1.2.3　投資成本增勢與產能預期

芯片如此重要，造成芯片荒的根本原因是供需不平衡，即數字化進程發展太快，需求過于旺盛，設計能力夠而制造能力卻不足。那么制造能力為何不足呢？從產業鏈條上看，我國除芯片設計能力外，在生產設備、芯片原材料和設計軟件等方面還存在較大差距，特別是在高性能芯片領域，國內企業的全球競爭力很弱。而芯片制造并非靠“集中力量辦大事”就能一蹴而就。例如芯片材料的純度配方，需要經過幾十年的不斷試驗，在失敗中積累經驗。一款新的芯片從構想，到量產問世需要十年以上的時間，其中，制造芯片的設備需要五年的研發周期，而芯片廠商從建廠到量產又需要五年。先進制程生產的芯片由于對工藝、設備、材料等方面的要求更高，因此需要的時間更長。2022年，歐盟委員會公布的《芯片法案》中計劃投資約500億美元以新建2～4家超級芯片工廠，包括帶動的其他公共與私人投資預計達到1500億歐元，但預計到2030年也只能將歐盟的芯片產能從目前占全球10%的份額提高到20%，可見芯片的制造實屬不易。大量的自動化工具使得芯片設計過程變得更順利，設計芯片比以往任何時候都更容易，而制造芯片卻從未如此艱難。

在晶圓代工市場規模方面，IC Insights預估，排除三星及英特爾等IDM之外的純晶圓代工市場，2019年的規模減少了1%，但2020年增長了19%，增長幅度創下近年新高。

如圖1-15所示，純晶圓代工市場規模在2014—2019年的年復合成長率（CAGR）達6.0%，2019—2024年的CAGR將增加3.8個百分點達9.8%。

汽車行業是“芯片荒”的重災區，調研機構IHS Markit表示，2021年一季度因芯片短缺導致的汽車減產數量達67.2萬輛，二季度減產約130萬輛。目前看來這一短缺難以提到快速緩解，根據2021年中國銀行研究院的報告，全球晶圓工廠在2015—2019年擴產不足，尤其是8英寸等成熟制程。全球芯片制造龍頭臺積電通常采取較為激進的折舊策略，設備折舊完成后即對成熟制程降價以打擊競爭對手，導致8英寸晶圓等成熟制程利潤有限，晶圓產能整體呈現出由8英寸向12英寸轉移的趨勢。根據IC Insights統計，2009—2019年，全球共關閉了100座晶圓代工廠，其中，8英寸晶圓工廠為24座，占比24%，6英寸晶圓工廠為42座，占比42%。目前8英寸設備主要來自二手市場，數量較少且價格昂貴，設備的稀缺鉗制著8英寸晶圓產能的釋放。8英寸晶圓通常對應90納米以上制程，在這些制程下生產的功率器件、CIS、PMIC、RF、指紋芯片及NORflash等產品的產能被明顯限制。

根據SIA發布的數據顯示，2021年全球半導體市場銷售額總計5559億美元，同比增長26.2%，創下歷史新高。同期，中國以1925億美元的半導體銷售額成為全球規模最大的區域市場，占比34.6%，同比漲幅為27.1%，全球第三，位于美國（27.4%）和歐洲（27.3%）市場之后。

近幾年，集成電路已成為“科技戰”的關鍵戰場。多重因素驅動下，中國集成電路市場規模逐年增長，產業整體實力迅速提升，產業結構不斷優化，產業區域聚集度也不斷提高。2022年3月，中國半導體產業協會（CSIA）發布統計數據表示：2021年是中國“十四五”開局之年，在國內宏觀經濟運行良好的驅動下，國內集成電路行業繼續保持快速、平穩增長態勢，2021年中國集成電路行業首次突破萬億元。2021年中國集成電路行業銷售額為10458.3億元，同比增長18.2%。其中，設計業銷售額為4519億元，同比增長19.6%；制造業銷售額為3176.3億元，同比增長24.1%；封裝測試業銷售額為2763億元，同比增長10.1%。2015—2021年我國集成電路行業銷售收入及增長情況如圖1-16所示。

即使我國集成電路銷售收入不斷增長，但相對更為旺盛的需求而言，中國本土的產能還是嚴重不足的。

造成這一現象的原因是中國本土芯片產業的研發能力與制造能力嚴重不匹配。而高端芯片研發人才和制造人才資源短缺，使這一問題雪上加霜。中芯國際聯席CEO趙海軍在2021年紅杉數字科技全球領袖峰會上表示，如果本地制造能夠實現對于三成本土需求的支撐，那么國內的半導體制造業至少還要增長五倍的產能。IC Insights預測，以中國本土為基地的集成電路制造業在2025年將上升到432億美元，只占預測的2025年全球集成電路市場總額5779億美元的7.5%。即使對一些中國本土生產商的集成電路銷售加價，中國本土的集成電路生產仍可能只占2025年全球集成電路市場的10%左右。由此可見，我國已是集成電路大國，擁有比較完整的集成電路產業鏈和產品體系，但還不是集成電路強國，主要短板體現在集成電路制造上。供應鏈分析公司Supplyframe首席營銷官巴奈特表示，芯片短缺將持續到2023年，未來將會“一波接一波”沖擊市場，那么對于中國本土芯片行業來說，突圍之路的第一步就是擴產。

全球高科技產業研究機構集邦咨詢統計，2022年以后全球將新增12座完整的晶圓代工廠。中國本土的半導體制造業也在迅速擴大產能，以中芯國際為例，2021年2月，中芯國際在北京亦莊投資的中芯京城一期項目開始建設，該項目投資總額約為497億元，預計于2024年完工。2021年3月，中芯國際宣布斥資88.7億美元新建上海臨港廠房，規劃建設新的晶圓代工生產線項目，聚焦于28納米及以上技術節點（屬于成熟制程，是目前全球多個產業迫切需要的芯片類型），產能達到每月10萬片12英寸晶圓的規模。2021年10月，深圳市坪山區投資推廣服務署公示了中芯深圳12英寸晶圓代工生產線配套廠房項目遴選方案，中芯國際斥資23.5億美元建立深圳坪山廠房，全力推動12英寸生產線建設。中芯國際在北京、上海、深圳的擴產項目均屬于公司12英寸成熟制程，投資金額總計超1200億元。同時我們關注到，隨著全球先進芯片制程邁入5納米工藝節點，每座單一晶圓廠的投資規模也普遍達到千億元人民幣的規模。

如圖1-17所示，隨著工藝節點不斷微縮，雖然芯片的設計成本也有所增加，但這種增長即使到了5納米節點也可以控制在5億美元左右，而制造成本則達到了設計成本的近十倍，是7納米的兩倍，從最初在65納米的4億美元左右達到60億美元左右。未來先進制程芯片的工廠投資如此巨大，導致建立這樣先進工廠的機會越來越少。目前幾個巨頭之間的競爭也會白熱化，而其他腰部和尾部的半導體廠商無論是資本實力，還是技術儲備都難以進入這些領域。

如圖1-18所示，在130納米量產時代，全球有18家芯片廠商；到了14納米節點，全球只有4家，包括中國的中芯國際；到了10納米只剩下3家；7納米廠商則只有臺積電和三星。

即使未來的總體產能可以滿足需求，但由于人們對于算力和體驗有著無盡的追求，包括元宇宙的興起，最為先進的芯片供給始終不會寬裕。換句話說，無論是先進芯片制造的設備還是廠商，其規劃的產能都是被提前預訂的，就如同先進芯片制造廠商在搶ASML最先進的光刻機，終端產品廠商都在搶臺積電最先進的芯片一樣。在這樣的情況下，大量腰部與尾部的芯片廠商即使不進入先進制程領域，而是在相對成熟的制造發力，也同樣面臨與先進廠商的產品競爭。在設備、工藝、材料相對固定的情況下，必須通過智造軟件不斷提升良率和產能，同時降低成本，才能占領市場的一席之地。

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(1)戈特弗里德·威廉·萊布尼茨（Gottfried Wilhelm Leibniz，1646—1716）的一篇關于二進制與中國伏羲八卦圖的論文。原文于1703年完成，最初于1705年發表在巴黎出版的《1703年皇家科學院年鑒》。

(2)微電子研究中心（Interuniversity Microelectronics Centre， IMEC）是一個科技研發中心，創辦于1984年，位于比利時。它擁有來自全球近80個國家的4000多名研究人員，是世界領先的納米電子和數字技術領域研發和創新中心。作為全球知名的獨立公共研發平臺，IMEC是半導體業界的指標性研發機構，擁有全球先進的芯片研發技術和工藝，與美國的Intel和IBM并稱為全球微電子領域的“3I”，與英特爾、三星、TSMC、高通、ARM等全球半導體產業鏈巨頭有著廣泛合作。

(3)所有收入均為2020年。三星收入數據為其半導體部門。西部數據的收入數據僅針對閃存部分。公司名單以舉例說明，并非詳盡無遺。

(4)《在不確定的時代加強全球半導體供應鏈》（Strengthening the Global Semiconductor Supply Chaininan Uncertain Era）。

(5)元宇宙（Metaverse），或稱為后設宇宙、形上宇宙、元界、魅他域、超感空間、虛空間，是一個聚焦于社交連接的三維虛擬世界網絡。作為一個持久化和去中心化的在線三維虛擬環境，人們將可以通過虛擬現實眼鏡、增強現實眼鏡、手機、個人計算機和電子游戲機進入人造的虛擬世界。目前元宇宙的運用，主要受到與實時虛擬環境交互所需的硬件設備和傳感器的技術限制。融入元宇宙的影視作品有很多，例如《黑客帝國》《頭號玩家》《創戰紀》。

(6)中國半導體行業協會發布的《美國半導體研發占比達18.6%全球第一，美半協呼吁加強制造業投資》援引了美國半導體行業協會（SIA）發布的《2021年美國半導體行業報告》。

(7)1999年，物聯網（IoT）的概念被初步提出。物聯網通過傳感器和小工具將物理世界中的一切連接到互聯網。這些小工具具有唯一標識，并且能夠在連接到互聯網后自動發送和接收信息。

(8)德州儀器（Texas Instruments， TI）是全球領先的半導體公司，為現實世界的信號處理提供創新的數字信號處理（DSP）及模擬器件技術。TI總部位于美國得克薩斯州，在多個國家設有制造、設計或銷售機構。

(9)康斯坦丁，2021，《“芯片荒”會是中國制造的機會嗎？》。

(10)單點故障（Single Point of Failure， SPOF）指體系中某一個一旦失效就會令整個體系無法運轉的環節。

(11)芯東西，2022，《430億歐元，能扶起歐洲芯片制造業嗎？》。

(12)2021年3月9日，歐盟委員會正式發布《2030數字羅盤：歐洲數字十年之路》（2030 Digital Compass: The European Way for the Digital Decade），為歐盟到2030年實現數字主權的愿景指出方向。

(13)蔣尚義，1946年出生于中國臺灣，比張忠謀小15歲。1974年獲得斯坦福大學博士學位，之后任職于德州儀器和惠普。1997年返回中國臺灣進入臺積電擔任研發副總裁，2006年7月首度退休，2009年被張忠謀返聘后擔任首席運營官，2013年再度退休。2016年12月首次加入中芯國際，2019年6月加入武漢弘芯擔任首席執行官，2020年12月重回中芯國際擔任副董事長。2021年11月，蔣尚義辭去中芯國際公司副董事長、執行董事及董事會戰略委員會成員職務。

(14)Mikron成立于1964年，總部位于澤列諾格勒，是俄羅斯最大的微電子制造商和出口商之一，占據了54%的出口業務，采用180/90/65納米的工藝制程。Angstrem則成立于1963年，是俄羅斯領先的全周期微電路和功率半導體器件生產企業，同時也是唯一一家能夠提供工業級規模生產的電子元件制造商。

(15)格芯（Global Foundries）是一家總部位于美國的半導體晶圓代工公司，起初是從超微半導體的制造部分剝離而出，目前為世界第四大專業晶圓代工廠，僅次于臺積電、三星電子及聯華電子。

(16)聯合新聞網，2022，《歐洲芯片法案宣示歐盟誓保半導體產業要角的決心》。

(17)恒大研究院、連一席、謝嘉琪，2018，《全球半導體產業轉移啟示錄》。

(18)AIoT=AI+IoT（物聯網）。AIoT融合AI技術和IoT技術，通過物聯網產生、收集來自不同維度的、海量的數據存儲于云端、邊緣端，再通過大數據分析，以及更高形式的AI，實現萬物數據化、萬物智聯化。

(19)IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor，絕緣柵雙極型晶體管），兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導通壓降兩方面的優點。

(20)MEMS（Microelectromechanical Systems，微機電系統），微機電系統是將微電子技術與機械工程融合到一起的一種工業技術，它的操作范圍在微米尺度內。

(21)信息物理生產系統（Cyber Physical Production System， CPPS）是信息物理系統在生產領域中的一個應用，它是一個多維智能制造技術體系。CPPS以大數據、網絡和云計算為基礎，采用智能感知、分析預測、優化協同等技術手段，將計算、通信、控制三者有機地結合起來，結合獲得的各種信息和對象的物理性能特征，形成虛擬空間與實體空間的深度融合，具有實時交互、相互耦合、及時更新等特性，實現生產系統的智能化和網絡化，包括自感知、自記憶、自認知、自決策、自重構運算與分析等。

(22)信息物理系統（Cyber Physics System，CPS）從2006年開始出現，是可以快速、有效開發以計算機信息為中心的物理和工程系統的科學技術，目標是引導新一代互聯、高效、高性能的“全球虛擬和局部物理”工程系統。

(23)3C是指計算（Computation）、通信（Communication）、控制（Control） 。

(24)SECS（Semiconductor Equipment Communication Standard，半導體設備通信標準），GEM（Generic Equipment Model，通用設備型號）。

(25)尹志堯，1944年出生，美籍華人。中國科學技術大學學士，加州大學洛杉磯分校博士。1984—1986年，就職于英特爾中心技術開發部，擔任工藝工程師；1986—1991年，就職于泛林半導體，歷任研發部資深工程師、研發部資深經理；1991—2004年，就職于應用材料，歷任等離子體刻蝕設備產品總部首席技術官、總公司副總裁及等離子體刻蝕事業群總經理、亞洲總部首席技術官；2004年至今，擔任中微公司董事長及總經理。2012年，尹志堯獲得上海市“白玉蘭紀念獎”。2020年8月，尹志堯位列“2020福布斯中國最佳CEO榜”第30位。

(26)PPAY（即功率、性能、面積、良率：Power、 Performance、 Area、 Yield）或PPAC（即功率、性能、面積、成本：Power、Performance、Area、Cost）一直是所有芯片產品開發避不開的關鍵要素。

(27)埃米（Angstorm）是晶體學、原子物理、超顯微結構等常用的長度單位，其尺寸是納米的十分之一。

(28)異構集成（Heterogeneous Integration）是指在封裝層面，通過先進封裝技術將不同工藝節點、不同材質的芯片集成在一起，如將Si、GaN、SiC、InP生產加工的芯片封裝到一起，形成不同材料的半導體協同工作的場景?；诋悩嫾傻漠悩嬘嬎憧梢猿浞掷酶鞣N計算資源的并行和分布計算技術，能夠將不同制程和架構、不同指令集、不同功能的硬件進行組合，已經成為解決算力瓶頸的重要方式。

(29)Jacob George， 2021，Challenges In Adopting ML In Manufacturing 。

(30)McKinsey & Company，2021，Scaling AI in the Sector that Enables it: lessons for Semiconductor-Device Makers。