中国半导体产业发展趋势及上游新材料投资机会

宫学源

半导体（semiconductor）是一类在常温下导电能力介于绝缘体和导体的材料，其导电能力可通过电压、光照、压力和温度等进行控制。由于导电性可控，半导体被广泛应用于各类电子产品中，包括家用电器、消费电子、照明工具、显示驱动器、轨道交通、新能源汽车等，在生产生活中可谓无处不见。自20世纪50年代開始发展至今，半导体产业已成为推动全球科技产业发展和变革的核心驱动力。作为电力驱动、信号传输、光电转换和数据处理等的底层支撑技术，半导体先后推动集成电路、无线通信、太阳能电池、LED照明和新能源汽车等产业快速发展，深刻改变了人类的生产生活方式。半导体设计与制造能力，现已成为衡量一国科技水平的重要标志。

据Frost & Sullivan数据统计，全球半导体市场规模自2012年以来一直保持稳健的增长态势，2017-2018年呈现高速增长趋势，市场规模接近4700亿美元，2019年有所回调，市场规模约4100亿美元。其中，集成电路（包括数字集成电路和模拟集成电路）市场占比高达81%左右，是半导体工业的核心;分立器件、光电子器件和传感器的市场份额分别约为6%、10%和3%，是半导体工业不可或缺的组成部分。未来，随着5G、人工智能、工业互联网、物联网和新能源汽车等新兴应用的快速发展，全球半导体市场将保持长期增长，尤其是以碳化硅（sic）和氮化镓（GaN）为代表的宽禁半导体产业将保持快速增长态势。半导体产业上下游结构及产品分类详见图1所示。

1下游需求预期叠加国产替代趋势，中国半导体产业迎来空前机遇

1.1后摩尔定律时代半导体供需或严重不平衡，中国产能将成为关键

21世纪以来，推动第4次工业范式转变的主要动力为3大趋势：数字化、互联化和智能化。从具体实现路径上看，基于传感器、射频和边缘计算等技术的物联网将为数字化奠定基础，毫米波太赫兹通信、量子信息等技术将为万物互联提供保障，而机器学习、类脑计算等技术将加速智能化的推进。随着无人驾驶、车联网、工业4.0和智慧城市等应用场景需求的不断增长，物联网、5G、人工智能等底层技术正在加速发展，对高性能半导体器件的需求正不断增长。受此驱动，全球半导体市场未来将延续现有增长态势，预计2024年全球市场规模将达到5215.1亿美元，2020-2024年实现4.8%的年均复合增长率（图2）。

过去数十年，半导体工艺基本遵循着摩尔定律这一指数发展规律，即每18个月左右芯片单位面积晶体管数量翻倍。摩尔定律的存在，不仅体现了半导体工艺制程的持续优化，更加表明了计算需求、数据处理需求同样呈现指数增长趋势（图3）。芯片晶体管数量的指数级增长，恰恰是为了满足计算和数据处理需求的指数级增长。在可预见的未来，随着5G、物联网、AI和工业互联网的发展，全球数据量（计算需求）仍将长期保持指数级增长。然而，摩尔定律在未来数年将遇到瓶颈、芯片计算能力增长速度趋于平缓，后摩尔定律时代即将到来。这将意味着：计算能力的增长难以通过工艺升级来实现，极有可能需要通过扩大电子元器件产量来应对指数级增长的计算需求。从全球范围看，未来仅有中国有能力（物质资源、人力资源和资本）大幅度扩大产能，以应对这一全球计算能力危机。据国际半导体产业协会（sEMI）统计，中国2017-2020年间计划新建的晶圆厂数量居全球之冠。在这一整体趋势下，全球电子元器件未来将供不应求，上游材料+装备的需求将会快速增长，中国半导体产业将迎来新的重大历史机遇。与此同时，不断增长的计算需求（当前用于计算的能源消耗占总能源的10%）对全球能源供应提出巨大挑战，因此研发高性能、低功耗的新型器件成为当务之急。

1.2全球科技贸易战将持续升温，半导体产业国产替代有望加速

高科技既是一个国家整体实力的体现，但同时也会被某些国家用作对外输出影响力、实现政治目的的武器。近年来，随着世界多国右翼势力抬头，逆全球化思潮兴起，科技贸易战正在全球范围内持续升温。由于半导体（芯片）在高科技产业中起到关键性、支撑性作用，因此全球科技贸易战长期聚焦在这一领域。2018年3月，美国总统特朗普签署备忘录，宣布根据（（1974年贸易法》第301条指示美国贸易代表办公室（uSTR）对从中国进口的商品征收关税，以“惩罚中国偷窃美国知识产权和商业秘密”，中美贸易战正式展开。随后，美国相继对中国中兴、晋华和华为等半导体领军企业发起制裁，其根本目的就是要遏制中国半导体产业、通信产业等高科技产业发展，试图扼杀中国很不容易积累起来的科技创新能力。

2019年7月，日本经济产业省发布《关于对大韩民国出口管制运作的审查》，宣布从即日起将韩国从出口贸易管制法令白名单中剔除，并从当年7月4日起对氟聚酰亚胺、光刻胶和氟化氢3种原材料实行出口限制，日韩半导体贸易战也就此开打。韩国是全球半导体器件和显示面板生产与出口的主要国家，三星、LG、SK海力士等是全球举足轻重的存储器、显示面板供应商。由于生产所需的氟聚酰亚胺和高纯氟化氢等原料大多需从日本进口，韩国受贸易摩擦影响至今仍然十分严重。从中美贸易战和日韩贸易战来看，全球半导体产业分工高度复杂，极易受到政治因素影响，科技供应链安全难以得到有效保障。

尽管国内半导体市场巨大，但中国在半导体领域“缺芯少魂”的现象十分突出，大部分关键器件均容易被国外“卡脖子”。根据国盛证券测算，中国仅在利基型DRAM、消费级Soc、工业Mcu、CIs传感器和代工制造等环节的国产化超过10%，且产品主要集中于中低端，高端产品占比更低;CPu、GPu、模拟芯片、射频芯片和FPGA等关键核心器件领域，国产化率十分低下（表1）。从生产环节上看，半导体制造所需的原材料和设备，绝大部分也需要从日本、美国、欧洲等国家进口，供应安全问题同样十分严峻。2019年华为被美国制裁后，中国企业意识到科技供应链安全的重要性，开始加速国内产业链的重塑过程，大部分科技龙头甚至海外科技龙头正在加快国产替代进程。

1.3科技政策加码，工程师红利释放，中国半导体产业发展后劲十足

半导体及集成电路产业是信息技术产业的核心，其作为推进信息化、城镇化、现代化和新型工业化的强劲推动力，是国家的先导性、支撑性和战略性产业。为规范行业生产秩序，鼓励产业有序发展，近年来我国政府先后出台了一系列针对半导体产业的产业政策和法律法规（表2）。这些产业政策和法律法规的发布及落实，为半导体产业提供了宏观政策、人才激励、财政税收等各方面支持，为行业内的企业提供了良好的经商环境，有效促进了企业持续高质量发展。2014年，《国家集成电路产业发展推进纲要》颁布，正式成立了国家集成电路产业投资基金（简称“大基金”），随后地方政府也相继设立了半导体产业基金，这些产业基金撬动了社会资本进入半导体产业，助力重点领域龙头企业发展。此后，中国半导体产业发展进入了快车道。

半导体产业是资本密集型、技术密集型、人才密集型产业，其发展离不开海量的工程师作为人才支撑。近年来，随着中国在IC设计领域逐渐崛起，海外IC人才纷纷回国创业、工作，为中国半导体产业发展注入了活力。另一方面，全民人口素质、高学历比例正在持续提升，国内高校院所正源源不断地为半导体产业输送人才，中国的人口红利开始向工程师红利转变。根据国家统计局数据，过去20年中国培养了接近1亿大学生，其中包括近1000万研究生，数量相当可观。与此同时，科技成果和专利不断积累，R&D成效显著，2018年我国发表科技论文数量突破180万篇，高质量论文数量快速上升;2019年我国申请PeT专利6万件，高居世界榜首。

2半导体产业即将迎来结构性变革，全球半导体市场格局面临洗牌

2.1半导体市场驱动因素正在发生深刻变化

在过去数十年中，半导体产业发展的下游需求主要来自PC、家用电器和手机等消费电子。20世纪七八十年代，PC开始出现并普及，半导体产业迎来爆发式增长。随后30年问，半导体产业一直围绕着P C产业发展而发展，英特尔、AMD和英伟达等企业是这一时代的见证者。直到2010年前后，P c市场规模开始逐渐萎缩，销量开始缓慢下滑（图4）。与此同时，伴随着通信技术、手机SoC和移动OS等技术的进步，2010年起智能手机的需求在全球范围内爆发（图5），迅速接替P C成为半导体产业发展的主要驱动力，苹果、华为和三星开始崭露头角。目前在半导体产业下游结构中，消费电子（Pc、智能手机等）仍牢牢占据主导地位，总占比超过65%。但随着智能手机市场逐渐饱和，消费电子对半导体市场发展的驱动作用开始逐渐减弱。

未来，随着PC市场的进一步萎缩下滑以及智能手机需求的下降，5G、人工智能和新能源汽车等新兴应用将成为驱动半导体产业发展的新引擎。在5G方面，2020年5G已经开始大规模商用，5G终端产品和网络建设正在为芯片带来巨大的需求空间，可直接带动上千亿美元的半导体市场;人工智能方面，海量的计算任务需要借助GPU、ASI c和FPGA等芯片结合算法实现加速，这为集成电路芯片带来新的增长空问;在新能源汽车方面，汽车的电气化、电动化以及智能化发展趋势明显，对功率电子、汽车通信、显示驱动等器件的需求将大幅提升。在此背景下，射频芯片、FPGA、ASIC和IGBT等细分行业将呈现快速发展态势，业界对GaN、SiC等宽禁带半导体的需求也将大幅上升。从全球范围看，中国在5G、人工智能和新能源汽车等领域起步较早，已经成为事实上的领军者，这给中国乃至世界的半导体产业发展都带来了极为深远的影响。

2.2摩尔定律仍将持续，超越摩尔定律技术正在涌现

在所有制程中，28nm制程是半导体工艺中性价比最高的节点。进入14nm以下，新制程的投资金额和开发难度都呈现指数级上升;进入10nm以下制程时光刻技术需要从DuV转换成EuV，设备价值急遽增加。目前，仅有台积电、三星和英特尔实现了10nm以下制程工艺（表3），技术难度可想而知。其中，台积电制程进展最快，目前已能实现5nm工艺量产;三星制程进展进展次之，目前已能量产7nm工艺;英特尔制程方面进展最为缓慢，尽管其10nm工艺比竞争者更加先进，却一直在量产方面迟迟不前。当制程进入5nm以下时，摩尔定律已经开始接近物理极限，量子隧穿效应将会严重影响芯片性能。为保证摩尔定律持续发挥作用，半导体产业界正在大力开发5nm以下制程工艺。当制程进入3nm时，目前广泛应用的Fin FET工艺将会失效，产业界或将转向环绕式全栅（纳米线）FET、负电容FET和隧穿FET等备选技术方案。与此同时，产业界正在研发新型EUV光刻工艺、区域选择性沉积、分子层蚀刻、多光束/电子束检测和先进封装等先进技术，以满足5nm以下制程对光刻、刻蚀、检测和封装等环节的需求。

在半導体产业界努力维持摩尔定律的同时，以新结构、新材料、新器件为特征的超越摩尔定律技术正不断涌现，为半导体产业发展提供了新的思路和方向。第一，半导体器件结构转向垂直立体化（三维）发展，预计2024年后业界不再依靠微缩化CMOS尺寸来提升芯片性能，而是通过垂直方向上纳米线晶体管（VGAA）或3D叠层工艺（3DVLSI）来实现性能提升，目前台积电、三星和英特尔等公司均在开发三维器件制造和封装技术。第二，一维的碳纳米管、二维的黑磷（B-P）和硫化钼（MoS2）等低维材料在半导体器件领域展现出独特优势，这些技术能够有效抑制晶体管的短沟道效应，有望大幅降低器件功耗。第三，人工神经网络、量子计算和拓扑绝缘体等新概念、新技术加速孕育，有望变革乃至颠覆半导体产业，相关进展值得关注。总而言之，后摩尔定律时代的“新结构、新材料、新器件”均处于概念开发阶段，究竟哪种技术将占据主导还未可知，目前世界各国尚处在统一起跑线上，中国需要把握住这一系统性机会。

2.3大陆半导体产业全面崛起，上下游产业链协同发展

半导体产业包括5大核心环节，分别是起到上游支撑作用的材料、设备，以及主要环节Ic设计、晶圆制造和封测，详见图6所示半导体生产流程。在过去的20年，受益于全球半导体产业第3次转移和国内消费需求快速增长，中国首先承接了附加值相对较低的封装和测试环节，成就了长电科技、华天科技、通富微电等一批国内封测龙头，在全球半导体产业中占据了一席之地。随着政府与社会资金的持续投入，海外人才的回流与国内人才培养，以及技术差距不断缩小，中国半导体产业正在向高附加值的IC设计、晶圆制造和上游材料、装备进军。其中，IC设计环节资金需求相对较低，属于半导体产业中的轻资产行业（制造、封装、测试外包），因此在近年来成为中国半导体产业中进步最为迅速，以海思、展讯等为代表的国内企业开始在国际上崭露头角。2016年，中国IC设计销售额首次超过封测业，达到1600多亿元，成为中国半导体产业链中比例最大的部分。

晶圆制造环节是半导体产业链中资本需求最大、技术最密集、人才最密集的产业，目前全球晶圆厂产能主要集中在美国、韩国和日本等少数国家。中国半导体市场占全球市场的1/3，但晶圆的国产化率不足10%，尤其是12英寸晶圆的国产化率极低。由于晶圆厂对半导体良率的极致追求，因此上游半导体材料设备基本沿用国际厂商的成熟产品，国产化率同样十分低下。在整个半导体产业中，晶圆制造以及上游材料、设备领域是产品附加值较高的部分，是真正体现一个国家科技实力的部分，也是极容易被“卡脖子”的环节。因此，国家科技政策持续加码，国家大基金积极跟进，科技人才逐渐涌入，中国在全半导体产业链中正在快速崛起。尤其在逆全球化形势加剧，中美贸易战升温的环境中，中国半导体产业意识到供应链安全的重要性，对上游材料、设备的国产替代需求不断提升，中国半导体产业链的上下游协同发展正在加速。

3看好半导体材料未来发展，积极发掘潜在投资机会

半导体材料具有资金密集、技术密集、产品更新快、细分子行业多等特点，是支撑半导体产业发展的基础。随着中国半导体下游应用和中游制造的快速发展，对上游原材料的需求日益增长，中国半导体材料迎来发展良机。目前，全球半导体材料市场规模超过500亿美元，绝大数份额被美国、日本和韩国等少数国家的科技巨头所占有，国内晶圆制造厂也以来这些科技巨头提供原材料。从长期看，硅晶圆制造材料的国产替代、宽禁带半导体材料技术，以及后摩尔定律时代的新材料技术，将成为中国半导体材料领域最具投资价值的方向。

3.1逻辑一：关注半导体生产环节所需材料的国产替代

半导体材料是生产集成电路、分立器件、传感器和光电子器件的重要材料，其主要包括前端晶圆制造材料和后端芯片封装材料2大类。2019年，全球半导体材料销售额约521.4亿美元，其中前端晶圆制造材料为328亿美元，后端封装材料为192亿美元，国产替代大有机会可为。重点可关注与国外差距较大、国产化率较低的技术领域（如光刻胶、C MP抛光垫、掩模版等）。从制造环节上看，半导体生产所需要的材料主要分布在：①掺杂/热处理：溅射靶材，湿法化学品、化学气体，CMP拋光垫和抛光液;②蚀刻/清洁：掩模/光罩，溅射靶材，CMP抛光垫和抛光液;③沉积：化学气体，CMP抛光垫和抛光液;④光刻：掩模/光罩、光刻胶、光刻胶显影液、熔剂、剥离剂;⑤封装：引线框架、封装基板、陶瓷基板、键合丝、包封材料。

3.2逻辑二：关注驱动半导体产业未来发展的新材料

与第1代半导体材料（si）相比，第2代和第3代化合物半导体材料（GaAs、GaN、SiC、A1N）具有禁带宽度大、击穿电场高、热导率大、电子饱和漂移速度高、介电常数小等优势，因此在半导体照明、电力电子器件、激光器和探测器等领域呈现出巨大潜力。其中，GaAs主要用于通讯领域，目前手机功率放大器是其主要应用场景;GaN的功率、高频性能更优异，主要应用于军事领域，随着成本下降有望迎来更广泛应用;si c主要作为高频、大功率器件应用于汽车以及工业电力电子领域。2019年，华为旗下哈勃科技投资有限公司投资出手投资了山东天岳晶体材料有限公司，布局siC半导体领域。2020年，小米公司推出GaN充电器，点燃了GaN在消费电子领域应用的热度。随着5G、无人驾驶和航空航天等领域的快速发展，化合物半导体材料发展正进入快车道。

3.2逻辑三：关注后摩尔定律时代的新材料技术

3.2.1忆阻器材料

忆阻器是一种有记忆功能的非线性电阻，被称作电阻器、电容器和电感器以外的“第四种”无源电路元件，其具备高集成密度、高读写速度、低功耗、存储计算一体等优势，在非易失性存储、逻辑运算和新型神经形态计算等方面极具应用潜力。2008年，美国惠普研发出世界首个能供工作的纳米氧化钛忆阻器。2020年，清华大学研制出全球首款多阵列忆阻器存算一体系统，能效比GPu高2个数量级。近年来，惠普、Micron、IBM、东芝、华为等企业均致力于研发忆阻器，其在人工智能和存储器等领域的应用或将I临近，上游材料（尤其是金属氧化物、二维材料）发展迎来利好。

3.2.2拓扑绝缘体材料

拓扑绝缘体是一种内部绝缘，界面允许电荷移动的材料。这一特性导致了低电阻，而内部是绝缘体又防止了漏电，从而制造的器件以低功耗运行，使得拓扑绝缘体在半导体器件应用领域有潜在的价值。自2007年被发现以来，拓扑绝缘体逐渐成为了凝聚态物理领域的一个的新热点，并被认为是继石墨烯之后的“下一件大事”。2020年，中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心在理论预言低维体系高阶拓扑绝缘体方面取得新突破，为设计实现高阶拓扑绝缘体提供了坚实基础。

3.2.3低维纳米材料

后摩尔定律时代，低维纳米材料在电路功耗和集成度上都展现出了无可比拟的优势，因此相关科研工作得到了世界范围内的广泛关注。目前，针对碳纳米管、石墨烯、碲烯、过渡族金属硫族化合物（如Mos2）、黑磷和一维/二维范德华异质结等材料/结构的研究已经形成了一定规模。如2020年6月，美国麻省理工学院科学家成功在计算机芯片设计行业标准的200毫米晶圆上制造出碳纳米管场效应晶体管（CNFET），其比硅场效应晶体管更节能，可用于构建新型的三维微处理器。

4结语

从国际环境上看，随着美国的逆全球化主义和贸易保护主义的加剧，针对海外科技并购的安全审查制度将愈发严格，中国从外部“借鉴技术”的难度越来越大。这意味着，未来中国必须依靠自力更生来补足科技研发上的短板。尤其是起到支撑作用的上游新材料领域，具有技术壁垒高、回报周期长、投资风险高等特点，并不存在所谓“弯道超车”的机会，必须一步一个脚印的积累、发展、突破。

作为做容易被“卡脖子”的环节，新材料领域的创新对国家安全和科技竞争力具有重要意义。但由于具有壁垒高、周期长、风险大等特点，以及相对较高的技术认知门槛，新材料早期项目往往不被人们看好，获得风险资本支持的几率也相对较小。笔者认为，“硬孵化+种子投资”这一模式对新材料早期项目的生存与发展具有良好的参考价值，其可从科技政策、市场分析、技术放大与量产、渠道对接和知识产权等方面帮助初创企业跨越从0到1的“死亡之谷”，同时帮助风险资本了解早期项目价值、实现高效对接。