一、簡介

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。

半導(dǎo)體在集成電路、消費(fèi)電子、通信系統(tǒng)、光伏發(fā)電、照明、大功率電源轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域都有應(yīng)用，如二極管就是采用半導(dǎo)體制作的器件。

大部分的電子產(chǎn)品，如計算機(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)。

常見的半導(dǎo)體材料有硅、鍺、砷化鎵等，硅是各種半導(dǎo)體材料應(yīng)用中最具有影響力的一種。

無論從科技或是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的角度來看，半導(dǎo)體的重要性都是非常巨大的。

二、發(fā)現(xiàn)歷史

1833年，英國科學(xué)家電子學(xué)之父法拉第最先發(fā)現(xiàn)硫化銀的電阻隨著溫度的變化情況不同于一般金屬，一般情況下，金屬的電阻隨溫度升高而增加，但法拉第發(fā)現(xiàn)硫化銀材料的電阻是隨著溫度的上升而降低。這是半導(dǎo)體現(xiàn)象的首次發(fā)現(xiàn)。

1839年，法國的貝克萊爾發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體和電解質(zhì)接觸形成的結(jié)，在光照下會產(chǎn)生一個電壓，這就是后來人們熟知的光生伏特效應(yīng)，這是被發(fā)現(xiàn)的半導(dǎo)體的第二個特性。

1873年，英國的史密斯發(fā)現(xiàn)硒晶體材料在光照下電導(dǎo)增加的光電導(dǎo)效應(yīng)，這是半導(dǎo)體的第三種特性。

1874年，德國的布勞恩觀察到某些硫化物的電導(dǎo)與所加電場的方向有關(guān)，即它的導(dǎo)電有方向性，在它兩端加一個正向電壓，它是導(dǎo)通的；如果把電壓極性反過來，它就不導(dǎo)電，這就是半導(dǎo)體的整流效應(yīng)，也是半導(dǎo)體所特有的第四種特性。同年，舒斯特又發(fā)現(xiàn)了銅與氧化銅的整流效應(yīng)。

1911年，考尼白格和維斯首次使用半導(dǎo)體這個名詞。

1947年12月，貝爾實(shí)驗(yàn)室完成并總結(jié)出半導(dǎo)體的這四個特性。

2019年10月，一個國際科研團(tuán)隊稱與傳統(tǒng)霍爾測量中僅獲得3個參數(shù)相比，新技術(shù)在每個測試光強(qiáng)度下最多可獲得7個參數(shù)：包括電子和空穴的遷移率；在光下的載荷子密度、重組壽命、電子、空穴和雙極性類型的擴(kuò)散長度。

三、半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈全景

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)計自動化（Electronics Design Automation），包括電路設(shè)計與仿真工具、PCB 設(shè)計軟件、IC 設(shè)計軟件、PLD 設(shè)計工具等。

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

中游包括設(shè)計、制造、封測三大環(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)體可以分為四類產(chǎn)品，分別是集成電路、光電子器件、分立器件和傳感器。其中規(guī)模最大的是集成電路，市場規(guī)模達(dá)到2,753 億美元，占半導(dǎo)體市場的83%

集成電路從制程工藝來看，頂尖工藝(7nm+10nm)目前占據(jù)13%的市場份額，主要用于CPU、GPU等超大規(guī)模邏輯集成電路的制造。主要用于存儲芯片制造的14nm-28nm工藝占據(jù)了34%的市場份額；MCU/MPU、模擬器件、分立器件和傳感器主要使用40nm以上工藝，占據(jù)了剩余的41%市場份額。

另外，分立器件、傳感器、光電器件也都在半導(dǎo)體行業(yè)中起著至關(guān)重要的作用，市場規(guī)模也都不小。分立器件主要包括二極管、晶閘管、MOSFET、IGBT等。

四、生產(chǎn)模式與制造工藝

設(shè)計過程可以粗略的分為確定項(xiàng)目需求、系統(tǒng)級設(shè)計、邏輯設(shè)計、硬件設(shè)計四部分。

集成電路作為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的核心，由于其技術(shù)復(fù)雜性，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)高度專業(yè)化。隨著產(chǎn)業(yè)規(guī)模的迅速擴(kuò)張，產(chǎn)業(yè)競爭加劇，分工模式進(jìn)一步細(xì)化。

目前，全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)有兩種商業(yè)模式，即IDM（Integrated Device Manufacture，集成器件制造）模式和垂直分工模式。垂直分工模式主要包括Fabless（無晶圓制造的設(shè)計公司）+Foundry（晶圓代工廠）+OSAT（封裝測試企業(yè)），另外還有IP核（Intellectual Property Core）提供方等。

IDM模式的企業(yè)主要有Intel、三星、德州儀器（TI）等,這種模式涵蓋設(shè)計、制造、封測等整個芯片生產(chǎn)流程。這類企業(yè)一般具有規(guī)模龐大、技術(shù)全面、積累深厚的特點(diǎn)。

而垂直分工模式中，則是IP核、設(shè)計、制造、封裝測試環(huán)節(jié)分離，IP核供應(yīng)商提供專業(yè)的知識產(chǎn)權(quán)模塊，設(shè)計公司（Fabless）直接面對客戶需求，但只從事設(shè)計，將制造和封裝測試外包，即晶圓代工廠（Foundry）、封裝測試企業(yè)和IP核供應(yīng)商為設(shè)計公司服務(wù)。

其中設(shè)計公司以高通、博通、聯(lián)發(fā)科、海思為代表，晶圓代工廠以臺積電、格羅方德、聯(lián)電、中芯國際為代表，封測以日月光、矽品、安靠、長電科技為代表。

EDA與IP授權(quán)是芯片設(shè)計的兩個關(guān)鍵步驟，也是制造的基礎(chǔ)。

EDA是電子設(shè)計自動化（Electronics Design Automation）的縮寫，EDA技術(shù)就是以計算機(jī)為工具，設(shè)計者在EDA軟件平臺上，用硬件描述語言VerilogHDL完成設(shè)計文件，然后由計算機(jī)自動地完成邏輯編譯、化簡、分割、綜合、優(yōu)化、布局、布線和仿真，直至對于特定目標(biāo)芯片的適配編譯、邏輯映射和編程下載等工作。EDA技術(shù)的出現(xiàn)，極大地提高了電路設(shè)計的效率和可操作性，減輕了設(shè)計者的勞動強(qiáng)度。

EDA設(shè)計軟件包括電路設(shè)計與仿真工具、PCB設(shè)計軟件、IC設(shè)計軟件、PLD設(shè)計工具等。

目前EDA設(shè)計軟件領(lǐng)域集中度較高，Synopsys、Cadence和MentorGraphics三巨頭占據(jù)了EDA設(shè)計軟件市場95%以上的市場份額，Synopsys、Cadence等公司將自己的軟IP集成在設(shè)計軟件中，進(jìn)一步增加了用戶黏性，也提高了行業(yè)壁壘。

半導(dǎo)體IP授權(quán)主要分為軟IP、固IP和硬IP。軟IP是用Verilog/VHDL等硬件描述語言描述的功能塊，不涉及具體電路元件。固IP是以電路元件實(shí)現(xiàn)的功能模塊。硬IP提供設(shè)計的最終階段產(chǎn)品—掩膜。

制備不同的半導(dǎo)體器件對半導(dǎo)體材料有不同的形態(tài)要求，包括單晶的切片、磨片、拋光片、薄膜等。半導(dǎo)體材料的不同形態(tài)要求對應(yīng)不同的加工工藝。常用的半導(dǎo)體材料制備工藝有提純、單晶的制備和薄膜外延生長。

第三代半導(dǎo)體材料是以氮化鎵和碳化硅為代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料，在導(dǎo)熱率、抗輻射能力、擊穿電場能力、電子飽和速率等方面優(yōu)勢突出，更適用于高溫、高頻、抗輻射的場合。

當(dāng)前全球芯片設(shè)計仍以美國為主導(dǎo)，美國IC設(shè)計公司占據(jù)了全球約68%的最大份額，臺灣地區(qū)IC 設(shè)計公司占16%，歐洲IC 設(shè)計企業(yè)只占了全球市場份額的2%，日韓地區(qū)Fabless 模式并不流行。

國內(nèi)對于美國公司在核心芯片設(shè)計領(lǐng)域的依賴程度較高。

紫光展銳、華為海思等在移動處理器方面已進(jìn)入全球前列。

中央處理器(CPU) 方面，英特爾幾乎壟斷了全球市場，國內(nèi)相關(guān)企業(yè)約有 3-5 家，但都沒有實(shí)現(xiàn)商業(yè)量產(chǎn)，多仍然依靠申請科研項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)和政府補(bǔ)貼維持運(yùn)轉(zhuǎn)。龍芯等國內(nèi) CPU 設(shè)計企業(yè)雖然能夠做出 CPU 產(chǎn)品，而且在單一或部分指標(biāo)上可能超越國外 CPU，但由于缺乏產(chǎn)業(yè)生態(tài)支撐，還無法與占主導(dǎo)地位的產(chǎn)品競爭。

目前全球存儲芯片主要有三類產(chǎn)品，根據(jù)銷售額大小依次為：DRAM、NAND Flash 以及Nor Flash。在內(nèi)存和閃存領(lǐng)域中，IDM 廠韓國三星和海力士擁有絕對的優(yōu)勢，截止到2017年，在兩大領(lǐng)域合計市場份額分別為75.7%和49.1%，中國廠商競爭空間極為有限，武漢長江存儲試圖發(fā)展 3D Nand Flash(閃存)的技術(shù)，但目前僅處于 32 層閃存樣品階段，而三星、英特爾等全球龍頭企業(yè)已開始陸續(xù)量產(chǎn) 64 層閃存產(chǎn)品；在Nor flash 這個約為三四十億美元的小市場中，兆易創(chuàng)新是世界主要參與廠家之一，其他主流供貨廠家為臺灣旺宏，美國Cypress，美國美光，臺灣華邦。

FPGA、AD/DA 等高端通用型芯片，具有研發(fā)投入大，生命周期長，較難在短期聚集起經(jīng)濟(jì)效益，因此在國內(nèi)公司層面發(fā)展較為緩慢，甚至有些領(lǐng)域是停滯的。

芯片設(shè)計的上市公司，都是在細(xì)分領(lǐng)域的國內(nèi)最強(qiáng)。比如匯頂科技在指紋識別芯片領(lǐng)域超越FPC 成為全球安卓陣營最大指紋IC 提供商，成為國產(chǎn)設(shè)計芯片在消費(fèi)電子細(xì)分領(lǐng)域少有的全球第一。士蘭微從集成電路芯片設(shè)計業(yè)務(wù)開始，逐步搭建了芯片制造平臺，并已將技術(shù)和制造平臺延伸至功率器件、功率模塊和MEMS 傳感器的封裝領(lǐng)域。但與國際半導(dǎo)體大廠相比，不管是高端芯片設(shè)計能力，還是規(guī)模、盈利水平等方面仍有非常大的追趕空間。

五、設(shè)備

半導(dǎo)體設(shè)備處于產(chǎn)業(yè)鏈上游，貫穿半導(dǎo)體生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)。按照工藝流程可以分為四大板塊——晶圓制造設(shè)備、測試設(shè)備、封裝設(shè)備、前端相關(guān)設(shè)備。再具體來說，晶圓制造設(shè)備根據(jù)制程可以主要分為8 大類，其中光刻機(jī)、刻蝕機(jī)和 薄膜沉積設(shè)備這三大類設(shè)備占據(jù)大部分的半導(dǎo)體設(shè)備市場。同時設(shè)備市場高度集中，光刻機(jī)、CVD 設(shè)備、刻蝕機(jī)、PVD 設(shè)備的產(chǎn)出均集中于少數(shù)歐美日本巨頭企業(yè)手上。

中國半導(dǎo)體設(shè)備國產(chǎn)化率低，本土半導(dǎo)體設(shè)備廠商市占率僅占全球份額的1-2%。

關(guān)鍵設(shè)備在先進(jìn)制程上仍未實(shí)現(xiàn)突破。目前世界集成電路設(shè)備研發(fā)水平處于12 英寸5nm，生產(chǎn)水平則已經(jīng)達(dá)到12 英寸7nm；而中國設(shè)備研發(fā)水平還處于12 英寸14-7nm，生產(chǎn)水平為12 英寸14nm，總的來看國產(chǎn)設(shè)備在先進(jìn)制程上與國內(nèi)先進(jìn)水平仍有差距；具體來看65/55/40/28nm 光刻機(jī)、40/28nm 的化學(xué)機(jī)械拋光機(jī)國產(chǎn)化率依然為0，28nm化學(xué)氣相沉積設(shè)備、快速退火設(shè)備、國產(chǎn)化率很低。

六、材料

半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展至今經(jīng)歷了三個階段：

第一代半導(dǎo)體材料以硅為代表；

第二代半導(dǎo)體材料砷化鎵也已經(jīng)廣泛應(yīng)用；

而以氮化鎵和碳化硅、氧化鋅、氧化鋁、金剛石等為代表的第三代半導(dǎo)體材料。相較前兩代產(chǎn)品性能優(yōu)勢顯著，憑借其高效率、高密度、高可靠性等優(yōu)勢，在新能源汽車、通信以及家用電器等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，成為業(yè)內(nèi)關(guān)注的新焦點(diǎn)。

全球半導(dǎo)體材料市場規(guī)模443 億美金。

Si：主要應(yīng)用于集成電路的晶圓片和功率器件;

GaAs：主要應(yīng)用于大功率發(fā)光電子器件和射頻器件;

GaN：主要應(yīng)用于光電器件和微波通信器件;

SiC：主要應(yīng)用于功率器件。

半導(dǎo)體材料主要分為晶圓制造材料和封裝材料兩大塊。晶圓制造材料中，硅片機(jī)硅基材料最高占比31%，其次依次為光掩模版14%、光刻膠5%及其光刻膠配套試劑7%。封裝材料中，封裝基板占比最高，為40%，其次依次為引線框架16%，陶瓷基板11%，鍵合線15%。

日美德在全球半導(dǎo)體材料供應(yīng)上占主導(dǎo)地位。各細(xì)分領(lǐng)域主要玩家有：硅片——Shin-Etsu、Sumco，光刻膠——TOK、Shipley，電子氣體——Air Liquid、Praxair，CMP——DOW、3M，引線架構(gòu)——住友金屬，鍵合線——田中貴金屬、封裝基板——松下電工，塑封料——住友電木。

七、制造

半導(dǎo)體制造在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈里具有卡口地位。制造是產(chǎn)業(yè)鏈里的核心環(huán)節(jié)，地位的重要性不言而喻。統(tǒng)計行業(yè)里各個環(huán)節(jié)的價值量，制造環(huán)節(jié)的價值量最大，同時毛利率也處于行業(yè)較高水平，因?yàn)镕abless（無晶圓制造的設(shè)計公司）+Foundry（晶圓代工廠）+OSAT（封裝測試企業(yè)）的模式成為趨勢，F(xiàn)oundry 在整個產(chǎn)業(yè)鏈中的重要程度也逐步提升，可以這么認(rèn)為，F(xiàn)oundry 是一個卡口，產(chǎn)能的輸出都由制造企業(yè)所掌控。

代工業(yè)呈現(xiàn)非常明顯的頭部效應(yīng) 根據(jù)IC Insights 的數(shù)據(jù)顯示，在全球前十大代工廠商中，臺積電一家占據(jù)了超過一半的市場份額，前八家市場份額接近90%。

八、封測

封測行業(yè)位于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈末端，其附加價值較低，勞動密集度高，進(jìn)入技術(shù)壁壘較低，封測龍頭日月光每年的研發(fā)費(fèi)用占收入比例約為4%左右，遠(yuǎn)低于半導(dǎo)體IC 設(shè)計、設(shè)備和制造的世界龍頭公司。

封測行業(yè)呈現(xiàn)出臺灣地區(qū)、美國、大陸地區(qū)三足鼎立之態(tài)，其中長電科技/通富微電/華天科技已通過資本并購運(yùn)作，市場占有率躋身全球前十（長電科技市場規(guī)模位列全球第三），先進(jìn)封裝技術(shù)水平和海外龍頭企業(yè)基本同步，BGA、WLP、SiP 等先進(jìn)封裝技術(shù)均能順利量產(chǎn)。

九、行業(yè)頭部廠商

半導(dǎo)體廠商可區(qū)分成三種：

芯片制造商（如英特爾、三星電子），設(shè)計、制造與銷售自有芯片。

無廠半導(dǎo)體公司（如高通、聯(lián)發(fā)科、海思、威盛、瑞昱），設(shè)計并銷售自己的芯片，制造是委外代工的。

晶圓代工（如臺積電、聯(lián)電），只制造芯片，不進(jìn)行設(shè)計工作。

根據(jù)全球半導(dǎo)體貿(mào)易統(tǒng)計組織（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）市場規(guī)模高達(dá)4687.8億美元，而2019年預(yù)計市場規(guī)模將超過5000億美元。整個半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中集成電路（IC）占83%，占比最大。

權(quán)威半導(dǎo)體第三方調(diào)研機(jī)構(gòu) IC Insights 發(fā)布了其 2020 年第一季度全球十大半導(dǎo)體（IC 和 OSD，OSD 是光電器件、傳感器和分立器件的縮寫）銷售排名，前十廠商分別是英特爾、三星、臺積電、SK 海力士、美光、博通、高通、德州儀器、英偉達(dá)和海思。

根據(jù) IC Insights 的統(tǒng)計，排名前十的半導(dǎo)體公司 2020 年第一季度銷售額同比增長了 16％，是同期半導(dǎo)體全行業(yè)增長 7％的兩倍多。這十家公司中有九家的 2020 年第一季度銷售額超過了 30 億美元，比 2019 年多加了一家。

按地區(qū)來劃分，前十名中有 6 家美國公司、2 家韓國企業(yè)、中國大陸和中國臺灣各 1 家，其中四家為無晶圓廠公司（Broadcom，Qualcomm，Nvidia 和 HiSilicon），一家純晶圓代工廠（TSMC）。

和去年同期一樣，該榜單的前三名依舊是英特爾、三星和臺積電。

數(shù)據(jù)顯示，英特爾 2020 年第 1 季營收 195.08 億美元，年增 23%，穩(wěn)居全球半導(dǎo)體龍頭寶座。三星則以第一季度 147.97 億美元、年增 15%的營收緊隨其后，為第 2 大半導(dǎo)體廠。

而排名第三的臺積電，在海思與蘋果 7nm 智能手機(jī)應(yīng)用處理器大量出貨的貢獻(xiàn)下，第一季度營收達(dá) 103.19 億美元，年增 45%。

十、全球市場及發(fā)展趨勢

半導(dǎo)體被稱為制造業(yè)皇冠上的明珠，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)是信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的核心，是推動傳統(tǒng)工業(yè)轉(zhuǎn)型升級和提升中國“智造”水平的物質(zhì)支撐，是支撐經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和保障國家安全的戰(zhàn)略性、基礎(chǔ)性和先導(dǎo)性產(chǎn)業(yè)。

2010年以來，全球半導(dǎo)體行業(yè)從PC時代進(jìn)入智能手機(jī)時代，進(jìn)入新一輪快速成長期。創(chuàng)新不斷推動行業(yè)發(fā)展，分工細(xì)化降低進(jìn)入壁壘。

從具體產(chǎn)品分類來看，IC Insights提供的數(shù)據(jù)顯示，智能手機(jī)、PC、汽車電子、IOT（Internet of Things，物聯(lián)網(wǎng)）和服務(wù)器占據(jù)前五大的位置，智能手機(jī)仍是應(yīng)用領(lǐng)域的第一大場景。

我國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的進(jìn)口替代空間巨大。半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈制造能力的不足使我國成為半導(dǎo)體進(jìn)口第一大國。2018年，中國凈進(jìn)口的集成電路全球占比高達(dá)56.45%。集成電路進(jìn)口額從2015年起已連續(xù)4年超過原油，成為我國進(jìn)口金額最大的商品。

半導(dǎo)體制造作為重資產(chǎn)行業(yè)，資本開支巨大。目前全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的資本支出非常集中，前5大廠商就占了整個資本支出的65%左右，三星一家大概占20%-25%，2017年全球資本支出同比增長34%，達(dá)到新高900億美元之后，預(yù)計2018年全球資本支出將首次超過1000億美元，達(dá)到1026億美元，同比增長14%。

2014年工信部發(fā)布《國家集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)綱要》以及隨后發(fā)起設(shè)立“國家集成電路產(chǎn)業(yè)投資基金”（簡稱“大基金”）以來，國內(nèi)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展掀起新一輪熱潮。半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的投資主體沿著中央政府-----地方政府-----產(chǎn)業(yè)資本的道路滾動推進(jìn)。

國家大力推動半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)加速發(fā)展

據(jù) Gartner預(yù)測，2019年、2020年、2021年、2022年，全球半導(dǎo)體市場銷售分別為4,890億美元、5,280億美元、5,190億美元、5,390億美元，分別增長2.5%、8.1%、-1.8%、3.8%。

半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)已成為全球創(chuàng)新最為活躍的領(lǐng)域。以5G、汽車電子、物聯(lián)網(wǎng)、AI（人工智能）、高性能運(yùn)算、數(shù)據(jù)中心、工業(yè)機(jī)器人、智能穿戴等為驅(qū)動因素的新一輪硅含量提升周期到來，給半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)帶來新機(jī)遇。