一 半导体产业发展概况

半导体是导电性介于导体和绝缘体之间的物质。常见的半导体物质有硅、锗、砷化镓等。其中，硅是最广泛也最具影响力的半导体物质之一。一般而言，由半导体物质制成的元件产品被称为芯片，而集成电路、分立器件、光电子器件、传感器等则是芯片元件产品的重要形式，也构成了半导体产业的主要组成部分。由于在各类消费电子、移动通信、照明发电等领域中有着广泛应用，且具有性能高、成本低等特性，半导体产业不仅是电子产业的核心，也是现代高科技产业的重要支撑，更是国民经济的基础性、先导性产业。

（一）半导体产业发展历程

半导体产生的理论基础是莱布尼茨于18世纪所建立的二进制算法。然而，直到20世纪上半叶，随着真空管电子学、无线电通信技术、机械制表机以及固体物理等学科或技术的发展，半导体产业才真正发展起来。以下分别从产品演进、产业转移、技术升级三个视角简要分析半导体产业发展历程。

1.产品演进视角

从产品演进的视角看，半导体产业发展经过了四个阶段（如图2-1所示）。

第一阶段为20世纪初期到20世纪中期，产生了以真空管为代表的第一代半导体，典型产品包括Fleming所发明的真空二极管、Forest所发明的真空三极管以及美国军方所开发的第一台电子计算机ENIAC。

第二阶段为20世纪50年代，产生了以晶体管为代表的第二代半导体，典型产品包括Shockley、Bardeen和Brattain所发明的固态晶体管，以及仙童半导体公司所研制的平面晶体管。

第三阶段为20世纪50年代末期至70年代初期，产生了以小规模集成电路和中规模集成电路为代表的第三代半导体，典型产品包括Kilby发明的以锗半导体材料为基础的集成电路和Noyce发明的以硅半导体材料为基础的集成电路。

第四阶段为20世纪70年代初期至今，产生了以大规模集成电路、超大规模集成电路、特大规模集成电路、巨大规模集成电路为代表的第四代半导体，典型产品包括英特尔的Core i系列处理器、超威半导体的Mobility Radeon系列处理器和英伟达的GeForce系列处理器。

2.产业转移视角

从产业转移的视角看，半导体产业发展经过了三个阶段（如图2-2所示）。

第一阶段为20世纪70年代，美国的半导体企业逐渐将封装、测试等环节转移至日本。日本则在美国的大力支持下，发挥政府的积极作用，通过推动建立以企业为主体的产学合作创新机制以及出台与半导体产业链相关的支持政策，使自身在动态存储器（DRAM）的技术研发与市场份额上很快赶超美国。如1978年、1980年，日本研发的64K DRAM、256K DRAM分别领先美国同行半年、两年时间；而到1985年，日本半导体产品在全球市场中的份额也超过了美国。

第二阶段为20世纪80年代，美国、日本的半导体企业逐渐将设计、制造等环节转移至韩国、中国台湾。对韩国而言，通过建立政府支持下的财阀主导型技术创新模式，即“吸收—模仿—超越”，以及对人才、设备、生产线的大规模投资，使自身在专利数量、产品价格等方面具备了较大的竞争优势，从而奠定了韩国半导体产业发展的基础。对中国台湾而言，通过切入制造环节以避开与美国、日本、韩国的直接竞争，制定广泛的产业政策以吸引投资者广泛进入，并在形成产业集聚效应后向价值链高端环节稳步攀升，从而成为全球半导体产业中的重要力量之一。到20世纪90年代，以三星为代表的韩国半导体企业和以台积电为代表的中国台湾半导体企业已经处于全球半导体创新网络中的主导位置。

第三阶段为20世纪90年代，美国、日本、韩国的半导体企业逐渐将制造、封装等环节转移至中国大陆。在20世纪90年代以前，中国就已经开始在半导体产业引进外资技术，如通过合资建厂的方式成立了包括上海贝岭微电子制造有限公司（1988年成立，现为上海贝岭股份有限公司）、上海飞利浦半导体公司（1988年成立，现为上海先进半导体制造有限公司）、中国华晶电子集团公司（1989年成立，现为华润微电子有限公司）等。然而，受制于彼时国际社会意识形态的限制，中国所引进或购买的技术、设备、生产线等基本上是陈旧、落后的。20世纪90年代，随着邓小平发表著名的南方谈话并提出要建立社会主义市场经济体制的目标，以及“909工程”的开始实施，以英特尔为代表的美国半导体企业、以日本电气为代表的日本半导体企业和以三星电子为代表的韩国半导体企业开始在中国投资建厂。如英特尔于1994年在上海投资建设芯片测试与封装工厂，日本电气与上海华虹于1997年合资成立上海华虹NEC电子有限公司，三星电子于1992年在天津成立在华第一家合资企业。

3.技术升级视角

从技术升级的视角看，半导体产业发展经过了两个阶段（如图2-3所示）。

第一阶段为2011年以前，衡量半导体制造复杂性水平的最小特征尺寸按照摩尔定律演变，即每隔18—24个月，半导体产品性能会提高一倍且价格会下降一半。这一时期，半导体制程工艺水平按照7%左右的递减速率从20世纪50年代的125μm到21世纪初的0.13μm再到2010年左右的22nm，逐渐形成了成熟制程阶段。

第二阶段为2011年之后，衡量半导体制造复杂性水平的最小特征尺寸在很大程度上不再按照摩尔定律演变，或摩尔定律下制程工艺水平递减速率受众多因素的影响而出现减小趋势，从而使28nm半导体制程工艺水平在成本、性能、需求等组合上仍具有较高的性价比优势。如相比于40nm半导体制程工艺水平，28nm半导体制程工艺水平在频率、功耗、散热、尺寸等方面具有明显优势；而相比于16nm/14nm半导体制程工艺水平，28nm半导体制程工艺水平在设计成本、制造设备费用等方面具有明显优势。这一时期，半导体制程工艺水平从2014年的16nm/14nm到2016年的10nm再到2018年的7nm，逐渐形成了先进制程阶段。

（二）半导体产业链概况

半导体产业链非常复杂，每一个细分环节也有相应的子产业链。以下分别从上游支撑、中游制造、下游应用三个环节对半导体产业链进行简要介绍（如图2-4所示）。

1.上游支撑环节

如图2-4所示，半导体产业链上游支撑环节主要包括半导体材料、半导体设备、电子设计自动化（EDA）工具、知识产权（IP）核四个部分。

对半导体材料而言，从应用角度看，可分为制造材料和封装材料。制造材料包括硅片、靶材、CMP抛光材料、光刻胶、湿电子化学品、电子特种气体、掩膜板等；封装材料包括引线框架、封装基板、包封树脂、键合金属线和芯片粘贴材料等。

对半导体设备而言，从应用角度看，可分为硅片制备、圆晶加工、封装测试等环节所需设备以及其他辅助设备等。硅片制备环节所需设备包括单晶炉、减薄机、研磨机等；圆晶加工环节所需设备包括热处理设备、光刻机、刻蚀机、离子注入设备、CVD设备、PVD设备、清洗设备等；封装测试环节所需设备包括切割机、装片机、键合机、测试机、分选机、探针台等设备；其他辅助设备包括超净服、净化间等。

对电子设计自动化而言，它被广泛用于芯片设计过程，是由工程师在程式规划芯片功能后，通过特定的工具将其转化成实际的电路设计图的过程。从应用角度看，可分为前端设计和后端设计。前者的流程包括规格制定、详细设计、HDL编码、仿真验证、逻辑综合、静态时序分析、形式验证等；后者的流程包括可测性设计、布局规划、时钟树生成、布线、各层物理图形的设计规则检查、版图和电路网表的综合比较、流片制造等。

对知识产权核而言，它是芯片设计过程中经过反复验证、包含特定指令集、具有特定功能、可以重复使用的宏模块。从应用角度看，可分为软核、硬核和固核。软核是独立于制造工艺的寄存器传输级代码，不涉及具体电路元件的物理信息，一般是以HDL语言形式存在的逻辑描述、帮助文档等；硬核是通过系统设计验证、物理版图验证并进行工艺制造所最终得到的以版图形式存在的半成品或成品；固核介于软核与硬核之间，是对软核进行参数化后以网表形式存在的仅对逻辑描述功能中一些关键路径进行预先布局布线的功能模块。

2.中游制造环节

如图2-4所示，半导体产业链中游制造环节主要包括经设计、制造、封装等流程后所得到的四类半导体产品，即分立器件、传感器、光电子器件和集成电路。

从流程角度看，中游制造的商业模式可分为整合制造模式和垂直分工模式。当半导体产品设计、制造、封装、测试、销售等所有环节都集中在单一企业内时，就形成了整合制造模式；而当半导体产品设计、制造、封装、测试、销售等环节被剥离并分散到不同企业时，就形成了垂直分工模式。在整合制造模式中，典型的企业包括英特尔、三星电子、德州仪器、镁光科技等；在垂直分工模式中，ARM是典型的IP核企业，高通、博通、英伟达、超威半导体、联发科、海思、赛灵思、美满等企业是典型的芯片设计企业，台积电、格罗方德、联电、中芯国际、高塔半导体等企业是典型的代工企业，日月光、安靠、矽品、长电科技等企业是典型的封装测试企业。

从产品角度看，分立器件是实现电能处理与转换的元器件，通常只具有功率控制、电流开关等单一功能，包括二极管、三极管、晶体管、电阻、电容、电感等。传感器是将收集到的数据信息转化为电信号后再直接进行简单处理或转由其他半导体产品进行处理的装置，通常由处理热、光、声、力等在内的敏感元器件，处理电压、电阻、电流、脉冲等在内的转换元器件以及以振荡器、变换器、放大器为代表的调节元器件组成。光电子器件是实现光电转换、电光转换的功能器件，通常包括发光二极管、红外光源、激光器和光敏电阻、光电池、紫外线成像器件等。集成电路是将具有一定功能的半导体元器件及连接导线集成于硅片并将其封装在一个管壳内的电子器件，通常包括模拟电路、微处理器、逻辑电路、存储器等。

3.下游应用环节

如图2-4所示，半导体产业链下游应用环节主要包括移动通信、电子设备、物联网、信息安全、新能源、汽车等领域。

从制程工艺角度看，先进制程中10nm及以下的半导体产品通常被率先应用于高端手机AP或Soc、个人电脑或服务器的CPU以及矿机ASIC等；10nm至20nm的半导体产品通常被应用于中高端手机AP、基带、CPU、显卡GPU、FGPA等；20nm至28nm的半导体产品通常被应用于中低端手机与平板、数字电视、游戏主机、路由器、可穿戴设备及物联网等。相比之下，成熟制程中的90nm及以上的半导体产品通常被用于入门级MCU、物联网MCU、汽车MCU、智能卡等；55nm至90nm的半导体产品通常被用于移动设备、电脑、可穿戴设备、物联网MCU、汽车MCU等；28nm至45nm的半导体产品通常被用于Wi-Fi、蓝牙芯片、硬盘驱动IC、汽车电子、网络设备、基站、FPGA等。

从产品分类角度看，分立器件通常被用于LED面板、消费电子、汽车电子计算机及外设、网络通信等领域；传感器通常被用于工业自动化、遥感测试、工业机器人、家用电器、医疗保健、生物医药工程等领域；光电子器件通常被用于手机摄像头、数码相机、指纹识别、医学检测、微光摄像机、红外探测、红外制导、红外遥感、导弹探测等领域；集成电路通常被用于智能手机、平板电脑、工业机器人、移动通信、摇杆控制等领域。

（三）半导体产业链全球布局概况

半导体产业链全球布局情况在不同产业链环节呈现出差异化的特征，因此，以下分别从整体布局、上游布局、中游布局、下游布局四个方面展开简要介绍。

1.整体布局

从企业角度看，美国、欧盟、韩国、日本的企业在半导体产业中处于领先地位。如图2-5所示，在2019年全球半导体企业市场份额排名前十位中，美国有5家企业，分别是英特尔、镁光科技、博通、高通、德州仪器，市场份额分别为15.7%、4.8%、3.7%、3.2%、3.2%；欧盟有2家企业，分别是意法半导体、恩智浦，市场份额分别为2.2%、2.1%；韩国有2家企业，分别是三星电子、海力士，市场份额分别为12.5%、5.4%；日本有1家企业，为铠侠，市场份额为2.1%。

从市场角度看，亚太地区半导体产品市场处于领先地位。如图2-6所示，在2019年全球半导体产品销售额地区分布中，亚太地区（除日本外）销售额为2579.74亿美元，在全球总销售额中的占比为63.08%；美洲地区销售额为754.69亿美元，在全球总销售额中的占比为18.45%；欧洲地区销售额为400.08亿美元，在全球总销售额中的占比为9.78%；日本销售额为355.36亿美元，在全球总销售额中的占比为8.69%；

2.上游布局

从EDA环节看，北美地区市场规模处于领先地位，美国企业占据绝对主导地位。如图2-7所示，在2019年EDA全球市场规模分布中，北美地区市场规模达到了42.7%，亚太地区市场规模为34.6%，欧洲、中东和非洲地区市场规模为13.3%，日本市场规模为9.4%；在2018年EDA软件企业市场份额中，Synopsys、Cadence、Mentor Graphics三大企业处于绝对主导地位，市场份额分别为32.1%、22%、10%，其他企业市场份额加起来约为35.9%。

图2-6 半导体产品销售额地区分布
注：此处亚太地区不包括日本。
资料来源：世界半导体贸易统计组织（WSTS）。

图2-7 EDA环节市场规模分布和企业市场份额
注：左图为市场规模分布，是2019年数据；右图为企业市场份额，是2018年数据；APAC代表亚太地区；EMEA代表欧洲、中东和非洲地区。
资料来源：WSTS。

从IP核环节看，欧美的企业占据绝对主导地位。如图2-8所示，在2019年IP核企业市场份额排名前十位中，英国虽然只有1家企业，但ARM 的市场份额达到了40.8%；美国有6家企业，分别是Synopsys、Cadence、SST、Imagination、Achronix、Rambus，市场份额分别为18.2%、5.9%、2.9%、2.6%、1.3%、1.2%，中国有2家企业，分别是芯原微电子（中国大陆）、力旺电子（中国台湾），市场份额分别为1.8%、1.2%，以色列有1家企业，为Ceva，市场份额为2.2%。

从半导体材料环节看，日本的企业占据绝对主导地位，美国、德国企业的优势地位十分突出，韩国、中国台湾企业的优势也比较明显。如表2-1所示，在全球半导体核心材料生产企业中，日本的企业数量较多，代表性企业包括信越化学、三菱住友胜高、住友化学、三菱化学、JSR、东京应化、富士胶片等；美国的代表性企业包括陶氏化学、弗尼克斯、普莱克斯、霍尼韦尔等；德国的代表性企业包括世创电子、默克公司、巴斯夫、林德集团等；韩国的代表性企业包括SK Siltron、LG化学、ACE等；中国台湾的代表性企业包括环球晶圆、合晶科技、长兴化学等。以硅片领域为例，如图2-9所示，在2018年全球市场销售份额中，日本信越化学、三菱住友胜高的市场份额分别为27.58%、24.33%，中国台湾环球晶圆的市场份额为16.28%，德国世创电子的市场份额为14.22%，韩国SK Siltron的市场份额为10.16%。

从半导体设备环节看，美国、日本、荷兰、韩国、新加坡的企业的优势地位十分突出。如表2-2所示，荷兰的阿斯麦是全球绝大多数半导体生产厂商的光刻机及相关服务供货商；美国的科林研发是全球领先的晶圆制造设备和服务供应商，提供等离子刻蚀和单晶圆清洗技术；日本的东京电子是全球领先的半导体制造设备和液晶显示器设备制造商；韩国细美事是预处理半导体设备和显示器制造设备生产商，主要生产清洗、光刻和封装设备；新加坡的先进太平洋科技是全球领先的半导体装配及封装设备、材料及表面贴装技术供应商。以营业收入为例，如表2-3所示，在2019年全球前十大半导体设备企业中，美国有4家企业，分别是应用材料、科林研发、科磊、泰瑞达，营业收入分别为110.49亿美元、95.48亿美元、39.13亿美元、15.53亿美元；日本有4家企业，分别是东京电子、思科半导体、爱德万测试、日立高科，营业收入分别为103.38亿美元、22亿美元、18.53亿美元、14.12亿美元；荷兰有1家企业，为阿斯麦，营业收入为108亿美元；新加坡有1家企业，为先进太平洋科技，营业收入为17.70亿美元。

3.中游布局

从芯片设计环节看，美国的企业占据绝对主导地位，中国台湾的企业也具有较强优势。如表2-4所示，在2019年全球前十大芯片设计企业中，美国有6家企业，分别为博通、高通、英伟达、超威半导体、赛灵思、美满，营业收入分别为172.46亿美元、145.18亿美元、101.25亿美元、67.31亿美元、32.36亿美元、27.08亿美元；中国台湾有3家企业，分别为联发科、联咏、瑞昱，营业收入分别为79.62亿美元、20.85亿美元、19.65亿美元；英国有1家企业，为戴乐格半导体，营业收入为14.21亿美元。

从芯片制造环节看，中国台湾的企业占据绝对主导地位，韩国、中国大陆、美国、以色列企业的优势地位也比较突出。如表2-5所示，在2020年第二季度全球前十大晶圆代工企业中，中国台湾有4家企业，分别为台积电、联电、力积电、世界先进，营业收入分别为101.05亿美元、14.4亿美元、2.98亿美元、2.65亿美元，市场份额分别为51.5%、7.3%、1.5%、1.4%；韩国有2家企业，分别为三星、东部高科，营业收入分别为36.78亿美元、1.93亿美元，市场份额分别为18.8%、1%；中国大陆有2家企业，分别为中芯国际、华虹半导体，营业收入分别为9.41亿美元、2.2亿美元，市场份额分别为4.8%、1.1%；美国、以色列各有1家企业，分别为格罗方德、高塔半导体，营业收入分别为14.52亿美元、3.1亿美元，市场份额分别为7.4%、1.6%。

从芯片封测环节看，中国台湾、中国大陆的企业占据绝对主导地位，美国的企业也具有一定的优势。如表2-6所示，在2020年第一季度全球前十大封测企业中，中国台湾有6家企业，分别为日月光、矽品、力成、京元电子、南茂、欣邦，营业收入分别为13.55亿美元、8.06亿美元、6.24亿美元、2.32亿美元、1.85亿美元、1.77亿美元，市场份额分别为23%、13.7%、10.6%、3.9%、3.1%、3%；中国大陆有3家企业，分别为长电科技、通富微电、天水华天，营业收入分别为8.18亿美元、3.1亿美元、2.42亿美元，市场份额分别为13.8%、5.3%、4.1%；美国有1家企业，为安靠，营业收入为11.53亿美元，市场份额为19.5%。

4.下游布局

从NAND Flash产品看，韩国、美国、日本企业的优势地位十分突出。如表2-7所示，在2020年第一季度全球NADN Flash品牌企业排行榜中，韩国有2家企业，分别为三星、海力士，营业收入分别为45.01亿美元、14.47亿美元，市场份额分别为33.3%、10.7%；美国有3家企业，分别为西部数据、镁光科技、英特尔，营业收入分别为20.61亿美元、15.14亿美元、13.38亿美元，市场份额分别为15.3%、11.2%、9.9%；日本有1家企业，为铠侠，营业收入为25.67亿美元，市场份额为19%。

从智能手机产品看，韩国、中国、美国的企业占据主导地位。如表2-8所示，在2020年第一季度全球智能手机企业出货量排行榜中，韩国有1家企业，为三星，出货量为5830万部，市场份额为21.1%；中国有3家企业，分别为华为、小米、vivo，出货量分别为4900万部、2950万部、2480万部，市场份额分别为17.8%、10.7%、9%；美国有1家企业，为苹果，出货量为3670万部，市场份额为13.3%。

从平板电脑产品看，美国、韩国、中国的企业占据主导地位。如表2-9所示，在2020年第一季度全球平板电脑企业出货量排行榜中，美国有2家企业，分别为苹果、亚马逊，出货量分别为960万部、280万部，市场份额分别为29.8%、8.6%；韩国有1家企业，为三星，出货量为470万部，市场份额为14.6%；中国2家企业，分别为华为、联想，出货量分别为300万部、160万部，市场份额分别为9.4%、4.9%。