第1篇
机遇篇：半导体芯片全球进程与智造机遇
第1章
集成电路推动全球GDP增长与工业革命
1.1 集成电路推动全球GDP增长三十年与中国成就
1.1.1 半导体集成电路一直所处的战略领地
1）底层计算逻辑与其本质结构有关
所谓半导体，是指一种导电性能介于导体和绝缘体之间的材料，它的电阻比导体大得多，但又比绝缘体小得多，其电学性能可以人为加以改变。许多电气和电子设备有两种状态：关闭或开启（例如电灯开关），真空管和晶体管都是如此，以0和1来代表开关的断开和闭合。逻辑是数字电路的精髓，所有的功能归根结底都是逻辑功能，而逻辑的基本构成元素是逻辑0和逻辑1。通过半导体材料制造出的晶体管恰好具备这种功能—通过电信号来控制自身开合，这使计算机可以理解两个数字：0和1，并在其中完成所有二进制模式的算术运算。二进制是机器语言，计算机使用它来处理、读取和写入数据，半导体这一属性奠定了整个数字时代的计算基础。
如图1-1所示，物质基本的结构属性在很大程度上决定了计算的规则，比如人类计数最为常见的十进制和计算机基于半导体属性的二进制。
图1-1 人类的十进制与计算机的二进制
资料来源：中国珠算博物馆
在人类的语言中，广泛使用0～9这10个数字符号进行记数，这也是我们日常生活中使用最多的进位制—十进制。在各个古文明中都有使用十进制记数的历史，例如，从我国古代公元前13世纪的甲骨文中，就找到了十进制的记数符号。为什么人类使用十进制而计算机语言使用二进制呢？这可能源于人类十指的生理结构特点，原始社会的人类学会使用简单工具进行捕猎获得生存，但还只会使用简单的语言交流，计数是交流中的重要内容（比如获得的猎物数量或剩余的食物数量等），那么辅以手指来计数是最自然的。计算机的二进制也跟“硅基生命”的“生理结构”有关，如上所述，是半导体的开关形成了0与1的特征，所以就有了二进制。二进制在半导体出现后成为计算机的底层计算语言并获得了广泛认知，但二进制在我国历史上同样历史久远，0和1如同中国古代《易经》提出的阴和阳两种状态，通过阴和阳的两两组合，又形成了《易经》的六十四卦象。《易经》的这些符号，引起了数学家莱布尼茨的兴趣，他在1703年就发表了《论只使用符号0和1的二进制算术，兼论其用途及它赋予伏羲所使用的古老图形的意义》(1)，使用现代数学语言的方式阐述了二进制。随后又过了200年，在1904年，全球第一个基于二进制特征的电子管才在英国被发明出来。技术的进步是人类文明发展的根本动力，其发展的过程与突破都遵循一定的逻辑与规律，或许未来随着新材料结构的发现，人类可以发明出更低能耗、更小空间占用，却有更大规模和更高效率的新进制算法。
2）半导体的科学探索
半导体产业的发展经历了科学探索与技术发明这两个过程。表1-1阐述了半导体四个特征的发现过程。
表1-1 半导体四个特征的科学探索里程碑
资料来源：基于半导体发展史整理
图1-2是发现半导体特征的四位科学家。
图1-2 发现半导体特征的四位科学家
资料来源：Wikipedia半导体
3）半导体的技术发明与中国事件
当人类的科学探索达到一定的阶段，应用其成果进行技术发明就应运而生。为了有一个新的视角一览中西的发展进程，表1-2简单罗列了世界半导体技术发明的重大事件和当时中国重要事件的对照。这个对照告诉我们，科学探索与技术发明都有历史的脉络与进展，既需要勇于探索的精神，也需要坚韧的意志，当然还需要时间。很多半导体集成电路产业的专业人士也反复强调，发展芯片是一个长期的过程，容易发现的都被发现了，容易发明的也都被发明了，难以发现和发明的只会难上再难。
表1-2 半导体技术发展里程碑与中国重要事件对照
①图灵（Alan Turing），英国计算机奇才、密码学家、逻辑学家、计算机与AI之父。
续表
资料来源：基于半导体发展史与中科院编年史编辑
①罗伯特·诺顿·诺伊斯（Robert Norton Noyce，1927—1990），仙童半导体公司和英特尔的共同创始人之一，有“硅谷市长”“硅谷之父”的绰号。诺伊斯也是电子器件集成电路的发明者之一。
②杰克·基尔比（Jack Kilby，1923—2005），集成电路的两位发明者之一。1958年，他成功研制出世界上第一块集成电路。2000年，基尔比因集成电路的发明被授予诺贝尔物理学奖。这是一个迟来42年的诺贝尔物理学奖。迄今为止，正全面改造人类的个人计算机、移动电话等，皆源于他的发明。
③金属氧化物半导体场效晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor， MOSFET）是一种可以广泛使用在模拟电路与数字电路的场效晶体管（Field-Effect Transistor）。
4）半导体、集成电路与芯片的关系
在业界，半导体、集成电路与芯片经常混用。老牌公司经常爱称自己为半导体公司，显然这是一个更为悠久而广泛的疆界；而新一代公司却乐于称自己是元宇宙公司，他们更愿意畅想未来无限的可能。半导体与集成电路有时候称为产业，有时候又称为行业，芯片又经常作为集成电路的统称。为了理清三者之间的关系，表1-3列出了半导体、集成电路与芯片的定义与关联。
表1-3 半导体、集成电路与芯片的定义与关联
资料来源：作者根据网络数据编辑
半导体主要由四个部分构成：集成电路、分立器件、光电器件、传感器。由于集成电路又占了器件80%以上的份额，因此通常将半导体和集成电路等价。集成电路按照产品种类又主要分为四大类：模拟器件、逻辑器件、微处理器、存储器。通常我们统称它们为芯片，芯片是由晶体管组成的，严格意义上讲，晶体管泛指一切以半导体材料为基础的单一组件，包括各种半导体材料制成的二极管、三极管、场效应管、可控硅等。晶体管有时多指晶体三极管。图1-3展示了英特尔自发布全球第一款CPU后50年的性能巨变。
图1-3 英特尔自发布全球第一款CPU后50年的性能巨变
资料来源：英特尔官网
英特尔是集成电路发展史的代表，让我们来简单回顾一下：
● 1971年，英特尔推出了它的第一款处理器：4004，它使用10微米制程，是一款4位的处理器，集成了2250个晶体管，每秒运算6万次，关键是成本得以控制在百美元之内。它虽然弱小，但意义重大。它被时任英特尔公司CEO的戈登·摩尔称为“人类历史上最具革新性的产品之一”，实现了从0到1的突破。
● 1978年，英特尔推出了一款16位的处理器：8086。
● 1979年，英特尔又推出了8088，它是第一个成功应用于个人计算机的CPU。
● 1982—1989年，陆续推出了80286、80386、80486微处理器。
● 1993年3月，英特尔正式发布了自己的第五代处理器Pentium，并有一个响亮的中文名“奔腾”。这颗俗称586的处理器可以让用户更简单地处理语音、图像和手写任务。于是我们迎来了微软的Windows 3.x的视窗操作系统，从此行业里面有了WinTel（Windows+Intel）联盟一说。
● 1995年，“奔腾Pro”发布，内置550万个晶体管，专为32位服务器和工作站应用设计，可以大大提速计算机辅助设计、机械工程和科学计算。
● 2005年，酷睿走进大众的视野，酷睿i3、i5、i7成为个人计算机的主流。
● 从第一颗CPU算起，50年后的2021年，英特尔最新的12代酷睿CPU采用7纳米工艺，集成了数十亿个晶体管，比4004提升了近五万倍。
● 2022年，英特尔发布了英特尔Core i9-12900KS桌面异构微处理器，拥有30MB高速缓存，可提供8个性能核心和8个效率核心。性能核心（P-core）支持超线程，可同时处理24个线程。性能内核的频率最高可达5.5 GHz（Turbo Boost Max 3.0）。
5）又长又宽的集成电路产业
集成电路作为半导体产业的核心，技术错综复杂，产业结构高度专业化。随着行业规模迅速扩张，产业竞争加剧，分工模式不断细化。半导体产业的整个价值链有着明显的区域专业化特征，也反映了各国在集成电路领域的竞争比较优势。
● 美国由于拥有顶尖的大学和大量优秀的工程人才，设立了很多研究机构并建立了完善的产业链生态，商业模式也非常健壮，有大量芯片设计软件公司、芯片设计公司。
● 东亚大部分地区拥有良好的基础设施、成本效率和熟练的工人，加上政府的补贴，可以在晶圆制造和材料生产上发力。
● 欧洲则在尖端的研发密集型领域发挥着重要作用（例如，荷兰的ASML公司处于世界领先地位，英国的ARM公司是芯片知识产权的核心），并有强大的基础研究（例如，比利时的IMEC(2)、法国的CEA-Leti、荷兰的TNO和德国的Fraunhofer等研究中心），还与大学建立了广泛的研发联盟。
由于半导体涉及的技术过于宽泛，其产业的专业化与资源能力分布的全球化明显，随着产能的不断攀升，其整个全球价值链上的公司之间的依赖性也越来越强。例如：ASML EUV光刻机需要超过10万个零配件，而且很多还是定制的；美国的F-35隐形战机需要超过20万个零配件，整机拥有超过3500个集成电路和200种不同的芯片。
表1-4为按类型和收入划分的全球主要半导体公司。
表1-4 按类型和收入划分的全球主要半导体公司
②半导体芯片行业的三种运作模式，分别是IDM（Integrated Device Manufacturer，垂直整合制造）、Fabless（没有芯片加工厂）和Foundry（代工厂）模式。IDM有2C的业务，而Foundry只有2B的业务。IDM模式指从设计、制造、封装测试到销售自有品牌产品都一手包揽。
集成电路最初发展的强驱力是满足军工的发展需求，特别是需要通过集成电路来制造精密、轻便、可靠的导弹电子导航系统。按照浙江大学吴汉明院士的提法，集成电路芯片的行业生态链“又长又宽”。集成电路大体上可分为设计、制造和封装测试。由于计算机从一开始就是集成电路的主要应用，因此数字集成电路已大行其道，从导弹的电子导航系统开始，我们看到，如今通过数字语言设计集成电路并实现其功能控制、同时与其他系统进行无缝通信的电子系统已是无处不在。
图1-4展示了“又长又宽”的集成电路全产业链。
图1-4 “又长又宽”的集成电路全产业链
注：公司名单以举例说明，并非详尽
资料来源：根据ITTBANK@芯语制图加工
集成电路芯片对全球经济增长的价值非常明显。从行业组织和咨询机构来看，根据美国半导体协会（SIA）发表的数据显示，全球在2020年制造了约1万亿颗芯片，在2021年售出了约1.15万亿颗芯片，按全球2021年人口约为78亿计，每人可以分到147颗芯片。如今，每个家庭都可能拥有了上千颗芯片。例如，2021年生产一辆新能源汽车，由于电子化、智能化的需要，平均每辆车所需芯片数量已经达到了1000颗以上，而一部手机也需要有几百个电子组件。芯片的大量使用除了本身的市场价值外，其辐射效应十分明显。芯片普及进一步推动了全球经济的发展，据国际货币基金组织测算：1元的集成电路（芯片）产值将带动10元左右的电子产品产值和100元左右的国民经济增长。
如表1-5所示，在2017—2021年，全球前四的半导体企业名单相差不大，英特尔与三星一直排在前二，台积电与SK海力士在第3、第4的位置，美光、博通与高通的位置是在第5、第6、第7，倒是英伟达在取代东芝的位置后持续攀升。与CPU相比，英伟达通过GPU很好地解决了深度学习所需要的庞大算力问题，为AI发展作出了巨大贡献。而联发科也在2021年第一季度取代了德国的英飞凌排到了全球第十位。
表1-5 2017—2021年全球前十半导体企业榜单
资料来源：IC Insight前瞻产业研究院整理
6）集成电路在过去三十年推动全球GPD的增长
从半导体发展的历程来看，美国SIA和BCG在2021年4月发布的报告(4)表明，自1958年发明集成电路以来，每块硅片上的晶体管数量增加了约1000万个，使处理器的速度提高了10万倍，并且在同等性能下，每年的成本降低了45%以上。再加上工程上的创新，如先进的包装和材料技术，这使得电子器件的性能得到了提高。在1995—2015年，全球GDP中新增的3万亿美元与半导体创新直接相关，并产生了11万亿美元的影响。在过去三十年中，半导体行业经历了快速增长，并带来了巨大的经济影响。从1990—2020年，半导体市场以7.5%的复合年增长率增长，超过了在此期间全球GDP的5%的增长。半导体行业所带来的性能和成本的改善，使20世纪90年代从大型机到个人计算机的演变成为可能，21世纪推出支持互联网架构的大型服务器集群后，半导体行业继续推动2010年以来智能手机的快速发展，使之成为每人口袋里的计算机。
从行业代表性企业的角度来看，2022年3月，美国高盛发布数据推测2021年美国GDP的12%，即约2.76万亿美元与台积电相关，依据台积电2021年度营收为568.2亿美元计算，其杠杆比例达到约49倍。在2019年的第二届全球IC企业家大会暨第十七届中国国际半导体博览会上，时任中国半导体产业协会理事长、中芯国际董事长周子学表示：半导体产业是宏观经济的晴雨表，其发展水平与全球GDP增速呈正相关。自2018年来，受全球贸易摩擦等外部因素影响，半导体产业也受到一定波及。尽管全球贸易体系面临挑战的不确定性在增大，但全球半导体产业同仁也在积极行动，协同应对。同时，全球半导体技术仍在遵循摩尔定律加速演进，超摩尔定律也在蓬勃发展。在技术持续进步的驱动和5G、智能网联汽车、AI等新兴市场海量需求的带动下，预计全球半导体市场会呈不断上升的趋势。
从行业学术机构的视角来看，在2021年的一个半导体产业峰会上，清华大学教授魏少军表示：1987—2002年的16年里，全球GDP累计为445.5万亿美元，平均每年为27.84万亿美元。2003—2020年的18年里，全球GDP累计达到1221.4万亿美元，平均每年67.85万亿美元，是前面16年的2.44倍。2000年之后，以互联网技术、移动通信技术，尤其是二者的结合—以移动互联网技术为代表的信息技术产业的崛起，促进了全球经济的高速发展。
如图1-5所示：在最新2022年的McClean Report中，从全球GDP增速与半导体市场增速的对比来看，在这个三十年（1992—2021年）的整体起伏趋势中，集成电路市场的较大跌宕是从2019年开始的，全球新冠疫情暴发后，其跌幅为15%。随后的一年，全球GDP增速受到集成电路市场下行及疫情的影响，出现了历史最大跌幅–3.6%。随着2020年集成电路市场触底反弹，提前释放和复苏并出现了13%的增长，再一次推动了全球GDP的增速达到了2021年的历史最高5.4%，其中的一个主要原因是疫情之后，全球对数字经济有了更多的依赖，包括近年大热的元宇宙(5)概念。在可以预见的未来，尚不会出现能够替代集成电路的其他技术，所以这样的对比曲线在未来相当长的一段时间内都会延续。
图1-5 1992—2021年全球集成电路市场增速与GDP增速呈现正相关
资料来源：The McClean Report 2022
集成电路行业推动了全球GDP的增长，那么是谁在推动集成电路行业的发展呢？集成电路的快速发展是过去三十年全球巨额投资和行业集体智慧推动发展的成果。集成电路产业应用的领跑者是美国。美国政府很早就意识到半导体产业的战略意义，它为先进的国防、通信、大数据和AI等行业提供了基础支持技术。
● 根据中国半导体行业协会援引SIA的报告(6)：2000—2020年，美国半导体产业研发支出的年复合增长率约为7.2%。2020年，美国半导体产业研发投入合计440亿美元。
● 根据美国官方组织统计的美国上市公司数据，美国芯片上市公司2019年的研发投入和资本支出总计717亿美元。1999—2019年，美国芯片上市公司整体资金总投入将近9000亿美元。就研发占比（研发支出占销售额的百分比）而言，美国半导体产业达到18.6%，在美国仅次于制药和生物技术产业，超过了任何其他国家的半导体产业。高水平的研发再投资推动美国半导体创新行业发展，进而维持其全球销售市场份额的领先地位并创造就业机会。
从电子产业技术发路径来看，20世纪基于无线电技术发明了电报等技术，之后催生了真空电子管技术，而后军事技术革命催生了互联网产业革命，芯片技术的成熟又催生了个人计算机的技术革命。进入21世纪，技术革命的步伐越来越快，从移动互联网到物联网(7)，再到第四次工业革命中虚实结合的信息物理系统（CPS）、数字孪生（DT）、元宇宙（Metaverse）等。人类又再次迈向第五次工业革命，向超级人类的方向狂奔。以往每次的技术革命浪潮都是建立在上一代技术革命的基础上，可21世纪的技术革命特点有所不同，其在科学知识爆炸的背景下出现了大量的交叉科学，出现了多头并进的技术融合。例如，超级人类计划就是典型的代表之一，它至少包括人类在电子及生物两个维度最前沿的研究和混合应用，这两个方向也是美国研发比最高的两个领域。2020年12月，我国国务院学位委员会、教育部发出通知：“交叉学科”成为我国第14个学科门类，并于该门类下设立“集成电路科学与工程”一级学科。这被认为是国家培养创新型人才，解决制约我国集成电路产业发展难题的有力举措。
7）集成电路发展的内在逻辑与全球竞争
1958年，美国德州仪器(8)展示的全球第一块集成电路板标志着世界进入集成电路时代。作为一个发展跨越六十多年的行业，集成电路每一次进步都有它的内在逻辑(9)，这个逻辑就是持续的科学探索与重要的技术发明，再加上由广泛的国际联盟支撑起的严谨的产业布局和全球的市场应用。
集成电路是一个高技术、高门槛、长周期和需要远规划、近投入的产业，纵观美国、日本、韩国这些半导体强国，大都经历过痛苦的鏖战。美国是全球集成电路产业发展的起源地，经过多年的发展涌现了一批如英特尔、高通、博通、德州仪器等优秀的集成电路生产企业，且这些企业普遍具有一定的实力不断研发集成电路技术。康斯坦丁对美国在半导体、集成电路行业的发展历程作了概括性的描述：美国在二战中大发战争财，二战以后就稳居半导体产业高地，而且能长期地、阔绰地把大量资金投入芯片行业。自1961年开始，美国的芯片研发费用占GDP的比重要远远高于欧洲、日韩等发达地区，且专注于底层架构、基础技术的研发。此外，美国长期着眼于全球布局，自20世纪70年代开始，美国向日本提供技术和设备支持，把一些繁杂试验放到国外，自己却把持着光刻机前五的企业以及芯片设计纠错软件领域。也正因如此，美国才能为本国企业创造更优越的竞争环境，从而保持其在产业链中高昂的利润收益。如果从二战结束开始计算，美国、日本已经积累60多年，三星芯片自20世纪70年代开始直到90年代才有所起色，亏了近20年的钱才一步一步发展到现在的规模。所以我国也要把集成电路当成一项长期、艰苦的战略任务来对待。
欧盟近年来认识到芯片的重要性，希望提高战略自主性。特别是新型冠状病毒感染暴发令欧盟进一步意识到，如果全球供应链受到严重破坏，欧洲一些工业部门将很快陷入芯片短缺，许多行业将因此陷入停滞。位于柏林的德国智库新责任基金会的科技政策专家克莱因汉斯（Jan-Peter Kleinhans）在接受彭博社采访时指出，占据了晶圆代工环节过半市场份额的中国台湾，已经成为“整个半导体产业链上最为致命的潜在单点故障(10)”。因此，欧盟从2020年就开始加强并不断巩固半导体产业的联合发展体系，回顾近年的重大进程如下：
● 2020年12月，欧盟22个成员国签署了关于欧洲处理器和半导体技术倡议的宣言(11)。他们注意到，欧洲在全球半导体市场的份额远低于其经济地位。他们同意“特别努力加强处理器和半导体生态系统，并扩大整个供应链的工业存在，以应对关键的技术、安全和社会挑战”。
● 2021年3月，欧盟委员会基于之前的共同宣言，发布“2030数字罗盘计划(12)”，即到2030年，“欧盟尖端和可持续发展的半导体产量至少占世界的20%”，旨在构筑一个以人为本、可持续发展的数字社会。该计划雄心勃勃，希望增强欧洲的数字竞争力，摆脱对美国和中国的依赖，使欧洲成为世界上最先进的数字经济地区之一。该计划的根本目标是落实欧盟委员会主席乌尔苏拉·冯德莱恩关于“增强欧洲数字主权”的要求。可见，“数字”已不仅是技术革命或先进制造，而是主权！
● 2021年7月，欧盟委员会启动处理器和半导体产业联盟，明确欧盟当前在微芯片生产方面的差距。同年9月，欧盟委员会主席乌尔苏拉·冯德莱恩在“盟情咨文”中提及欧洲芯片战略愿景，表示将构建欧洲芯片生态系统。
● 2022年2月，欧盟委员会公布了备受关注的《芯片法案》，旨在确保欧盟在半导体技术和应用领域的竞争优势以及芯片供应安全，进而成为这一领域的领导力量。根据法案，到2030年，欧盟拟动用超过430亿欧元的公共和私有资金，支持芯片生产、试点项目和初创企业，并大力建设大型芯片制造厂。根据《芯片法案》，到2030年，欧盟计划将芯片产量占全球的份额从10%提高至20%，满足自身和世界市场需求。乌尔苏拉·冯德莱恩表示，该法案将提升欧盟的全球竞争力。在短期内，此举有助预判并避免芯片供应链中断，增强对未来危机的抵御能力；从长远来看，《芯片法案》应能实现“从实验室到晶圆工厂”的知识转移，并将欧盟定位为“创新下游市场的技术领导者”。
违背了科学基本规律与产业发展逻辑的大跃进是危险的。过去几年，我国先后出现了若干个以“总投资1280亿元的武汉弘芯半导体制造项目”为代表的、被业界称为“纸上谈兵”的集成电路烂尾项目。6起百亿级的重大芯片项目烂尾，引起了业界广泛的质疑与批评。事实上，创立于2000年的中芯国际才完成14纳米的量产，以此技术发展时间线来看，武汉弘芯2020年高调宣称的主攻14纳米每月3万片量产、紧接着拿下7纳米的目标根本不可能实现。据腾讯网报道：弘芯项目请到的芯片界传奇人物蒋尚义(13)也极有可能是被利用来为他们作秀，甚至事后发现弘芯最初的几个组局人全无半导体从业背景，甚至大多是大专学历。国家发改委新闻发言人孟玮曾在2020年10月举行的新闻发布会上表示：“一些没经验、没技术、没人才的‘三无’企业投身集成电路行业，个别地方对集成电路发展的规律认识不够，盲目上项目”。对此，发改委将按照“谁支持、谁负责”原则，对造成重大损失或引发重大风险的地方予以通报问责。之后，发改委将会同有关部门强化顶层设计，狠抓产业规划布局，努力维护产业发展秩序。在2020年11月，武汉市政府正式接管武汉弘芯，由武汉东西湖区国有资产监督管理局100%持股的两家公司接手。新华网评论说：集成电路产业也要防止“一哄而上”，发展集成电路产业尤其是核心高端芯片并非易事，我国在这一领域本就起步较晚、与发达国家差距较大，不少企业和地方政府还对其产业特性和规律认识不足。发展集成电路产业应坚持“主体集中、区域集聚”原则，做好规划布局，避免“遍地开花”带来的重复建设、资源浪费和恶性竞争。