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石化轉型之時代機遇(一):中國半導體行業全景分析

發布時間:2023-09-21 14:13   來源:隆眾資訊  責任編輯:畢雁飛

石化轉型之時代機遇(一):中國半導體行業全景分析

一、產業定義

半導體(Semiconductor)狹義上是指半導體材料,即常溫下導電性能介于導體與絕緣體之間的材料。包括以硅(Si)、鍺(Ge)等元素半導體(也是第一代半導體材料),和以砷化鎵(GaAs)、氮化鎵(GaN)、碳化硅(SiC)、氧化鎵(Ga2O3)等化合物半導體材料(第二代至第四代半導體材料)。半導體材料是制作半導體器件和集成電路的電子材料,是半導體工業的基礎。利用半導體材料制作的各種各樣的半導體器件和集成電路,促進了現代信息社會的飛速發展。

半導體產品分為四種類型:集成電路、分立器件、傳感器和光電器件四類。

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集成電路(IC):將數以億計的晶體管、三極管、二極管等半導體器件與電阻、電容、電感等基礎電子元件連接集成在基板上并封裝后,使其具備復雜電路功能的一種微型電子器件或部件。

光電子器件:利用電-光子轉換效應制成的各種功能器件。從可見光探測向微光、紅外、紫外、X射線探測的器件,其探測范圍從γ射線至遠紅外甚至到亞毫米波段的廣闊的光譜區域,其探測元從點探測到多點探測至兩維成像器件,像元數越來越多,分辨本領越來越大。光電子器件應用范圍十分廣闊,如家用攝像機、手機相機、夜視眼鏡、微光攝像機、光電瞄具、紅外探測、紅外制導、紅外遙感、指紋探測、導彈探測、醫學檢測和透視等等

傳感器:是一種檢測裝置,能感受到被測量的信息,并能將感受到的信息,按一定規律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出,以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。通常根據其基本感知功能分為熱敏元件、光敏元件、氣敏元件、力敏元件、磁敏元件、濕敏元件、聲敏元件、放射線敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大類。

分離器件:半導體分立器件,泛指半導體晶體二極管、半導體三極管簡稱三極管、三極管及半導體特殊器件。分離器件是我們學習電路中最常接觸到的器件,在集成電路出現前所有的產品都是通過分立器件組合搭建而來。

日常生活中提到的半導體基本是指半導體在集成電路、消費電子、通信系統、光伏發電、照明應用、大功率電源轉換等領域的應用。這些領域中最為人熟知的就是集成電路(例如Intel處理器,手機內存,閃存等等),本文將以集成電路產業指代半導體產業,相關材料以集成電路材料研究為主。


二、全球半導體產業發展歷程

20世紀50年代誕生半導體產業發展到今天,每一次技術的進步和需求的變化,都推動了半導體產業的蓬勃發展:

1950到1970年代

1947年,貝爾實驗室發明了第一只三極管,60年代,仙童公司開發了世界上第一款商用集成電路(IC),其后集成電路(IC)實現了規?;a。英特爾(Intel)創始人之一的戈登·摩爾提出了著名的“摩爾定律”,意為當價格不變時,集成電路上可容納的晶體管數目,約每隔18個月便會增加一倍,性能也將提升一倍。摩爾定律的提出,為后面幾十年半導體行業的發展指明了方向,半導體行業也開啟了高速發展的歷程。

1970到1985年代

隨著家電時代的繁榮,半導體產業模式也逐步轉變為IDM模式,主流晶圓尺寸3-4英寸,制程1.2um – 0.5um,助推了日本半導體行業的發展。

1985到2010年代

在PC及移動互聯網領域需求的驅動下,垂直化分工模式成為行業的主要趨勢,IC設計公司(Fabless)與晶圓廠(Foundry)相結合的方式開始成為集成電路產業發展的新模式,主流晶圓尺寸發展為6-8英寸,制程發展到40nm,也造就了東亞地區半導體行業的繁榮。

2010至今

屬于5G,AI,大數據/云,IoT的時代,在消費端需求及技術進步的雙重驅動下,產業分工進一步細化,中國半導體行業開始崛起,更多的應用趨勢正在推動半導體行業的進一步發展,主流晶圓尺寸8-12英寸,制程發展到了驚人的5nm甚至3nm,依然在不斷進化。

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三、全球半導體產業現狀及趨勢

全球半導體歷經半個多世紀的發展,已成長為年銷售額約 5500 億美元的重要支柱產業。根據美國半導體 會統計數據,自 1976 年以來,全球半導體市場銷售金額從最初的約 29 億美元成長為 2022 年的 5832 億美元,增長了約 202 倍,年均復合增速達到 12.2%,遠高于全球 GDP 同時期約 3.1%的年均增速水平。根據下游電子產品應用市場在不同時期的興衰更迭,大致上劃分為 6 個成長周期:

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1)1980 年前,半導體產業萌芽期。半導體產品下游應用以收 機、電視機 、早期商用電 等民用產品 和其他軍用產品為主。此階段半導體產業蓬勃發展,1976 年至 1980 年間全球半導體銷售額年均復合增速達 35.9%。

2)1981 至 1990 年,家用電器時代。1980 年代,以電視機、洗衣機為代表的家用電器產品開始走進千家萬戶,催生上游半導體產品銷售額以年均 20.5%復合增速快速增長。

3)1991 年至 2000 年,臺式機時代。90 年代改進后的微軟 Windows 視窗操作系統大獲成功,引發計算機革命,使個人電成為計算機世界的新中心 。全球半導體銷售額在此期間 CAGR 達到 15.6%,繼續保持高速增長。

4)2001 年至 2008 年,功能手機和筆記本電 時代。 2000 年科技互 網后,半導體銷售額從 2000 年的 2011 億美元收縮至 2002 年的 1383 億美元,下跌幅度達 31.2%。此后功能手機、筆記本電 、 MP3 等消費電子產品的興起帶動半導體產業逐漸復蘇回暖,該階段半導體產業增速約為 8.2%。

5)2009 年至 2014 年,智能手機時代。這一階段,蘋果發明智能手機,疊加全球 3G/4G 網絡接替升級,移動互 網步入高速時代、接入流量快速增長,半導體產品充分受益下游消費電子和通信設備需求,年均成長 8.7%。

6)2015 年至今,5G 網絡更新換代,物 網與人工智能技術推動智能手機以外的下游應用場景不斷涌現,汽車智能化、電動化推動半導體用量不斷提升。2015年至 2022 年,全球半導體銷售額 CAGR 約為 8.1%。


四、中國半導體產業發展歷程

中國半導體行業起步于20世紀50年代,期間經歷過萌芽與探索階段(1965-1980年)、引進提高階段(1981-1989年)、重點建設階段(1990-1999)、政策支持及引導階段(2000至今)四個發展階段。中國半導體產業的發展歷程可得出以下幾個關鍵時間節點:

1956年,國家提出“向科學進軍”的口號。在1956-1967年十二年科學技術發展遠景規劃中,把半導體、計算機、自動化和電子學這四個在國際上發展迅速而國內急需發展的高新技術列為四大緊急措施。在“重點發展、迎頭趕上”和“以任務帶學科”的方針指引下,我國半導體事業從無到有,有了長足的進展。

1965-1980年,是中國半導體產業萌芽與探索發展階段。1968年,上海無線電十四廠首次制成PMOS電路。1970年代永川半導體研究所、上無十四廠和國營東光電工廠相繼成功研制NMOS電路,之后又研制成CMOS電路。1972年,我國自主研制的PMOS大規模集成電路在永川半導體研究所誕生,實現從中小集成電路發展到大規模集成電路的跨越。1975年,王陽元在北京大學設計出第一批1K DRAM,比英特爾晚5年。1978年,王守武帶領徐秋霞等人在中科院半導體所成功研制4K DRAM,次年量產成功,比美國人晚了6年。1980年,王守武兼任109廠廠長,并在這里組裝了我國第一條中、大規模集成電路生產線。

1981-1989年,通過大量引進國際技術,產業進入全面復蘇提高階段。在這個階段,中國開始引進外資技術,和中國的工廠合作建設。上海貝嶺,上海先進半導體以及華晶電子集團都是在這個階段通過中外合資的方式建立起來的。由于外資的技術經驗和設備的引入,在這個階段,雖然技術實力還是非常薄弱,但中國的集成電路產業得到全面的復蘇和提高。

1990-1999年 “908工程”“909工程”重點建設階段。“908工程“是指國家發展微電子產業90年代的第八個五年計劃,“909工程”是指第九個五年計劃。兩大工程的主體企業分別是無錫華晶和上海華虹。在這個階段,中國的集成電路產業加速了和外資企業的合作,國家強勢扶持,主要的發展成績是晶圓廠的建設和發展,今天中國的幾大晶圓廠:無錫華潤上華、上海華虹、中芯國際都是在這個階段先后建設起來的。

2000年以后,國家引導及政策支持力度加大,產業進入大發展時期。2000年6月,國家發布“18號文件”《鼓勵軟件產業和集成電路產業發展的若干政策》,彰顯國家的重視和支持。受此支持,國際廠商紛紛進駐中國,同時大量海外有技術經驗的華人回國創辦IC設計公司,國內半導體產業發展進入快車道。2014年政府決定要把集成電路設立為國家戰略,成立領導小組和國家級的集成電路產業基金(大基金),集成電路發展從此進入新階段。半導體發展成為熱點,國家支持下各領域均有突破。


五、中國半導體產業現狀

近年來,由于美國對中國半導體制裁加劇,中國在半導體領域面臨更加嚴峻的局面。為了應對這種情況,中國在半導體領域實施了多項扶持政策,例如財政補貼、稅收優惠、技術創新支持等,以促進半導體產業的發展。其中,最重要的一環是加大對半導體產業的投資,提高半導體自主可控水平。

根據世界半導體貿易統計組織的數據,中國半導體市場銷售規模從2014年的913.75以美元增長至2022年的1803億美元,年均復合增長率為8.86%。隨著消費升級、信息技術的進步,中國對半導體產品需求不斷擴大,逐步成長為全球最大的半導體市場,2022年中國半導體銷售額占全球比例高達31.5%。

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技術水平:中國在半導體技術方面取得了顯著進展。尤其是在5G通信芯片、人工智能芯片、汽車芯片等領域,中國企業已經取得一系列突破。例如,華為的麒麟芯片、海思的Kirin芯片、紫光展銳的手機芯片、寒武紀的AI芯片等都受到國內外市場的認可。然而,需要指出的是,與全球一些領先半導體企業相比,中國在高端制程和核心技術方面仍有一定差距,對于一些先進工藝仍然依賴進口。因此,技術水平提升仍然是中國半導體行業的重要任務。

中國集成電路仍以進口為主,國產替代空間巨大。根據中國海關總署數據,2022年中國進口的芯片總量為5384億個,同比下降15.3%;進口金額4156億美元,同比下降4%。2019-2022年,我國集成電路進口數量約為出口數量2倍,進口金額約為出口金額3倍,總體仍高度依賴進口。


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國際制裁將進一步刺激國產替代需求。美國 BIS于2022年10月7日出臺管制新規,管制措施適用于將美國設備或零部件出口到中國國內的特定先進邏輯或存儲芯片晶圓廠。日本政府、荷蘭政府相繼于 2023 年 5 月 23 日、6 月 30 日發布半導體相關出口管制措施,政策將分別于 7 月 23 日、9 月 1 日正式實施。三國出口管制主要壓制中國大陸半導體制造環節未來技術節點升級。對于國內而言,科技突圍有賴于國內全產業鏈的配合協同,時下短板和競爭焦點越來越聚焦上游的設備、零部件、材料等環節,此領域具有極大的內生替代動力。

六、產業前景

未來幾年 5G、人工智能、VR/AR、智能網 汽車、物 網等各類新興領域仍將給電子產品市場帶來廣闊的長期增量空間,而作為電子設備“大 ”和“心臟”的半導體產品預計保持一定的增速。因此預計半導體設備市場有望在經歷2023年的調整之后,在2024年出現復蘇反彈。目前全球半導體產業已經進入成熟期,海外半導體巨頭漸進式成長,但中國半導體產業由于國產替代的需求,仍將保持快速成長。


七、半導體產業鏈全景圖

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半導體產業鏈具體包括上游半導體原材料與設備供應、中游半導體產品制造和下游應用。其中,半導體材料處于上游供應環節,材料品類繁多,按制造流程可細分為前端制造材料和后端封裝材料。半導體設備,即在芯片制造和封測流程中應用到的設備,廣義上也包括生產半導體原材料所需的機器設備。在整個芯片制造和封測過程中,會經過上千道加工工序,涉及到的設備種類大體有九大類,細分又可以劃出百種不同的機臺,占比較大市場份額的主要有:光刻機、刻蝕機、薄膜沉積設備、離子注入機、測試機、分選機、探針臺等。半導體產業下游應用領域包括網絡通信、計算機、消費電子、工業控制、汽車電子等。

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半導體上游原材料中硅片代表企業有中環股份、SK海力士、環球晶圓等,光刻膠企業有晶瑞股份、陶氏化學、科華微電子、旭成化等;封裝材料有陶氏杜邦、宏昌電子等。工藝制造設備企業有應用材料、日立高新、上海微電子等;檢測設備企業有長川科技、泰瑞達、上海中藝、東電電子、東京精密等。中游半導體制造中半導體設計代表企業有中興微電子、紫光國微、華為海思等;半導體制造代表企業有臺積電、中芯國際、華潤微電子、聯華電子等。下游半導體可應用在網絡通信、消費電子、汽車電子和工業控制等領域。


以下將分多個系列文章,解讀半導體產業中的各個環節。


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