于芯片制造环节的深度摩尔定律和基于芯片封装环节的超越摩尔定律已经到来。深度摩尔定律是延续FinFET的整体思路，在沟道材料、器件结构、连接导线、高介质金属栅等方面创新研发，沿着摩尔定律发展，数字电路应用较多。超越摩尔定律主要侧重于功能的多样化，由应用需求驱动，不同模块用封装技术异质集成在同一封装中，从而达到低成本、集成化的目标，模拟电路应用较多。
3.3 人工智能芯片将重塑社会
由于计算架构的不同，在处理计算时，人工智能芯片比传统处理器性能更强、功耗更低。GPU(图形处理器)、FPGA(现场可编程门阵列)和TPU(高性能处理器)是目前人工智能芯片的3种主流芯片，各有优缺点，已经在很多领域大规模应用。其中，GPU最成熟，但最耗资源，常用于训练神经网络和服务端；FPGA最灵活，能支持应用中出现的特殊操作，可以适配从云到端的应用需求；TPU相对最不灵活，但如果场景合适则能发挥出最大功用。随着人工智能芯片技术的不断发展，面向安防、自动驾驶、医疗、智能家居、智能金融、智能教育、智能物流等场景的人工智能芯片将越来越多［10］。
3.4 芯片设计走向软件定义硬件
未来的芯片市场发展领域很多都是迅速变化的，如虚拟现实、自动驾驶、医疗、工业电子以及智能机器人。这些新的应用市场需要不同的协议和接口，通过软件的方式可以很好地解决不同协议和接口带来的问题，并通过算法的优化不断完善应用功能。实际应用中，芯片很多的硬件功能可以通过软件的迭代加以实现，原本繁杂的硬件性能可以被更容易更新和修复的软件所替代，而更加先进的应用功能则可以通过软件被添加到芯片中［11］。芯片由软件定义硬件的替代趋势［12］，在芯片今后的发展中将成为一种重要方向。
参考文献：
［1］张倩.集成电路产业现状分析［J］.科技中国,2018(2)：73-77.
［2］方莹莹,刘戒骄.从开放式协同创新看中国芯片产业生态圈营造［J］.产经评论 ,2018(6)：104-115.
［3］王鹏.2016—2017年中国集成电路产业发展蓝皮书［M］.北京：人民出版社,2017：1-301.
［4］中华人民共和国国务院.国家集成电路产业发展推进纲要［J］.集成电路应用,2014(7)：6-8.
［5］王龙兴.我国集成电路产业发展目标和“十三五”发展规划分析［J］.集成电路应用 ,2017,34(1)：11-15.
［6］丁文武.推动集成电路产业重点突破和整体提升［J］.集成电路应用 ,2016(6)：20-21.
［7］李鹏飞.我国集成电路产业发展的问题及对策建议［J］.发展研究 ,2017(12)：71-74.
［8］彭靖.国际产业转移新形势下广东集成电路产业自主创新路径选择［J］.科技管理研究,2009(6)：185-188.
［9］李珂.后摩尔时代中国芯片产业的发展策略［J］.集成电路应用 ,2015(2)：14-17.
［10］石春琦.集成电路芯片在新兴应用领域的发展趋势分析［J］.集成电路应用,2018,35(2)：13-19.
［11］陈硕颖,杨扬.我国基础软硬件产业的“生态”瓶颈及突破［J］.经济纵横 ,2018(11)：103-110.
［12］HINCHEY M.软 件 将 定 义 一 切 吗？［J］.电 子 产 品 世界 ,2016(6)：19-21.
Current Situation and Trend Analysis of Chip Industry Technology at Home and Abroad
Zhang Baishang, Shang Huimin
(Guangdong Institute of Scientific and Technical Information, Guangzhou 510033, China)
Abstract: The chip industry is a basic strategic and leading industry in the modern industrial system.It is an important support for the transformation and upgrading of industrial structure.This paper analyzes the development of global and Chinese chip industry from the angles of industrial chain, regional layout and enterprise strength, analyzes the general situation of chip development in China from the angles of policy, industrial chain, regional layout and being controlled by people, and explores the development trend of global chip industry technology from the angle of technology development law and multi-technology coordination, so as to provide support for the development of chip industry in China.
Key words: chip; Moore's Law; industry chain
中图分类号： F49；F124.3；G301
文献标志码： A
文章编号： 1000-7695（2019）17-0131-04
doi： 10.3969/j.issn.1000-7695.2019.17.017
收稿日期： 2019-03-04，
修回日期： 2019-06-18
基金项目： 广东省科技计划项目“广东若干重点领域前沿技术跟踪和发展路径研究”（2018B070717001）,“跨境创新合作中的模式与机制研究——以粤港区域创新体系为例”（2015A080804007）,“广东省芯片技术创新与产业发展研究”（2018A070717015)
作者简介： 张百尚（1977—），男，福建晋江人，副所长，高级经济师，硕士，主要研究方向为产业经济、科技情报与科技战略；商惠敏（1981—），女，安徽马鞍山人，副研究员，硕士，主要研究方向为科技情报与科技战略、产业技术分析。
标签：芯片论文; 摩尔定律论文; 产业链论文; 广东省科学技术情报研究所论文;