原创对中国集成电路产业发展的思考

 2013-6-11 21:32  1555 14 15 分类: 工程师职场

自2008年国际金融危机以来，全球经济发展始终笼罩在危机的阴影中。虽然2010年国际国内半导体市场强劲反弹，但只是昙花一现。2011年受经济不景气的影响，全球半导体产业规模为2995亿美元，销售额仅比2010年增长0.4%。中国半导体产业也不例外，2011年集成电路销售额为1572亿元人民币，同比增长9.2%，行业固定资产投资同比下降，产业发展速度显著趋缓。今年以来，这种低增长的态势仍未改变。形势迫使我们思考：中国集成电路产业如何才能继续保持快速发展的速度？中国何时才能成为集成电路的大国和强国？
　　
　　集成电路（IC）产业是国家的战略性基础产业，发展中国IC技术和产业是一个大课题，也是业界人士几十年来为之奋斗的目标。当前的环境、形势与十年前有很大不同，在新形势下怎么做，是业界都十分关心的。本文分析了全球IT产业和集成电路产业发展趋势，结合中国集成电路产业现有基础，讨论分析了当前国内产业所面临的机遇与挑战，提出了一些思考性建议，希冀引起业界的讨论，起到抛砖引玉的作用。
　　
　　一、全球IT产业发展与集成电路市场
　　
　　（一） IT产业发展与集成电路市场
　　
　　国际金融危机给信息产业带来了巨大冲击，许多传统电子产品的市场增速减缓甚至萎缩。关注民生，节约资源，保护环境这一社会发展的基本要求，催生了一批新兴产业，又为信息技术和产业发展带来了新的机遇和挑战，加速了全球电子信息产业的变革和调整。
　　
　　受金融危机的影响，2009年世界电子产品制造业产销值及增速都有显著下降。在传统电子产品产销量增长放缓的同时，移动互联、云计算、物联网等新一代信息技术产业迅速成长，智能手机和平板电脑成为当前增长最快的热门产品，2011和2012两年持续快速增长。据咨询公司Gartner估计，在PC和手机仅个位数增长的同时，2012年平板电脑的出货量预计将比2011年增长80%，达到1.1亿台，智能手机将增长39%，达到6.8亿部。
　　
　　新一代信息技术产业的发展有两个特点：一是技术创新模式有新变化，二是商业模式的创新。由于主要是应用驱动，它并不过分追求配置最高性能的软硬件产品，而是以贴近应用、软硬件技术的协同创新、与网络和系统的融合发展为主要特征。苹果和谷歌通过构建终端平台和应用商店，整合信息终端和网络服务，在市场开拓上取得了极大的成功。在信息产业中一直占统治地位的“WINTEL”（微软和英特尔）体系遇到了强劲挑战。苹果、谷歌、三星成为信息产业耀眼的新星。随着新一代信息技术和产业的发展，传统经营模式逐步式微，协同创新和融合发展已成为技术创新的主流趋势，商业模式创新成为企业赢得竞争优势的重要选择。
　　
　　在金融危机的影响下，2009年全球集成电路市场增速下滑8.9%，成为近六年来市场的最低点。虽然受2009年市场“低基数效应”影响，2010年全球集成电路市场出现31.1%的大幅度增长，但由于PC出货量增速的持续放缓，强有力的替代性市场需求尚未形成。在缺乏强劲电子整机需求的状况下，2011年全球集成电路市场下滑0.8%。全球市场低增长的趋势短期内不会改变。同时，IC产品的多元化趋势日益突出，在平板电脑、智能手机、微机电系统等移动终端和智能终端需求旺盛的带动下，各类应用处理器、移动通信芯片、传感器芯片和能源管理电路等产品市场增速明显，在整体市场低迷的情况下显得格外瞩目。但与传统PC领域的商业模式不同，各种智能终端和移动终端设备及其中的关键芯片仅作为系统和网络运营中最贴近用户的硬件支撑载体，单一芯片所产生的绝对性竞争优势逐步减弱，芯片开发必须寓于系统开发之中。
　　
　　图12006年-2011年全球集成电路市场规模及增长

（二）全球集成电路技术发展趋势
　　
　　当前，集成电路技术与产业已进入后摩尔时代。半导体技术界早在国际半导体技术路线图(ITRS)2005年版本“摩尔定律及其他”的图示和叙述中提出了半导体技术的三个技术发展方向，即延续摩尔定律：微型化（MoreMoore；Minimization），摩尔定律以外的发展：多样化（MorethanMoore:Diversification）和超越CMOS器件（BeyondCMOS）。2007年版本进一步指出：预计“摩尔定律以外的发展”的相对比重将随时间而越来越大，并导致科学技术的多元化发展。从2005年到2011年版本上述图示一直保持不变。这三个方向概括了后摩尔时代的技术发展方向。
　　
　　按照摩尔定律，IC芯片制造工艺将从现已投入量产的28纳米技术继续向前延伸4-5个技术代，直到7纳米附近，逼近CMOS器件的物理极限。2011年英特尔推出三闸（tri-gate）鳍式场效晶体管（FinField-effecttransistor，FinFET）技术，以解决22纳米器件的高漏电问题，已进入量产阶段。但这将导致生产工艺的复杂程度增加和成本的大幅攀升，各大公司要实现20-22纳米技术的量产还有大量的开发工作要做。
　　
　　在“延续摩尔定律”方向另一件值得关注的大事是，2008年Intel、Samsung和TSMC三大公司决定联手启动450mm晶圆线的开发。虽然进度一再推迟，但有人预计450mm大规模生产线将在2016-2017年建设，估计450mm晶圆先进生产工艺的前期研发费用将高达170亿美元。
　　
　　摩尔定律以外的多样化发展，包括MEMS传感器、高压功率器件、射频技术及系统级封装(SiP)技术等，将以更高的性价比、更广泛的应用和更高附加价值的系统应用为特点，成为企业产品创新的重要方向。近三年来这一方向上最突出的进展是三维集成电路(3DIC)技术。目前看来，全球金融危机对集成电路产业的影响是加速了这一方向的发展速度。

TSV（(ThroughSiliconVia)）技术以及在TSV技术基础之上发展起来的三维集成电路，作为“后摩尔时代”的新型技术获得了广泛的关注和快速发展。TSV技术是穿透硅通孔技术的缩写，起源于CMOS图像传感器TCV（ThroughChipVia）技术，是能够在三维空间中实现多种异质结构集成电路芯片堆叠并互连的技术解决方案，它具有在三维方向堆叠的密度最大、芯片之间的互连线最短、封装尺寸小、热可靠性较高等特点，并且具有出色的高频特性。

TSV3D芯片堆叠技术的实现可分两个阶段，第一阶段是先采用借助硅转接板(interposer)的2.5D技术；第二阶段则是将TSV结构直接植入功能芯片之中的3DIC技术。

与简单的芯片堆叠封装不同，TSV技术能够在不改变芯片制造工艺的基础上增加产品的集成度，而且是以较低成本获得与摩尔定律继续缩小尺寸等效的性能。因此，TSV3D芯片技术得到包括芯片制造业四大联盟组织（IMEC,ITRI,Sematech、SEMI）在内的几乎所有芯片企业的关注和大量研发投入。IBM、Intel、三星、东芝、Globalfoundries、联电、Amkor、ASE等全球半导体企业巨头广泛参与其中，正在针对各类应用研究开发TSV2.5D和3D堆叠。据Yole预计,到2017年使用TSV3D技术的半导体产品产值将达到400亿美元，占半导体总市场规模的9%，TSV3D技术发展前景十分光明。
　　
　　全球集成电路产业的调整和变革加速进行。一是产业集中度进一步提高，Intel、Samsung、TSMC三足鼎立，成为半导体行业的三强。二是企业兼并重组加剧，今年存储器公司尔必达宣布破产，日本瑞萨、富士通、松下三家公司将组织新联合体，专注SOC设计业务，日本半导体产业的国际地位受到挑战。三是在22纳米及以下工艺、450mm晶圆、TSV-3DIC等先进技术开发中，产业联盟盛行。四是产业链分工和交*融合并进，既有IDM企业调整重组转变为Fablite(轻制造)企业，又有大型IDM公司拓展代工业务。最近，Intel、台积电和三星电子先后投资参股全球最大的光刻机设备厂商ASML,共同研发450mm晶圆制造设备和工艺。Intel、三星、Globalfoundries、台积电等一大批芯片制造企业纷纷布局开发以往只有封测企业关注的TSV3DIC技术，揭开了产业链交*融合的新动向，引人关注。
　　
　　二、中国集成电路产业发展面临机遇与挑战
　　
　　（一）中国集成电路技术与产业发展现状
　　
　　从2000年以来，中国集成电路产业迈入快速增长期。从2000到2007年中国集成电路产业持续快速增长，年均增长率达31.3%，虽然在2008和2009两年受到国际金融危机的冲击，连续两年出现负增长，但2010年后产业增速逐渐恢复。总体来看，从2001到2010年，10年年均复合增长率达22.7%，成为全球集成电路产业增长最快的地区之一。到2011年，中国集成电路产业规模达1572亿元，占全球集成电路市场比重进一步提高到9.8%。
　　
　　创新能力得到显著提升。IC设计能力大幅提高，少数企业的设计能力达到40纳米，产品涵盖应用处理器、基带芯片、多媒体处理器等，正在逐步进入高端芯片领域；芯片制造能力持续增强，65-55纳米先进工艺和特色高压工艺等技术实现规模生产，45-40纳米实现小批量生产，28纳米工艺进入研发阶段；方形扁平无引脚封装（QFN）、球栅阵列封装（BGA）、圆片级封装（WLP）等先进封装技术开发成功并产业化。集成电路产业链建设步伐加快，高端设备和先进材料发展迅速。35种重要装备、关键材料正在陆续进入大生产线考核验证阶段，23种封装设备和8种封装材料已通过大生产线验证。高密度离子刻蚀机、大角度离子注入机、45纳米清洗设备等装备应用于生产线，光刻胶、封装材料、靶材等关键材料技术取得明显进展。
　　
　　中国集成电路产业结构持续优化，一批优秀企业正走上国际竞争之路。中国集成电路设计业增长迅速，产业比重由2005年的17.7%提高到2011年的30.1%，2011年海思、展讯两家公司位居全球IC设计公司第16和17名；芯片制造业比重保持在1/3左右，芯片代工业快速发展，中芯国际列为2011年全球半导体纯代工企业的第四名；封装企业中，长电科技已进入全球十大封装测试企业行列。
　　
　　图52000－2011年中国集成电路产业销售收入规模及增长

（二）中国集成电路产业发展面临着机遇与挑战
　　
　　1．全球最大市场，但严重依赖进口的局面未有改善
　　
　　过去十年间，中国集成电路市场一直以大幅高于全球半导体市场增速向前发展，已成为全球最大集成电路市场。至2011年底，中国集成电路市场份额已占全球市场的比例为50.5%。
　　
　　尽管2011年中国集成电路产业发展速度趋缓，但仍然实现同比增长9.2%。事实上，自2005年起，中国集成产业发展也一直以高于全球集成产业增速向前发展，2005年至2011年中国集成电路产业年均复合增长率为14.4%。但如果将视线转到产业的应用市场上，我们注意到2005年至2011年中国集成电路市场需求年均复合增长率亦达到13.3%,中国产业的发展被市场需求的增长所抵销，“中国集成电路芯片80％依靠进口”局面将不会有所改观。
　　
　　进出口数据证明了上述推断。2011年集成电路进口金额达1702亿美元，占国内机电产品进口总额的22.6%，继续名列国内进口数额最大的产品，进出口逆差继续增长，达到1376.3亿美元。
　　
　　产业发展始终跟不上国内市场的增速，在进出口贸易中处于最大逆差，表明中国集成电路产业整体实力还比较弱，产业规模不大，投资不足，特别是核心芯片产品以及高端芯片产品，处理器、储存器等，近年来虽然时有成果出现，但在国内市场占有量还是很小，由于产品开发与系统结合不紧密，竞争力低下，仍然需要大量进口。
　　
　　2．国内芯片代工需求持续扩大，但面临着技术与投资两大瓶颈，在全球代工业中所占比例下降
　　
　　中国集成电路设计业快速增长使国内芯片代工需求持续扩大。到2011年，中国集成电路设计产业规模达473.7亿元，其10年年均复合增长率高达41.4%，远远超过中国其他产业乃至全球产业发展增速。设计业规模的快速发展，为芯片代工创造了巨大的市场。2011年中国集成电路设计业代工需求额超过20亿美元，已经超过三星全年代工业务收入。目前，华虹NEC（含上海宏力）、华润上华等特色工艺代工企业的业务收入主要来自国内集成电路设计客户。中芯国际代工业务中国内设计公司所占的比重越来越高，2011年国内设计公司订单增长超过20%。
　　
　　虽然中国集成电路设计业带来了较大的芯片代工需求，但是中国芯片代工业面临着技术和投资两大瓶颈，无法充分满足国内市场需求。中国集成电路设计业代工需求的一半以上由台积电、联电、GlobalFoundry等大陆之外的代工企业承接，台积电则占据着中国大陆境内代工市场的最大份额。2011年中芯国际国内客户比重虽然有大幅度的提升，但国内客户业务收入所占比重只有32.7%。0.18um-65nm生产工艺芯片代工业务占据了中芯国际收入的近90%，而45nm-40nm高端生产工艺芯片代工业务几乎全部由其他代工企业承接。国内集成设计企业普通寻求海外代工，主要原因是芯片生产工艺的差距、可靠性以及IP服务。此外，制造业投资额较少也是制约因素。2010年，全球前四大半导体制造企业逆市投资268.51亿美元，而中国集成电路产业投资额仅为上述投资额的27.1%。技术差距逐渐扩大、持续投资的不足，这两大原因导致中国集成电路制造业在全球产业中的比重持续降低。国内制造业在全球前15大制造企业中所占的比重也由2008年超过9%持续下滑到2011年不足7%。
　　
　　3．商业模式创新成为当前发展一大趋势，给中国半导体企业发展带来机遇，但中国企业小且分散，普遍同质化，整合重组步伐缓慢
　　
　　“商业模式创新已成为企业赢得竞争优势的重要选择。特别是随着移动互联终端等新兴领域的发展，出现“Google-ARM”、苹果等新的商业模式，原有的“WINTEL（微软和英特尔）体系”受到了较大挑战。商业模式创新可以改变整个行业格局，将给新一轮竞争中的中国企业将带来机遇”。
　　
　　但中国半导体企业，特别是多数的设计企业仍然固守着自己原有的设计模式，在这新一轮的竞争中还并未见明显动作。中国半导体企业最初在计划经济体制下发展，模式单一，系统软件分离严重。经过几十年的光景，三业虽有成就，但割裂的局面始终未有得到重视和改观。这将成为企业兼并整合，适应新商业模式的先天障碍。
　　
　　此外，中国IC设计企业规模普遍较小，且分散，同质化严重，也造成兼并整合的障碍。小企业多只满足于低端产品的市场开发活动，缺少战略目标与长远规划，有相当一部分还未适应国际上这种商业模式的变化。
　　
　　4．技术多样化、产品多元化催生出多层次的细分市场机遇，但国内企业普遍创新意识薄弱、创新能力不足，难以把握市场机会
　　
　　节能环保、传感与移动互联技术等多种技术的融合、交错发展能够带来众多创新性的产品设计，催生出多层次的细分市场机遇。最先进的技术已不是市场成功不可或缺的因素，多样化的技术创新能够带来市场突破和新的发展机遇。
　　
　　新兴市场机遇需要企业的快速响应，但由于企业规模较小、研发资金与周期有限、风险承受能力小以及知识产权保护力度偏弱等多种因素，当前中国集成电路企业普遍缺乏自主创新意识，技术研发停留在模仿、技术集成与引进消化吸收的阶段。技术上一味跟随，将失去对市场的主导和分配，所带来的较低市场份额和微薄利润将进一步降低企业自主创新的可能性。只有牢固树立创新意识，脚踏实地地进行长期技术积累，快速提高原始创新能力，中国集成电路产业才能在新一轮的细分市场机遇中实现实质性突破。
　　
　　三、中国集成电路产业发展的思考
　　
　　（一）加速拓展国产IC生态链，开拓高端芯片产品市场。
　　
　　中国集成电路产品进出口贸易一直持续“大进大出”格局，核心芯片产品以及高端芯片产品严重依赖于进口。解决高端芯片产品市场的开拓，需要建立“完善产业生态环境，构建芯片与整机大产业链”，这一理念已在业界人士形成共识。如果细致思索国际集成电路产业的变迁历程和我国近二三十年来发展集成电路产业的经验，我们则需要更进一步拓展思路，跳出IC产业的圈子，将芯片设计开发的主体确立在应用终端系统公司。
　　
　　国际集成电路产业结构不断变迁，不论是最初由系统分离出来，亦或是产业间的融合或结盟，都是以降低成本，提高效率，满足市场需要为根本点。
　　
　　中国集成电路产业的发展也应和中国经济发展和市场需求相结合，形成中国高端芯片的生态系统，中国集成电路过于依赖进口产品，并不仅是在技术方面的存有差距，重要的一个原因也在于整个生态系统的缺失，产品做出来后没有市场。所以，我们要营造大的生态链，以系统的需求出发，看准新一轮的商业模式创新机会，将IC产业融入到IT大产业中，以IT大产业的软硬件结合为目标，而不应只局限建立各自的设计、制造、封装分立的小生态系统。首先，要始终把市场需求放在突出位置；其次，要努力形成商业模式的转变，目前情况下中国的芯片设计公司规模相对小，要让系统公司投身到IC设计中，或自己做或整合其它的设计公司；最后，政府的政策应该支持鼓励系统公司开发采用国产高端芯片。
　　
　　（二）组织模式创新与制造技术水平的持续提升相结合
　　
　　晶圆制造业是集成电路产业发展的基础，是国家信息产业乃至战略性新兴产业发展的重中之重，具有高度的国家战略意义。中国芯片制造业的起步是从整机与元器件企业的分离，产业链环节齐全的“类IDM”开始，但规模偏小、市场基础与开拓不够、研发能力薄弱、企业经营体制等问题最终使中国初期的“类IDM”企业没有得到快速发展。2000年之后，台湾代工模式开始在全球产业分工体系中获得成功，产业地位日渐稳固，中国集成电路产业开始沿袭台湾集成电路三业分离的产业结构。
　　
　　随着经济环境的变换和半导体技术的快速发展，全球集成电路产业格局和组织模式都进入重大调整期，中国集成电路产业是否应该重新思考，创新出符合中国市场和国情的集成电路产业组织模式。坚持应用牵引、创新驱动、协调推进、引领发展的原则，抓住市场机遇，实现大发展。
　　
　　晶圆制造是典型的资本密集型产业，不断的企业规模扩张和技术升级是行业内企业生存和发展的首要途径。2010年，中国集成电路产业投资额仅为全球前四大半导体制造企业的27.1%，且投资资金分散在多个省市区域的众多企业中。单个企业实际年投资总额仍不足国外同类公司平均投资规模的十分之一，不能满足企业自身技术升级和产能扩张的资金需要。
　　
　　继续多途径加大对集成电路制造业的投资，按照中国市场需求发展特色工艺，使先进工艺和特色工艺发展相结合，注重制造业对设计服务的支持力度。探索有中国特色的集成电路先进数字工艺与特色工艺协同发展的道路。
　　
　　（三）中国集成电路产业要从追赶式发展转变为创新型发展
　　
　　当前，中国集成电路产业总是试图追赶国外先进技术和产业水平。产品技术总体上仍以引进国外先进技术为主，产品创意和设计以替换国外同类产品为目标。企业商业模式也沿袭国外形态，在产品渠道控制上处处受制于国外同类企业。另一方面，受制于体制机制问题，中国集成电路企业越来越多而总体创新能力并没有得到较大幅度的提升。因此，中国集成电路企业在这场追赶式的“赛跑”中并没有与国外先进企业逐步缩小差距，反而有差距逐步扩大之势。
　　
　　中国集成电路企业面临着与国外企业完全不同的市场环境，中国拥有全球最大的电子终端消费人群，以及全球最大的电子整机制造基地，坐拥全球最大的集成电路消费市场。中国也拥有多家在全球具有影响力的系统公司，拥有庞大的产业链下游资源和应用需求。应当调整体制和机制，鼓励和支持大型整机系统企业整合产业链资源，淡化产业链各环节边界；结合中国市场特点，提高技术和产品的原始创新、集成创新和引进消化吸收再创新能力，走出一条适合中国式集成电路产业创新发展之路。
　　
　　（四）国家产业政策扶持和市场驱动相结合
　　
　　集成电路产业和技术有两大属性，第一是战略性，第二是高度市场化。第一个属性决定政府对集成电路产业必须要给予支持，第二个属性决定了政府的支持也必须是市场行为，应符合市场的要求，不能政府做主，应由企业做主。
　　
　　十二五期间，国家仍将集成电路产业列为国民经济和社会发展的战略性、基础性和先导性产业。“十二五集成电路产业发展规划”提出“培育若干个有国际竞争力的设计企业、制造企业、封测企业以及设备、仪器企业”。落实解决企业做大做强的问题，通过政策导引，扶持、支持大企业和行业的龙头企业整合兼并，应是主管政府部门的着重思考的问题。研发上，通过政府组织的多个专项基金，重点解决高端芯片严重依赖进口的局面，考虑到集成电路的高度市场化特性，研发基金应以市场为方向目标，以企业或企业联盟为研发主体。投资上，除“鼓励境内外各类经济组织和个人投资集成电路产业”，政府也应支持建立集成电路投资公司，对应上述集成电路的两大属性，投资公司应考虑以政府入股，企业运作的方式运营。最后，投资环境上，政府应以创造优良的产业市场环境为最主要目标，努力解决长久以来的多部门多地方的多头管理，减少过多的行政干预将是集成电路产业成功突破体制弊端，发展出成功的全球知名的半导体企业的重要基础。

【原文转自：http://www.csia.net.cn/Article/ShowInfo.asp?InfoID=30214】