中美半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈實力全面對比
中美半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈實力全面對比（附晶圓廠完整清單）
來源：電子工程專輯，作者：ASPENCORE全球編輯群
ASPENCORE全球分析師團(tuán)隊根據(jù)美國半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會（SIA）與BCG聯(lián)合發(fā)布的研究報告《在不確定時代下加強全球半導(dǎo)體供應(yīng)鏈》，以及維基百科《全球半導(dǎo)體晶圓廠分布》清單，對中國大陸和美國在半導(dǎo)體全產(chǎn)業(yè)鏈和價值鏈上的實力進(jìn)行的全方位對比，并詳細(xì)列出了美國本土和中國大陸本土正常運營的晶圓廠清單。
全球晶圓制造發(fā)展簡史
1965年，當(dāng)Gordon Moore發(fā)表他的“芯片晶體管數(shù)量每隔18個月翻倍”的文章時（這就是我們熟悉的“摩爾定律”），芯片是在1.25英寸（30毫米）的晶圓上制造出來的。當(dāng)時，建造一座晶圓廠的成本約為100萬美元。過去半個世紀(jì)以來，芯片制造商一直遵循摩爾定律的節(jié)奏開發(fā)和制造芯片，在這個過程中將更多功能集成到單個芯片上，從而推動了電腦、智能手機和其他電子產(chǎn)品的增長和普及。
隨著時間的推移，芯片制造商開始轉(zhuǎn)向更大的晶圓尺寸，因為更大的晶圓可以切割出更多的裸片，從而可以降低芯片成本。從2000年開始，芯片制造商開始從200毫米（8英寸）晶圓升級到現(xiàn)代的300毫米（12英寸）晶圓。最初，建造200毫米晶圓廠的成本約為7億-13億美元，而建造300毫米晶圓廠的成本約為20億美元。根據(jù)IBS的數(shù)據(jù)，在2001年，全球有18家芯片制造商擁有可以處理130nm芯片的晶圓廠，這在當(dāng)時是最先進(jìn)的工藝。
與此同時，以臺積電為首的晶圓代工廠商開始引起業(yè)界的重視，他們不設(shè)計和銷售自己的芯片，而專門為外部客戶提供芯片制造服務(wù)。許多芯片制造商不再能夠和愿意負(fù)擔(dān)開發(fā)新工藝和建造先進(jìn)晶圓廠的費用，于是選擇了fab-lite模式，即將部分芯片制造外包給晶圓代工廠商。而高通、英偉達(dá)和賽靈思等Fabless設(shè)計公司則乘著代工的東風(fēng)而起飛，成長為比IDM廠商更有競爭力的芯片供應(yīng)商。
因著代工的興起，晶圓制造開始從美國和歐洲向亞洲轉(zhuǎn)移。根據(jù)SIA和BCG的報告統(tǒng)計，臺灣現(xiàn)已成為全球晶圓制造產(chǎn)能的領(lǐng)導(dǎo)者，2020年占有22％的份額，其次是韓國（21％）、日本（15％）、中國大陸（15％）、美國（12％）和歐洲（9％）。
全球半導(dǎo)體供應(yīng)鏈和價值鏈的劃分
提醒各位，我們不要被上面的統(tǒng)計數(shù)字所迷惑。晶圓制造只是全球半導(dǎo)體供應(yīng)鏈和價值鏈上的一個節(jié)點，芯片設(shè)計、EDA/IP，以及封裝測試也扮演著各自不同的角色。如下圖所示，全球半導(dǎo)體供應(yīng)鏈包括如下環(huán)節(jié)：基礎(chǔ)研究、EDA/IP、芯片設(shè)計（細(xì)分為邏輯器件、DAO和存儲器）、半導(dǎo)體制造設(shè)備和材料，以及制造（細(xì)分為前道晶圓制造、后道封裝和測試）。
全球半導(dǎo)體按地域分布的價值劃分（基于2019年全球半導(dǎo)體數(shù)據(jù)）。(來源：SIA & BCG)
注釋：DAO代表分立、模擬及其它（光電器件和傳感器）；OSAT代表外包封裝和測試；東亞（East Asia）包括日本、韓國和中國臺灣。
從上圖可以看出，在EDA/IP細(xì)分領(lǐng)域，美國占主導(dǎo)地位（74%），而中國僅占3%；在晶圓制造方面，美國占12%，中國占16%；在封裝測試市場，中國占38%，美國僅2%。
半導(dǎo)體器件有30多種，但業(yè)界一般分為三大類別：邏輯、存儲、DAO。
· 邏輯器件是處理“0”和“1”的數(shù)字芯片，是所有設(shè)備計算和處理的構(gòu)建模塊，約占整個半導(dǎo)體價值鏈的42%。邏輯類別主要包括：微處理器（比如CPU、GPU和AP）、微控制器（MCU）、通用邏輯器件（比如FPGA），以及連接器件（比如WiFi和藍(lán)牙芯片）。
· 存儲器芯片用來存儲數(shù)據(jù)和代碼信息，主要有DRAM和NAND兩大類，約占整個半導(dǎo)體價值鏈的26%。DRAM只能暫時存儲數(shù)據(jù)和程序代碼信息，存儲容量一般比較大；NAND俗稱閃存，即便掉電也可以長期保存數(shù)據(jù)和代碼，手機的SD卡和電腦的SSD固態(tài)硬盤都使用這類存儲器芯片。
·DAO代表分立器件、模擬器件，以及其它類別的器件（比如光電器件和傳感器）， 約占整個半導(dǎo)體價值鏈的32%。二極管和晶體管都是分立器件；模擬器件包括電源管理芯片、信號鏈和RF器件；其它類別的器件雖然占比不高，但也不可忽視（計算機和電子設(shè)備缺少一個器件就無法工作），比如傳感器在新興的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中越來越重要。
全球半導(dǎo)體若按這三大類別細(xì)分，總體銷售額按照應(yīng)用劃分如下：智能手機占26%；消費電子占10%；PC占19%；ICT基礎(chǔ)設(shè)備占24%；工業(yè)控制占10%；汽車占10%。
全球半導(dǎo)體按應(yīng)用劃分的銷售額占比。（來源：SIA & BCG）
以DAO類別為例，在智能手機和消費電子中的價值占比約1/3，而在工業(yè)和汽車應(yīng)用領(lǐng)域占比高達(dá)60%。
中美半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈實力對比
半導(dǎo)體產(chǎn)品的研發(fā)、設(shè)計和生產(chǎn)是非同尋常的復(fù)雜和全球化，大致可分為四個主要階段：基礎(chǔ)研究、設(shè)計、晶圓制造、封裝和測試。此外，芯片設(shè)計還需要EDA工具和各種IP核，而芯片生產(chǎn)則需要半導(dǎo)體生產(chǎn)設(shè)備和各種專用材料。從半導(dǎo)體器件的應(yīng)用市場來看，美國和中國各自約占全球半導(dǎo)體消耗量的 1/4，無論作為半導(dǎo)體消費者還是創(chuàng)造者，都有著舉足輕重的份量。下面我們將從六個方面對美國和中國大陸（不包括臺灣）的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈實力做個全方位對比。
·基礎(chǔ)研究
·EDA/IP
·芯片設(shè)計
·晶圓制造
·制造設(shè)備和材料
·封裝測試
基礎(chǔ)研究
半導(dǎo)體的基礎(chǔ)研究主要是半導(dǎo)體基礎(chǔ)材料和化學(xué)工藝的研究，是半導(dǎo)體器件的設(shè)計和制造實現(xiàn)技術(shù)突破和商用化的源動力。一項研究成果大約需要10到15年的時間才能達(dá)到商業(yè)化階段，例如，Extreme Ultra-Violet（EUV）技術(shù)從最初的概念到進(jìn)入晶圓廠實施階段花了將近四十年。雖然沒有具體的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，但基礎(chǔ)研究一般約占半導(dǎo)體總研發(fā)投入的15-20％。比如，美國多年來一直保持在16-19％的水平。
2018年美國半導(dǎo)體整體研發(fā)投入的劃分。（來源：SIA）
如上圖所示，2018年美國半導(dǎo)體整體研發(fā)投入為5800億美元，其中基礎(chǔ)研究占17%；應(yīng)用研究占20%；產(chǎn)品開發(fā)占63%。從資金來源看，基礎(chǔ)研究的42%來自聯(lián)邦政府，來自企業(yè)的資金占29%，來自大學(xué)和其它非盈利機構(gòu)的資金占29%。政府資助的研究經(jīng)費雖然整體占比不高，但取得的技術(shù)突破卻對半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展有著重大影響。例如，美國防部于上世紀(jì)80年代末資助的微波和毫米波集成電路（MIMIC）項目研發(fā)出砷化鎵(GaAs)晶體管，基于這種材料和結(jié)構(gòu)的RF器件讓智能手機與蜂窩通信塔的無線連接成為可能。
過去40年來，美國企業(yè)界在半導(dǎo)體研發(fā)上的投入占GDP的比例增長了差不多10倍，而政府在半導(dǎo)體領(lǐng)域的投資金額一直沒有增長。
根據(jù)經(jīng)濟合作與發(fā)展組織（OECD）的數(shù)據(jù)，2018年中國的整體研發(fā)投入全球排名第二，僅比美國低5%，但是投入到基礎(chǔ)研究的費用只占5-6%，半導(dǎo)體領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究就更低了。中國新的五年計劃將基礎(chǔ)研究列為重點投入領(lǐng)域，2021年的目標(biāo)比例是GDP的11%，半導(dǎo)體也將作為重中之重得到較為充裕的資源投入。
EDA/IP
EDA和IP雖然在全球半導(dǎo)體供應(yīng)鏈中占比很小，但在價值鏈上卻舉足輕重，可謂半導(dǎo)體“皇冠上的明珠”。EDA三巨頭（新思科技、Cadence，以及被西門子收購的Mentor）都是美國公司，他們同時也開發(fā)和提供各種IP。IP市場的領(lǐng)頭羊Arm極有可能被美國的英偉達(dá)收購而成為美國公司。根據(jù)SIA和BCG的報告統(tǒng)計，美國在EDA/IP領(lǐng)域占據(jù)74%的份額，而中國只有3%。中國EDA行業(yè)雖然有華大九天、概倫電子，以及新興的EDA初創(chuàng)公司，但整體實力跟美國還相距甚遠(yuǎn)。在IP方面，只有芯原和Imagination（中資背景的英國公司）在全球市場占據(jù)一定的份額。
芯片設(shè)計
芯片設(shè)計是典型的人才和智力密集型產(chǎn)業(yè)，全球芯片設(shè)計的研發(fā)投入占整個半導(dǎo)體研發(fā)的53%，是最大的一塊。Fabless設(shè)計公司的R&D投入一般占其營收的12-20%，有的先進(jìn)工藝系統(tǒng)級芯片的研發(fā)占比更高。在邏輯芯片設(shè)計市場，美國占67%，而中國幾乎為零。在存儲器方面，美國占29%，中國占7%，長江存儲、武漢新芯和合肥長鑫等存儲器廠商的崛起將有助于增加中國在這一領(lǐng)域的份額。在DAO方面，美國占37%，中國占7%。美國的TI和ADI長期占據(jù)全球模擬芯片市場龍頭地位，短期內(nèi)中國或者其它國家都難以撼動。中國在電源管理器件方面的競爭力逐漸增強，模擬領(lǐng)域也有圣邦微和思瑞浦等公司的興起，但整體營收和技術(shù)實力還不能跟美國相提并論。
晶圓制造
晶圓制造環(huán)節(jié)在研發(fā)方面占整個半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的13%，但資本投入?yún)s占據(jù)了64%，是典型的資本密集型產(chǎn)業(yè)。根據(jù)芯片產(chǎn)品的復(fù)雜度不同，晶圓制造過程會涉及400-1400個工藝步驟。臺積電和三星擬新建的5nm工藝晶圓廠總投資接近200億美元，這么巨額的投資令很多國家和企業(yè)望而卻步。要知道建造一艘最先進(jìn)的航母造價也就130億美元，而建造一座新的核能發(fā)電站耗資只不過40-80億美元。像臺積電和三星這樣的最先進(jìn)工藝晶圓代工廠商，其每年的資本開支要占營收的30-40%。7nm工藝及更先進(jìn)的晶圓廠100%都在東亞，都掌握在臺積電和三星手中。
1990-2030年全球半導(dǎo)體制造份額預(yù)測。（來源：SIA）
從目前的整體制造產(chǎn)能來看，美國占全球的12%，中國則占16%。據(jù)SIA統(tǒng)計和預(yù)測，美國在1990年的晶圓制造產(chǎn)能占全球的37%，現(xiàn)在已經(jīng)下滑到12%。如果繼續(xù)按這樣發(fā)展下去，到2030年美國的半導(dǎo)體制造能力將只有全球總產(chǎn)能的10%。而同期中國則一路上升，從1990年接近零到2000年的3%，再到現(xiàn)今的16%，到2030年預(yù)期將達(dá)到24%。鑒于這一嚴(yán)峻的現(xiàn)實，美國政府開始撥款大力支持美國公司和外國企業(yè)在美國本土建造晶圓廠。同時，通過技術(shù)出口限制等手段遏制中國在晶圓制造方面的增長，特別是14nm以下工藝的生產(chǎn)。
制造設(shè)備和材料
半導(dǎo)體制造過程會使用超過50種不同類型的復(fù)雜晶圓處理和測試設(shè)備。光刻工具代表了晶圓廠商最大的資本支出之一，而且確定了晶圓廠可以生產(chǎn)的芯片先進(jìn)程度。先進(jìn)的光刻設(shè)備，特別是那些采用極紫外線（EUV）技術(shù)的設(shè)備，是生產(chǎn)7納米及以下工藝芯片所必需的，一臺EUV機器的售價就高達(dá)1.5億美元。開發(fā)和制造這種先進(jìn)的高精度制造設(shè)備需要在研發(fā)方面進(jìn)行大量投資。半導(dǎo)體設(shè)備制造商通常將其營收的10-15％用于技術(shù)和產(chǎn)品研發(fā)。半導(dǎo)體設(shè)備制造商的整體研發(fā)水平為9％，在整個半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的價值占比約11％。
在半導(dǎo)體制造設(shè)備領(lǐng)域，美國占比41%，以LAM（泛林半導(dǎo)體）、AMAT（應(yīng)用材料）和KLA（科天半導(dǎo)體）為代表。而中國僅占5%，以中微半導(dǎo)體和北方華創(chuàng)為代表。中國最大的晶圓代工廠商中芯國際在購買ASML EUV光刻機等方面一直受到美國政府阻撓，致使中國14nm以下先進(jìn)工藝的研發(fā)和生產(chǎn)一直滯后。
此外，半導(dǎo)體制造也依賴專門的材料來加工和處理晶圓。半導(dǎo)體制造過程涉及多達(dá)300種不同的材料，其中許多都需要先進(jìn)的技術(shù)和設(shè)備來生產(chǎn)。例如，用于制作晶圓片的多晶硅錠的純度必須達(dá)到太陽能面板的1,000倍。全球300毫米硅片主要由五家供應(yīng)商提供，主要來自日本、韓國、德國和臺灣。中國大陸只有上海新昇半導(dǎo)體一家可以提供。
在全球半導(dǎo)體制造材料市場，美國占比11%，而中國占比13%。
封裝測試
封裝測試屬于芯片制造的后道工序，主要是將晶圓廠完成的晶圓片切割成裸片，并進(jìn)行封裝和測試，最后輸出芯片成品給芯片設(shè)計公司。封測廠商也需要投資大量的專用設(shè)備，一般占其營收的15%。雖然后道工廠的資本和研發(fā)投入不比前道晶圓廠大，但先進(jìn)的封裝工藝也需要先進(jìn)的設(shè)備和工藝支持，比如可以集成多個裸片的系統(tǒng)級封裝（SiP）工藝。
封裝和測試工廠主要集中在中國大陸和臺灣，東南亞也有一些新的封測工廠設(shè)施。在這一領(lǐng)域，中國占比38%，而美國只有2%。
美國半導(dǎo)體制造振興計劃
據(jù)ASPENCORE分析師的粗略統(tǒng)計，美國本土的晶圓廠目前有94座，主要分布在德州奧斯汀和達(dá)拉斯、俄勒岡州、亞利桑那州、新墨西哥州、加州、馬薩諸塞州和紐約州。擁有晶圓廠的美國公司包括英特爾、TI、ADI、安森美、格芯、美光、Microship、Qorvo和Skyworks等。此外，臺積電、三星、NXP、英飛凌、瑞薩、羅姆和積塔半導(dǎo)體等國際廠商也在美國運營各自的晶圓廠。
然而，美國的半導(dǎo)體領(lǐng)頭羊英特爾和格芯在先進(jìn)工藝的競賽中已經(jīng)明顯落后臺積電和三星。再加上最近幾年中國半導(dǎo)體的崛起，讓美國政府感受到了巨大壓力。最近，美國國會通過520億美元的半導(dǎo)體補貼提案，將在五年內(nèi)大幅推動美國半導(dǎo)體的生產(chǎn)和研發(fā)。該提案包括390億美元的半導(dǎo)體生產(chǎn)和研發(fā)資金，以及105億美元的項目實施資金，主要用于國家半導(dǎo)體技術(shù)中心、國家先進(jìn)封裝制造項目和其他研發(fā)項目。
美國政府的專項資金預(yù)計將撬動總計1500億美元的政府、企業(yè)和風(fēng)投資本進(jìn)入美國半導(dǎo)體行業(yè)。最近，英特爾、臺積電和三星都宣布在美國本土新建先進(jìn)工藝晶圓廠的計劃。
中國半導(dǎo)體發(fā)展規(guī)劃
根據(jù)芯思想研究院發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，2020年中國大陸本土晶圓代工廠商總體營收為463億元，較2019年增加66億元。扣除紹興中芯、粵芯半導(dǎo)體和寧波中芯的18億元營收，原有7大代工廠商的營收增長了48億元。
據(jù)ASPENCORE《電子工程專輯》分析師團(tuán)隊的粗略統(tǒng)計，目前位于中國大陸的晶圓廠共有75座，臺灣共有83座晶圓廠。
中國政府從上世紀(jì)80年代開始，推出了一系列支持半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策，包括 908、909工程、國發(fā)18號文、國家重大01專項、02專項、《國家集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)綱要》、十三五規(guī)劃，以及成立國家集成電路一二期大基金等。
十四五規(guī)劃對半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的支持主要體現(xiàn)在如下幾個方面：
·先進(jìn)制程。加快先進(jìn)制程的發(fā)展速度，推進(jìn)14nm、7nm甚至更先進(jìn)制造工藝實現(xiàn)規(guī)模化量產(chǎn)。目前國內(nèi)在先進(jìn)制程上還處于追趕狀態(tài)，強大的市場需求和資本推動會促進(jìn)中國本土晶圓制造廠商的工藝穩(wěn)步推進(jìn)。中國本土晶圓廠商有中芯國際、華潤微電子、華虹半導(dǎo)體等專業(yè)晶圓代工廠商，以及士蘭微、武漢長存和合肥長鑫等IDM廠商。此外，國際廠商在中國本土也有不少晶圓廠，比如英特爾、英飛凌等。而近幾年臺積電（南京）、三星（西安）和SK 海力士（無錫）也紛紛興建先進(jìn)的晶圓廠，從而帶動了國內(nèi)相關(guān)技術(shù)人才、設(shè)備材料等配套的完善。
·高端IC設(shè)計和先進(jìn)封裝。十四五計劃將會針對存儲芯片、嵌入式 MPU、DSP、AP領(lǐng)域、模擬芯片和高端功率器件進(jìn)行重點支持和引導(dǎo)，并致力于解決這幾個關(guān)鍵領(lǐng)域卡脖子問題。另外，邏輯芯片的先進(jìn)封裝和功率器件的封裝將是發(fā)力的重點。
· 關(guān)鍵設(shè)備和材料。在半導(dǎo)體專用設(shè)備市場，國際巨頭的市場占有率很高，特別是在光刻機、檢測設(shè)備、離子注入設(shè)備等方面處于壟斷地位，且其在大部分技術(shù)領(lǐng)域已采取了知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)措施，因此半導(dǎo)體專用設(shè)備行業(yè)的技術(shù)壁壘非常高。目前國內(nèi)收入體量最大的半導(dǎo)體設(shè)備公司北方華創(chuàng)占全球設(shè)備份額也不足 1%，國產(chǎn)化迫切；光刻膠 95%以上的市場也都掌握在海外廠商手中。十四五規(guī)劃將會針對一些關(guān)鍵“卡脖子”設(shè)備和材料進(jìn)行專項扶持，比如光刻機、大硅片、光刻膠等。
·第三代半導(dǎo)體。國內(nèi)外SiC產(chǎn)業(yè)鏈主要包括上游的SiC晶片和外延→中間的功率器件制造（包含傳統(tǒng)的 IC 設(shè)計→制造→封裝三個環(huán)節(jié)）→下游工控、新能源車、光伏風(fēng)電等應(yīng)用。目前上游的晶片基本被CREE和II-VI等美國廠商壟斷。國內(nèi)方面，SiC晶片商山東天岳和天科合達(dá)已經(jīng)能供應(yīng)2英寸~6 英寸的單晶襯底；SiC外延片有廈門瀚天天成與東莞天域可生產(chǎn)2 英寸~6 英寸 SiC外延片。第三代半導(dǎo)體國內(nèi)外差距相對較小，且國內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈從上游到下游都已經(jīng)涌現(xiàn)出很多優(yōu)秀的公司，第三代半導(dǎo)體寫入十四五規(guī)劃，預(yù)期這一領(lǐng)域的國產(chǎn)廠商未來五年會是一個蓬勃發(fā)展的狀態(tài)。
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