5G、人工智能、連網(wǎng)技術(shù)、新能源等底層技術(shù)的不斷成熟驅(qū)動(dòng)下游應(yīng)用的電動(dòng)化、智能化不斷發(fā)展，從而持續(xù)推動(dòng)全球半導(dǎo)體行業(yè)穩(wěn)步增長(zhǎng)。預(yù)計(jì)至2025年，全球半導(dǎo)體行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)6300億美元。伴隨著技術(shù)的進(jìn)步，消費(fèi)電子、通訊、汽車、工業(yè)等各領(lǐng)域?qū)⒂瓉硇袠I(yè)轉(zhuǎn)型，進(jìn)一步擴(kuò)大對(duì)半導(dǎo)體的總需求量。

伴隨著數(shù)字化轉(zhuǎn)型和“雙碳”目標(biāo)的確立，以及疫情常態(tài)化、半導(dǎo)體行業(yè)進(jìn)入后摩爾時(shí)代，這一系列變化將對(duì)半導(dǎo)體行業(yè)帶來哪些變革?當(dāng)前產(chǎn)業(yè)內(nèi)有哪些技術(shù)趨勢(shì)與芯片設(shè)計(jì)開發(fā)者需求變化?帶著這些問題，集微網(wǎng)有幸邀請(qǐng)了新思科技全球資深副總裁兼中國(guó)董事長(zhǎng)葛群先生，通過數(shù)字化轉(zhuǎn)型根技術(shù)提供者的視角，一起尋找中國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的未來發(fā)展軌跡。

半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)作為現(xiàn)代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)，已成為社會(huì)發(fā)展和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性和先導(dǎo)性產(chǎn)業(yè)，是現(xiàn)代日常生活和未來科技進(jìn)步必不可少的重要組成部分;伴隨著全球科技逐漸進(jìn)步，全球范圍內(nèi)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)規(guī)?；径急３种掷m(xù)擴(kuò)張態(tài)勢(shì)。根據(jù)全球半導(dǎo)體貿(mào)易組織發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，2013年至2019年，全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)規(guī)模從3056億美元增長(zhǎng)至4121億美元、除2019年因中美摩擦及部分半導(dǎo)體產(chǎn)品因周期因素大幅降價(jià)，其余時(shí)間均保持穩(wěn)定增長(zhǎng)。

5月5日，美國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)(SIA)發(fā)布了2020年版本的Factbook，報(bào)告用比較詳實(shí)的數(shù)據(jù)展示了美國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)的實(shí)力和前景。

具體來看，這份報(bào)告總共五個(gè)部分：

一、全球總份額。20世紀(jì)80年代，因受到日本沖擊，美國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)的全球市場(chǎng)份額曾經(jīng)遭遇大幅下降。但到1997年，美國(guó)以超過50%的全球市場(chǎng)份額重新獲得了領(lǐng)導(dǎo)地位，這一地位至今仍在繼續(xù)。到2021年，美國(guó)半導(dǎo)體公司的全球市場(chǎng)總份額為46%，為全球最高，韓國(guó)為21%，歐洲和日本為9%，中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)為8%，中國(guó)大陸為7%?？偛课挥诿绹?guó)的半導(dǎo)體公司的銷售額從2001年的711億美元增長(zhǎng)到2021年的2575億美元，復(fù)合年增長(zhǎng)率為6.65%。

二、制造環(huán)節(jié)。美國(guó)本土的半導(dǎo)體制造環(huán)節(jié)大部分都由美國(guó)公司完成。數(shù)據(jù)顯示，2021年，美國(guó)79.8%的半導(dǎo)體晶圓制造能力來自總部位于美國(guó)的公司?？偛课挥趤喬貐^(qū)的半導(dǎo)體公司占美國(guó)本土產(chǎn)能的9.5%，從報(bào)告顯示，美國(guó)的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈從研發(fā)、設(shè)計(jì)到制造基本都在美國(guó)本土完成。其中，總部在美國(guó)的半導(dǎo)體公司把前端制造的43%放在了本土，不過，美國(guó)半導(dǎo)體制造占全球的總份額在過去8年中下降了10%以上?？偛课挥诿绹?guó)的半導(dǎo)體公司在全球各區(qū)域的份額占比，從美國(guó)芯片出口的占比來看，中國(guó)依然是它們最大的市場(chǎng)，占比高達(dá)49.9%。三、出口。2021年，美國(guó)半導(dǎo)體出口總額高達(dá)620億美元，這在美國(guó)出口中排名第五，僅次于成品油、飛機(jī)、原油和天然氣。在所有電子產(chǎn)品出口中，半導(dǎo)體占美國(guó)出口的最大份額。而隨著原油與飛機(jī)出口的下滑，預(yù)計(jì)2022年美國(guó)的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)出口將進(jìn)一步攀升。四，研發(fā)和支出。2021年，包括fabless公司在內(nèi)的美國(guó)半導(dǎo)體公司的研發(fā)和資本支出總額為906億美元。其中研發(fā)方面的投資總額為502億美元，過去二十年，復(fù)合年增長(zhǎng)率約為5.9%。平攤到每名員工的總投資(以研發(fā)、新廠房和設(shè)備總投資衡量)增長(zhǎng)到創(chuàng)紀(jì)錄的206000美元。就研發(fā)支出占銷售額的百分比(18%)而言，美國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)僅次于制藥和生物技術(shù)行業(yè)，這遙遙領(lǐng)先中國(guó)大陸的7.6%，也領(lǐng)先于中國(guó)臺(tái)灣的11%。

從產(chǎn)業(yè)鏈的角度看，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈涉及材料、設(shè)備等支撐性行業(yè)，芯片設(shè)計(jì)、晶圓制造和封測(cè)行業(yè)，半導(dǎo)體產(chǎn)品終端應(yīng)用行業(yè)等。以集成電路為代表的半導(dǎo)體產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，下游應(yīng)用行業(yè)的需求增長(zhǎng)是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的核心驅(qū)動(dòng)力力。半導(dǎo)體專用設(shè)備是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的技術(shù)先導(dǎo)者，芯片設(shè)計(jì)、晶圓制造和封裝測(cè)試等需在設(shè)備技術(shù)允許的范圍內(nèi)設(shè)計(jì)和制造，設(shè)備的技術(shù)進(jìn)步又反過來推動(dòng)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

隨著半導(dǎo)體產(chǎn)品的加工面積成倍縮小帶來加工難度不斷擴(kuò)大，未來生產(chǎn)半導(dǎo)體產(chǎn)品的制造設(shè)備將越來越精細(xì)化，價(jià)值或持續(xù)上升。根據(jù)SEMI數(shù)據(jù)，預(yù)計(jì)2022年全球半導(dǎo)體設(shè)備市場(chǎng)規(guī)模有望達(dá)到1013.1億美元(年初預(yù)測(cè)為761億美元)，20-22年CAGR為19.29%。

半導(dǎo)體芯片生產(chǎn)主要分為IC設(shè)計(jì)、IC制造、IC封測(cè)三大環(huán)節(jié)。IC設(shè)計(jì)主要根據(jù)芯片的設(shè)計(jì)目的進(jìn)行邏輯設(shè)計(jì)和規(guī)則制定，并根據(jù)設(shè)計(jì)圖制作掩模以供后續(xù)光刻步驟使用。IC制造實(shí)現(xiàn)芯片電路圖從掩模上轉(zhuǎn)移至硅片上，并實(shí)現(xiàn)預(yù)定的芯片功能，包括光刻、刻蝕、離子注入、薄膜沉積、化學(xué)機(jī)械研磨等步驟。IC封測(cè)完成對(duì)芯片的封裝和性能、功能測(cè)試，是產(chǎn)品交付前的最后工序。

“中國(guó)是全球唯一擁有聯(lián)合國(guó)產(chǎn)業(yè)分類中所列全部工業(yè)門類的國(guó)家，具備了最強(qiáng)的系統(tǒng)能力。在最大的市場(chǎng)需求及系統(tǒng)能力支撐下，以往根據(jù)現(xiàn)有芯片功能去設(shè)計(jì)終端系統(tǒng)的方式轉(zhuǎn)變?yōu)楦鶕?jù)終端系統(tǒng)要求去定義芯片功能，在這種需求越來越無(wú)法滿足的情況下，很多系統(tǒng)和互聯(lián)網(wǎng)公司就走上了自研芯片的道路?！备鹑罕硎荆氨澈蟮倪壿嬍遣町惢男枨?，促使系統(tǒng)廠商通過自己實(shí)現(xiàn)芯片，來鞏固其對(duì)終端市場(chǎng)的把握能力。”

無(wú)論是芯片創(chuàng)業(yè)者，還是跨界造芯者，產(chǎn)品上市時(shí)間都是芯片開發(fā)者們最大的挑戰(zhàn)。與此同時(shí)，隨著芯片制造工藝演進(jìn)和系統(tǒng)級(jí)架構(gòu)的改變，芯片設(shè)計(jì)的規(guī)模和復(fù)雜度都呈幾何級(jí)增長(zhǎng)。葛群指出，作為芯片設(shè)計(jì)的基石，新思科技等EDA及IP提供商將在這種轉(zhuǎn)變中發(fā)揮越來越重要的作用。

“例如新思科技推出的解決方案就是把芯片設(shè)計(jì)思路抽象化，將底層細(xì)節(jié)和經(jīng)驗(yàn)都?xì)w并至工具形成一個(gè)設(shè)計(jì)方法學(xué)，芯片設(shè)計(jì)工程師可以使用高級(jí)硬件描述語(yǔ)言編寫代碼來實(shí)現(xiàn)芯片功能，功能驗(yàn)證后再通過邏輯綜合工具將硬件描述語(yǔ)言轉(zhuǎn)換成邏輯電路圖，最后進(jìn)入制造環(huán)節(jié)。這極大地提升了芯片設(shè)計(jì)的效率，引發(fā)了芯片設(shè)計(jì)行業(yè)的流程變革?！彼硎?，“新思科技一直在引領(lǐng)芯片設(shè)計(jì)從抽象描述變成具體實(shí)踐的工具創(chuàng)新，未來將進(jìn)一步提高芯片設(shè)計(jì)的抽象層次，用更高層的語(yǔ)言描述系統(tǒng)和芯片并將之后變成芯片，以解決系統(tǒng)級(jí)的復(fù)雜度，這就是我們提出的‘SysMoore’的概念，從更高的維度來思考解決半導(dǎo)體行業(yè)挑戰(zhàn)的設(shè)計(jì)方法學(xué)?！?

新思科技的目標(biāo)是，一方面通過融合設(shè)計(jì)工具以及芯片全生命周期管理平臺(tái)，解決對(duì)于不同工藝尤其是硅工藝的建模和抽象難題，使得人類能更好地利用不同工藝，尤其先進(jìn)工藝進(jìn)行創(chuàng)新。另一方面充分利用AI、云、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，讓EDA的算法變得更強(qiáng)大，增強(qiáng)EDA性能，降低芯片設(shè)計(jì)門檻，能夠讓更多的人參與到芯片設(shè)計(jì)當(dāng)中來。

那么問題來了，在新需求下，系統(tǒng)廠商、芯片廠商和EDA廠商，未來誰(shuí)將能主導(dǎo)芯片的設(shè)計(jì)?

隨著中國(guó)制造2025和新基建的進(jìn)一步推進(jìn)，越來越多傳統(tǒng)制造業(yè)將轉(zhuǎn)型為智能制造、智慧工廠，中國(guó)由信息化向智能化跨越轉(zhuǎn)型，5G、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等下游應(yīng)用領(lǐng)域高速成長(zhǎng)，為集成電路產(chǎn)業(yè)帶來了強(qiáng)勁的發(fā)展動(dòng)力。

然而，受限于當(dāng)前中美科技環(huán)境以及全球疫情引發(fā)的反全球化浪潮等趨勢(shì)，供應(yīng)鏈的不確定性可能成為常態(tài)，中國(guó)科技企業(yè)近來更頻頻遭遇“卡脖子”的絆腳石，走獨(dú)立自主的建設(shè)道路將成為以半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)為首的國(guó)內(nèi)科技產(chǎn)業(yè)未來的主要趨勢(shì)。

國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體行業(yè)現(xiàn)狀

半導(dǎo)體指常溫下導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體與絕緣體之間的材料，用來連通電路，主要的應(yīng)用場(chǎng)景就是芯片，大部分的電子產(chǎn)品，如計(jì)算機(jī)、智能手機(jī)等或是數(shù)字錄音機(jī)當(dāng)中的核心單元都和半導(dǎo)體有著極為密切的關(guān)聯(lián)。如今隨著科技發(fā)展，5G、新能源車、快充等應(yīng)用爆發(fā)之后，半導(dǎo)體也被應(yīng)用到了這些新興行業(yè)之中，是國(guó)內(nèi)最近政策重點(diǎn)布局的方向。

半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈大致可以劃分為上游、中游和下游。

上游包括半導(dǎo)體材料、生產(chǎn)設(shè)備、EDA、IP核。

EDA，即電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化(Electronics Design Automation)，包括電路設(shè)計(jì)與仿真工具、PCB設(shè)計(jì)軟件、IC設(shè)計(jì)軟件、PLD設(shè)計(jì)工具等。

IP核(Intellectual Property Core)提供已經(jīng)完成邏輯設(shè)計(jì)或物理設(shè)計(jì)的芯片功能模塊，通過授權(quán)允許客戶將其集成在其芯片設(shè)計(jì)中，通過流片形成最終的芯片產(chǎn)品。

中游包括設(shè)計(jì)、制造、封測(cè)三大環(huán)節(jié)。

下游主要為半導(dǎo)體應(yīng)用，例如PC、醫(yī)療、電子、通信、物聯(lián)網(wǎng)、信息安全、汽車、新能源、工業(yè)等。

半導(dǎo)體主要由四個(gè)組成部分組成：集成電路，光電器件，分立器件，傳感器。根據(jù)全球半導(dǎo)體貿(mào)易統(tǒng)計(jì)組織(WSTS)的數(shù)據(jù)，2018年全球半導(dǎo)體(含分立器件、光電子、傳感器、集成電路)市場(chǎng)規(guī)模高達(dá)4687.8億美元，2019年市場(chǎng)規(guī)模接近5000億美元，整個(gè)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中集成電路(IC)占83%，占比最大，因此通常將半導(dǎo)體和集成電路等價(jià)。

當(dāng)前全球集成電路設(shè)計(jì)仍以美國(guó)為主導(dǎo)，美國(guó)IC設(shè)計(jì)公司占據(jù)了全球約68%的最大份額，臺(tái)灣地區(qū)IC 設(shè)計(jì)公司占16%，歐洲IC 設(shè)計(jì)企業(yè)只占了全球市場(chǎng)份額的2%，日韓地區(qū)Fabless模式并不流行。國(guó)內(nèi)對(duì)于美國(guó)公司在核心芯片設(shè)計(jì)領(lǐng)域的依賴程度較高。