第1篇
機遇篇：半導體芯片全球進程與智造機遇

第1章
集成電路推動全球GDP增長與工業革命

1.1　集成電路推動全球GDP增長三十年與中國成就

1.1.1　半導體集成電路一直所處的戰略領地

1）底層計算邏輯與其本質結構有關

所謂半導體，是指一種導電性能介于導體和絕緣體之間的材料，它的電阻比導體大得多，但又比絕緣體小得多，其電學性能可以人為加以改變。許多電氣和電子設備有兩種狀態：關閉或開啟（例如電燈開關），真空管和晶體管都是如此，以0和1來代表開關的斷開和閉合。邏輯是數字電路的精髓，所有的功能歸根結底都是邏輯功能，而邏輯的基本構成元素是邏輯0和邏輯1。通過半導體材料制造出的晶體管恰好具備這種功能—通過電信號來控制自身開合，這使計算機可以理解兩個數字：0和1，并在其中完成所有二進制模式的算術運算。二進制是機器語言，計算機使用它來處理、讀取和寫入數據，半導體這一屬性奠定了整個數字時代的計算基礎。

如圖1-1所示，物質基本的結構屬性在很大程度上決定了計算的規則，比如人類計數最為常見的十進制和計算機基于半導體屬性的二進制。

在人類的語言中，廣泛使用0～9這10個數字符號進行記數，這也是我們日常生活中使用最多的進位制—十進制。在各個古文明中都有使用十進制記數的歷史，例如，從我國古代公元前13世紀的甲骨文中，就找到了十進制的記數符號。為什么人類使用十進制而計算機語言使用二進制呢？這可能源于人類十指的生理結構特點，原始社會的人類學會使用簡單工具進行捕獵獲得生存，但還只會使用簡單的語言交流，計數是交流中的重要內容（比如獲得的獵物數量或剩余的食物數量等），那么輔以手指來計數是最自然的。計算機的二進制也跟“硅基生命”的“生理結構”有關，如上所述，是半導體的開關形成了0與1的特征，所以就有了二進制。二進制在半導體出現后成為計算機的底層計算語言并獲得了廣泛認知，但二進制在我國歷史上同樣歷史久遠，0和1如同中國古代《易經》提出的陰和陽兩種狀態，通過陰和陽的兩兩組合，又形成了《易經》的六十四卦象。《易經》的這些符號，引起了數學家萊布尼茨的興趣，他在1703年就發表了《論只使用符號0和1的二進制算術，兼論其用途及它賦予伏羲所使用的古老圖形的意義》(1)，使用現代數學語言的方式闡述了二進制。隨后又過了200年，在1904年，全球第一個基于二進制特征的電子管才在英國被發明出來。技術的進步是人類文明發展的根本動力，其發展的過程與突破都遵循一定的邏輯與規律，或許未來隨著新材料結構的發現，人類可以發明出更低能耗、更小空間占用，卻有更大規模和更高效率的新進制算法。

2）半導體的科學探索

半導體產業的發展經歷了科學探索與技術發明這兩個過程。表1-1闡述了半導體四個特征的發現過程。

圖1-2是發現半導體特征的四位科學家。

3）半導體的技術發明與中國事件

當人類的科學探索達到一定的階段，應用其成果進行技術發明就應運而生。為了有一個新的視角一覽中西的發展進程，表1-2簡單羅列了世界半導體技術發明的重大事件和當時中國重要事件的對照。這個對照告訴我們，科學探索與技術發明都有歷史的脈絡與進展，既需要勇于探索的精神，也需要堅韌的意志，當然還需要時間。很多半導體集成電路產業的專業人士也反復強調，發展芯片是一個長期的過程，容易發現的都被發現了，容易發明的也都被發明了，難以發現和發明的只會難上再難。

4）半導體、集成電路與芯片的關系

在業界，半導體、集成電路與芯片經常混用。老牌公司經常愛稱自己為半導體公司，顯然這是一個更為悠久而廣泛的疆界；而新一代公司卻樂于稱自己是元宇宙公司，他們更愿意暢想未來無限的可能。半導體與集成電路有時候稱為產業，有時候又稱為行業，芯片又經常作為集成電路的統稱。為了理清三者之間的關系，表1-3列出了半導體、集成電路與芯片的定義與關聯。

半導體主要由四個部分構成：集成電路、分立器件、光電器件、傳感器。由于集成電路又占了器件80%以上的份額，因此通常將半導體和集成電路等價。集成電路按照產品種類又主要分為四大類：模擬器件、邏輯器件、微處理器、存儲器。通常我們統稱它們為芯片，芯片是由晶體管組成的，嚴格意義上講，晶體管泛指一切以半導體材料為基礎的單一組件，包括各種半導體材料制成的二極管、三極管、場效應管、可控硅等。晶體管有時多指晶體三極管。圖1-3展示了英特爾自發布全球第一款CPU后50年的性能巨變。

英特爾是集成電路發展史的代表，讓我們來簡單回顧一下：

●　1971年，英特爾推出了它的第一款處理器：4004，它使用10微米制程，是一款4位的處理器，集成了2250個晶體管，每秒運算6萬次，關鍵是成本得以控制在百美元之內。它雖然弱小，但意義重大。它被時任英特爾公司CEO的戈登·摩爾稱為“人類歷史上最具革新性的產品之一”，實現了從0到1的突破。

●　1978年，英特爾推出了一款16位的處理器：8086。

●　1979年，英特爾又推出了8088，它是第一個成功應用于個人計算機的CPU。

●　1982—1989年，陸續推出了80286、80386、80486微處理器。

●　1993年3月，英特爾正式發布了自己的第五代處理器Pentium，并有一個響亮的中文名“奔騰”。這顆俗稱586的處理器可以讓用戶更簡單地處理語音、圖像和手寫任務。于是我們迎來了微軟的Windows 3.x的視窗操作系統，從此行業里面有了WinTel（Windows+Intel）聯盟一說。

●　1995年，“奔騰Pro”發布，內置550萬個晶體管，專為32位服務器和工作站應用設計，可以大大提速計算機輔助設計、機械工程和科學計算。

●　2005年，酷睿走進大眾的視野，酷睿i3、i5、i7成為個人計算機的主流。

●　從第一顆CPU算起，50年后的2021年，英特爾最新的12代酷睿CPU采用7納米工藝，集成了數十億個晶體管，比4004提升了近五萬倍。

●　2022年，英特爾發布了英特爾Core i9-12900KS桌面異構微處理器，擁有30MB高速緩存，可提供8個性能核心和8個效率核心。性能核心（P-core）支持超線程，可同時處理24個線程。性能內核的頻率最高可達5.5 GHz（Turbo Boost Max 3.0）。

5）又長又寬的集成電路產業

集成電路作為半導體產業的核心，技術錯綜復雜，產業結構高度專業化。隨著行業規模迅速擴張，產業競爭加劇，分工模式不斷細化。半導體產業的整個價值鏈有著明顯的區域專業化特征，也反映了各國在集成電路領域的競爭比較優勢。

●　美國由于擁有頂尖的大學和大量優秀的工程人才，設立了很多研究機構并建立了完善的產業鏈生態，商業模式也非常健壯，有大量芯片設計軟件公司、芯片設計公司。

●　東亞大部分地區擁有良好的基礎設施、成本效率和熟練的工人，加上政府的補貼，可以在晶圓制造和材料生產上發力。

●　歐洲則在尖端的研發密集型領域發揮著重要作用（例如，荷蘭的ASML公司處于世界領先地位，英國的ARM公司是芯片知識產權的核心），并有強大的基礎研究（例如，比利時的IMEC(2)、法國的CEA-Leti、荷蘭的TNO和德國的Fraunhofer等研究中心），還與大學建立了廣泛的研發聯盟。

由于半導體涉及的技術過于寬泛，其產業的專業化與資源能力分布的全球化明顯，隨著產能的不斷攀升，其整個全球價值鏈上的公司之間的依賴性也越來越強。例如：ASML EUV光刻機需要超過10萬個零配件，而且很多還是定制的；美國的F-35隱形戰機需要超過20萬個零配件，整機擁有超過3500個集成電路和200種不同的芯片。

表1-4為按類型和收入劃分的全球主要半導體公司。

集成電路最初發展的強驅力是滿足軍工的發展需求，特別是需要通過集成電路來制造精密、輕便、可靠的導彈電子導航系統。按照浙江大學吳漢明院士的提法，集成電路芯片的行業生態鏈“又長又寬”。集成電路大體上可分為設計、制造和封裝測試。由于計算機從一開始就是集成電路的主要應用，因此數字集成電路已大行其道，從導彈的電子導航系統開始，我們看到，如今通過數字語言設計集成電路并實現其功能控制、同時與其他系統進行無縫通信的電子系統已是無處不在。

圖1-4展示了“又長又寬”的集成電路全產業鏈。

集成電路芯片對全球經濟增長的價值非常明顯。從行業組織和咨詢機構來看，根據美國半導體協會（SIA）發表的數據顯示，全球在2020年制造了約1萬億顆芯片，在2021年售出了約1.15萬億顆芯片，按全球2021年人口約為78億計，每人可以分到147顆芯片。如今，每個家庭都可能擁有了上千顆芯片。例如，2021年生產一輛新能源汽車，由于電子化、智能化的需要，平均每輛車所需芯片數量已經達到了1000顆以上，而一部手機也需要有幾百個電子組件。芯片的大量使用除了本身的市場價值外，其輻射效應十分明顯。芯片普及進一步推動了全球經濟的發展，據國際貨幣基金組織測算：1元的集成電路（芯片）產值將帶動10元左右的電子產品產值和100元左右的國民經濟增長。

如表1-5所示，在2017—2021年，全球前四的半導體企業名單相差不大，英特爾與三星一直排在前二，臺積電與SK海力士在第3、第4的位置，美光、博通與高通的位置是在第5、第6、第7，倒是英偉達在取代東芝的位置后持續攀升。與CPU相比，英偉達通過GPU很好地解決了深度學習所需要的龐大算力問題，為AI發展作出了巨大貢獻。而聯發科也在2021年第一季度取代了德國的英飛凌排到了全球第十位。

6）集成電路在過去三十年推動全球GPD的增長

從半導體發展的歷程來看，美國SIA和BCG在2021年4月發布的報告(4)表明，自1958年發明集成電路以來，每塊硅片上的晶體管數量增加了約1000萬個，使處理器的速度提高了10萬倍，并且在同等性能下，每年的成本降低了45%以上。再加上工程上的創新，如先進的包裝和材料技術，這使得電子器件的性能得到了提高。在1995—2015年，全球GDP中新增的3萬億美元與半導體創新直接相關，并產生了11萬億美元的影響。在過去三十年中，半導體行業經歷了快速增長，并帶來了巨大的經濟影響。從1990—2020年，半導體市場以7.5%的復合年增長率增長，超過了在此期間全球GDP的5%的增長。半導體行業所帶來的性能和成本的改善，使20世紀90年代從大型機到個人計算機的演變成為可能，21世紀推出支持互聯網架構的大型服務器集群后，半導體行業繼續推動2010年以來智能手機的快速發展，使之成為每人口袋里的計算機。

從行業代表性企業的角度來看，2022年3月，美國高盛發布數據推測2021年美國GDP的12%，即約2.76萬億美元與臺積電相關，依據臺積電2021年度營收為568.2億美元計算，其杠桿比例達到約49倍。在2019年的第二屆全球IC企業家大會暨第十七屆中國國際半導體博覽會上，時任中國半導體產業協會理事長、中芯國際董事長周子學表示：半導體產業是宏觀經濟的晴雨表，其發展水平與全球GDP增速呈正相關。自2018年來，受全球貿易摩擦等外部因素影響，半導體產業也受到一定波及。盡管全球貿易體系面臨挑戰的不確定性在增大，但全球半導體產業同仁也在積極行動，協同應對。同時，全球半導體技術仍在遵循摩爾定律加速演進，超摩爾定律也在蓬勃發展。在技術持續進步的驅動和5G、智能網聯汽車、AI等新興市場海量需求的帶動下，預計全球半導體市場會呈不斷上升的趨勢。

從行業學術機構的視角來看，在2021年的一個半導體產業峰會上，清華大學教授魏少軍表示：1987—2002年的16年里，全球GDP累計為445.5萬億美元，平均每年為27.84萬億美元。2003—2020年的18年里，全球GDP累計達到1221.4萬億美元，平均每年67.85萬億美元，是前面16年的2.44倍。2000年之后，以互聯網技術、移動通信技術，尤其是二者的結合—以移動互聯網技術為代表的信息技術產業的崛起，促進了全球經濟的高速發展。

如圖1-5所示：在最新2022年的McClean Report中，從全球GDP增速與半導體市場增速的對比來看，在這個三十年（1992—2021年）的整體起伏趨勢中，集成電路市場的較大跌宕是從2019年開始的，全球新冠疫情暴發后，其跌幅為15%。隨后的一年，全球GDP增速受到集成電路市場下行及疫情的影響，出現了歷史最大跌幅–3.6%。隨著2020年集成電路市場觸底反彈，提前釋放和復蘇并出現了13%的增長，再一次推動了全球GDP的增速達到了2021年的歷史最高5.4%，其中的一個主要原因是疫情之后，全球對數字經濟有了更多的依賴，包括近年大熱的元宇宙(5)概念。在可以預見的未來，尚不會出現能夠替代集成電路的其他技術，所以這樣的對比曲線在未來相當長的一段時間內都會延續。

集成電路行業推動了全球GDP的增長，那么是誰在推動集成電路行業的發展呢？集成電路的快速發展是過去三十年全球巨額投資和行業集體智慧推動發展的成果。集成電路產業應用的領跑者是美國。美國政府很早就意識到半導體產業的戰略意義，它為先進的國防、通信、大數據和AI等行業提供了基礎支持技術。

●　根據中國半導體行業協會援引SIA的報告(6)：2000—2020年，美國半導體產業研發支出的年復合增長率約為7.2%。2020年，美國半導體產業研發投入合計440億美元。

●　根據美國官方組織統計的美國上市公司數據，美國芯片上市公司2019年的研發投入和資本支出總計717億美元。1999—2019年，美國芯片上市公司整體資金總投入將近9000億美元。就研發占比（研發支出占銷售額的百分比）而言，美國半導體產業達到18.6%，在美國僅次于制藥和生物技術產業，超過了任何其他國家的半導體產業。高水平的研發再投資推動美國半導體創新行業發展，進而維持其全球銷售市場份額的領先地位并創造就業機會。

從電子產業技術發路徑來看，20世紀基于無線電技術發明了電報等技術，之后催生了真空電子管技術，而后軍事技術革命催生了互聯網產業革命，芯片技術的成熟又催生了個人計算機的技術革命。進入21世紀，技術革命的步伐越來越快，從移動互聯網到物聯網(7)，再到第四次工業革命中虛實結合的信息物理系統（CPS）、數字孿生（DT）、元宇宙（Metaverse）等。人類又再次邁向第五次工業革命，向超級人類的方向狂奔。以往每次的技術革命浪潮都是建立在上一代技術革命的基礎上，可21世紀的技術革命特點有所不同，其在科學知識爆炸的背景下出現了大量的交叉科學，出現了多頭并進的技術融合。例如，超級人類計劃就是典型的代表之一，它至少包括人類在電子及生物兩個維度最前沿的研究和混合應用，這兩個方向也是美國研發比最高的兩個領域。2020年12月，我國國務院學位委員會、教育部發出通知：“交叉學科”成為我國第14個學科門類，并于該門類下設立“集成電路科學與工程”一級學科。這被認為是國家培養創新型人才，解決制約我國集成電路產業發展難題的有力舉措。

7）集成電路發展的內在邏輯與全球競爭

1958年，美國德州儀器(8)展示的全球第一塊集成電路板標志著世界進入集成電路時代。作為一個發展跨越六十多年的行業，集成電路每一次進步都有它的內在邏輯(9)，這個邏輯就是持續的科學探索與重要的技術發明，再加上由廣泛的國際聯盟支撐起的嚴謹的產業布局和全球的市場應用。

集成電路是一個高技術、高門檻、長周期和需要遠規劃、近投入的產業，縱觀美國、日本、韓國這些半導體強國，大都經歷過痛苦的鏖戰。美國是全球集成電路產業發展的起源地，經過多年的發展涌現了一批如英特爾、高通、博通、德州儀器等優秀的集成電路生產企業，且這些企業普遍具有一定的實力不斷研發集成電路技術。康斯坦丁對美國在半導體、集成電路行業的發展歷程作了概括性的描述：美國在二戰中大發戰爭財，二戰以后就穩居半導體產業高地，而且能長期地、闊綽地把大量資金投入芯片行業。自1961年開始，美國的芯片研發費用占GDP的比重要遠遠高于歐洲、日韓等發達地區，且專注于底層架構、基礎技術的研發。此外，美國長期著眼于全球布局，自20世紀70年代開始，美國向日本提供技術和設備支持，把一些繁雜試驗放到國外，自己卻把持著光刻機前五的企業以及芯片設計糾錯軟件領域。也正因如此，美國才能為本國企業創造更優越的競爭環境，從而保持其在產業鏈中高昂的利潤收益。如果從二戰結束開始計算，美國、日本已經積累60多年，三星芯片自20世紀70年代開始直到90年代才有所起色，虧了近20年的錢才一步一步發展到現在的規模。所以我國也要把集成電路當成一項長期、艱苦的戰略任務來對待。

歐盟近年來認識到芯片的重要性，希望提高戰略自主性。特別是新型冠狀病毒感染暴發令歐盟進一步意識到，如果全球供應鏈受到嚴重破壞，歐洲一些工業部門將很快陷入芯片短缺，許多行業將因此陷入停滯。位于柏林的德國智庫新責任基金會的科技政策專家克萊因漢斯（Jan-Peter Kleinhans）在接受彭博社采訪時指出，占據了晶圓代工環節過半市場份額的中國臺灣，已經成為“整個半導體產業鏈上最為致命的潛在單點故障(10)”。因此，歐盟從2020年就開始加強并不斷鞏固半導體產業的聯合發展體系，回顧近年的重大進程如下：

●　2020年12月，歐盟22個成員國簽署了關于歐洲處理器和半導體技術倡議的宣言(11)。他們注意到，歐洲在全球半導體市場的份額遠低于其經濟地位。他們同意“特別努力加強處理器和半導體生態系統，并擴大整個供應鏈的工業存在，以應對關鍵的技術、安全和社會挑戰”。

●　2021年3月，歐盟委員會基于之前的共同宣言，發布“2030數字羅盤計劃(12)”，即到2030年，“歐盟尖端和可持續發展的半導體產量至少占世界的20%”，旨在構筑一個以人為本、可持續發展的數字社會。該計劃雄心勃勃，希望增強歐洲的數字競爭力，擺脫對美國和中國的依賴，使歐洲成為世界上最先進的數字經濟地區之一。該計劃的根本目標是落實歐盟委員會主席烏爾蘇拉·馮德萊恩關于“增強歐洲數字主權”的要求。可見，“數字”已不僅是技術革命或先進制造，而是主權！

●　2021年7月，歐盟委員會啟動處理器和半導體產業聯盟，明確歐盟當前在微芯片生產方面的差距。同年9月，歐盟委員會主席烏爾蘇拉·馮德萊恩在“盟情咨文”中提及歐洲芯片戰略愿景，表示將構建歐洲芯片生態系統。

●　2022年2月，歐盟委員會公布了備受關注的《芯片法案》，旨在確保歐盟在半導體技術和應用領域的競爭優勢以及芯片供應安全，進而成為這一領域的領導力量。根據法案，到2030年，歐盟擬動用超過430億歐元的公共和私有資金，支持芯片生產、試點項目和初創企業，并大力建設大型芯片制造廠。根據《芯片法案》，到2030年，歐盟計劃將芯片產量占全球的份額從10%提高至20%，滿足自身和世界市場需求。烏爾蘇拉·馮德萊恩表示，該法案將提升歐盟的全球競爭力。在短期內，此舉有助預判并避免芯片供應鏈中斷，增強對未來危機的抵御能力；從長遠來看，《芯片法案》應能實現“從實驗室到晶圓工廠”的知識轉移，并將歐盟定位為“創新下游市場的技術領導者”。

違背了科學基本規律與產業發展邏輯的大躍進是危險的。過去幾年，我國先后出現了若干個以“總投資1280億元的武漢弘芯半導體制造項目”為代表的、被業界稱為“紙上談兵”的集成電路爛尾項目。6起百億級的重大芯片項目爛尾，引起了業界廣泛的質疑與批評。事實上，創立于2000年的中芯國際才完成14納米的量產，以此技術發展時間線來看，武漢弘芯2020年高調宣稱的主攻14納米每月3萬片量產、緊接著拿下7納米的目標根本不可能實現。據騰訊網報道：弘芯項目請到的芯片界傳奇人物蔣尚義(13)也極有可能是被利用來為他們作秀，甚至事后發現弘芯最初的幾個組局人全無半導體從業背景，甚至大多是大專學歷。國家發改委新聞發言人孟瑋曾在2020年10月舉行的新聞發布會上表示：“一些沒經驗、沒技術、沒人才的‘三無’企業投身集成電路行業，個別地方對集成電路發展的規律認識不夠，盲目上項目”。對此，發改委將按照“誰支持、誰負責”原則，對造成重大損失或引發重大風險的地方予以通報問責。之后，發改委將會同有關部門強化頂層設計，狠抓產業規劃布局，努力維護產業發展秩序。在2020年11月，武漢市政府正式接管武漢弘芯，由武漢東西湖區國有資產監督管理局100%持股的兩家公司接手。新華網評論說：集成電路產業也要防止“一哄而上”，發展集成電路產業尤其是核心高端芯片并非易事，我國在這一領域本就起步較晚、與發達國家差距較大，不少企業和地方政府還對其產業特性和規律認識不足。發展集成電路產業應堅持“主體集中、區域集聚”原則，做好規劃布局，避免“遍地開花”帶來的重復建設、資源浪費和惡性競爭。