全球变局下中国半导体产业的“危”与“机”

在最近一场关于“30家中国IC设计上市公司综合实力排名”的直播讲座上，芯原股份创始人戴伟民博士做了题为《大变局下的中国集成电路产业的“危”与“机”》的演讲。作为中国、美国乃至全球IC设计领域的知名教授、技术专家、创业者和企业家，戴伟民博士从半导体产业历史发展、集成电路技术变革、全球化等多个角度分析了当前不确定环境下的半导体产业现状及未来发展趋势，并以芯原的IC设计服务理念和实践为例阐明了中国半导体产业发展的危机及应对策略。

ASPENCORE《电子工程专辑》主分析师顾正书基于戴伟民博士的演讲内容，对全球变局下中国半导体产业的“危”与“机”做了一点肤浅的分析和观察，希望能够帮助在半导体行业埋头研发、默默耕耘的同仁们理清思路，坚定信念，继续为这一关系到国家科技实力竞争及未来命运的事业而奋斗。（注：本文仅代表作者个人观点，不代表 ASPENCORE和芯原股份公司的立场）

全球大变局——中美科技冷战

中美贸易摩擦、中兴事件、华为禁运、实体清单，及至最近限制台积电为华为海思代工最先进工艺芯片，美国针对中国发动的一场“科技冷战”逐渐浮出水面。2019年11月，96岁高龄的前美国国务卿基辛格针对中美科技冷战的不断升级发出警告，称这场没有硝烟的战争“比一战更严重”，但“挽救为时未晚”。今年4月份，他又针对蔓延全球的新冠病毒发表观点，宣称这场疫情将“永远改变世界秩序”，国家和政府应该“一边管控危机，一边建设未来”。(出自Kissinger's Warning: U.S.-China ‘in the Foothills’of an Escalating Cold War 和The Coronavirus Pandemic Will Forever Alter the World Order)

中美问题专家、美国前国务卿基辛格

2020是美国大选之年，日前由共和党与民主党参议员共同起草的《无止境前沿法案》(Endless Frontier Act, EFA)却罕见地获得两党一直认可。该法案旨在推动美国政府加大对科技领域的投资，让美国在世界范围内继续保持优势。

EFA法案主要提议：

●将美国国家科学基金会(NSF)重组为国家科学与技术基金会(NSTF)：从科学基础研究为导向变更为科学研究与技术发展为导向。虽然只有一字之差，但技术和应用变得与科学基础研究同样重要。

●NSTF下设技术管理局，类似美国国防部高级研究计划局(DARPA)的组织机构，负责在五年内管理和投资 1000 亿美元，用于人工智能和机器学习、高性能计算、机器人、自动化和先进制造、量子计算、网络安全、生物技术和半导体等领域的投资和研究。

●拨款100亿美元给商务部，未来5年内在全美10-15个区域科技中心资助相关科技项目的研发。

“山姆大叔”希望在大数据、云计算、通信和智能制造方面继续创新，以保持领先地位

美国已经感受到最近几年中国在AI方面的飞速发展和咄咄逼人之势，而半导体是所有先进科技的基础，也是美国在产业和国防领域始终保持全球领先优势的战略要地，是绝对不能容忍中国或其它任何国家觊觎的。

麻省理工学院校长Leo Rafael Reif就EFA法案发表评论说，很多政策法案过于强调如何限制中国的发展，而非专注于寻求系统性的方法来提升美国自身实力。在任何竞赛中，成功都是来自更加刻苦的训练和跑得更快，而不能寄希望于竞争对手的跌倒。他强调，要想保证美国未来国家安全和经济的健康发展，需要一套综合且具有前瞻性的科学和技术发展战略。

委内瑞拉出生的L. Rafael Reif是一位电气工程学教授，现任MIT校长

新冠病毒疫情严重影响全球经济

到目前为止，全球新冠病毒确诊人数已经超过700万，累计死亡超过40万人。疫情最严重的前十个国家为（按目前确诊人数由多至少顺序）：美国、巴西、俄罗斯、印度、秘鲁、巴基斯坦、伊朗、孟加拉国、墨西哥、沙特阿拉伯。虽然中国最早爆发大规模疫情，但控制成效显著，社会和经济运行现已基本恢复正常。

全球疫情分布统计(来源：百度疫情实时大数据报告)

据国际货币基金组织(IMF)首席经济学家Gita Gopinath预计，在2020年至2021年期间，全球GDP因病毒导致的损失累计约9万亿美元，超过日本和德国经济的总和。疫情对世界经济的影响大致如下：

●全球经济将萎缩3%

●全球贸易额下降12.9%至31.9%

●制造业面临需求下滑打击

●服务业遭受重创

●失业率上升

微软创始人比尔盖茨在2015年的一个TED演讲中，危言耸听地警告说人类未来的战争灾难不是各国竞相研发的先进武器，而是看不见和摸不着的“病毒”。即便是医疗和卫生保健先进的美国，在大规模病毒防治方面也没有做好充分的准备。

重新看这个视频，不禁感叹这位科技天才的远见卓识。但是，遗憾的是，各国政府和卫生组织机构并没有引起足够重视，5年之内就爆发了这场席卷全球的病毒疫情。

疫情对中国的影响

IMF预测，中国GDP年增长率2020年为1.2％，2021年将达9.2％。2020年第一季度，中国的GDP下降了6.8%，其中第一产业(农业为主)下降3.2％；第二产业(制造业和工业为主)下降9.6％；第三产业(服务业为主)下降5.2％。

来源：中国国家统计局，2020年预测来自IMF

中国国际经济交流中心副理事长黄奇帆提出疫情对中国的主要负面影响及五个应对措施。

全球半导体行业首度出现连续两年出货量下降

半导体研究机构IC Insights发布的最新报告指出，预计2020年全球半导体器件出货量将下降3%，这意味着继去年衰退6%后，出货量在今年将再度陷入下滑的窘境。

据IC Insights统计，从2013年到2018年，全球集成电路出货量一直处于稳定的增长轨迹。其中，2013年成长8%，2014年成长9%，2015年成长5%，2016年成长7%，2017年开始更创下双位数成长达15%，2018年的成长10%，在历经2017年和2018年的双位数增长后，2019年出现了历史上第5次出货量衰退。

全球半导体出货量从1978年到2020年的增长（来源：IC Insights）

IC Insights预计，2020年半导体总出货量的百分比分割率将超过2：1。预计OSD器件（光学器件、传感器、分立器件）将占半导体总器件数量的69％，而IC则为31％。多年来，这一百分比划分一直保持稳定。

预计2020年半导体出货量的类别划分（来源：IC Insights）

IC Insights预测，2020年全球IC市场增长的基线预测目前为-4%，同时预计今年整体半导体出货量将下降3%。

随着半导体产业规模的扩大，这一行业的发展跟全球经济增长趋势的相关度越来越强。这意味全球经济的健康与否会直接影响到半导体产业的发展。

半导体工艺、IP价值和芯片设计成本

随着晶圆制造工艺技术的进步，芯片上集成的晶体管数量也越来越多。以苹果iPhone的应用处理器芯片为例，晶体管数量随着特征线宽的减小而大幅提升，支撑了手机芯片性能的不断升级。在16nm工艺下，其手机芯片的晶体管数目为33亿个，在7nm工艺下为69亿个，在5nm工艺时预计达100亿个。

苹果手机芯片的晶体管数目快速增长（来源：IBS）

芯片单位面积下晶体管数量的快速上升促使晶体管的单位成本快速下降，苹果芯片每晶体管的生产成本在16nm工艺下为4.98美元/10亿个晶体管，而在7nm工艺下仅为2.65美元。

在不同工艺节点下，苹果公司芯片中晶体管的成本（来源：IBS）

芯片中晶体管数量大幅提升，使得单颗芯片中集成的IP数量也大幅增加，原本在16nm工艺下单颗芯片中集成113个IP ，在7nm工艺下单颗芯片中集成178个IP。

不同工艺节点下的芯片所集成的硬件IP的数量（平均值）（来源：IBS）

这催生了蓬勃发展的半导体IP市场。据IBS统计和预测，全球半导体IP市场将从2018年的46亿美元增长至2027年的101亿美元，年均复合增长率为9.13％。其中：

●处理器类半导体IP市场预计在2027年达到62.55亿美元，2018年为26.20亿美元，年均复合增长率为10.15％；

●数模混合IP市场预计在2027年达到13.32亿美元，2018年为7.25亿美元，年均复合增长率为6.99％；

●射频IP市场预计在2027年达到11.24亿美元，2018年为5.42亿美元，年均复合增长率为8.44％。

全球半导体IP市场（单位：10亿美元）来源: IBS, July 2019

伴随着晶圆工艺的先进和半导体IP的发展，芯片设计的成本越来越高。全球范围内能够提供7nm工艺技术的代工厂商也只有台积电和三星，而能够支付得起7nm和5nm工艺的芯片设计厂商也为数不多。以工艺制程处于主流应用时期的设计成本为例，工艺节点为28nm时，单颗芯片设计成本约为0.41亿美元，而工艺节点为7nm时，设计成本则快速升至约2.22亿美元。其中早期使用和成熟期使用的成本相差一倍以上，但成熟期的使用成本仍非常昂贵。

工艺节点处于各时期的芯片设计成本 （单位：百万美元）

2018年全球领先的芯片设计公司(fabless)的研发/营收占比如下图：

中国半导体产业的“危”与“机”

2019年中国消费了2122亿美元的半导体产品（全球占比52.93％），预计到2030年将消费5385亿美元（全球占比59.20％），年复合增长率为8.84％（数据基于如下假设：中美贸易争端不会阻止海外企业向中国出售产品）。

中国半导体市场按产品划分（来源：IBS，2020年6月）

然而，中国半导体供应的自给率却很低。据IBS预测，2019年中国市场的半导体供应量约有15.81％来自中国公司，而84.19％依赖外国公司。到2030年，中国市场的半导体供应量有39.78％来自中国公司，60.22％仍将来自外国公司。这一预测数据也许有点保守，但我们计划2025年半导体自给率提升至70%的目标确实很难实现。

中国的半导体供应（来源：IBS，2020年6月）

乐观地看，中国市场的重要性日益凸显。一直以来中国半导体消费量主要由“中国制造（加工再出口）”驱动，这一情况即将发生改变。预计2020年中国电子终端设备的内需市场将超过出口市场。

半导体市场按区域划分（来源：IBS，2020年6月）

而且，中国企业的半导体需求量不断提升。2019年中国市场半导体消费量45.09％来自中国企业，2020年中国和外国企业在中国市场的半导体消费量将持平。到2030年，中国市场半导体消费量68.58％将来自中国公司，市场需求主要来自数据中心、消费电子、汽车和医疗等领域。

中国半导体消费量（来源：IBS，2020年6月）

此外，中国正在千方百计寻求“技术赶超”。我们知道，IP研发（如微处理器和RF）和设计能力的提高需要时间积累。中国正在对下一代技术进行大量投资，并力争成为新产品和服务的全球领导者。以高铁、核能发电、5G宽带通信、电动汽车充电站和区块链等为代表的“新基建”是重点布局领域，预计2025-2030年中国将在许多技术领域取得世界领先优势。

获得技术领导力的方法（来源：IBS，2020年6月）

“新基建”的三个方面和七大领域

这七大新基建的发展都离不开AI芯片、高性能服务器微处理器、无线网络通信处理器、高能效功率器件、机器视觉传感器，以及高精度模拟器件等通用和专用半导体技术和产品。

综上所述，虽然中国半导体产业面临前所未有的困难与挑战，但同时也预示着走独立自主之路，赶超世界先进技术的巨大机遇。

在政府的调控和引导下，中国半导体业界同仁应该坚持“科学创新，技术攻关”、开放创新、安全可控的发展之路。

习近平总书记最近强调，要坚持用全面、辩证、长远的眼光分析当前经济形势，努力在危机中育新机、于变局中开新局。

疫情后国内首场大型半导体产业发展论坛和IC领袖峰会

上世纪60-70年代，面对紧张的国际形式，毛泽东提出了“深挖洞、广积粮、不称霸”的战略方针。在当前的全球大变局和不确定环境下，这一方针仍然可以应用到中国的半导体产业发展上。

科技的竞争归根结底是人才的竞争。建国之初，毛泽东深知人才的重要性。在《七律·和柳亚子先生》一词中，“牢骚太盛防肠断，风物长宜放眼量。”就体现出毛泽东对朋友的劝勉，不要因眼前的困难而抱怨，而应该放开眼界，从远处大处着眼，也就是从未来和全局着眼，要有开阔的胸襟。同时，也表达出对柳亚子继续为国家效力的期望。

在今年的IC领袖峰会上，来自科研院所、IC设计、EDA和IP开发等专业领域的IC专家云聚一堂，共同探讨中国IC设计的“危”与“机”。而在随后的上海临港半导体产业发展高峰论坛上，来自IC设计、晶圆制造、封测、EDA/IP、政府机构、半导体相关产业联盟和科研院所的技术专家和产业决策人士将与大家一起探讨全球大变局下中国半导体产业的发展战略和执行战术。

责编: Amy Guan