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导言:4月16日晚间,美国商务部发布公告称,因违反制裁规定,美国政府禁止中兴在未来7年内向美国企业购买敏感产品。中兴通讯被美国商务部制裁事件,给我国集成电路行业打了一针“醒脑剂”,我国集成电路发展水平与国际先进水平仍有较大差距,本文从集成电路的过去、现状以及未来发展趋势解析中国当下集成电路业未来出路在何方。

一、我国集成电路行业发展现状

1.1、从中兴通讯被制裁说起

美国商务部4月16日发布声明,将禁止美国公司向中兴通讯销售零部件、商品、软件和技术7年,直到2025年3月13日,理由是公司违反了美国限制向伊朗出售美国技术的制裁条款。中兴通讯目前尚有1-2月零部件存货,但当前与美国商务部难以达成和解,所以公司的经营将受到严重影响。中兴通讯基带芯片、射频芯片、存储芯片及部分光学器件主要向总部在美国的企业采购。部分高端芯片和元器件短期内无法实现国产替代。西方发达国家一直对出口到中国的集成电路制造装备和材料以及工艺技术严格审查和限制。这对我国集成电路产业发展构成了严重制约,问题日益凸显。中兴通讯被禁事件只是我国集成电路发展落后的一个缩影。在2017年3月SEMICON2017产业与技术投资论坛上,清华大学微电子学研究所所长魏少军教授指出无论是数字电路还是模拟电路,国产芯片占有率均低。以数字电路为例,计算机系统中的MPU、通用电子系统中的FPGA/EPLD和DSP、通信装备中的Embedded MPU和DSP、存储设备中的DRAM和Nand Flash、显示及视频系统中的Display Driver,国产芯片占有率都是零。表1-1:中国核心集成电路的国产芯片占有率目前我国所需核心芯片主要依赖进口,先进芯片制造商的收入中,中国市场贡献了较大的市场份额。根据赛迪研究院的统计,在2017年世界前20芯片企业中,美国企业占了13家,在中国市场销售额合计是667亿美元。其中,高通、博通、镁光有一半以上的市场销售额是在中国实现的。如此倚重进口主要缘于国产芯片与国际水平差距太大,由于半导体产业关系国家经济和安全命脉,中国芯必须有所突破。表1-2:世界先进芯片制造商在华收入情况

1.2、我国集成电路行业发展历程

(1)国产芯片的初级阶段(1965-1978年)1968年秋,中科院半导体所开展集成电路的研制工作。1965年4月,研制成功4种固体组件,其中1种组件,在约1平方厘米大小的硅片内,刻蚀有7个晶体管,1个二极管,7个电阻和6个电容组成的电子线路,从此诞生了国产的芯片产业。

在这个发展阶段,中国相继研究出MOS型集成电路以及各种DTL,TTL类型的电路。但是在这个阶段,整体发展也出现一窝蜂IC热的情况,很多地方都相继建设自己的集成电路工厂,造成一些不必要的过度建设。(2)产业全面复苏时期(1978-1990年)1978年十一届三中全会,开启全国全面改革开放的进程。在这个阶段,中国集成电路的发展主要有如下特点:生产工厂复苏生产,不管是八七八厂的净化车间投入使用,还是七四二厂从东芝引进的电视机芯片生产线,我国已经正式开始集成电路生产加工的历程。此后,中国开始引进外资技术,和中国的工厂合作建设。上海贝岭,上海先进半导体以及华晶电子集团都是在这个阶段通过中外合资的方式建立起来的。由于外资的技术经验和设备的引入,在这个阶段,虽然技术实力还是非常薄弱,但中国的集成电路产业得到全面的复苏。(3)“908工程”、“909工程”阶段(1990-2000年)“908工程”是指国家发展微电子产业20世纪90年代的第八个五年计划,“909工程”是指第九个五年计划。两大工程的主体企业分别是无锡华晶和上海华虹。在这个阶段,中国的集成电路产业加速了和外资企业的合作,国家强势扶持,主要的发展成绩是晶圆厂的建设和发展,今天中国的几大晶圆厂无锡华润上华,上海华虹,中芯国际都是在这个阶段先后建设起来的。(4)产业发展时期(2000年-至今)2000年6月24日国务院18号文件《鼓励软件产业和集成电路产业发展的若干政策》公布后,众多大型集成电路制造企业纷纷在中国罗湖。18号文件的公布,无疑是一阵春风,吹开了中国集成电路产业的万紫千红。在这个阶段,一些著名的集成电路制造公司,纷纷落户中国大陆,包括台积电,台联电,英特尔和海力士等厂商,著名厂商的入住,或合资,或开设办事处,都带来了优秀的技术和管理经验。集成电路设计得到极大地发展,很多在海外有技术经验的华人回国创办IC设计公司,带来了直接的技术和经验,在短短的几年内,国内集成电路的设计公司就有几百家之多。这些公司开始依靠自己的产品获得市场的认可,有的还做出很好的成绩,我国的集成电路优秀设计企业,几乎都在这个阶段诞生,也涌现出如中星微,珠海炬力,展讯,瑞星微等国内著名公司。1.3、我国集成电路行业发展现状(1)行业发展技术较为落后集成电路三大主要领域是设计、制造以及封测。在低附加值的封测领域中,我国发展水平较高。而在高附加值的设计、制造领域,我国的发展水平较低。在集成电路中,芯片设计和制造端的落后是导致目前中国芯发展水平落后的主要原因。从设计端来看,2016年至今引领整个半导体行业增长的主要产业是存储器芯片,三星也正是借存储器的东风于2017年营收超过英特尔。当前存储器市场主要分为两大类。一类是系统内存DRAM以及快闪内存,其中快闪内存分为NAND和NOR。就市场份额来讲,NAND和DRAM占据了95%的市场份额。国际存储器芯片的代表为三星、海力士以及美光。我国内存芯片龙头公司兆易创新主打NOR内存产品,NAND研发持续推进当中。此外紫光国芯旗下的长江储存,福建的晋华集成以及安徽的合肥长鑫(兆易创新预期收购)也在推进NAND产品的研发。预计2019年实现NAND内存商业化量产。在CPU和GPU上,我国的相应企业的研发进程差距更大。CPU上,整数、浮点、主频三项性能只与英特尔于2010年4月推出的I3第1代相当,与国际龙头厂商的差距约9代。龙芯的3A2000代表国内CPU较为先进的水准,其性能与英特尔的第1代I3550相当,与英特尔的差距至少9代产品(I3有3代产品,I5有6代产品,目前I7代表最新技术)。而且当前国产CPU仍未商用化。GPU方面,英伟达已经切入到领先领域深度学习GPU,而景嘉微作为国内GPU龙头(主要为军用,仍未商用)仍处于图形显控芯片研发阶段,而世界首款图形显控芯片早于2009年推出。值得欣慰的是,我国的芯片技术在手机芯片领域已有所突围,我国华为海思和紫光展锐均有所突破。华为手机中采用海思自制麒麟芯片比例接近7成,对高通的依赖度较低,仅约16%。麒麟970芯片已拥有NPU功能。由于华为手机的高市占率,目前麒麟系列芯片已经能占手机市场13%。根据IC Insights发布的2017年全球前十大Fabless(无晶圆)IC设计厂商排名,海思以47.15亿美元的业务营收额位列第7。排名第10的是紫光集团的展锐,其手机基带芯片虽然集中在中低端领域,但市场份额稳居世界第3。表1-3:国内与国外技术对比制造端,当前我国晶圆制造代工龙头企业是中芯国际。向全球客户提供0.35微米到28纳米晶圆代工与技术服务,目前已具备28nm polysion量产能力。公司上海、深圳、北京新厂有望于明年陆续量产,完全达产新增产能为14万片/月。中芯国际目前代表着我国最先进的晶圆制造水平,但其28纳米制程的良品率仍较低,台积电和三星的7nm代工已可量产。表1-4:中芯国际制程较为落后在封测端上,由于通过自主研发先进封装和海外并购整合,中国大陆封测市场迅速壮大,份额跃居全球第二。国内封测前三的公司是长电科技、通富微电、华天科技,其中长电科技在长电收购星科金朋后,其一举成为全球第三大封测厂,2017年其市占率上升到了6.20%。表1-5:2017年全球前五大封测厂商市占率(2)产量与销售额达两位数增长从生产看,我国集成电路产量稳步增长。2017年我国集成电路产量达到1564.90亿快,同比增长17.75%,连续两年生产同比增长达到15%以上。从集成电路销售状况来看,2017年我国集成电路销售额达到5411.30亿元。同比增长24.81%,已经连续两年销售同比增长达到20%以上。图1-1:集成电路产销状况
(3)本土芯片自给率较低,主要靠进口根据中国半导体行业协会的统计,我国本土公司芯片自给率长期维持在30%以下,而且,我国芯片供需缺口正在逐步加大。由2010年的220亿美元的缺口上升到了2017年590亿美元的缺口。根据预测,2019年我国芯片供需缺口将达到880亿美元。图1-2:2017年中国芯片供需量(十亿美元)
我国大量进口集成电路以填补国内供需缺口,据统计局数据,2016年我国集成电路进口额为2270.26亿美元,超过原油进口额近一倍。集成电路连续三年进口金额超过2000亿美元,目前已成为我国进口金额最大的商品。集成电路产业高度依赖进口的状况亟需转变。图1-3:集成电路超过原油成为进口额最大商品(4)人才资源缺乏根据工业和信息化部软件与集成电路促进中心(CSIP)于2017年5月发布的《中国集成电路产业人才白皮书(2016-2017)》,目前我国集成电路从业人员总数不足30万人,但是按总产值计算,需要70万人,存在着40万缺口,所以人才培养总量严重不足。

1.4、我国集成电路行业未来发展趋势

(1)低附加值向高附加值转移近年来,在我国政府出台的多项政策和资金上的大力扶持下,IC设计环节持续快速发展。2016年设计业销售额为1644.30亿元,首次超过封装测试业。此外,2016年设计业、制造业、封装业三业销售额首次齐超千亿大关。图1-4:设计业占比超过封装测试业设计是最能体现IC产业创新实力的环节,我国要想在IC产业上实现“弯道超车”就需要着力提升创新能力,以缩小与发达国家的差距。IC设计环节投资规模大,风险高,国家政策和产业基金的大力支持将促进我国IC设计业蓬勃发展。据媒体报道,大基金二期正在酝酿中,大基金二期将更加重视对IC设计的投入,据中国半导体行业协会预计,大基金二期投资IC设计环节的比重有望增加至20%-25%。目前二期正在酝酿中,在估测1500-2000亿的规模下,大基金二期投资IC设计金额可达400-500亿元,约为一期投资金额的2倍,其投资对象也将扩大到具有发展潜力的新创企业。(2)汽车电子、AI、物联网等产业成为IC发展新驱动力未来几年汽车半导体市场有望成为最强劲的芯片终端应用市场。根据研究公司IC Insights2018年的报告预测,至少到2021年,汽车半导体市场都将是最强劲的芯片终端应用市场。根据该公司预测,从2016年到2021年之间,车用电子系统销售额将以5.4%的复合年成长率(CAGR)成长,是六大主要终端用户系统类别中最高的。图1-5:2016-2021年各领域电子系统CAGR(%)在市场占比情况上,根据IC Insights,预计2017年全球电子系统市场总额为1.49万亿美元,汽车市场份额占比约为9.1%,高于2015年的8.9%和2016年的9.0%。预计到2021年,汽车电子产品将占全球电子系统销售额的9.8%。图1-6:2017年全球电子系统市场总额预测(亿元)深度学习作为机器学习的分支,是当前人工智能研究的主流方式,其本质是把传统算法问题转化为数据和计算问题。所以对底层基础芯片的要求也发生了根本性改变:人工智能芯片的设计目的不是为了执行指令,而是为了大量数据训练和应用的计算。在人工智能芯片领域,目前适合深度学习的主要有GPU、FPGA、ASIC三种技术路线。三类芯片代表分别有英伟达的特斯拉系列GPU、赛灵思的FPGA和谷歌的TP。表1-6:重点AI芯片公司简介表

二、我国集成电路行业出路在何方?

2.1、民营企业研发投入落后

根据申万集成电路行业分类,已经完整公布2017年财务报表的A股集成电路类企业有22家。其中总市值最大的前三家集成电路企业分别是兆易创新(国产存储芯片龙头)、紫光国芯(国内领先的芯片设计商)以及长电科技(国内IC封测龙头),对应的市值分别为384.20亿元、347.10亿元以及320.11亿元。在这22家A股集成电路上市公司中,2016年和2017年研发费用占营业收入之比均超过20%的公司有紫光国芯、全志科技、国科微、北京君正以及盈方微。这22家公司与国际巨头英特尔对比,仍然存在着差距。英特尔目前市值为15125.87亿元(换算成人民币,下同),2017年实现营业总收入4100.93亿元,而国内22家集成电路上市公司仅实现营业收入505.18亿元,仅占英特尔一家的12.32%。2017年,这22家上市公司研发费用合计为36.68亿元人民币。而英特尔研发费用为855.85亿元,仅占英特尔一家的4.29%。差距已经很明显,当前我国的集成电路上市公司的体量、经营状况以及研发投入与国际巨头相比,短期内是不可能实现弯道超车。表2-1:已公布17年年报的集成电路上市公司与英特尔的比较

2.2、我国芯片的研发投入应该走什么路?

说到芯片的自主之路如何走,我们就需要再回到芯片的特点上来。投入大、周期长的特点决定了芯片行业必然需要长期持续投入,才有可能出成果。我国芯片行业发展的资金来源主要有三个方向:一是以大基金为代表的国家基金,立足全国规划,更有理性;二是民间资本,自然会对市场负责;三是地方政府基金。国家层面来看,2014年9月国家集成电路产业投资基金(大基金)成立,第一期募集资金规模为1387亿,截至2017年底,大基金累计有效决策投资67个项目,累计项目承诺投资额1188亿元,实际出资818亿元,分别占一期募资总额的86%和61%。目前正在进行国家集成电路产业投资基金二期的成立工作,二期拟募集1500亿-2000亿元人民币。地方层面,各地集成电路产业正呈现“一哄而上”的趋势,2017年集成电路设计企业达到1380多家,国内企业“散小乱”问题以及低水平重复建设的问题较为突出。在芯片行业的投资上,无论是国家和地方资金还是市场资金,都应该充分认识到集成电路产业的发展规律(投资大、更新快、协同要求高),对于更新速度非常快的电子行业,投资应该充分考虑到完全自主研发的长周期特点。这里并不是说不能进行自主研发,而是在更新速度很快的芯片领域,应该寻找一条“政府+市场”的途径,通过我国熟悉的产业发展模式,充分利用消费大国的需求优势,增加技术和设备引进,才能少走弯路。芯片是受摩尔定律支配的庞大的全球竞争性产业,在中国高端芯片实现突破之前,技术积累不足的原因诚然是主要影响因素,但如果要实现芯片产业链完备而有国际竞争力,至少实现可替代,则更要有国内产业链的整体发展水平和垂直整合能力的配合,同时基础的教育环境甚至人文社会环境方面也是一个非常重要的原因。对于一个分工精密、高速迭代的高科技行业,如果冒然举全国之力投入,不仅不能较快解决我国面临的“芯”痛,可能更是一种战略失误。如果企业只是单纯的依靠政府支持,不仅容易脱离行业自身发展规律和市场规律,也容易让企业心存投机取巧心理,导致核心竞争力没有出现,而资金却出现了滥用,更加难以使得企业真正走向市场,走向国际,参与激烈的竞争。集中政府和市场的力量精准办大事,或许能帮助我国芯片产业较为快速的走出困境。
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