1.4　集成电路制造业发展趋势

1965年，当摩尔发表他的“摩尔定律”时，芯片是在1.25in（约30mm）的晶圆上制造出来的。半个世纪以来，芯片制造商一直遵循摩尔定律的节奏开发和制造芯片，在这个过程中将更多功能集成到单个芯片上，从而推动了计算机、智能手机和其他电子产品的发展和普及。

从发展进程来看，集成电路产业在全球范围完成了两次明显的产业转移，目前正处于第三次产业转移。

第一次产业转移是美国的装配产业向日本转移。在20世纪80年代，美国将技术含量、利润较低的封装测试部门剥离，将测试工厂转移至日本等其他国家和地区。

第二次产业转移是日本的集成电路制造业向韩国京畿道、庆尚北道等地区，以及中国台湾地区转移。20世纪90年代，日本难以继续满足 DRAM 技术升级和晶圆厂建设的资金需求，韩国企业趁机确立了市场中的存储芯片霸主地位。同时，中国台湾企业利用代工厂（Foundry）优势逐步取代IDM（Integrated Device Manufacture）模式。由于越来越明确的产业链分工，OSAT（封装和测试的外包）也逐渐出现。

第三次产业转移是韩国京畿道、庆尚北道等地区，以及中国台湾地区的集成电路制造业向中国大陆转移。经过2008—2012年的低谷后，全球半导体行业规模在2013年开始复苏。由于国产化需求上升和下游消费电子设备需求的增长，我国已成为世界第一大半导体消费市场。

在第三次产业转移中，我国的封装产业正在蓄力发展。受下游需求旺盛影响，封装厂的产能利用率保持高位，出现产能供不应求的情况，盈利能力明显提升。我国政府高度重视，发布了促进集成电路产业和软件产业高质量发展的政策，全面优化完善高质量发展芯片和集成电路产业的有关政策。

随着时间的推移，芯片制造商开始转向更大的晶圆尺寸，因为更大的晶圆单次流片可以切割出更多的裸芯片（晶圆上的单个芯片单元，又称裸片、裸Die），从而可以降低单芯片成本。从2000年开始，芯片制造商开始从200mm（8in）晶圆升级到现在的300mm（12in）晶圆。最初，建造200mm晶圆厂的成本为7亿～13亿美元，而建造300mm晶圆厂的成本约为20亿美元。与此同时，以台积电为首的晶圆代工厂模式开始引起产业界的重视，他们不设计和销售自己的芯片，而专门为外部客户提供芯片制造服务。许多芯片制造商不再能够和愿意负担开发新工艺和建造先进晶圆厂的费用，于是选择了fab-lite模式，即将部分芯片制造外包给晶圆代工厂，而高通、英伟达和Xilinx等采用Fabless（无晶圆厂）模式的设计公司则乘着代工的“东风”快速发展，成长为比IDM厂商更有竞争力的芯片供应商。

随着代工的兴起，晶圆制造开始从美国和欧洲向亚洲转移。根据半导体行业协会（Semiconductor Industry Association，SIA）与波士顿咨询公司（BCG）的报告统计，中国台湾企业现已成为全球晶圆制造产能的领头羊，2020年占有22%的份额，其次是韩国企业（21%）、日本企业（15%）、中国大陆企业（15%）、美国企业（12%）和欧洲企业（9%）。

另外，通过对半导体IDM企业和Fabless企业的分析可知，美国半导体IDM企业、Fabless企业的半导体总销售额仍处于全球领先位置。图1.6所示为2021年全球IDM企业和Fabless企业的半导体销售份额对比。图中，半导体市场总份额是按公司总部所在地划分的半导体市场的全球总份额（该数据不包括纯代工厂）。

图1.6　IDM企业和Fabless企业的半导体销售份额对比（数据来源：SIA，2021年）

2021年，美国企业占据了全球半导体市场销售总额（IDM企业和Fabless企业销售额的总和）的54%，其次是韩国企业占据22%的份额。中国台湾地区的半导体企业凭借Fabless企业的良好表现占全球半导体市场销售额的9%，而欧洲企业和日本企业均为6%（中国台湾企业在半导体行业的市场份额于2020年首次超过欧洲企业）。中国大陆企业仅占全球半导体销售的4%。如果对这4%的销售份额进一步细分，中国大陆芯片设计（Fabless）企业的市场销售份额占比为9%，IDM低于1%。

韩国和日本 Fabless 企业的销售份额非常低。总体而言，总部设在美国的公司在IDM、Fabless方面在整体半导体市场的份额表现出了巨大优势。

如图1.7所示，日本企业在1990年占据了全球半导体市场份额的近一半，但1990—2021年，这一份额急剧下降，到2021年仅为6%。虽然欧洲企业的市场份额下降幅度没有日本企业那么大，但2021年欧洲企业在全球半导体市场的份额也只有6%，低于1990年的9%。

图1.7　IDM企业和Fabless企业的发展趋势（数据来源：SIA）

与1990—2021年日本和欧洲企业的半导体市场份额下滑形成对比的是，美国和亚太地区企业的市场份额自1990年以来一直在攀升。亚太地区企业的半导体市场份额从1990年的4%上升到2021年的34%。

随着后摩尔时代的到来，集成电路制造业的发展也面临着前所未有的大变局，新的技术层出不穷，市场对芯片的性能要求也越来越高，未来芯片制造业的发展充满着机遇与挑战。本节梳理了未来芯片制造业的发力点，以应对这些挑战。

（1）加快先进制程的发展速度。2022年6月，三星宣布3nm制程芯片已经实现了量产；台积电在2022年第四季度实现了3nm芯片的量产化，并将在2025年末推进2nm芯片的量产，以应对生成式人工智能芯片对算力的迫切需求。在未来，制程更小的芯片还是主流的发展趋势，而且头部晶圆制造厂商已经布局了许多相关技术和专利。截至本书成稿之时，我国在先进制程上还处于追赶状态。中国大陆的晶圆厂商有中芯国际、华润微电子有限公司（简称华润微）、华虹半导体等专业晶圆代工厂商。以中芯国际为代表的国内晶圆厂商已经实现了7nm的量产，正在向更先进的制程寻求突破，但与国际最先进水平仍然存在着代际的差距。

（2）高端集成电路设计和先进封装。随着芯片制程的不断缩小，芯片制造难度在以指数级增长。除了在更小的制程上发力，利用先进封装技术可以在不改变制程的情况下实现芯片性能的提升，因此先进封装成为众多头部厂商争相入场的领域。随着先进封装的发展，整体的芯片制造业都会有重大的变革，设计、工艺、封装流程都会有颠覆性改变，未来的高端芯片设计将有可能向先进封装靠拢。

（3）关键设备和材料。由于半导体产业具有“一代设备、一代工艺和一代产品”的行业特点，高端半导体设备的研制也是芯片制造的风向标，因此在未来，高端半导体设备的研发投入将会持续增加，向着以工艺为基准、多设备互联协作的方向发展。在半导体材料方面，随着工艺的发展，相应的材料也会跟进。

（4）宽禁带半导体。宽禁带半导体在未来的半导体产业中有着不可或缺的地位，在高速通信、功率器件制造、下游工控、新能源车、光伏风电等领域都具有广泛的应用前景。未来，宽禁带半导体制造设备、器件设计等领域都将会迎来蓬勃发展的时期。

（5）半导体技术与AI技术共生。半导体工艺的演进，直接推动了计算能力的指数级增长，专用人工智能芯片、高带宽内存、存算一体等技术的突破，为人工智能的快速发展提供了硬件基础，而人工智能反过来加速了芯片的设计与良率的优化，两者的深度融合将推动半导体与AI的共生与创新的螺旋式发展。