中美半導體產業鏈實力全面對比
中美半導體產業鏈實力全面對比（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全球分析師團隊根據美國半導體行業協會（SIA）與BCG聯合發布的研究報告《在不確定時代下加強全球半導體供應鏈》，以及維基百科《全球半導體晶圓廠分布》清單，對中國大陸和美國在半導體全產業鏈和價值鏈上的實力進行的全方位對比，并詳細列出了美國本土和中國大陸本土正常運營的晶圓廠清單。
全球晶圓制造發展簡史
1965年，當Gordon Moore發表他的“芯片晶體管數量每隔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。當時，建造一座晶圓廠的成本約為100萬美元。過去半個世紀以來，芯片制造商一直遵循摩爾定律的節奏開發和制造芯片，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品的增長和普及。
隨著時間的推移，芯片制造商開始轉向更大的晶圓尺寸，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IBS的數據，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，這在當時是最先進的工藝。
與此同時，以臺積電為首的晶圓代工廠商開始引起業界的重視，他們不設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。許多芯片制造商不再能夠和愿意負擔開發新工藝和建造先進晶圓廠的費用，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、英偉達和賽靈思等Fabless設計公司則乘著代工的東風而起飛，成長為比IDM廠商更有競爭力的芯片供應商。
因著代工的興起，晶圓制造開始從美國和歐洲向亞洲轉移。根據SIA和BCG的報告統計，臺灣現已成為全球晶圓制造產能的領導者，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％）。
全球半導體供應鏈和價值鏈的劃分
提醒各位，我們不要被上面的統計數字所迷惑。晶圓制造只是全球半導體供應鏈和價值鏈上的一個節點，芯片設計、EDA/IP，以及封裝測試也扮演著各自不同的角色。如下圖所示，全球半導體供應鏈包括如下環節：基礎研究、EDA/IP、芯片設計（細分為邏輯器件、DAO和存儲器）、半導體制造設備和材料，以及制造（細分為前道晶圓制造、后道封裝和測試）。
全球半導體按地域分布的價值劃分（基于2019年全球半導體數據）。(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細分領域，美國占主導地位（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%。
半導體器件有30多種，但業界一般分為三大類別：邏輯、存儲、DAO。
· 邏輯器件是處理“0”和“1”的數字芯片，是所有設備計算和處理的構建模塊，約占整個半導體價值鏈的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和藍牙芯片）。
· 存儲器芯片用來存儲數據和代碼信息，主要有DRAM和NAND兩大類，約占整個半導體價值鏈的26%。DRAM只能暫時存儲數據和程序代碼信息，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據和代碼，手機的SD卡和電腦的SSD固態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（計算機和電子設備缺少一個器件就無法工作），比如傳感器在新興的物聯網應用中越來越重要。
全球半導體若按這三大類別細分，總體銷售額按照應用劃分如下：智能手機占26%；消費電子占10%；PC占19%；ICT基礎設備占24%；工業控制占10%；汽車占10%。
全球半導體按應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，而在工業和汽車應用領域占比高達60%。
中美半導體產業鏈實力對比
半導體產品的研發、設計和生產是非同尋常的復雜和全球化，大致可分為四個主要階段：基礎研究、設計、晶圓制造、封裝和測試。此外，芯片設計還需要EDA工具和各種IP核，而芯片生產則需要半導體生產設備和各種專用材料。從半導體器件的應用市場來看，美國和中國各自約占全球半導體消耗量的 1/4，無論作為半導體消費者還是創造者，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）的半導體產業鏈實力做個全方位對比。
·基礎研究
·EDA/IP
·芯片設計
·晶圓制造
·制造設備和材料
·封裝測試
基礎研究
半導體的基礎研究主要是半導體基礎材料和化學工藝的研究，是半導體器件的設計和制造實現技術突破和商用化的源動力。一項研究成果大約需要10到15年的時間才能達到商業化階段，例如，Extreme Ultra-Violet（EUV）技術從最初的概念到進入晶圓廠實施階段花了將近四十年。雖然沒有具體的數據統計，但基礎研究一般約占半導體總研發投入的15-20％。比如，美國多年來一直保持在16-19％的水平。
2018年美國半導體整體研發投入的劃分。（來源：SIA）
如上圖所示，2018年美國半導體整體研發投入為5800億美元，其中基礎研究占17%；應用研究占20%；產品開發占63%。從資金來源看，基礎研究的42%來自聯邦政府，來自企業的資金占29%，來自大學和其它非盈利機構的資金占29%。政府資助的研究經費雖然整體占比不高，但取得的技術突破卻對半導體產業發展有著重大影響。例如，美國防部于上世紀80年代末資助的微波和毫米波集成電路（MIMIC）項目研發出砷化鎵(GaAs)晶體管，基于這種材料和結構的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，美國企業界在半導體研發上的投入占GDP的比例增長了差不多10倍，而政府在半導體領域的投資金額一直沒有增長。
根據經濟合作與發展組織（OECD）的數據，2018年中國的整體研發投入全球排名第二，僅比美國低5%，但是投入到基礎研究的費用只占5-6%，半導體領域的基礎研究就更低了。中國新的五年計劃將基礎研究列為重點投入領域，2021年的目標比例是GDP的11%，半導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雖然在全球半導體供應鏈中占比很小，但在價值鏈上卻舉足輕重，可謂半導體“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，他們同時也開發和提供各種IP。IP市場的領頭羊Arm極有可能被美國的英偉達收購而成為美國公司。根據SIA和BCG的報告統計，美國在EDA/IP領域占據74%的份額，而中國只有3%。中國EDA行業雖然有華大九天、概倫電子，以及新興的EDA初創公司，但整體實力跟美國還相距甚遠。在IP方面，只有芯原和Imagination（中資背景的英國公司）在全球市場占據一定的份額。
芯片設計
芯片設計是典型的人才和智力密集型產業，全球芯片設計的研發投入占整個半導體研發的53%，是最大的一塊。Fabless設計公司的R&D投入一般占其營收的12-20%，有的先進工藝系統級芯片的研發占比更高。在邏輯芯片設計市場，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長期占據全球模擬芯片市場龍頭地位，短期內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，模擬領域也有圣邦微和思瑞浦等公司的興起，但整體營收和技術實力還不能跟美國相提并論。
晶圓制造
晶圓制造環節在研發方面占整個半導體產業的13%，但資本投入卻占據了64%，是典型的資本密集型產業。根據芯片產品的復雜度不同，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望而卻步。要知道建造一艘最先進的航母造價也就130億美元，而建造一座新的核能發電站耗資只不過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年全球半導體制造份額預測。（來源：SIA）
從目前的整體制造產能來看，美國占全球的12%，中國則占16%。據SIA統計和預測，美國在1990年的晶圓制造產能占全球的37%，現在已經下滑到12%。如果繼續按這樣發展下去，到2030年美國的半導體制造能力將只有全球總產能的10%。而同期中國則一路上升，從1990年接近零到2000年的3%，再到現今的16%，到2030年預期將達到24%。鑒于這一嚴峻的現實，美國政府開始撥款大力支持美國公司和外國企業在美國本土建造晶圓廠。同時，通過技術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。
制造設備和材料
半導體制造過程會使用超過50種不同類型的復雜晶圓處理和測試設備。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的芯片先進程度。先進的光刻設備，特別是那些采用極紫外線（EUV）技術的設備，是生產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1.5億美元。開發和制造這種先進的高精度制造設備需要在研發方面進行大量投資。半導體設備制造商通常將其營收的10-15％用于技術和產品研發。半導體設備制造商的整體研發水平為9％，在整個半導體產業的價值占比約11％。
在半導體制造設備領域，美國占比41%，以LAM（泛林半導體）、AMAT（應用材料）和KLA（科天半導體）為代表。而中國僅占5%，以中微半導體和北方華創為代表。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以下先進工藝的研發和生產一直滯后。
此外，半導體制造也依賴專門的材料來加工和處理晶圓。半導體制造過程涉及多達300種不同的材料，其中許多都需要先進的技術和設備來生產。例如，用于制作晶圓片的多晶硅錠的純度必須達到太陽能面板的1,000倍。全球300毫米硅片主要由五家供應商提供，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體一家可以提供。
在全球半導體制造材料市場，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，并進行封裝和測試，最后輸出芯片成品給芯片設計公司。封測廠商也需要投資大量的專用設備，一般占其營收的15%。雖然后道工廠的資本和研發投入不比前道晶圓廠大，但先進的封裝工藝也需要先進的設備和工藝支持，比如可以集成多個裸片的系統級封裝（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施。在這一領域，中國占比38%，而美國只有2%。
美國半導體制造振興計劃
據ASPENCORE分析師的粗略統計，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，美國的半導體領頭羊英特爾和格芯在先進工藝的競賽中已經明顯落后臺積電和三星。再加上最近幾年中國半導體的崛起，讓美國政府感受到了巨大壓力。最近，美國國會通過520億美元的半導體補貼提案，將在五年內大幅推動美國半導體的生產和研發。該提案包括390億美元的半導體生產和研發資金，以及105億美元的項目實施資金，主要用于國家半導體技術中心、國家先進封裝制造項目和其他研發項目。
美國政府的專項資金預計將撬動總計1500億美元的政府、企業和風投資本進入美國半導體行業。最近，英特爾、臺積電和三星都宣布在美國本土新建先進工藝晶圓廠的計劃。
中國半導體發展規劃
根據芯思想研究院發布的數據顯示，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ASPENCORE《電子工程專輯》分析師團隊的粗略統計，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80年代開始，推出了一系列支持半導體產業發展的政策，包括 908、909工程、國發18號文、國家重大01專項、02專項、《國家集成電路產業發展推進綱要》、十三五規劃，以及成立國家集成電路一二期大基金等。
十四五規劃對半導體產業的支持主要體現在如下幾個方面：
·先進制程。加快先進制程的發展速度，推進14nm、7nm甚至更先進制造工藝實現規模化量產。目前國內在先進制程上還處于追趕狀態，強大的市場需求和資本推動會促進中國本土晶圓制造廠商的工藝穩步推進。中國本土晶圓廠商有中芯國際、華潤微電子、華虹半導體等專業晶圓代工廠商，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）也紛紛興建先進的晶圓廠，從而帶動了國內相關技術人才、設備材料等配套的完善。
·高端IC設計和先進封裝。十四五計劃將會針對存儲芯片、嵌入式 MPU、DSP、AP領域、模擬芯片和高端功率器件進行重點支持和引導，并致力于解決這幾個關鍵領域卡脖子問題。另外，邏輯芯片的先進封裝和功率器件的封裝將是發力的重點。
· 關鍵設備和材料。在半導體專用設備市場，國際巨頭的市場占有率很高，特別是在光刻機、檢測設備、離子注入設備等方面處于壟斷地位，且其在大部分技術領域已采取了知識產權保護措施，因此半導體專用設備行業的技術壁壘非常高。目前國內收入體量最大的半導體設備公司北方華創占全球設備份額也不足 1%，國產化迫切；光刻膠 95%以上的市場也都掌握在海外廠商手中。十四五規劃將會針對一些關鍵“卡脖子”設備和材料進行專項扶持，比如光刻機、大硅片、光刻膠等。
·第三代半導體。國內外SiC產業鏈主要包括上游的SiC晶片和外延→中間的功率器件制造（包含傳統的 IC 設計→制造→封裝三個環節）→下游工控、新能源車、光伏風電等應用。目前上游的晶片基本被CREE和II-VI等美國廠商壟斷。國內方面，SiC晶片商山東天岳和天科合達已經能供應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2 英寸~6 英寸 SiC外延片。第三代半導體國內外差距相對較小，且國內產業鏈從上游到下游都已經涌現出很多優秀的公司，第三代半導體寫入十四五規劃，預期這一領域的國產廠商未來五年會是一個蓬勃發展的狀態。
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