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中国半导体未来的三大方向
时间:2021-01-21 13:43来源:未知 作者:admin 点击:
当今世界正经历百年未有之大变局, 中国半导体将走向何方?基于产业客观规律,我们梳理出中国半导体未来的三大方向:

1、 由外循环, 走向内外双循环
2、 由加长板, 走向补全短板
3、 由单纯追求先进工艺, 走向回归成熟工艺
 
1 未来中美稳态格局
        1.1 全球化科技格局转变
在经历了一系列的全球政治经济、新冠疫情事件冲击,全球科技格局将重新洗牌,呈现逆全球化状态。依据自身发展的资源禀赋以及要素分布,将全球硬科技分成三大象限,第一象限以美国为主导,第二象限以中国大陆为主导,第三象限以韩国,日本,中国台湾省,欧洲为主导。受到外部环境压力,中国半导体设计、制造都面临着打压,但中国自主发展的道路不会因为外部打压而改变。随着内循环政策提出,未来中国以中低端制造业为根基,跟第三象限进行内循环。而美国以高端制造业为根基,向下补全短板。第三象限指的是日本、韩国、欧洲、中国台湾省,依靠在细分行业的领先优势,独立在中国、美国内循环外,成为全球硬科技市场的中间介质。

       制造:中国台湾、韩国;
       设备:欧洲(光刻机)、日本、美国;
       材料:日本、美国;
       EDA/IP:美国。
       先进工艺:以外循环为主、内循环为辅;
       成熟工艺:以内循环为辅、外循环为主。 
 
1.2 深层要素进口替代

我们将硬科技纵向划分为浅、中、深三层要素。硬科技即是基于技术的要素创新,整体可以被划分成浅层要素、中层要素和深层要素。在各层要素中,硬科技市场又被分为无数条细分赛道。浅层要素, 主要以基础软件、芯片设计为代表,基础软件具有传统互联网行业的特质“平台+硬件+软件”。中层要素, 主要以代工制造、封装测试为代表,是浅层要素的载体,也是深层要素的集合。深层要素, 主要以底层软件、设备、材料为代表。深层要素的缺失将会为中层要素的崩塌埋下隐患,使得浅层要素处于空中楼阁的状态。近年来,美国实体清单、日韩贸易争端都说明了要素创新必须实现深层要素的国产化才能实现全栈要素创新。中美摩擦升级,硬科技发展将成为关键。
 
目前 HAT(华为、 阿里、腾讯)已经实现了终端场景全覆盖,但底层、中层要素的缺失将成为中国互联网巨头、科技公司发展的阿喀琉斯之踵。从产业链来看,芯片设计、封装等环节目前已经进入成熟发展阶段,国产厂商需要更多的时间积累以及客户开发。芯片制造和深层要素则需要更多的资本研发投入,才能完成全栈要素创新,形成硬科技发展。
 
2 走向根技术补短板
       我们将科技分为四个层次:
       1、根技术:半导体设备、材料、 OS
       2、干技术:晶圆代工、 IDM、 EDA\IP
       3、枝技术:芯片设计、 AI、 5G、云计算
       4、叶技术:互联网平台、手机终端、网站和 APP

       根技术的核心领域全部被美国把持,美国拥有微软、应用材料、 KLAC、Cadence 等巨头把持的最底层核心技术,从而号令全球巨头,日本和欧洲也在材料和设备领域具备领导优势。
干技术被韩国三星、海力士、 LG 和中国台湾省的台积电把持,他们基于美国、日本、欧洲的技术,建立起全球最大的存储 IDM 和最先进的晶圆代工 Fab。
枝技术以 5G 的大集成和芯片的设计为主,华为海思在芯片设计领域具备全球竞争力,中国特别是在 5G 集成创新方面领先全球。
叶技术以中国的互联网平台(腾讯、阿里、美团、头条)在电商、娱乐、打车、外卖领域领先全球,另外在终端制造领域(华为、小米、OPPO、联想)也是全球龙头。
在四大泛半导体领域中,半导体能源(光伏)、半导体照明(LED)、半导体显示(面板)领域中国已经做到了全球第一,在全球范围内的领导地位支撑了其供应链安全。
 
2.1 光伏(半导体能源):产业技术全球领先
光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应将光能直接转变为电能的一种技术。主要由太阳电池板(组件)、控制器和逆变器三大部分组成。社会对清洁廉价能源的需求是光伏发展的根本动力。
 
光伏行业具备周期性与成长性。光伏产业存在需求、供给、技术三重周期。由于成本下降迅速且发展空间巨大,光伏产业也具有显著的成长性。整体来看受光伏发电清洁、低碳、可持续,各国政府政策强力支持,以及技术进步带来的降本提效,全球光伏新装机量持续大幅提升。近十年全球光伏年新增装机量平均同比增速达 35%。
 
中国光伏行业几经曲折,目前已经形成了成熟且具有竞争力的产业链,全球整体产业链占比达 70%左右。成为我国为数不多、可同步参与国际竞争并在产业化方面取得优势的新兴产业之一。2007 年起国内光伏各环节产业规模连续多年保持第一,目前在多晶硅产能、硅片产量、电池片产量、组件产量全球占比分别达 58%、 85%、 70%、 70%。我国光伏产业技术处于全球先进水平,前沿技术也开始加速布局。

2.2 面板(半导体显示):中国大陆全面主导
显示面板是电子终端产品领域的核心大宗元器件之一,目前主要包括LCD 液晶显示屏,以及 OLED 有机发光二极管显示屏等。LCD 显示起源于上世纪 70-80 年代的美国实验室技术,商业化应用源自 80 年代日本。从 LCD 面板工业过去近 30 年的历史发展情况来看,曾经过几轮大的周期性波动,伴随产业领导者的衰落和新领导者的崛起,按照产业链转移大致可以分为“日本时代”、“韩国时代”、“中国台湾崛起”、“大陆全面主导”等四个主要阶段。
2017 年起随着大陆在 8.5 及 10.5 代产线上的持续投入,全球液晶面板产能占比也逐步提升。根据 IHS 发布的统计数据, 2018 年中国大陆地区已经超越韩国,成为 LCD 显示面板最大的产能来源地。
由于高世代线成本竞争力原因, 2020 年随着三星显示、LG 显示在 LCD领域产能的大规模的退出,中国大陆在 LCD 领域的产能份额持续提升。预计 2020 年在 LCD TV 面板出货量上升至 57%,未来 LCD 大尺寸显示将由中国厂商主导。OLED 作为新一代显示技术,技术与产能布局基本以中韩两国的企业为主。目前来看,以三星为代表的韩企在小尺寸柔性 OLED 仍具备一定的技术与市场优势。但随着中国企业产能与技术的爬坡,柔性 OLED 国产化率预计将持续提升,预计小尺寸产品国产化率有望由 2019 年的 12%提升至 2020 年 20%以上,预计远期市场份额将不低于 50%。
 
2.3 LED(半导体照明):产能转移至中国大陆
LED 发光二极管是基础的电子发光技术和器件,广泛应用于照明、显示、液晶背光等领域。LED 产业亦呈现出周期与成长共振的特点。从长周期维度, LED 由“海兹定律”驱动成长,标准 LED 芯片成本下降,亮度提升,带动下游应用渗透。从短周期波动, LED 由市场供需博弈决定,行业洗牌带动行业集中度提升。2000-2008 年 LED 技术进入黄金时期,在这一阶段,中国台湾厂商大量投入并主导了 LED产业, LED 开始进入照明、 LCD 背光的商用阶段。由于大陆政府的产业持续支持,以及技术与成本爬坡, 2008 年后 LED 产业的重心逐步由中国台湾地区转移至中国大陆。
期间中国大陆 LED 芯片国产化率持续提升, 2014 年已达 80%。同期全球 LED 芯片市场规模持续增长, 2017 年中国大陆已占全球市场规模的 37.1%。随着芯片环节产能占比的持续提升,中国大陆用于生产LED 芯片的 MOCVD 设备占比亦持续提升, 2016 年全球占比已接近45%。根据 LEDinside 数据, 2017 年中国大陆 LED 芯片全球产能占比已接近 60%。未来 LED 芯片及下游封装、应用市场等将由中国厂商持续主导。
 
2.4 半导体集成电路 IC:从根部实现替代
以非美设备材料为基础,从根部实现部分细分行业替代。泛模拟元件主要为模拟芯片、功率半导体。泛模拟元件是必选消费品,人需要吃”柴米油盐“,机器同样也需要消耗泛模拟元件,任何和电能转换有关地方都需要泛模拟元件。与逻辑芯片相比,模拟芯片与功率元器件不强调高端制程和摩尔定律。设备方面, 我国对于国外设备的依赖远低于逻辑芯片。制造方面, 中芯国际、华润上华、和舰、华虹宏力、积 塔半导体都能使用 BCD 工艺为模拟芯片设计公司代工,尽管在工艺方面有 1-2 代差距,但在非高压、非高功率、非高密度等能实现生产。随着第三代半导体化合物制造的成本降低,凭借其优势替代硅基的功率半导体器件指日可待。第三代半导体技术与 LED 行业技术同根同源。国内设备厂商能够实现从生长炉到清洗设备全套生产设备的国产替代。国内多家衬底、外延片出货,并出口至海外。
国内已建立 MEMS 产业链,正从声学向惯导、加速度等方面升级。随着消费电子、汽车电子等下游需求提升,国产替代有望加速。MEMS上可以衍生出很多元器件,主要以传感器为主。中国目前声学 MEMS有较强的竞争力,在惯导、加速度仍然有差距。目前国内 MEMS 已经形成初步产业链,成功导入了 SENSA 工艺。该工艺与 CMOS 工艺兼容性高,未来将推动 MEMS 与 ASIC 的集成。国内对低端产品需求较大。一方面,消费电子、智能家居的电源管理芯片毛利大约为 40%,电动汽车、工业控制领域的电源管理芯片大约为 60%。另一方面,电压越高,电流越大,设计难度越大,目前国产替代的主要领域在消费电子,随着高电压、大电流技术得到突破,未来国产泛模拟产品将逐步渗透至工控、电动汽车等领域。

3 半导体:回归成熟工艺,补全短板
中国缺 14/7/5nm 先进工艺,但是中国同样也缺 90/65/55nm 成熟工艺。目前情况, 基于美系设备的 7nm 其现实意义远小于基于国产设备的55nm, 中国半导体的主要矛盾已经从缺少先进工艺,转移到缺少国产设备和材料, 目前中国已经有能力在大部分环节实现大规模国产替代的领域包括泛半导体(光伏、 LED、 LCD)、成熟制程逻辑芯片以及第三代半导体的国产替代。半导体集成电路 IC 的升级路线主要分为以下三种:
(1)逻辑芯片依靠成熟制程与特色工艺实现国产替代;
(2) 存储芯片依靠消费级 NAND/NOR 率先实现国产替代;
(3)泛模拟芯片尤其是功率半导体有望依托第三代半导体化合物实
现超车。逻辑芯片方面,国产厂商将依靠成熟制程扩产与特色工艺填补成熟制程市场空间,依靠制造、设计、设备的联动,推动国产化进程。中芯国际(特别是中芯北京合资线) 不断扩大成熟制程产量,在此进程中稼动率达 98.6%, ASP 持续提高。除成熟技术节点外,公司还加大了特殊平台工艺开发,目前支持模拟芯片、 IGBT、功率半导体、 eNVM、NVM、微电机系统 MEMS 等方面,且均达到行业先进水平。我们预计,除了先进制程追赶外,中芯国际还将承担起国内厂商在逻辑芯片制造的需求。
 
存储芯片方面,国产产品研发速度已逐步追赶上三星、海力士等国际巨头,在细分领域实现国产替代。
(1) DRAM 方面,国产自给率缓步提升。国内 DRAM 市场空间广阔,但自给率较低。兆易创新与合肥长鑫合作研发 DRAM,目前成功研发并量产 1Xnm(16-19nm) DRAM,国际龙头均已成功研发 1Znm(12-14nm)。
(2) NOR Flash 方面,国外龙头退出,国产厂商实现消费品市场产品替代。海外龙头美光、赛普拉斯相继退出 NOR 消费类市场,专攻车规级 NOR 产品,这给了国产厂商替代空间。随着下游消费电子、物联网需求提升,国产厂商将受益市占率带来的业绩提升。
(3) NAND 方面,国产研发速率提升,紧跟国际巨头。2020 年 4 月,长江存储推出 128 层 QLC 3D NAND 闪存芯片,单颗 Die 容量达1.33TB,容量、性能均优于主要竞争对手。2019 年 8 月三星宣布实现超过 100 层的 3D NAND 闪存,同年美光宣布流片 128 层 3D NAND, 海力士抢先量产 128 层 4D NAND。除产品研发外,长江存储二期建设项目已经开工,规划产能为 20 万片/月。泛模拟芯片方面,国产厂商将从消费电子领域逐步向汽车电子、工控产品实施替代。泛模拟芯片行业属于长坡厚雪赛道,泛模拟芯片对于制程要求低于数字芯片,同时应用面极广,任何涉及电源管理、数模转换的地方都需要使用泛模拟芯片。在华为列入实体清单后,国内下游客户打开国产泛模拟芯片供应商进入通道,推动国产替代。另一方面,未来随着第三代半导体化合物成本逐步下降,有望替代硅基泛模拟器件。
 
4 总结
半导体是一个充分全球化分工的行业,没有哪个国家能单独实现全部内循环,所以未来中国的科技格局关键在于实现供应链安全可控。所以半导体行业没有所谓的全链路国产化,而只有在部分关键领域实现去美化,去美化的基础就是依赖欧洲、日本的设备和材料、还有韩国、中国台湾省的制造。
美国的两张王牌是设备和软件,中国将在低维度进行替代。
设备是芯片制造的起点,没有芯片生产能力,芯片设计是无根之木。以前道工艺七大设备为例,目前 DUV 已经能实现 0.13um 到 7nm 的工艺制造,而且光刻机被欧洲荷兰完全垄断,目前并不卡中国,正常供应。所以关键点的当务之急就是要替代由美系厂商把控的刻蚀机、PVD、 CVD、离子注入机、清洗机、氧化退火设备等领域。
EDA是芯片设计最上游、最高端的产业,同时也是国内芯片产业链最为薄弱的环节。具有复杂设计的先进电子设备的需求不断增长,以及在提高集成电路性能的同时减小尺寸的需求,正促使 IC 制造商增加研发投资并采用 EDA 工具, EDA 成为后摩尔时代的产业发展动力。所以未来中国将维持最低内循环在成熟工艺进行底层根技术(设备、材料、 EDA/IP )的自主创新,回顾中国泛半导体发展之路,未来数年,我们认为中国半导体最大的机会就是在成熟工艺实现全链路的国产替代。
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