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国产替代潮流所趋,集成电路大步向前

2020-05-20    浏览:1259    来源:方德信基金

 

当前,大数据、云计算、物联网、人工智能等信息产业技术快速发展,持续为半导体产业提供强劲市场需求,全球集成电路产业将迎来新一轮的发展机遇。


本文将从集成电路的产业链出发,对国内外集成电路发展状况做简单梳理,内容包括市场运行情况、政策走向分析、产业链上下游等相关分析,并就未来发展趋势做简要梳理。


第一部分 半导体大步发展,集成电路重中之重


一、半导体市场


1、半导体及其分类


半导体指常温下导电性能介于导体(conductor)与绝缘体(insulator)之间的材料。半导体在集成电路、消费电子、通信系统、光伏发电、照明应用、大功率电源转换等领域应用。今日大部分的电子产品,如计算机、移动电话或是数字录音机当中的核心单元都和半导体有着极为密切的关联。


1949年肖克莱发表了关于PN结理论及一种性能更好的双极型晶体管(BJT)的经典论文,通过控制中间一层很薄的基极上的电流,实现放大作用,次年制成具有PN结的锗晶体管。由于双极型晶体管是通过控制固体中的电子运动实现电信号的放大和传输功能,比当时主流产品真空电子管性能可靠、耗电省,更为突出的是体积小得多,因此在应用上受到广泛重视,它很快取代真空管作为电子信号放大组件,成为电子工业的强大引擎,由此引发了一场电子革命,把人类文明带进现代电子时代,称为“20世纪最重要的发明”。


自第一个晶体管1947年被发明以来,各式各样的新型半导体器件凭借更先进的技术、更新的材料和更深入的理论被发明。


半导体材料很多,按化学成分可分为元素半导体和化合物半导体两大类。


按照其制造技术可以分为集成电路、分立器件、光电半导体、传感器等四大类。


半导体具备热敏特性、光敏特性、掺杂特性。


从未来发展趋势看,器件、技术、和产品的创新,仍将是半导体发展的主要驱动力量。


基于近平衡态物理的半导体产业已经成熟,半导体产业技术逼近极限。尽管目前依赖于特征尺寸不断缩小的硅基CMOS技术发展遇到越来越多的挑战,但不依赖于特征尺寸的器件创新此起彼伏。特别是MEMS器件和系统级封装技术(SIP)的发展促使集成电路的“集成”涵义更为广泛。2004年石墨烯的发现,为下一代工作速度更快、规模更大、成本更低、功耗更小的集成电路提供了可实现的路径。虽然目前利用石墨烯制备FET(场效应晶体管)还有许多困难,但从石墨烯固有的卓越本征电子属性以及近年来对石墨烯FET开发的进展程度来看,碳基集成电路可能会成为一个重要的发展趋势。


与以往相比,当前硅基CMOS技术面临着许多前所未有的重大挑战。从28nm向22nm,甚至更小特征尺寸过渡时,平面MOSFET被立体的FinFET所替代。为加工更细的线宽,EUV(极紫外)光刻技术或电子束光刻技术将替代目前的193nm浸没式光刻技术。从经济生产规模出发,采用18英寸(450nm)晶圆和建设单片晶圆全自动生产线或将是新的解决方案。可以想象到5~3nm及3nm以下特征尺寸时,半导体芯片工艺又将进入一个相对全新的时代。


产品创新是推动半导体产业发展的永恒动力。即使传统摩尔定律趋于失效,但产品创新仍是引领半导体产业维持高速发展的主导因素。世界半导体产品在经历了Tr(晶体管)、ASSP(标准通用产品)、MPU(微处理器)、ASIC(专用IC)、FPGA(现场可编程门阵列)、SoC(系统级芯片)的产品特征循环周期,目前正在向U-SoC(超系统级芯片)过渡。新一代信息技术的每一个需求都可能激发半导体新一代产品的诞生。


2、半导体市场发展情况


从半导体销售额同比增速来看,全球半导体行业大致以4~6年为一个“硅周期”,景气周期与宏观经济、下游应用需求以及自身产能库存等因素密切相关。过去20年半导体市场经历了数次跌宕起伏,2000年的互联网泡沫破裂,导致产业有两年的调整,通过积聚能量之后直至2004年时再次跃起。此后由于12英寸硅片的导入,产业开始新一轮的产能扩充竞赛,直至2008年,全球半导体市场出现了负增长,2009年上半年更是大幅下滑了25%。随着终端电子产品市场(如苹果的iPhone、iPad等)兴起,来势十分强劲,2010年半导体业进入一个历史性的高点。半导体市场规模到2016年之前一直徘徊在3000亿美元左右,到2017年突破4000亿美元。全球半导体贸易协会数据(WSTS)显示,2018年全球半导体市场规模达到4688亿美元,同比增长13.7%,是2010年以来增长最快的年份之一。而2019年,随着全球逆全球化趋势和欧美各国制造业回流的趋势,全球半导体市场规模降至4090亿元,较2018年下降12.8%。


从具体产品来看,2019年,集成电路、分立器件、光电器件和传感器这四大类产品市场规模分别为3304亿美元、240亿美元、411亿美元、136亿美元。其中,集成电路市场规模萎缩最大,降幅达到16.0%,是导致全球半导体下降的主要因素;分立器件市场规模小幅下降,为-0.6%;光电器件市场规模继续保持增长,增速7.9%;传感器市场规模增幅继续大幅下降,增速仅为2.0%。


从全球半导体终端应用市场规模来看,2018年通信和计算机两大细分市场规模占比最高。


20世纪70年代末,半导体产业重心从美国转移到了日本,而20世纪80年代末,韩国与中国台湾成为半导体产业的主力。每一次产业重心转移,都引发了整个产业的剧烈震荡,这种力量也给那些新兴国家和地区带来了巨大的经济动力。


这种转移在日本造就了日立、东芝、三菱电气、富士通和NEC等世界顶级的半导体制造商。而仅仅通过十余年的不懈努力,韩国成为继美国、日本之后的世界第三个半导体产业中心,自上个世纪90年代中期以来,半导体产值一度占据韩国出口产品的第一位,韩国三星公司更成为世界存储器生产大厂之一。


二、集成电路市场


1、集成电路及分类


集成电路(integrated circuit)采用一定的工艺,把一个电路中所需的晶体管、电阻、电容和电感等元件及布线互连一起,制作在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上,然后封装在一个管壳内,成为具有所需电路功能的微型结构。其中所有元件在结构上已组成一个整体,使电子元件向着微小型化、低功耗、智能化和高可靠性方面迈进了一大步。它在电路中用字母“IC”表示。集成电路发明者为杰克•基尔比(基于锗(Ge)的集成电路)和罗伯特•诺伊思(基于硅(Si)的集成电路)。当今半导体工业大多数应用的是基于硅的集成电路。


集成电路产品分为模拟芯片、微处理器、逻辑芯片和存储器。


2、集成电路产业链


集成电路生产主要分为设计、制造、封测三大流程,同时需要用到半导体材料和设备。



第二部分 全球格局不断变化,机遇挑战不可偏视





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