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中美半导体工业链实力全面比照(附晶圆厂完好清单)

2022-06-10 11:52:23 | 作者:bob球彩

  ASPENCORE全球分析师团队依据美国半导体职业协会(SIA)与BCG联合发布的研讨陈述《在不确认年代下加强全球半导体供给链》,以及维基百科《全球半导体晶圆厂散布》清单,对我国大陆和美国在半导体全工业链和价值链上的实力进行的全方位比照,并详细列出了美国本乡和我国大陆本乡正常运营的晶圆厂清单。

  1965年,当Gordon Moore宣告他的“芯片晶体管数量每隔18个月翻倍”的文章时(这便是咱们了解的“摩尔定律”),芯片是在1.25英寸(30毫米)的晶圆上制作出来的。其时,制作一座晶圆厂的本钱约为100万美元。曩昔半个世纪以来,芯片制作商一向遵从摩尔定律的节奏开发和制作芯片,在这个进程中将更多功用集成到单个芯片上,然后推动了电脑、智能手机和其他电子产品的添加和遍及。

  跟着时刻的推移,芯片制作商开端转向更大的晶圆尺度,由于更大的晶圆能够切割出更多的裸片,然后能够下降芯片本钱。从2000年开端,芯片制作商开端从200毫米(8英寸)晶圆升级到现代的300毫米(12英寸)晶圆。开端,制作200毫米晶圆厂的本钱约为7亿-13亿美元,而制作300毫米晶圆厂的本钱约为20亿美元。依据IBS的数据,在2001年,全球有18家芯片制作商具有能够处理130nm芯片的晶圆厂,这在其时是最先进的工艺。

  与此一起,以台积电为首的晶圆代工厂商开端引起业界的注重,他们不规划和出售自己的芯片,而专门为外部客户供给芯片制作服务。许多芯片制作商不再能够和乐意担负开发新工艺和制作先进晶圆厂的费用,所以挑选了fab-lite形式,行将部分芯片制作外包给晶圆代工厂商。而高通、英伟达和赛灵思等Fabless规划公司则乘着代工的春风而起飞,生长为比IDM厂商更有竞争力的芯片供货商。

  因着代工的鼓起,晶圆制作开端从美国和欧洲向亚洲搬运。依据SIA和BCG的陈述核算,台湾现已成为全球晶圆制作产能的领导者,2020年占有22%的比例,其次是韩国(21%)、日本(15%)、我国大陆(15%)、美国(12%)和欧洲(9%)。

  提示各位,咱们不要被上面的核算数字所利诱。晶圆制作仅仅全球半导体供给链和价值链上的一个节点,芯片规划、EDA/IP,以及封装测验也扮演着各自不同的人物。如下图所示,全球半导体供给链包括如下环节:根底研讨、EDA/IP、芯片规划(细分为逻辑器材、DAO和存储器)、半导体制作设备和资料,以及制作(细分为前道晶圆制作、后道封装和测验)。

  全球半导体按地域散布的价值区分(依据2019年全球半导体数据)。(来历:SIA & BCG)

  注释:DAO代表分立、模仿及其它(光电器材和传感器);OSAT代表外包封装和测验;东亚(East Asia)包括日本、韩国和我国台湾。

  从上图能够看出,在EDA/IP细分范畴,美国占主导位置(74%),而我国仅占3%;在晶圆制作方面,美国占12%,我国占16%;在封装测验商场,我国占38%,美国仅2%。

  逻辑器材是处理“0”和“1”的数字芯片,是一切设备核算和处理的构建模块,约占整个半导体价值链的42%。逻辑类别首要包括:微处理器(比方CPU、GPU和AP)、微操控器(MCU)、通用逻辑器材(比方FPGA),以及衔接器材(比方WiFi和蓝牙芯片)。

  存储器芯片用来存储数据和代码信息,首要有DRAM和NAND两大类,约占整个半导体价值链的26%。DRAM只能暂时存储数据和程序代码信息,存储容量一般比较大;NAND俗称闪存,即使掉电也能够长时刻保存数据和代码,手机的SD卡和电脑的SSD固态硬盘都运用这类存储器芯片。

  DAO代表分立器材、模仿器材,以及其它类别的器材(比方光电器材和传感器), 约占整个半导体价值链的32%。二极管和晶体管都是分立器材;模仿器材包括电源办理芯片、信号链和RF器材;其它类别的器材尽管占比不高,但也不行忽视(核算机和电子设备短少一个器材就无法作业),比方传感器在新式的物联网运用中越来越重要。

  全球半导体若按这三大类别细分,全体出售额依照运用区分如下:智能手机占26%;消费电子占10%;PC占19%;ICT根底设备占24%;工业操控占10%;轿车占10%。

  以DAO类别为例,在智能手机和消费电子中的价值占比约1/3,而在工业和轿车运用范畴占比高达60%。

  半导体产品的研制、规划和出产是非同小可的杂乱和全球化,大致可分为四个首要阶段:根底研讨、规划、晶圆制作、封装和测验。此外,芯片规划还需求EDA东西和各种IP核,而芯片出产则需求半导体出产设备和各种专用资料。从半导体器材的运用商场来看,美国和我国各自约占全球半导体消耗量的 1/4,不管作为半导体顾客仍是创造者,都有着无足轻重的份量。下面咱们将从六个方面临美国和我国大陆(不包括台湾)的半导体工业链实力做个全方位比照。

  半导体的根底研讨首要是半导体根底资料和化学工艺的研讨,是半导体器材的规划和制作完结技能打破和商用化的源动力。一项研讨成果大约需求10到15年的时刻才干到达商业化阶段,例如,Extreme Ultra-Violet(EUV)技能从开端的概念到进入晶圆厂施行阶段花了将近四十年。尽管没有详细的数据核算,但根底研讨一般约占半导体总研制投入的15-20%。比方,美国多年来一向保持在16-19%的水平。

  如上图所示,2018年美国半导体全体研制投入为5800亿美元,其间根底研讨占17%;运用研讨占20%;产品开发占63%。从资金来历看,根底研讨的42%来自联邦政府,来自企业的资金占29%,来自大学和其它非盈利安排的资金占29%。政府赞助的研讨经费尽管全体占比不高,但获得的技能打破却对半导体工业开展有着严重影响。例如,美国防部于上世纪80年代末赞助的微波和毫米波集成电路(MIMIC)项目研制出砷化镓(GaAs)晶体管,依据这种资料和结构的RF器材让智能手机与蜂窝通讯塔的无线衔接成为或许。

  曩昔40年来,美国企业界在半导体研制上的投入占GDP的比例添加了差不多10倍,而政府在半导体范畴的出资金额一向没有添加。

  依据经济合作与开展安排(OECD)的数据,2018年我国的全体研制投入全球排名第二,仅比美国低5%,可是投入到根底研讨的费用只占5-6%,半导体范畴的根底研讨就更低了。我国新的五年方案将根底研讨列为要点投入范畴,2021年的方针比例是GDP的11%,半导体也将作为重中之重得到较为富余的资源投入。

  EDA和IP尽管在全球半导体供给链中占比很小,但在价值链上却无足轻重,可谓半导体“皇冠上的明珠”。EDA三巨子(新思科技、Cadence,以及被西门子收买的Mentor)都是美国公司,他们一起也开发和供给各种IP。IP商场的领头羊Arm极有或许被美国的英伟达收买而成为美国公司。依据SIA和BCG的陈述核算,美国在EDA/IP范畴占有74%的比例,而我国只要3%。我国EDA职业尽管有华大九霄、概伦电子,以及新式的EDA草创公司,但全体实力跟美国还相距甚远。在IP方面,只要芯原和Imagination(中资布景的英国公司)在全球商场占有必定的比例。

  芯片规划是典型的人才和智力密集型工业,全球芯片规划的研制投入占整个半导体研制的53%,是最大的一块。Fabless规划公司的R&D投入一般占其营收的12-20%,有的先进工艺体系级芯片的研制占比更高。在逻辑芯片规划商场,美国占67%,而我国简直为零。在存储器方面,美国占29%,我国占7%,长江存储、武汉新芯和合肥长鑫等存储器厂商的鼓起将有助于添加我国在这一范畴的比例。在DAO方面,美国占37%,我国占7%。美国的TI和ADI长时刻占有全球模仿芯片商场龙头位置,短期内我国或许其它国家都难以撼动。我国在电源办理器材方面的竞争力逐步增强,模仿范畴也有圣邦微和思瑞浦等公司的鼓起,但全体营收和技能实力还不能跟美国混为一谈。

  晶圆制作环节在研制方面占整个半导体工业的13%,但本钱投入却占有了64%,是典型的本钱密集型工业。依据芯片产品的杂乱度不同,晶圆制作进程会触及400-1400个工艺进程。台积电和三星拟新建的5nm工艺晶圆厂总出资挨近200亿美元,这么巨额的出资令许多国家和企业望而生畏。要知道制作一艘最先进的航母造价也就130亿美元,而制作一座新的核能发电站耗资只不过40-80亿美元。像台积电和三星这样的最先进工艺晶圆代工厂商,其每年的本钱开支要占营收的30-40%。7nm工艺及更先进的晶圆厂100%都在东亚,都把握在台积电和三星手中。

  从现在的全体制作产能来看,美国占全球的12%,我国则占16%。据SIA核算和猜测,美国在1990年的晶圆制作产能占全球的37%,现在现已下滑到12%。假如持续按这样开展下去,到2030年美国的半导体制作才能将只要全球总产能的10%。而同期我国则一路上升,从1990年挨近零到2000年的3%,再到如今的16%,到2030年预期将到达24%。鉴于这一严峻的实际,美国政府开端拨款大力支撑美国公司和外国企业在美国本乡制作晶圆厂。一起,经过技能出口约束等手法遏止我国在晶圆制作方面的添加,特别是14nm以下工艺的出产。

  半导体制作进程会运用超越50种不同类型的杂乱晶圆处理和测验设备。光刻东西代表了晶圆厂商最大的本钱开销之一,并且确认了晶圆厂能够出产的芯片先进程度。先进的光刻设备,特别是那些选用极紫外线(EUV)技能的设备,是出产7纳米及以下工艺芯片所必需的,一台EUV机器的价格就高达1.5亿美元。开发和制作这种先进的高精度制作设备需求在研制方面进行许多出资。半导体设备制作商一般将其营收的10-15%用于技能和产品研制。半导体设备制作商的全体研制水平为9%,在整个半导体工业的价值占比约11%。

  在半导体制作设备范畴,美国占比41%,以LAM(泛林半导体)、AMAT(运用资料)和KLA(科天半导体)为代表。而我国仅占5%,以中微半导体和北方华创为代表。我国最大的晶圆代工厂商中芯世界在购买ASML EUV光刻机等方面一向遭到美国政府阻遏,致使我国14nm以下先进工艺的研制和出产一向滞后。

  此外,半导体制作也依靠专门的资料来加工和处理晶圆。半导体制作进程触及多达300种不同的资料,其间许多都需求先进的技能和设备来出产。例如,用于制作晶圆片的多晶硅锭的纯度有必要到达太阳能面板的1,000倍。全球300毫米硅片首要由五家供货商供给,首要来自日本、韩国、德国和台湾。我国大陆只要上海新昇半导体一家能够供给。

  封装测验归于芯片制作的后道工序,首要是将晶圆厂完结的晶圆片切割成裸片,并进行封装和测验,最终输出芯片制品给芯片规划公司。封测厂商也需求出资许多的专用设备,一般占其营收的15%。尽管后道工厂的本钱和研制投入不比前道晶圆厂大,但先进的封装工艺也需求先进的设备和工艺支撑,比方能够集成多个裸片的体系级封装(SiP)工艺。

  封装和测验工厂首要会集在我国大陆和台湾,东南亚也有一些新的封测工厂设备。在这一范畴,我国占比38%,而美国只要2%。

  据ASPENCORE分析师的大略核算,美国本乡的晶圆厂现在有94座,首要散布在德州奥斯汀和达拉斯、俄勒冈州、亚利桑那州、新墨西哥州、加州、马萨诸塞州和纽约州。具有晶圆厂的美国公司包括英特尔、TI、ADI、安森美、格芯、美光、Microship、Qorvo和Skyworks等。此外,台积电、三星、NXP、英飞凌、瑞萨、罗姆和积塔半导体等世界厂商也在美国运营各自的晶圆厂。

  但是,美国的半导体领头羊英特尔和格芯在先进工艺的比赛中现已显着落后台积电和三星。再加上最近几年我国半导体的鼓起,让美国政府感遭到了巨大压力。最近,美国国会经过520亿美元的半导体补助提案,将在五年内大幅推动美国半导体的出产和研制。该提案包括390亿美元的半导体出产和研制资金,以及105亿美元的项目施行资金,首要用于国家半导体技能中心、国家先进封装制作项目和其他研制项目。

  美国政府的专项资金估计将撬动总计1500亿美元的政府、企业和风出本钱进入美国半导体职业。最近,英特尔、台积电和三星都宣告在美国本乡新建先进工艺晶圆厂的方案。

  依据芯思维研讨院发布的数据显现,2020年我国大陆本乡晶圆代工厂商全体营收为463亿元,较2019年添加66亿元。扣除绍兴中芯、粤芯半导体和宁波中芯的18亿元营收,原有7大代工厂商的营收添加了48亿元。

  据ASPENCORE《电子工程专辑》分析师团队的大略核算,现在坐落我国大陆的晶圆厂共有75座,台湾共有83座晶圆厂。

  我国政府从上世纪80年代开端,推出了一系列支撑半导体工业开展的方针,包括 908、909工程、国发18号文、国家严重01专项、02专项、《国家集成电路工业开展推动大纲》、十三五规划,以及建立国家集成电路一二期大基金等。

  先进制程。加速先进制程的开展速度,推动14nm、7nm乃至更先进制作工艺完结规模化量产。现在国内在先进制程上还处于追逐状况,强壮的商场需求和本钱推动会促进我国本乡晶圆制作厂商的工艺稳步推动。我国本乡晶圆厂商有中芯世界、华润微电子、华虹半导体等专业晶圆代工厂商,以及士兰微、武汉长存和合肥长鑫等IDM厂商。此外,世界厂商在我国本乡也有不少晶圆厂,比方英特尔、英飞凌等。而近几年台积电(南京)、三星(西安)和SK 海力士(无锡)也纷繁兴修先进的晶圆厂,然后带动了国内相关技能人才、设备资料等配套的完善。

  高端IC规划和先进封装。十四五方案将会针对存储芯片、嵌入式 MPU、DSP、AP范畴、模仿芯片和高端功率器材进行要点支撑和引导,并致力于处理这几个要害范畴卡脖子问题。别的,逻辑芯片的先进封装和功率器材的封装将是发力的要点。

  要害设备和资料。在半导体专用设备商场,世界巨子的商场占有率很高,特别是在光刻机、检测设备、离子注入设备等方面处于独占位置,且其在大部分技能范畴已采取了知识产权保护措施,因而半导体专用设备职业的技能壁垒十分高。现在国内收入体量最大的半导体设备公司北方华创占全球设备比例也缺乏 1%,国产化火急;光刻胶 95%以上的商场也都把握在海外厂商手中。十四五规划将会针对一些要害“卡脖子”设备和资料进行专项扶持,比方光刻机、大硅片、光刻胶等。

  第三代半导体。国内外SiC工业链首要包括上游的SiC晶片和外延→中心的功率器材制作(包括传统的 IC 规划→制作→封装三个环节)→下流工控、新能源车、光伏风电等运用。现在上游的晶片根本被CREE和II-VI等美国厂商独占。国内方面,SiC晶片商山东天岳和天科合达现已能供给2英寸~6 英寸的单晶衬底;SiC外延片有厦门瀚天天成与东莞天域可出产2 英寸~6 英寸 SiC外延片。第三代半导体国内外距离相对较小,且国内工业链从上游到下流都现已涌现出许多优异的公司,第三代半导体写入十四五规划,预期这一范畴的国产厂商未来五年会是一个蓬勃开展的状况。



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