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破解中国“芯”难题需立足全球半导体产业生态

作者: 来源: 日期:2021-9-14 13:26:14 人气:50

半导体(又称芯片)几乎是人工智能、量子计算、物联网等新一代前沿技术,以及农业、制造业、医疗、交通、国防等所有部门实现数字化转型不可或缺的“转换器”,对一个国家在未来数字化革命中的竞争力和国家安全具有至关重要的意义。正因如此,美国以出口管制、投资审查、实体清单等各种手段对中国进行技术封锁,限制中国获得先进芯片的机会。其他发达国家和新兴经济体也相继出台各种政策,试图在全球半导体产业分工中谋求本国利益最大化。中国半导体产业的发展面临着从底层设计技术到制造所需的原材料、设备、工艺、人才,再到产品市场的全产业链挑战。如何实现半导体领域的自立自强是迫切需要回答的战略性问题。

本文重点从全球半导体产业生态的视角,对中国半导体产业的竞争地位和发展环境进行分析,为中国更加科学地推动半导体产业发展提供决策参考。

一、全球半导体产业生态的主要特征

半导体是一个资本高度密集、技术高度复杂的行业,至今没有一个国家拥有完整的半导体产业链。根据埃森哲的研究报告,在全球半导体产业分工体系中,至少有25个国家的企业直接参与分工,还有23个国家的企业间接参与分工,在全球形成了一个极其复杂的产业生态系统。主要特征如下:

一是从行业生产和市场结构来看,全球半导体产业生态具有高度“美国化”的特征。美国半导体的制造能力在全球一直保持较高水平,2020年占全球的比重为43.5%,接近于新加坡、中国台湾、日本和欧洲(主要是荷兰、英国、德国)等主要半导体产地的生产能力之和(所占比重46.5%),相当于中国同期制造能力的8.1倍(见图1)。从全球半导体的市场结构来看,“美国化”的特征就更加显著。美国公司几乎在全球各大区域市场中都占据了主导地位,其中在中国和欧洲市场所占比重都在50%左右,日本市场中的比重最低,也达到了40%(见图2)。根据美国乔治敦大学新兴技术中心(CSET)对半导体行业73个细分领域的评估,美国在其中50个领域都具有领先优势。其中:该行业最为核心的领域——设计自动化软件领域(EDA),总部在美国的公司所占市场份额高达97%,具有绝对垄断优势;核心技术(core IP)领域所占市场份额也达到了52%,与之相比,欧洲企业约为43%,中国仅为2%。美国企业几乎主导着全球半导体产业链。

二是从半导体行业供应链分工来看,“垄断性分工”是全球半导体产业生态尤为突出的特点。半导体行业从芯片设计、制造到包装测试,从制造材料、工艺到设备,几乎供应链各个环节都具有较高的技术门槛。全球半导体产业经过60多年的发展,即使在最为领先的美国也未建立起完整的产业链,而是在全球供应链分工体系中逐步形成了诸多“垄断”性节点。

如图3所示,美国在芯片设计自动化软件(EDA)、CPU和GPU等高端芯片的设计,以及芯片制造所需的超大剂量离子注入机、过程监控设备和软件等领域,日本在光刻胶、电子蚀刻和芯片清洗工艺设备,荷兰在光刻机等关键领域所占市场份额都超过了90%,甚至达到100%的完全垄断。此外,还出现了一些区域性垄断,如:全球10纳米以下逻辑芯片的制造由美国的英特尔、中国台湾的台积电和韩国的三星等三家企业完全控制,美国和英国共同控制了全球半导体行业核心IP的95%,日本和美国共同控制了全球93%的光掩模材料生产等。中国在半导体的包装、组装等附加值和技术复杂程度相对较低的环节具有一定优势,尤其是集成组装,已占有全球97.6%的市场份额。

三是“半导体”已成为主要发达经济体政策支持的“战略核心”,地缘政治在全球半导体产业生态中的影响更加突出。近期,由美国两院提出的《创新与竞争法案》中,将“半导体”作为其“必须赢”的前沿技术之一,拟设立500亿美元的半导体基金和20亿美元国防半导体基金,用于支持未来5年美国半导体产业的发展,其中390亿美元为预先拨款,20亿美元用于支持国内传统芯片的生产,105亿美元用于国家半导体技术中心的建设、高级包装制造和其他研发项目。韩国在今年5月提出了K-半导体产业带建设的国家战略,拟在2030年建成全球最大规模包括芯片原材料、制造设备和制造工厂在内的半导体供应链。欧盟在今年3月颁布的“数字罗盘倡议”中提出,到2030年欧盟的芯片生产占全球的比重要从目前不到10%提高到20%。中国台湾在2020年提出每年投入13亿美元吸引外资公司在台湾建立半导体研发项目,政府补贴所有研发成本的50%。日本在其半导体和数字化战略中提出,将与美国结盟重塑其在全球半导体产业中的领先地位。新加坡、以色列等国家也提出通过土地开发、设备采购、财政补贴等激励政策,为引进的半导体制造企业承担大约30%的成本。

半导体已成为各国技术创新的战略核心和政府主导的战略性行业,全球围绕半导体的竞争已超越了经济层面的竞争。具有垄断优势的国家不断发起各种形式的贸易和技术争端(如中美、日韩之间)。为了稳定自身优势地位,领先国家和地区还积极推动所谓的战略结盟(如美日、美欧、日本与中国台湾之间),导致全球半导体产业生态中的地缘政治关系越来越复杂。

二、加快推动中国半导体产业健康发展的政策建议

半导体实际上是兼具传统产业技术和数字技术、平台技术、国防技术等多重属性的“大技术”行业,其发展不可能脱离于全球的技术和产业分工体系。因此,需要置身于全球半导体技术和产业发展的生态系统,以更加系统化、战略化的政策思路来推动中国半导体产业的发展。具体建议如下:

第一,从国家更长远的战略安全角度,制定一个引领半导体技术与产业长期发展的总体战略。中国为应对美国等发达国家半导体行业的技术封锁,采取了更大力度的支持政策,并提出到2025年实现70%的国产化目标,但半导体技术创新是一个需要长期大规模资本投入的系统性工程,如美国,2020年的研发支出高达440亿美元,占其销售收入的比重为18.6%,在过去20年研发支出占其行业收入的比重都超过10%,年均增长率长期保持在7.0%左右。此外,根据波士顿(BCG)的一项研究,如果按照中国占全球半导体市场需求的24%来测算,实现半导体的“自主”,需要的前期投资规模大约为1750亿―2500亿美元,每年还需要增加100亿―300亿美元的运营成本,还不考虑技术创新过程中地缘政治、技术更新等其他不确定风险因素,这对于任何一个国家都是极具难度的挑战。中国应充分认识到半导体产业的特殊性,着眼于更长远的国家安全角度,制定一个长期性、综合性的半导体发展战略。

该战略应包括以下三个层面的内容:一是从全球半导体技术体系和产业生态,对中国半导体技术和产业的发展进行全面深入地评估,尤其是要识别出地缘政治关系对中国半导体供应链的风险点,以此确定技术攻关的“必选项”和“优先项”;二是高度重视半导体在国家经济安全和国防安全中的“战略特性”,将基础研究、核心关键技术的攻关和商业化发展,置于国家安全的整体框架下进行更加系统性的战略统筹,明确不同领域可持续发展的资本投入、人才培养和竞争协调机制,着力构建一个有利于中国半导体技术自主创新、可持续发展的健康产业生态;三是把半导体的技术创新与国家未来经济社会发展的数字化转型战略紧密结合,加强半导体技术创新与国家重大发展战略之间的协同。

第二,把握全球半导体技术“摩尔周期”临近极限的战略窗口期,以新型举国体制加快中国在全球半导体供应链中做出实质性突破。从全球半导体技术进步的趋势来看,28纳米硅芯片的制造技术是摩尔定律的一个临界,之后技术进步的周期会延长、成本会大幅增加。如:高级逻辑芯片从10纳米提高到7纳米,整个研发到制造的成本将增加1亿美元,从7纳米到5纳米,成本将翻一番。由于成本和技术复杂度的提高,当前的技术更新已经到了一个极限。下一代半导体技术的竞争重点将转向新的半导体材料(如镓或者氮基材料)和量子计算等,这些技术的进步更大程度上取决于物理、化学、数学等基础学科领域的突破,研发周期相对更长,全球半导体技术的进步周期进入减缓阶段。

这对于中国技术追赶实际上是一个非常重要的战略窗口期。应充分总结“两弹一星”、航天等领域的创新经验,加快完善新型举国体制,集中更大的力量加快中国半导体技术在部分关键领域实现实质性突破。但需要理性地认识到半导体技术的复杂性和中国技术水平的现实差距,在技术追赶的过程中确立分阶段目标,有所取舍,聚焦于一个或某几个技术领域,逐步在全球半导体供应链形成领先优势。另一方面,“举国”新机制的核心意义在于政策资源的整合和规模效应。在具体实施过程中,要避免以此为由过多组建新的研发机构或创新平台。可借鉴发达国家的经验,以创新共同体或技术集群的模式对分散的存量创新资源重新整合优化,着力推动具有明确技术导向和攻关任务导向的集群式创新。

第三,采取多种措施加快推动中国半导体供应链“多元化”重构,为中国半导体产业营造一个健康可持续的发展生态。从全球数字化转型加快、半导体在国家安全中的战略性不断提升等长期趋势来看,美国对中国的技术封锁很难出现根本改变。因此,中国半导体产业的发展除了要全力推动核心技术领域的自立自强,还需要对不同技术体系进行战略性平衡,降低地缘政治因素对中国半导体供应链影响的风险。

首先,以当前韩国、中国台湾、日本、欧盟等国家和地区都在半导体制造领域加大投资规模,全球产能加速扩张为契机,充分发挥中国超大规模的市场优势和资本优势,通过双边或多边战略投资合作,与更多国家和地区建立供应链战略合作伙伴关系,加快中国供应链在全球布局的多元化;其次,鉴于“半导体”的战略性,欧盟、日本、韩国、英国、中国台湾等主要国家和地区都在加速供应链的多元化重构。这对于中国进一步优化供应链布局是一个重要机遇,可利用中国理工科人才的规模优势和电子产业的集群优势,以半导体材料、制造设备和应用型芯片的开发为主体,主动在全球布局技术创新网络,从技术源头改进中国半导体供应链的韧性。

第四,加强国内半导体产业布局的顶层规划,处理好芯片短缺的短期应对和培育长期竞争优势之间的战略关系。应对美国技术封锁,实现半导体核心技术的突破,实际上是一个长期发展的问题,并非依靠短期生产能力的简单扩张就可以解决。根据天眼查的数据,中国目前大约有28.2万家企业名称或经营范围中含有“集成电路或芯片”,仅2020年注册的企业就超过7万家,而注册资本在千万以上的企业比重只占22%。这种发展格局并不符合半导体行业的技术特性,也不排除企业和地方存在短期政策“套利”的行为。随着发达国家先进芯片生产能力的扩张,以及人工智能、自动化、电子等技术进步带动的芯片需求升级,极有可能造成中国在中低端芯片领域陷入大规模产能过剩的被动局面,需尽快采取措施加以调整,在保护企业投资热情的前提下,要尽可能避免大量投资无序涌入中低端芯片的制造领域。重点包括:

一是半导体作为国家战略性产业,需遵循行业技术创新和全球半导体行业竞争的基本规律,在国家层面进行生产力布局的顶层设计和长期的战略规划。行业布局要综合考量技术创新和商业化的成本,以及行业对能源、环保等方面的诉求,结合国家区域发展总体战略进行全国统筹。

二是政策层面要严格区分芯片企业的主体业务类型,如芯片研发、芯片制造、芯片设备制造或芯片材料生产等不同类型,建立分类监管体系,加强行业生产力布局的功能性分工。

三是要加快中国在人工智能、5G、自动驾驶、物联网、智慧城市、智慧医疗等领域的发展,为国内传统应用型芯片的技术开发和商业化发展创造更大的市场需求空间,加快中国在半导体行业资本、基础技术和人才的积累,为进入更前沿的技术领域、培育长期竞争优势做好战略准备。 


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