集成电路产业技术发展趋势与突破路径

于燮康

超大规模集成电路是衡量一个国家极端制造能力的一个重要领域，其发展水平不可能脱离集成电路产业和技术的现状。集成电路广泛应用于现代社会和国民经济的一切领域，应充分理解全球集成电路产业和技术发展趋势，清醒认识我国集成电路产业和技术的发展差距，积极探索产业技术和产业结构升级路径。

集成电路技术主要沿着三个方向发展：一是延续摩尔定律（More Moore），继续以等比例缩小CMOS器件的工艺特征尺寸，提高集成度，以及通过新材料的运用和器件结构的创新来改善电路的性能； 二是扩展摩尔定律（More than Moore），以系统级封装（SiP）为代表的功能多样化道路成为半导体技术发展的新方向，着眼于增加系统集成的多种功能，而不是像过去那样一直追求缩小特征尺寸和提高器件密度； 三是超越CMOS（Beyond CMOS），探索新原理、新材料和器件与电路的新结构向着纳米、亚纳米以及多功能化器件方向发展，以碳基纳电子学、自旋电子器件、分子开关等为代表的后CMOS技术将会快速发展。未来几年，我国集成电路产业在国家集成电路产业推进纲要及应用市场的引领下，产业技术将继续沿着上述三个方向推进。设计业除提供集成电路产品外，还向客户提供完整的应用解决方案，移动智能终端的基带芯片和应用处理器仍将保持较好水平。晶园业工艺特征尺寸推进到20纳米产业化，16纳米/14纳米新工艺实现重大突破。封测业以TSV技术为基础的3D/2.5D封测工艺大量推广，我国与世界领先水平的差距进一步缩小。

全球集成电路产业发展概况

根据市场调研机构Gartner数据，2014年全球半导体市场规模达到3354亿美元，同比增长接近10%，为近四年增速之最，主要得益于智能手机、平板电脑、汽车及通信等应用的需求量大增。伴随着行业集中度越来越高，行业发展也逐步结束过去高增长和周期性波动的发展局面，开始步入低速平稳发展阶段，产业结构调整步伐加速，就今年上半年情况来看全球半导体业受应用市场影响增长受阻，预计2015年全球半导体市场规模仅增长2.2%，总额大约在3430亿美元。（图1）

2014年世界半导体产业主要国家（地区）都有不同程度增长，其中：美国（北美）增长最快达到12.7%，其次为亚太地区11.4%，再次为欧洲增长7.5%，日本只增长0.1%。

2014年世界半导体产业市场产品增长的驱动力主要来源于：存储器增长最快21.2%（其中：DRAM表现最佳，其增长率达到34.7%）、分立器件增长12.3%、模拟电路增长10.3%，其他产品大类都有不俗的表现。在产品应用领域，智能手机、汽车电子、通信电子成为世界半导体产品市场发展的主要驱动力。

全球的半导体应用市场主要集中在亚太地区（不含日本），亚太地区也是市场增长最快的地区。亚太地区在全球的市场份额从2008年49.8%增长至2013年的57.1%，预计2016年将达到59.1%。

产品及产业链结构 对2005～2016年全球半导体大类产品结构进行分析与预测，集成电路产品一直稳定占据着80%左右的全球半导体市场份额，其他为分立器件、光电器件等产品。（图2）

晶园业、设计业、封测业三业分别占全球半导体产业整体营业收入的56.8%、27%和16.2%。

从细分的具体产品结构看，2014年世界半导体产品结构规模占比如图3。

12英寸晶圆产能 根据研调机构IC Insights最新统计，2014年三星仍是全球12英寸产能最多厂商。而在全球12英寸产能名列前茅的厂商中，前四大仍都是存储器大厂，台积电则名列第五。

截至去年底台积电的12英寸晶圆月产能已达43万片，占全球比重10.3%，也是纯晶圆代工业者当中，拥有最多12英寸产能者。在台积电的总产能中，12英寸产能已占到44%。

拥有全球第二大12英寸产能的纯晶圆代工业者则是格罗方德，月产能达19.3万片，占全球比重4.6%。值得注意的是，格罗方德近年在12英寸厂扩产动作非常积极，目前12英寸产能已占其总产能的51%。拥有全球第三大12英寸产能的纯晶圆代工业者则是联电，月产能为11万片、占全球比重2.6%。不过在联电总产能中，12英寸仅占26%。

国内集成电路产业发展概况

在市场拉动和政策支持下，“十二五”期间我国集成电路产业快速发展，产业规模快速增长，产业结构逐步优化，整体实力显著提升，集成电路设计、制造能力与国际先进水平差距正开始在逐步缩小，封装测试技术逐步接近国际先进水平，部分关键装备和材料被国内外生产线采用，涌现出一批具备一定国际竞争力的骨干企业，产业集聚效应日趋明显。但是，集成电路产业仍然存在芯片制造企业融资难、持续创新能力薄弱、产业发展与市场需求脱节、产业链各环节缺乏协同、适应产业特点的政策环境不尽完善等突出问题，产业发展水平与先进国家（地区）相比依然存在较大差距，集成电路产品大量依赖进口，难以形成构建国家产业核心竞争力、保障信息安全的有力支撑。

据中国半导体行业协会统计，2014年我国集成电路产业销售收入达3015.4亿元，同比增长20.2%，增速较2013年提高4个百分点，产业规模继续保持快速增长。（图4）

从产业链结构看，2014年集成电路产业链各环节均呈现增长态势。其中，设计业增速最快，销售额为1047.4亿元，同比增长29.5%； 晶园业销售额712.1亿元，同比增长18.5%；封测业销售额1255.9亿元，同比增长14.3%。设计业的快速发展导致国内芯片代工与封装测试产能普遍吃紧。从市场结构看。通信和消费电子是我国集成电路最主要的应用市场，二者合计共占整体市场的48.9%。其中网络通信领域依然是2014年引领中国集成电路市场增长的主要动力。

世界集成电路产业技术发展趋势

未来几年，全球集成电路产业将进入重大调整变革期，随着投资规模迅速攀升，市场份额加速向优势企业集中，不少领域将形成2-3家企业垄断局面。此外，国际企业通过构建合作联盟、兼并重组、专利布局等方式强化核心环节控制力，市场进入壁垒进一步提高。全球集成电路产业依然“大者恒大”；产业技术革新难度加大，速度开始变缓，技术竞争愈发激烈；迅速增长的中国市场将带动着全球产业发展，“中国效应”引领集成电路产业；在投资强度及市场竞争的压力下，商业模式亦悄然变化——众多IDM工厂纷纷转向“轻晶圆厂”模式或代工模式，进入全球晶圆代工行列；全球集成电路产业尤其是制造业呈现出从发达地区向发展中国家和地区转移的趋势。endprint

技术创新是集成电路产业发展的不竭动力。近年来，全球集成电路技术继续沿着More Moore、More than Moore和Beyond CMOS三个方向发展。

7纳米芯片仍适用摩尔定律。2015年是摩尔定律问世50周年。遵循摩尔定律，芯片上的晶体管密度每18个月翻一番。在现实世界中，芯片每2年左右发展一代，速度更快，能耗更低。英特尔认为，当前半导体技术的发展速度能维持到10纳米（预计2016年）之后。无需转向成本高昂、高深的制造技术——例如紫外线激光，厂商就可以生产出7纳米（预计时间为2018年）芯片。芯片产业能维持制造技术未来数年不发生重大变化。随着CMOS技术特征尺寸继续减小，FinFET（鳍式场效晶体管）的生产工艺可以延伸到7纳米甚至5纳米。

2013年英特尔投入130亿美元，坚持按摩尔定律预示的规律推进，已开发出14纳米技术，领先于其他公司3年，还正在着手准备转向450毫米晶圆上生产。2014年英特尔推出全球首款14纳米处理器Core M。英特尔的10纳米芯片预计在2017年初发布。IBM半导体部门已出售给了格罗方德，但也有报道说该公司今后5年内将投资30亿美元，研发7纳米以下的新工艺和取代硅的新材料，当然其进程主要受成本及装备等因素的影响。

2014年第三季度台积电20纳米工艺进入量产，据Digitimes Research统计，2014年台积电来自20纳米工艺的销售额21.5亿美元。台积电还在2014年试产了16纳米FinFET工艺，但正式量产要到2015年第三季度，并计划2016年使10纳米工艺实用化。三星与格罗方德合作，在14纳米 FinFET工艺研发上进展顺利，并于2014年12月份开始量产，首先制造自家的顶级移动处理器Exynos 7420。

英特尔 近20年来，英特尔一直是先进CMOS制程的领跑者，自从2007年提出Tick-Tock钟摆战略之后，英特尔在过去的四代智能处理器上都重复着隔年升级工艺和改善架构的规律。但是在14纳米工艺上，3D晶体管技术的良率较低，直到2014年才进入量产，较预期延迟了近1年。2015年英特尔会同时推出两代14纳米工艺的处理器——Broadwell和Skylake。英特尔试验性10纳米生产线的速度比14纳米生产线快50%，这将使10纳米工艺开发工作能按计划进行。按照英特尔前两年的预估，2015年10纳米工艺开始试产，10纳米工艺芯片预计在2017年初发布，首款10纳米工艺芯片的代号为Cannonlake，主要取代今年的Skylake处理器。

台积电 世界晶圆代工业龙头企业台积电在16纳米/14纳米工艺上较英特尔和三星有些落后，预计16纳米Fin FET工艺将在2015年第三季度量产。据悉该公司将在2016年展开10纳米制程生产，在2017年开始量产10纳米制程，届时将能与英特尔并驾齐驱。长时间以来台积电与三星一直在16/14纳米节点相互竞争。

三星 三星是第一家导入14纳米制程技术的晶园业者。三星为了抢夺龙头地位，跳过20纳米、直接切入14纳米。2014年，三星与格罗方德合作，在14纳米Fin FET工艺研发上进展顺利，并在2014年底开始量产。2015年2月，三星电子在旧金山举办的国际固态电路会议（ISSCC）上展示了全球首见的10纳米FinFET半导体制程，业内预测三星有望抢在英特尔之前制造出第一款10纳米移动芯片组。采用10纳米 FinFET制程技术的晶片不但更加省电，体积也更小，是物联网演化进程中相当重要的一步。

格罗方德 2014年10月，芯片代工制造商格罗方德斥资15亿美元收购了IBM芯片制造业务。格罗方德将沿着22纳米、14纳米、10纳米的工艺路线加速前进，其纽约工厂于2015年上半年投产14纳米FinFET工艺。面对将要到来的物联网市场高潮，格罗方德将主要在三个技术方向上发力：一是在超低漏电技术方面，在继续提高性能的基础上，把更多的努力放在低功耗、低漏电和低电压的工艺开发上；二是针对嵌入式闪存，有很多低成本的嵌入式闪存解决方案，同时还在开发MRAM（磁性存储器），以期将来部分替代嵌入式闪存；三是降低成本，把新加坡的0.13微米和0.18微米两个成熟工艺生产线通过技术改造转移到300毫米生产线，这将保证未来能够为物联网产品提供低成本的代工方案。

联电 联电（UMC）一度是全球第二大晶圆代工厂，但联电在28纳米、20纳米节点上进展相对较慢，因而失去了第二把交椅的地位。联电在16纳米/14纳米工艺上，与英特尔、三星、格罗方德一样，都选择了14纳米FinFET技术。

尽管各大厂商都在按摩尔定律往前推进，但不管怎么说，随着半导体工艺制程越来越接近极限，其相关的投资和研发费用肯定越来越高，据预测，28纳米芯片产品的平均设计费用为3000万美元，而至14纳米时则将增加到8000万美元，到10纳米时将上升到1亿～2亿美元。所以能够继续跟踪摩尔定律的厂商数量将越来越少，每两年前进一个制程节点的周期将日益减缓，而新的产业增长推动力尚在培育之中。

我国集成电路产业技术水平及趋势

当前我国集成电路产业技术与国际相比仍然相差2代以上，时间跨度达到5年之久，产业技术和产业结构升级迫在眉睫。随着对展讯及锐迪科业务的整合逐步完成，紫光将成为全球第三大手机芯片供应商，我国IC设计业实力将得到进一步提升。随着中芯国际深圳、上海华力微电子以及中芯国际北京等几条12英寸芯片生产线的达产、投产与扩产，2015年国内芯片制造业规模将继续快速扩大。封装测试领域，在国内本土企业继续扩大产能，以及国内资本对国外资本的并购步伐提速的带动下，技术与国际同歩发展，产业呈稳定增长趋势。

国内技术水平持续提升，与国际差距逐步缩小，国内企业实力倍增，有望洗牌全球格局。海思从2012年开始已是中国最大的Fabless厂商，2015年有望跻身全球Fabless Top10。此外，紫光集团收购展讯和锐迪科，并获得英特尔入股之后，成为国内IC企业巨头； 2014年底，长电科技收购全球第四大半导体封装测试企业——新加坡星科金朋，有望进入全球封测业前列。综合来看，在国内整机市场增长的带动下，2015年中国集成电路企业实力将持续提升，开始步入全球第一梯队。endprint

我国集成电路产业发展目标及存在问题

发展目标 根据《国家集成电路产业发展推进纲要》的部署，我国集成电路产业的发展目标是充分发挥国内市场优势，营造良好发展环境，激发企业活力和创造力，努力实现集成电路产业跨越式发展。“十三五”末，集成电路产业与国际先进水平的差距逐步缩小，全行业销售收入年均增速超过20%，企业可持续发展能力大幅增强。移动智能终端、网络通信、云计算、物联网、大数据等重点领域集成电路设计技术达到国际领先水平，产业生态体系初步形成。16纳米/14纳米制造工艺实现规模量产，封装测试技术达到国际领先水平，关键装备和材料进入国际采购体系，基本建成技术先进、安全可靠的集成电路产业体系。

亟须解决的问题 一是适应产业特点、有利于激发企业活力的政策体系不健全，持续的产业政策落实不到位、政府资源分散等问题突出。二是核心知识产权的缺失，使得4G设备在加速替代过程中仍将面临专利隐患，而国内企业创新能力相对薄弱。三是全球集成电路产业依然“大者恒大”，产业技术革新难度加大，速度开始变缓，技术竞争愈发激烈。我国集成电路产业结构不尽合理、集中度低、企业总体小、散、弱，同质化竞争的问题亟须解决。四是国内集成电路产业长期投资严重不足，尤其是对产业的投入和研发不足，持续投资的能力更弱。骨干企业自我造血机能较差，无法通过技术升级和规模扩张实现良性发展。五是芯片-软件-整机-系统-信息服务产业链协同格局未形成，先进工艺和特色工艺尚不能满足集成电路产品开发与量产需要。

我国集成电路产业发展路径探析

政策环境日趋向好，基金引领投资热潮。随着《国家集成电路产业发展推进纲要》细则的逐步落地，以及国家集成电路产业投资基金项目启动，国内龙头企业陆续启动扩产、收购、重组，带动了整个集成电路产业的大整合。同时也带动了集成电路市场的投资热潮，目前，国家集成电路产业基金一期预计总规模已达1387.2亿元，实现超募187.2亿元。预计2015年起未来五年将成为基金密集投资期，同时撬动万亿规模社会资金进入到集成电路领域，从而带动行业资本活跃流动。

应用牵引正成为中国IC市场持续发展新动力。存储器、CPU、模拟IC依然是市场主力，同时ASSP产品需求正快速增长。具体来看，包括DRAM、Flash等在内的存储器芯片仍是国内市场需求最大的产品门类，其市场规模达到2465.5亿元，占据了整体市场近1/4的份额。CPU、模拟IC作为传统的大类产品，其市场规模达到1682.2亿元及1417.4亿元，分别占据16.2%及13.6%的市场份额。以手机基带芯片、智能终端应用处理为代表的ASSP产品则是目前国内集成电路市场增长最快的领域。展望未来国内集成电路市场发展，在两化融合持续深入、信息消费不断升温、智慧城市建设加速等多方利好因素的共同带动下，包括智能电网、智能交通、卫星导航、工业控制、金融电子、汽车电子、医疗电子等行业电子应用将加速发展，并直接带动处理器、控制器、传感器及各类专用电路需求的快速增长。

兼并重组可能是后来者最好的切入点与选择。当前全球集成电路产业进入了寡头竞争时代，国内外集成电路企业兼并重组风云涌起。在半导体行业的某些领域，并购是投资者和企业双赢的事情。例如存储器领域，现在已经缩减到了三家核心企业，利润率得到了一定提高，就是基于规模效应和制造能力的集中体现。由于国内集成电路企业起步较晚，在发展中屡屡遭到来自国际巨头的“专利围剿”。因此面对这个国际上已经很成熟的产业，国内产业差距巨大，企业要做大做强，靠闭门研发是无论如何赶不上国际产业发展的歩伐的，兼并重组可能是集成电路企业尽可能缩短研发时间、迅速壮大企业，成为后来者居上的最好途径与选择。如，长电科技作为国内封测龙头、全球第六大封测厂，以蛇吞象的方式收购全球第四大封测厂星科金朋，收入规模将冲击全球前三，技术水平也将比肩国际龙头，奠定国际封测巨头地位。这也是国家产业基金成立以来，首次出手参与国内集成电路企业对海外公司的并购事件。

加大整合力度，集中有效资源，提升企业竞争力。集成电路的投入是有阈值的，不达到一定规模，很难有明显的效果，由此加大整合力度，集中有效资源，可以大大提升企业竞争力。集成电路制造要达到一定的体量才能够实现盈利的目标。当今，芯片技术创新所带来的建设成本使企业难以承受，建设一条5万片12英寸集成电路生产线约需50亿美元，巨额的资金投入为产业的升级换代带来挑战。根据我国集成电路产业发展现状，积极倡导并实施企业资源整合，可以解决我国集成电路产业结构不尽合理、集中度低、企业多散弱、同质化竞争等问题。通过整合将资源聚焦于重点优势企业，从而打造具有国际竞争力的集成电路航母企业，以此带动整个产业做大做强。建议后续政策支持应重点支持产业链各龙头企业及公共平台企业。

强强联合，打造集成电路制造的本土产业链。鼓励和引导集成电路设计企业与整机制造企业加强战略合作，开展“产、学、研、用”集成系统生态产业链发展，有利于集成电路设计企业开展技术创新和产品创新。要引发集成电路产业新一轮的再造运动，除了技术指标的提升之外，要更多多元化的资本导入、更多行业内优质资源的整合。中芯国际是规模较大的集成电路晶圆代工企业，长电科技是规模较大的封装服务供应商，2014年两家企业正式签署合同，建立具有12英寸凸块加工及配套测试能力的合资公司。双方牵手不仅有助于打造集成电路制造的本土产业链，也将给产业结构调整带来深刻影响，强强联合之下，将会对整个行业产生非常好的示范效应。

力争在重点产品领域有所突破。集成电路领域的CPU、MCU、DSP、存储器等各类高端通用产品，是一个国家或地区集成电路产业发展水平的标志。美国在CPU、DSP、FPGA高端产品领域几乎垄断了全球市场。储存器领域，韩国的三星、SK海力士、日本的东芝、还有美国的美光，占有全球90%以上的市场。在新兴产品领域，如MEMS、功率半导体、LED、第三代半导体器件等，也是欧盟、美国、日本的企业占有优势。我国的电子信息产业，整机系统经济规模很大，但由于是组装产业，核心的集成电路以及新兴半导体器件还是缺项。全球市场基本上被三星、SK海力士、美国美光、日本东芝等企业所垄断。目前，我国一方面要大力支持国内现有的存储器设计、工艺研发、产品生产企业；另一方面，要加强国际合作，积极发展合资生产、代工生产。当然，争取并购收购境外企业也是发展我国存储器产业的途径。

与此同时，我们应清楚认识到集成电路最先进核心的技术光有钱是买不进来的，光靠闭门造车也是无论如何赶不上国际步伐的，只有抱着开放的心态，以我为主，海纳百川，多渠道、多结构、多模式发展才是发展中国集成电路产业推进的有效途径。endprint