1.2.3　投资成本增势与产能预期

芯片如此重要，造成芯片荒的根本原因是供需不平衡，即数字化进程发展太快，需求过于旺盛，设计能力够而制造能力却不足。那么制造能力为何不足呢？从产业链条上看，我国除芯片设计能力外，在生产设备、芯片原材料和设计软件等方面还存在较大差距，特别是在高性能芯片领域，国内企业的全球竞争力很弱。而芯片制造并非靠“集中力量办大事”就能一蹴而就。例如芯片材料的纯度配方，需要经过几十年的不断试验，在失败中积累经验。一款新的芯片从构想，到量产问世需要十年以上的时间，其中，制造芯片的设备需要五年的研发周期，而芯片厂商从建厂到量产又需要五年。先进制程生产的芯片由于对工艺、设备、材料等方面的要求更高，因此需要的时间更长。2022年，欧盟委员会公布的《芯片法案》中计划投资约500亿美元以新建2～4家超级芯片工厂，包括带动的其他公共与私人投资预计达到1500亿欧元，但预计到2030年也只能将欧盟的芯片产能从目前占全球10%的份额提高到20%，可见芯片的制造实属不易。大量的自动化工具使得芯片设计过程变得更顺利，设计芯片比以往任何时候都更容易，而制造芯片却从未如此艰难。

在晶圆代工市场规模方面，IC Insights预估，排除三星及英特尔等IDM之外的纯晶圆代工市场，2019年的规模减少了1%，但2020年增长了19%，增长幅度创下近年新高。

如图1-15所示，纯晶圆代工市场规模在2014—2019年的年复合成长率（CAGR）达6.0%，2019—2024年的CAGR将增加3.8个百分点达9.8%。

汽车行业是“芯片荒”的重灾区，调研机构IHS Markit表示，2021年一季度因芯片短缺导致的汽车减产数量达67.2万辆，二季度减产约130万辆。目前看来这一短缺难以提到快速缓解，根据2021年中国银行研究院的报告，全球晶圆工厂在2015—2019年扩产不足，尤其是8英寸等成熟制程。全球芯片制造龙头台积电通常采取较为激进的折旧策略，设备折旧完成后即对成熟制程降价以打击竞争对手，导致8英寸晶圆等成熟制程利润有限，晶圆产能整体呈现出由8英寸向12英寸转移的趋势。根据IC Insights统计，2009—2019年，全球共关闭了100座晶圆代工厂，其中，8英寸晶圆工厂为24座，占比24%，6英寸晶圆工厂为42座，占比42%。目前8英寸设备主要来自二手市场，数量较少且价格昂贵，设备的稀缺钳制着8英寸晶圆产能的释放。8英寸晶圆通常对应90纳米以上制程，在这些制程下生产的功率器件、CIS、PMIC、RF、指纹芯片及NORflash等产品的产能被明显限制。

根据SIA发布的数据显示，2021年全球半导体市场销售额总计5559亿美元，同比增长26.2%，创下历史新高。同期，中国以1925亿美元的半导体销售额成为全球规模最大的区域市场，占比34.6%，同比涨幅为27.1%，全球第三，位于美国（27.4%）和欧洲（27.3%）市场之后。

近几年，集成电路已成为“科技战”的关键战场。多重因素驱动下，中国集成电路市场规模逐年增长，产业整体实力迅速提升，产业结构不断优化，产业区域聚集度也不断提高。2022年3月，中国半导体产业协会（CSIA）发布统计数据表示：2021年是中国“十四五”开局之年，在国内宏观经济运行良好的驱动下，国内集成电路行业继续保持快速、平稳增长态势，2021年中国集成电路行业首次突破万亿元。2021年中国集成电路行业销售额为10458.3亿元，同比增长18.2%。其中，设计业销售额为4519亿元，同比增长19.6%；制造业销售额为3176.3亿元，同比增长24.1%；封装测试业销售额为2763亿元，同比增长10.1%。2015—2021年我国集成电路行业销售收入及增长情况如图1-16所示。

即使我国集成电路销售收入不断增长，但相对更为旺盛的需求而言，中国本土的产能还是严重不足的。

造成这一现象的原因是中国本土芯片产业的研发能力与制造能力严重不匹配。而高端芯片研发人才和制造人才资源短缺，使这一问题雪上加霜。中芯国际联席CEO赵海军在2021年红杉数字科技全球领袖峰会上表示，如果本地制造能够实现对于三成本土需求的支撑，那么国内的半导体制造业至少还要增长五倍的产能。IC Insights预测，以中国本土为基地的集成电路制造业在2025年将上升到432亿美元，只占预测的2025年全球集成电路市场总额5779亿美元的7.5%。即使对一些中国本土生产商的集成电路销售加价，中国本土的集成电路生产仍可能只占2025年全球集成电路市场的10%左右。由此可见，我国已是集成电路大国，拥有比较完整的集成电路产业链和产品体系，但还不是集成电路强国，主要短板体现在集成电路制造上。供应链分析公司Supplyframe首席营销官巴奈特表示，芯片短缺将持续到2023年，未来将会“一波接一波”冲击市场，那么对于中国本土芯片行业来说，突围之路的第一步就是扩产。

全球高科技产业研究机构集邦咨询统计，2022年以后全球将新增12座完整的晶圆代工厂。中国本土的半导体制造业也在迅速扩大产能，以中芯国际为例，2021年2月，中芯国际在北京亦庄投资的中芯京城一期项目开始建设，该项目投资总额约为497亿元，预计于2024年完工。2021年3月，中芯国际宣布斥资88.7亿美元新建上海临港厂房，规划建设新的晶圆代工生产线项目，聚焦于28纳米及以上技术节点（属于成熟制程，是目前全球多个产业迫切需要的芯片类型），产能达到每月10万片12英寸晶圆的规模。2021年10月，深圳市坪山区投资推广服务署公示了中芯深圳12英寸晶圆代工生产线配套厂房项目遴选方案，中芯国际斥资23.5亿美元建立深圳坪山厂房，全力推动12英寸生产线建设。中芯国际在北京、上海、深圳的扩产项目均属于公司12英寸成熟制程，投资金额总计超1200亿元。同时我们关注到，随着全球先进芯片制程迈入5纳米工艺节点，每座单一晶圆厂的投资规模也普遍达到千亿元人民币的规模。

如图1-17所示，随着工艺节点不断微缩，虽然芯片的设计成本也有所增加，但这种增长即使到了5纳米节点也可以控制在5亿美元左右，而制造成本则达到了设计成本的近十倍，是7纳米的两倍，从最初在65纳米的4亿美元左右达到60亿美元左右。未来先进制程芯片的工厂投资如此巨大，导致建立这样先进工厂的机会越来越少。目前几个巨头之间的竞争也会白热化，而其他腰部和尾部的半导体厂商无论是资本实力，还是技术储备都难以进入这些领域。

如图1-18所示，在130纳米量产时代，全球有18家芯片厂商；到了14纳米节点，全球只有4家，包括中国的中芯国际；到了10纳米只剩下3家；7纳米厂商则只有台积电和三星。

即使未来的总体产能可以满足需求，但由于人们对于算力和体验有着无尽的追求，包括元宇宙的兴起，最为先进的芯片供给始终不会宽裕。换句话说，无论是先进芯片制造的设备还是厂商，其规划的产能都是被提前预订的，就如同先进芯片制造厂商在抢ASML最先进的光刻机，终端产品厂商都在抢台积电最先进的芯片一样。在这样的情况下，大量腰部与尾部的芯片厂商即使不进入先进制程领域，而是在相对成熟的制造发力，也同样面临与先进厂商的产品竞争。在设备、工艺、材料相对固定的情况下，必须通过智造软件不断提升良率和产能，同时降低成本，才能占领市场的一席之地。

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(1)戈特弗里德·威廉·莱布尼茨（Gottfried Wilhelm Leibniz，1646—1716）的一篇关于二进制与中国伏羲八卦图的论文。原文于1703年完成，最初于1705年发表在巴黎出版的《1703年皇家科学院年鉴》。

(2)微电子研究中心（Interuniversity Microelectronics Centre， IMEC）是一个科技研发中心，创办于1984年，位于比利时。它拥有来自全球近80个国家的4000多名研究人员，是世界领先的纳米电子和数字技术领域研发和创新中心。作为全球知名的独立公共研发平台，IMEC是半导体业界的指标性研发机构，拥有全球先进的芯片研发技术和工艺，与美国的Intel和IBM并称为全球微电子领域的“3I”，与英特尔、三星、TSMC、高通、ARM等全球半导体产业链巨头有着广泛合作。

(3)所有收入均为2020年。三星收入数据为其半导体部门。西部数据的收入数据仅针对闪存部分。公司名单以举例说明，并非详尽无遗。

(4)《在不确定的时代加强全球半导体供应链》（Strengthening the Global Semiconductor Supply Chaininan Uncertain Era）。

(5)元宇宙（Metaverse），或称为后设宇宙、形上宇宙、元界、魅他域、超感空间、虚空间，是一个聚焦于社交连接的三维虚拟世界网络。作为一个持久化和去中心化的在线三维虚拟环境，人们将可以通过虚拟现实眼镜、增强现实眼镜、手机、个人计算机和电子游戏机进入人造的虚拟世界。目前元宇宙的运用，主要受到与实时虚拟环境交互所需的硬件设备和传感器的技术限制。融入元宇宙的影视作品有很多，例如《黑客帝国》《头号玩家》《创战纪》。

(6)中国半导体行业协会发布的《美国半导体研发占比达18.6%全球第一，美半协呼吁加强制造业投资》援引了美国半导体行业协会（SIA）发布的《2021年美国半导体行业报告》。

(7)1999年，物联网（IoT）的概念被初步提出。物联网通过传感器和小工具将物理世界中的一切连接到互联网。这些小工具具有唯一标识，并且能够在连接到互联网后自动发送和接收信息。

(8)德州仪器（Texas Instruments， TI）是全球领先的半导体公司，为现实世界的信号处理提供创新的数字信号处理（DSP）及模拟器件技术。TI总部位于美国得克萨斯州，在多个国家设有制造、设计或销售机构。

(9)康斯坦丁，2021，《“芯片荒”会是中国制造的机会吗？》。

(10)单点故障（Single Point of Failure， SPOF）指体系中某一个一旦失效就会令整个体系无法运转的环节。

(11)芯东西，2022，《430亿欧元，能扶起欧洲芯片制造业吗？》。

(12)2021年3月9日，欧盟委员会正式发布《2030数字罗盘：欧洲数字十年之路》（2030 Digital Compass: The European Way for the Digital Decade），为欧盟到2030年实现数字主权的愿景指出方向。

(13)蒋尚义，1946年出生于中国台湾，比张忠谋小15岁。1974年获得斯坦福大学博士学位，之后任职于德州仪器和惠普。1997年返回中国台湾进入台积电担任研发副总裁，2006年7月首度退休，2009年被张忠谋返聘后担任首席运营官，2013年再度退休。2016年12月首次加入中芯国际，2019年6月加入武汉弘芯担任首席执行官，2020年12月重回中芯国际担任副董事长。2021年11月，蒋尚义辞去中芯国际公司副董事长、执行董事及董事会战略委员会成员职务。

(14)Mikron成立于1964年，总部位于泽列诺格勒，是俄罗斯最大的微电子制造商和出口商之一，占据了54%的出口业务，采用180/90/65纳米的工艺制程。Angstrem则成立于1963年，是俄罗斯领先的全周期微电路和功率半导体器件生产企业，同时也是唯一一家能够提供工业级规模生产的电子元件制造商。

(15)格芯（Global Foundries）是一家总部位于美国的半导体晶圆代工公司，起初是从超微半导体的制造部分剥离而出，目前为世界第四大专业晶圆代工厂，仅次于台积电、三星电子及联华电子。

(16)联合新闻网，2022，《欧洲芯片法案宣示欧盟誓保半导体产业要角的决心》。

(17)恒大研究院、连一席、谢嘉琪，2018，《全球半导体产业转移启示录》。

(18)AIoT=AI+IoT（物联网）。AIoT融合AI技术和IoT技术，通过物联网产生、收集来自不同维度的、海量的数据存储于云端、边缘端，再通过大数据分析，以及更高形式的AI，实现万物数据化、万物智联化。

(19)IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管），兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。

(20)MEMS（Microelectromechanical Systems，微机电系统），微机电系统是将微电子技术与机械工程融合到一起的一种工业技术，它的操作范围在微米尺度内。

(21)信息物理生产系统（Cyber Physical Production System， CPPS）是信息物理系统在生产领域中的一个应用，它是一个多维智能制造技术体系。CPPS以大数据、网络和云计算为基础，采用智能感知、分析预测、优化协同等技术手段，将计算、通信、控制三者有机地结合起来，结合获得的各种信息和对象的物理性能特征，形成虚拟空间与实体空间的深度融合，具有实时交互、相互耦合、及时更新等特性，实现生产系统的智能化和网络化，包括自感知、自记忆、自认知、自决策、自重构运算与分析等。

(22)信息物理系统（Cyber Physics System，CPS）从2006年开始出现，是可以快速、有效开发以计算机信息为中心的物理和工程系统的科学技术，目标是引导新一代互联、高效、高性能的“全球虚拟和局部物理”工程系统。

(23)3C是指计算（Computation）、通信（Communication）、控制（Control） 。

(24)SECS（Semiconductor Equipment Communication Standard，半导体设备通信标准），GEM（Generic Equipment Model，通用设备型号）。

(25)尹志尧，1944年出生，美籍华人。中国科学技术大学学士，加州大学洛杉矶分校博士。1984—1986年，就职于英特尔中心技术开发部，担任工艺工程师；1986—1991年，就职于泛林半导体，历任研发部资深工程师、研发部资深经理；1991—2004年，就职于应用材料，历任等离子体刻蚀设备产品总部首席技术官、总公司副总裁及等离子体刻蚀事业群总经理、亚洲总部首席技术官；2004年至今，担任中微公司董事长及总经理。2012年，尹志尧获得上海市“白玉兰纪念奖”。2020年8月，尹志尧位列“2020福布斯中国最佳CEO榜”第30位。

(26)PPAY（即功率、性能、面积、良率：Power、 Performance、 Area、 Yield）或PPAC（即功率、性能、面积、成本：Power、Performance、Area、Cost）一直是所有芯片产品开发避不开的关键要素。

(27)埃米（Angstorm）是晶体学、原子物理、超显微结构等常用的长度单位，其尺寸是纳米的十分之一。

(28)异构集成（Heterogeneous Integration）是指在封装层面，通过先进封装技术将不同工艺节点、不同材质的芯片集成在一起，如将Si、GaN、SiC、InP生产加工的芯片封装到一起，形成不同材料的半导体协同工作的场景。基于异构集成的异构计算可以充分利用各种计算资源的并行和分布计算技术，能够将不同制程和架构、不同指令集、不同功能的硬件进行组合，已经成为解决算力瓶颈的重要方式。

(29)Jacob George， 2021，Challenges In Adopting ML In Manufacturing 。

(30)McKinsey & Company，2021，Scaling AI in the Sector that Enables it: lessons for Semiconductor-Device Makers。