2022年中国半导体IC产业研究报告

2022-09-05 09:49:54 江苏省企业技术改造协会 35

核心摘要:

从1956年创办第一个半导体物理专业开始,我国半导体产业萌芽于独立自主的梦想,走过初创时代的百废待兴,见证了动荡年代的执着探索,跟随改革开放的步伐一路向前,最终于21世纪建立起完整的产业链体系。芯火相传,玉汝于成。对此,艾瑞发布《中国半导体IC产业研究报告》,从半导体核心领域-集成电路角度出发,剖析中国半导体IC各产业链环节,并基于数字电路与模拟电路给到中国半导体IC产品机遇洞察,为IC产业趋势发展提供分析判断,希望通过本报告,为读者呈现中国半导体IC的产业发展历程、产业链商业全景、产品发展机遇的多维视角,欢迎各界探讨指正。

“芯火”-产业背景:自2019年6月科创板开板以来,半导体IC二级市场企业数量增势显著,尤其在IC设计环节企业增势明显。一级资本市场经历热情高涨期,2021年迎来新一轮投融资高潮,资本偏爱“短回报周期” 环节,IC设计与设备企业进入投资者视野。2021年中国集成电路产业规模达到10458亿元,其中,IC设计为4519亿元、IC制造为3176亿元、IC封测为2763亿元。

“相传”-产业链条:集成电路产业链条可分为上游软硬件材料及设备层、中游IC设计与生产层及下游IC产品与应用层。半导体IC产业环节进程不一,按规模与增量可划分快速发展、平稳发展、战略发展等不同赛道。对比国内外头部企业经营现况可知,中国半导体IC产业链生态建设仍待加强,达到上下协同的规模经济尚需时日。

“玉汝”-产品机遇:如今中国数字电路市场的产品壁垒因技术生态不一而有所差异,未来数据中心、新能源汽车等需求渐涨带来可观增量,但国内高端产品技术与性能差距仍存,把握发展机遇需要循序渐进;模拟电路市场因贸易摩擦与缺芯潮打破了传统封闭供应链,为国内企业带来发展的黄金窗口期。国内企业将以提升精度、速度、稳定性为策略进军高端产品市场。此外,第三代半导体功率器件具有高耐压、高功率、高频率特性,是最能体现宽禁带材料优势的半导体器件,下游新能源汽车、光伏发电等应用需求强劲,市场空间广阔。

“于成” –产业趋势:未来中国半导体IC产业需政府侧、资本侧、厂商侧多方努力,把握住第三次半导体产业转移浪潮。缺芯潮将逐渐由全面短缺转向新能源汽车、工业控制、高性能计算等特定领域,中高端芯片缺货仍将持续。随着芯片自主化浪潮的持续演进,跨界造芯成为半导体IC行业潮流,终端应用厂商纷纷入局,共同促进中国半导体IC行业生态融合。

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报告研究范围

集成电路,即半导体IC,为半导体产业中的核心规模市场

根据WSTS世界半导体贸易统计组织公开披露数据,2021年全球半导体产品规模预计已增长到5559亿美元,其中集成电路产品规模为4630亿美元,占比高达83.3%。从产品规模来看,集成电路产品规模长期占据全球半导体产品规模80%以上,为半导体产业中的核心规模市场。本篇报告将集成电路市场,即半导体IC(Integrated Circuit),划定为研究范围,而光电子器件、分立器件与传感器市场不在本篇报告的研究范围之内。

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国家信息产业基石

半导体芯片是信息技术的核心,国家信息产业的基石

纵观半导体产业的发展历程,过去几十年以来,半导体芯片技术创新推动了现代技术的变革性进步,从电脑到移动电话到互联网,产业带动作用显著,对国家经济社会发展与科技进步具有重要意义。作为电子信息产业的基石,半导体以万亿元产值支撑起我国数字经济40多万亿的产值,助力我国经济实现高质量增长。同时,半导体芯片产业是我国科技自立的重要驱动力,不仅自身存在巨大的增长前景,更为重要的是芯片是人工智能、量子计算、物联网、虚拟现实等新兴产业发展的基础构件,支撑着新兴产业的发展和传统产业的升级。此外,半导体带动相关化学工业、软件业等辅助产业共同发展可增加就业。随着数字化、智能化浪潮的不断演进,未来半导体产业将在国家科技进步和经济增长中扮演更加重要的角色。

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中国半导体产业发展历程

国际视角下,中国半导体产业规模波动扩大

根据WSTS世界半导体贸易统计组织的数据,中国半导体市场销售规模从2014年的913.75亿美元增长至2021年的1925亿美元,年复合增长率为11.23%。随着消费水平的提高、信息技术的进步和数字经济的飞速发展,中国对半导体产品的需求不断扩大,逐步成长为全球最大的单一半导体销售市场,2021年半导体销售额占全球市场的34.6%。

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中国半导体IC产业发展驱力

我国芯片对外依存度高,芯片自给率亟待提升

半导体产业的发展对我国经济增长、就业机会创造、关键技术突破和国家安全至关重要,也是抓住新一轮科技和产业革命历史机遇的关键。在疫情冲击,全球贸易保护主义升温的背景下,我国迫切需要提升芯片自给率,摆脱对以美国为主的国际技术的依赖。一方面,我国IC进出口长期存在巨额贸易逆差,芯片对外依存度高,高端芯片严重依赖进口;另一方面,根据IC insights的数据,我国IC自给率虽总体呈现上升趋势,但目前仍然处于低位,芯片自给率亟待提升。回溯全球半导体产业的发展历程,我们应当认识到,芯片自给率并不能在短期内实现大幅度提升,需要持之以恒,久久为功。

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中国半导体IC产业资本市场

科创板助推半导体IC企业上市浪潮,IC设计环节增势明显

自2019年6月科创板开板以来,半导体IC二级市场企业数量增势显著。2019-2021年共计51家半导体IC企业成功上市,其中43家在科创板上市,占比超过80%。2022年上半年有14家半导体IC企业在科创板成功上市,业务范围涉及EDA、IP授权、IC设计等多个产业链环节。从上市企业产业链分布来看,近年来半导体IC上市企业主要集中在IC设计环节,上市企业数量占比达到48.6%,而IP授权与EDA等上游环节上市企业数量稀少,分别仅占2.9%与0.7%。

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一级资本市场投资热情高涨,2021年迎来新一轮融资高潮

受益于科创板开板与国产自主深入推进,半导体IC行业一级市场投资热情自2019年以来持续升温,2021年投融资数量创新高达到232起,同比增长45.9%。从融资轮次来看,主要聚集于早期(C轮及以前),共计达到607起,占比达到70.2%,其中pre A-A++融资轮次数量最多,占比达到早期(C轮及以前)融资轮次的49.3%。由此看来,产业资本和创投基金更加注重对半导体IC产业的提前布局。

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中国半导体IC产业投资机遇

资本偏爱“短回报周期” 环节,IC设计与设备进入投资者视野

根据艾瑞对中国半导体IC企业一二级市场的动态梳理,中国半导体IC产业环节中,IC设计保持最高资本热度,IC设计企业数量持续上涨,因轻体量与短周期特性吸引众多资本布局;此外,半导体设备受益于产业需求的扩产增长,资本热度位居第二,以产业价值来看,可重点关注光刻机、刻蚀机与薄膜沉积设备的突破。

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中国半导体IC产业政策发展

支持力度不断加大,IC产业基础性、先导性、战略性持续凸显

历经专项工程期、产业支持期到国家战略期,半导体产业在我国科技进步和经济增长中的重要性日益凸显,政策支持力度也不断加大。当前国际环境不确定性上升,半导体产业已成为各国强化布局、展开博弈的重点领域,因此,预期未来政策将会持续发力支持半导体产业国产化进程。

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半导体IC产业链条全景

上游软硬件材料及设备、中游设计生产、下游产品应用

集成电路产业链条可分为上游软硬件材料及设备层、中游IC设计与生产层及下游IC产品与应用层。上游软硬件材料及设备包括技术服务、EDA工具授权、半导体设备与半导体材料四类,对应支撑着中游的设计生产层。中游设计与生产层可分为IC设计环节、IC制造环节与IC封测环节,而后由原厂企业通过分销商或直销模式流入下游的产品应用层。

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中国半导体IC产业图谱

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中国半导体IC产业运营全景

半导体IC产业环节进程不一,按规模与增量可划分不同赛道

艾瑞研究院以产业链各环节的市场规模、近三年CAGR、国产自主比例为基础维度,绘制出中国半导体IC产业运营全景。从市场规模来说,由于IC设计企业数量迅速增长,国内IC设计市场规模在2021年达到4519亿元。从增长率来看,设备市场一枝独秀,近三年CAGR超过30%。受益于国内半导体IC产业的持续扩产计划,预期设备市场的高增长仍将持续。

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产业链生态建设仍待加强,达到上下协同的规模经济尚需时日

产业链上游EDA工具、材料、设备国内上市企业盈利能力与头部企业无明显差距,均呈现出高毛利、低净利的特点。然而国内技术服务(主要为IP授权)厂商毛利率与净利率大幅度低于头部企业,国内技术服务企业正处于成长期,销售费用与研发费用偏高,盈利不足。产业链中游设计、制造、封测环节国内企业平均净利率水平保持稳定、毛利率水平呈现逐层降低趋势,盈利能力整体不及头部企业,国内上市企业高端芯片及先进制程难以突破,规模效应不显著,市场定价能力受限。

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半导体IC产业上游—进程总览

作为整个半导体IC产业的基础,上游产业链国产需求迫切

EDA工具、IP授权、半导体材料以及设备是整个半导体IC产业的底层要素,技术壁垒高、工艺复杂且需要长期技术积累,难以实现弯道超车。半导体产业链已经实现全球化分工布局,然而底层要素与核心关键技术大部分掌握在欧美企业手中。当前中美贸易摩擦、俄乌冲突等国际事件正在重塑半导体产业全球分工体系,国际局势不确定性上升,国内终端需求持续扩张,我国对半导体产业链的自主可控诉求进一步凸显,实现半导体产业底层要素等关键领域安全可控需求迫切。

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半导体IC产业中游—产业模式

中游:垂直整合制造模式、垂直分工模式、轻晶圆厂模式

集成电路行业在中游产业链经营模式上主要分为垂直整合制造(IDM,Integrated Device Manufacturing)模式、垂直分工模式与轻晶圆厂(Fab-lite)模式。早期,集成电路产业以IDM模式为主,由IC企业自行设计、并将自行生产加工、封装、测试后的成品进行销售。自20世纪60-70年代开始,集成电路产业链开始出现专业化分工方向,孵化出独立的芯片设计企业(Fabless)、晶圆代工厂与封测代工厂,并形成了新的产业模式,即垂直分工模式。各环节企业运营更灵活且资金门槛更低,因此垂直分工模式自出现后不断深化,进入繁荣发展。在21世纪后,半导体IC产业链又出现了轻晶圆厂模式,介于IDM模式与垂直分工模式之间,或由IDM企业对外代工转变而来,或由垂直分工模式其中之一环节延伸到其他环节转变而来。

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半导体IC产业中游—IC设计环节

体量较轻,深陷”中低端拼价格,高端拼技术”内卷之局

受益于垂直分工模式迅速发展、半导体政策倾向与一级市场投资加持,中国有大量Fabless企业涌现,产业集聚效应进一步明显。根据中国半导体协会CSIA的数据显示,2021年中国IC设计企业数量已达到2810家,同比增长26.7%,主要为初创、中小企业参局;销售规模为4519亿元,同比增长19.6%,呈现高速发展态势。从产品维度来看,大量中小设计企业扎堆中低端市场,产品同质化带来的价格战进一步挤压中小企业生存空间,而高端产品市场要看企业技术储备,与国内厂商拼产品“能否做得出”以及产品“能否用的好”,对企业的资金实力、研发团队提出高要求。

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半导体IC产业中游—IC制造环节

IC制造规模稳定增长,资金、人才、技术壁垒带来马太效应

根据中国半导体协会的公开数据,2021年中国IC制造业销售规模已达到3176亿元,在全球缺“芯”的大背景下,IC制造业保持强劲增长态势,同比增长率达到24.1%。晶圆代工厂的上游采购供应商核心包括IC制造设备与IC制造材料,下游客户核心包括Fabless厂商与IDM厂商(虽自有代工厂,但出于利益考量也会找到IC制造厂商),因此基于上游资金需求与下游工艺关联的产业背景,半导体IC制造行业铸就资金、人才与技术的高壁垒因素。也正因为IC制造环节高壁垒,自早期IDM模式后,垂直分工模式出现,剥离出独立制造环节厂商,晶圆代工厂规模日益壮大,具备资金实力与客户关系的厂商会进一步扩张建厂、吸纳人才、更新技术,马太效应日益显现。

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半导体IC产业中游—IC封测环节

中国大陆企业早期以封测为入口进军,现已迈入发展成熟期

相较于其余环节,封装行业进入壁垒较低,因此在中国集成电路发展早期,众多企业选择以封测环节作为切入口,并不断加强对海内外企业并购动作,以持续扩大公司规模,现中国封测龙头企业已成功步入成熟期。根据ChipInsights芯思想研究院2021年公布的数据,2021年全球Top10企业中,以长电科技、通富微电、华天科技为代表,中国大陆市占率已达20.1%。据CSIA中国半导体协会公开数据,2021年中国IC封测业销售规模已达2763亿元,同比增长10.1%。未来,随着摩尔定律极限的逼近,封测技术节点突破难度加大,先进封装技术将成为封测厂商突破发展的方向。而中国IC封装业目前以传统封装为主,总体先进封装技术与国际领先水平仍有一定差距。以三大龙头(长电科技、通富微电、华天科技)为代表的中国企业正通过自主研发和兼并收购,逐步形成先进封装的产业化能力,未来顺应封测行业发展趋势,中国封测企业将进一步加强由传统封装到先进封装的能力转化,以获得长足发展。

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数字电路 V.S. 模拟电路

全球数字电路和模拟电路的产品规模比稳定在85:15上下

根据WSTS世界半导体贸易统计组织公开披露数据,2021年全球数字电路市场规模预计达到3880亿美元,占全球集成电路市场规模比例达到84.2%,全球模拟电路市场规模预计达到728亿美元,占全球集成电路市场规模比例为15.8%。从历史发展趋势来看,数字电路与模拟电路的产品规模虽有波动,但比例长期稳定在85:15上下。

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数字电路产品分类

主要分为存储电路、逻辑电路与微型集成电路三大类

数字电路主要可分为存储电路、逻辑电路与微型集成电路三大类。根据WSTS世界半导体贸易统计组织公开披露数据,全球逻辑电路产品规模长期占据三类产品的首位,而后存储电路进入市场增长期,逐年发力,于2021年成功超越逻辑电路成为细分产品规模第一。2021年全球存储电路、逻辑电路与微型集成电路产品规模分别为1582亿美元、1507亿美元与791亿美元。

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数字电路需求市场

数据中心、新能源汽车等需求渐涨,数字电路市场增量可期

数字电路传统下游应用集中在计算机、通信(包括手机)、传统汽车电子、存储等领域。经过几十年的发展,数字电路在这些领域的应用已经十分成熟,市场已经趋于饱和。2022年3月,国家东数西算工程启动实施,带动区域数据中心建设需求;与此同时,后疫情时代汽车智能化、工业自动化趋势方兴未艾,人工智能基础设施建设如火如荼,数字电路迎来增长机遇期。

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数字电路发展机遇

高端产品技术与性能差距仍存,把握发展机遇需要循序渐进

总览国内数字电路厂商的发展现状,在车规MCU、计算机MPU、通用CPU以及DRAM等高端数字电路领域,国内厂商依然处于初步发展阶段,存在技术落后、产品生态不完善等问题。但国内厂商在低端应用领域的探索为突破高端积累了经验,依托国内IC产业基础,外加IC人才归国潮以及政策资金支持等红利,国内厂商可在稳固低端市场的同时循序渐进,突破先进制程与高端应用领域。

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模拟电路产品分类

以电源链、信号链为两大细分,产品种类繁多

狭义来看,完全由模拟电路的基本模块构成的芯片称为模拟芯片;广义来看,根据WSTS定义,设备中50%及以上面积被模拟电路占用的芯片归类为模拟芯片。本篇报告的研究领域为广义范围,将模拟电路产品分为电源链产品与信号链产品,其中信号链产品包括了数模混合信号芯片与射频前端芯片。根据公开数据披露,2020年电源链产品占据模拟电路市场的近6成,其次为信号链中的射频前端芯片,规模占比为23.2%,最后为信号链产品,规模占比达到17.8%。从应用场景来看,模拟芯片又可分为通用模拟芯片与专用模拟芯片,产品规模占比约为四成与六成,具体分布如下图所示。

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模拟电路市场结构

格局相对分散但稳定,德州仪器与亚德诺稳坐一二把交椅

模拟芯片产品生命周期长、品类多、迭代慢,客户不会轻易更换供应商,因此行业格局稳定,变化多源于企业的兼并收购动作。从全球视角来看,模拟芯片市场格局相对分散,呈现由欧美系企业主导局面。根据IC Insights数据,2018年至2020年,德州仪器TI、亚德诺ADI稳坐一二把交椅,合计市场份额近三成。总结来看,国际模拟芯片头部厂商历史悠久,依靠对模拟技术的原始积累与产品迭代更新打造出核心竞争力,构建起了模拟芯片行业的护城河。

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模拟电路黄金窗口期

贸易摩擦与缺芯潮打破封闭供应链,为企业带来黄金窗口期

模拟芯片具备众多市场机会与广阔产品替代空间,且门槛相对较低,易与国产供应链厂商搭建友好合作关系。另外,模拟芯片企业产品通常具备较短研发周期与较长生命周期,可快速帮助企业实现盈利并获取高毛利。虽然模拟芯片企业在创业与经营角度均具备较大吸引力,但正由于模拟芯片迭代慢、生命周期长的特性,下游客户粘性强,市场供应链长期处于封闭状态,国产模拟芯片企业很长一段时间难有较大发展与突破。而如今在“贸易摩擦+缺芯潮”影响下,中国模拟芯片市场正出现松动,逐渐打破了原本封闭的产品供应链,为更多国内模拟芯片企业进入客户供应商名单带来黄金机会。

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模拟电路发展机遇

精度、速度、稳定性提升是国产模拟芯片进军高端的关键

模拟芯片由低端到高端可划分为消费电子级、工业通讯级和汽车电子级,各应用场景对模拟芯片的精度、速度及稳定性要求依次递增。目前中美贸易摩擦叠加结构性缺芯潮,为国产模拟芯片厂商突破高端产品带来了良机。从厂商角度来看,国内模拟芯片头部企业具备资源、技术优势,转型突破相对容易;但是中小型厂商转型压力比较大,或将迎来洗牌期。

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半导体材料演进历程

半导体衬底材料历经三个发展阶段,第三代半导体崭露头角

从1950年代开始,半导体衬底材料发展至今经历了三个阶段:以Si为代表的第一代半导体材料,主要应用于集成电路和低压低频器件;以GaAs和InP为代表的第二代半导体材料,主要应用于光电子和微波射频器件;以SiC、GaN为代表的第三代宽禁带半导体材料,随着技术与应用日趋成熟开始崭露头角。第三代半导体包括SiC、GaN、AIN、ZnO、金刚石等。AIN、ZnO和金刚石技术与应用尚不成熟,未来3-5年或将迎来技术突破,实现商业化落地;SiC和GaN已规模化应用于射频电子、功率电子和光电子领域。从产业化落地角度,本专题研究将聚焦于SiC和GaN两种材料。

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第三代半导体投资机会

受强劲需求推动,第三代半导体功率器件市场规模快速增长

受益于下游新能源汽车、光伏发电、轨道交通等产业的扩张,第三代半导体功率器件市场规模快速增长。根据Yole的预测,全球第三代半导体功率器件市场规模将从2021年的10.9亿美元增长至2025年的25.6亿美元,CAGR超过20%。由于性能显著优于Si基功率器件,未来随着成本的进一步下降,第三代半导体功率器件在新能源汽车、光伏发电等领域有望实现对Si基功率器件的全面替代,市场规模将迎来持续性的高速增长。

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各级政府:政策引导

因地制宜、整体规划、长期经营

半导体和芯片的发展是全产业链合力的结果,非产业链某一环节独立可为。在当前地方追求税收、就业和产出等相关经济指标的宏观趋势下,很容易诱发盲目投入、产能过剩和名不副实等问题。基于此,我们提出芯片产业落地的总原则和相关的要点。总体来看地方引入芯片产业应遵循如下步骤:

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投资机构:资本助力

资本与技术存在错位,考验两者双向奔赴的决心与洞见

半导体产业投资回报周期长且不确定性高,早期并未受到过多资本关注。而受益于国家战略驱动与自主可控产业发展,半导体产业景气度快速提升,近几年资本大量涌入迅速炒热市场,头部机构的加注加码更是进一步抬高企业估值。但实际半导体IC企业的发展需要稳扎稳打,资本化进程的加速难以快速催熟企业。二级市场的破发遇冷已对市场敲起警钟,未来资本投资将不再盲目于赛道与跟风,而是会更看重标的企业的产品力与长久发展能力。对于正在发展的半导体IC企业来说,需持续加强自身核心技术与竞争性优势以获得资本青睐,而没有核心技术的空壳公司终将被淘汰,半导体IC市场将迎来新一波洗牌期。

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产业红利下,更关注企业层面的核心竞争力与长久运营能力

虽然半导体产业投资在热潮涌起后逐渐趋于冷静,但在国家自主可控、下游需求激增的大环境下,未来半导体产业仍是投资者可持续关注的黄金赛道。以广泛被看好的汽车电子与工业控制为例,投资者可据市场规模、市场增量、国产替代空间与下游需求容量等角度判断未来增长的主战场,而在判断行业赛道的大方向后,需聚焦审慎标的企业的核心竞争力与长久运营能力,从团队能力、项目经验、产业协作能力、软件生态及客户验证、市场空间、产品能力的六大维度展开全面分析,找到可并肩作战的优质企业,助力半导体IC企业实现跨越式发展,共同走过半导体IC产业的深水区。

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行业厂商:创新突破

芯片制程工艺微缩难题诸多,国内厂商仍需突破

过去数十年来,半导体芯片制程工艺基本遵循着摩尔定律在持续推进。然而随着制程工艺微缩至10nm以内,芯片设计制造成本快速攀升;同时,杂质涨落、量子隧穿等微观物理效应开始凸显,摩尔定律正在逼近物理、技术和成本的极限。在摩尔定律逼近极限的趋势下,IC产业正在探索可能的发展方向,通过结构优化和工艺微缩延续摩尔定律是发展方向之一。目前国际上最先进的芯片制程工艺已经达到5nm,国内先进制程仍然处于14nm阶段,落后2-3代。由于先进制程主要用于中高端手机AP/SoC、CPU、GPU、ASIC等,而这些市场几乎被国际企业完全占据,因此,国内厂商仍需攻坚克难,奋力追赶,突破先进制程。

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Chiplet-SiP模式为中国厂商发展带来机遇与挑战

Chiplet-SiP模式是业界在扩展摩尔定律(More than Moore)方向上的创新探索,发展潜力巨大,对于国内厂商而言既是机遇,也有挑战。Chiplet,即工艺和功能不同的芯粒;SiP,即系统封装技术,Chiplet-SiP模式的本质是基于异构集成的系统封装技术将不同功能和工艺的芯粒和元件封装在一起形成能实现完整功能的芯片模块。这一模式能够在提高芯片性能的同时减少设计制造成本、缩短生产周期,使得芯片制造可以部分绕过先进制程工艺的限制,或为国内半导体产业实现弯道超车带来新的机遇。然而,这一模式有赖于系统封装技术和芯粒互联技术的进步,以解决芯粒堆叠带来的传输速度下降和散热等问题,需要进一步探索。

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