本文来自中国电子报，作者/张心怡。
2022年的“上半场”已经过去，连续两年高歌猛进的集成电路产业正在回归理性。经历了年初主力厂商一系列扩产计划带动的高增长预期，随后而来的相关局势引发的市场对半导体原材料供应的担忧，以及高通胀和消费电子景气下滑对需求端的影响，集成电路依然交出了一份平稳的答卷。新一轮的周期性波动和库存调整，虽然有可能对集成电路产业的增长速度带来影响，但有望推动供需关系的动态平衡，也让集成电路企业再次意识到核心竞争力和差异化创新的重要性。在波动的行情、长期的需求与企业持续迭代技术等因素的共同作用下，集成电路产业将走向何方？
上半年表现平稳，增长仍是全年主基调
虽然面临疫情防控、世界经济复苏放缓等一系列不确定性因素，集成电路产业仍在承压前行。世界半导体贸易统计协会6月发布的春季预测显示，2022年全球半导体市场规模将增长16.3%，继2021年年增26.2%之后继续保持两位数的增长，达到6460亿美元。集成电路、传感器、分立器件等主要半导体品类的市场规模也将保持两位数增长。
2022-2023年全球半导体市场规模预测
数据来源：世界半导体贸易统计协会
“2022年上半年，全球半导体市场销售额整体表现平稳。在地缘冲突、新冠肺炎疫情以及全球通胀等因素影响下，叠加2021年市场高基数，2022年全球半导体销售额增速或将有所下滑。从需求端看，2022年上半年消费电子需求较弱，影响库存消化，下半年各品牌重点新品发布或将在一定程度上提振消费者购机意愿。另一方面，AR/VR创新层出不穷，AIOT百花齐放，新能源汽车智能化快速推进，高端制造信息化趋势不改，各类硬件设备‘含硅量’加速提升，这些应用侧创新都将成为半导体需求维持高景气度的重要动能。”中国国际金融股份有限公司研究部执行总经理彭虎向《中国电子报》记者表示。
短期来看，高性能计算、汽车电子对芯片的需求量持续提升，对半导体产业的带动能力逐步增强。
“新能源汽车电动化过程中，功率半导体市场化应用快速普及，带动宽禁带半导体行业步入快车道。新能源汽车智能化方面，驾驶体验更佳、行驶更安全、人车互动更便捷的用户需求将持续推动智能座舱的升级和自动驾驶的成熟，从而带动联屏、多传感器、大算力芯片的协同发展，为半导体产业链带来算力芯片、激光雷达、域控制器、自动驾驶SoC芯片等多方面创新机遇。”彭虎说。
长期来看，IT的创新正在驱动数字化转型和消费升级，为集成电路产业注入源头活水。
“近几年，很多行业出现了新的发展趋势，比如5G向企业网络扩展、万物连接至云端、AI在边缘侧规模化、物理和虚拟空间结合、辅助驾驶规模化等等。这些关键趋势的出现离不开5G、AI、云计算等重要技术的推动。随着各行各业数字化转型的加速，消费者对于拥有先进连接、高性能低功耗计算、感知和智能的网联终端需求的提升，对于先进技术、领先半导体产品的需求将进一步扩大。”高通公司中国区董事长孟樸向《中国电子报》表示。
作为全球规模最大的集成电路市场，中国集成电路产业依然在发挥市场优势和应用牵引作用。上半年，国内集成电路进口增长5.5%，出口增长16.4%，为提升全球集成电路供应链产业链的韧性做出贡献。
“以全球视野谋划科技开放合作是集成电路行业发展的主旋律。近年来，新基建等政策为中国产业带来了巨大增量市场和合作机遇，中国企业充分利用全球资源，持续推进技术创新，现在中国已经是全球规模最大、增速最快的集成电路市场之一。高通公司作为全球最大的无晶圆半导体企业，同时也是中国业务占公司总比超过50%的跨国半导体企业，将持续秉持开放创新、合作共赢的原则，携手生态系统共同推动全球集成电路产业发展。”孟樸说。
面向下半年，市场需求和技术创新的双重拉动，有望进一步提升国内半导体产业的发展动能。
“具体到国内，随着疫情逐步得到控制，智能手机、智能家居等电子产品销量将逐步回暖，芯片代工产能的良性释放，也会有利于新的设计项目的展开。同时，伴随存量项目需求及量产的趋缓，企业通过技术创新、上马新项目和新产品来扩大营收的动力也会更强，也会为下半年产业发展增添新的增长动能。”芯华章科技首席市场战略官谢仲辉向《中国电子报》表示。
供需渐趋平衡，产业链各环节稳中求精
集成电路产业链已然经历了将近两年的供不应求，其最明显的动作就是代工厂商的一系列扩产，包括今年2月联华电子（以下简称联电）宣布新加坡建厂计划、博世宣布德国扩建计划，3月英特尔宣布将在德国建厂，4月铠侠、西部数据宣布共同投资日本四日市工厂并将于秋季开始初步生产等。但消费市场需求转弱使半导体产业的库存水位有所上升，产业链的全面短缺转为结构性短缺，供需关系有望逐渐走向平衡。台积电CEO魏哲家在7月召开的台积电法说会上表示，台积电注意到半导体供应链正在采取行动，预计2022年下半年的库存水位将有所下降。经历了两年疫情防控驱动的“宅经济”需求，这种调整是合理的。台积电预计半导体供应链的积压库存需要几个季度的时间重新平衡，并发展到更健康的状态。
“尽管仍存在诸多不确定性因素，但除了车规、工控、功率等芯片外的各细分市场供需关系正在走向均衡，而因缺芯导致半导体设备交付困难，由此造成产能扩张慢的‘恶性循环’也有望被打破。我们认为，设计、制造、设备和材料各产业链环节的动态平衡正在逐渐恢复。”彭虎表示。
受益于近两年全球晶圆产能扩张和各国对数字基础设施的投资，半导体设备产业展现出强劲的增长势头。SEMI最新报告称，原始设备制造商的半导体制造设备全球总销售额预计将在2022年达到创纪录的1175亿美元，首次达到1000亿美元的里程碑。而国内半导体设备产业，也受益于国内近年来高于全球市场增速的半导体销售额，迎来了更加广阔的发展空间和新的发展契机，也面临着更大的技术挑战。
2022年年中半导体设备预测
（单位：十亿美元）
数据来源：SEMI
中电科电子装备集团有限公司董事长、党委书记景璀向《中国电子报》表示，在数字化转型、新能源汽车、“双碳”战略等大背景的驱动下，本土半导体设备产业将在“十四五”时期总体呈增长态势，总体呈现三个趋势。
一是下游需求蓬勃发展将持续拉动设备需求。下一步，5G、人工智能、物联网、云计算、智能汽车等新兴领域的蓬勃发展，为集成电路的需求带来增量空间，进而为半导体设备带来巨大的市场。
二是单位制造所需设备数量上涨。先进制程芯片制造对工艺精度提出了更高的要求，需要采取多重图形工艺，同样的芯片产量所需求的设备量远远大于过去的成熟制程，半导体设备的需求将进一步增加。
三是由于技术难度与复杂度增加，设备的单价进一步升高。制程要求、良率要求等方面的共同作用，将促使新一代半导体设备的技术含量大幅提高，同时，极高的技术壁垒又进一步强化了产品垄断，导致新一代半导体设备的单价远远高于过去。
“我们将持续突破离子注入核心技术，推进高端平坦化设备技术研发，进一步加强生产工艺与设备的融合，装备与生产节奏相适配，确保与国内大线需求同步发展。同时，我们将联合国内外优势资源，建立上游零部件、原材料企业协同发展的产业生态，带动国内零部件企业的发展，强化供应链现代化。”景璀说。
要将市场优势转化为发展动能，需要以技术产品的落地应用作为前提条件。深圳市埃芯半导体科技有限公司CEO张雪娜向《中国电子报》表示，国内企业推出的设备要真正地应用起来，否则无法催熟产品进行迭代升级。无论架构还是技术创新要围绕客户的需求和问题，为客户提供有价值的创新。只有在市场竞争中赢得机会，才能行稳致远。“通过创新实现技术差异化优势，解决晶圆制造客户的实际问题，才能持续获得市场机会，不再受困于半导体周期性发展的影响。”张雪娜说。
作为芯片产品定义和创新的初始环节与核心环节，芯片设计产业的定制化、差异化趋势愈加明显。谢仲辉表示，“系统+芯片+算法+软件”协同开发的定制化芯片，决定了最终系统应用的竞争优势，因此客户对半导体产品的定制化需求越来越强烈，系统应用将成为芯片设计创新的核心驱动力。
“我们可以看到越来越多的系统级公司躬身入场，通过自研芯片实现差异化的功能和体验。比如特斯拉、小鹏汽车等发力自研芯片；苹果、小米、OPPO等手机厂家下场自研芯片，甚至大疆、华为等参与智能汽车领域的芯片研发，都反映出系统公司对自研芯片的强烈需求。”谢仲辉说。
这种面向专用场景追求用户体验和场景适用性的趋势，也对EDA等芯片设计的工具链的技术精度提出了更高的要求。
“所有芯片设计公司都希望通过更充分的验证，降低投片风险与流片成本。我们希望通过EDA工具和方法学的全面进阶，让系统工程师和软件工程师都参与到芯片设计中来，解决设计难、人才少、设计周期长、设计成本高企的问题，用智能化的工具和服务化的平台缩短从芯片需求到系统应用创新的周期，降低复杂芯片的设计和验证难度，赋能电子系统创新。”谢仲辉表示。
与芯片设计一样引起上下游企业纷纷入局的另一个产业环节是封装。台积电、三星、英特尔都将先进封装作为提升芯片性能、改善芯片能效、增强芯片架构灵活性的重要途径，以实现更加丰富的代工生态和系统级的解决方案。
今年以来，代工和IDM主力企业继续强化在封装领域的布局。台积电日本3DIC研发中心于6月举行开幕仪式，该研究所致力于下一代三维硅堆栈和先进封装技术的材料领域，旨在支持系统级创新，提高运算效能并整合更多功能。三星于7月宣布成立了半导体封装工作组，以加强与大型晶圆代工厂客户在封装领域的合作。英特尔也在今年2月的投资者大会上公布了先进封装路线图，预计今年将在Sapphire Rapids和Ponte Vecchio上交付领先的封装技术，并在Meteor Lake上试产。其2021年公布的Foveros Omni和Foveros Direct封装技术预计2023年投产。
同样需要注意的是，产业链的供需健康，以及各环节供应水平和技术能力的提升，都离不开全球畅通的分工合作模式。
“集成电路产业本质上是全球化的产业，以全球协作为基础，包括材料、设计、制造、装备、封测等多个环节。在过去一段时间，高通公司坚持多供应商策略，并联合供应商在建设新设备、扩大产能方面做了大量工作，这些策略都有助于持续改善供应。”孟樸说。
技术创新多点开花，推动产业螺旋上升
以需求带动技术创新，再以技术创新拓宽使用场景，形成技术、应用与需求的良性循环和螺旋上升，是一个产业健康发展的逻辑所在。面对半导体产业的周期性波动和疫情等“黑天鹅”事件，头部半导体企业依然没有放缓创新的脚步，而技术的独特性也是引领半导体企业穿越产业周期变化的不二法门。
制程节点是集成电路制造工艺水平的直观体现，其演进路线如同摩尔定律的心电图，反映着集成电路产业乃至全球信息化进程的发展节拍。
随着三星在6月30日宣布基于GAA(全环绕栅极）架构的3nm制程芯片启动初步生产，先进制程正式驶入3nm，晶体管技术也逐渐成为头部芯片制造企业的比拼焦点。三星表示，其3nm制程采用了MBCFET（多桥通道晶体管）技术，突破了FinFET性能限制，相比其5nm工艺实现了23%的性能提升，降低了45%的功耗并减少了16%的芯片面积。台积电将在2nm节点采用GAA架构及纳米片晶体管架构，实现在相同功耗下速度增快10%～15%，或在相同速度下功耗降低25%～30%，预计2025年开始生产。作为摩尔定律的提出者和捍卫者，英特尔计划通过全新晶体管架构RibbonFET架构将制程带入埃米（纳米的十分之一）时代。据悉，RibbonFET是英特尔研发的GAA晶体管，也是其继2011年率先推出FINFET以来首个全新晶体管架构，预计在2024年推出。
虽然先进制程节点还在向更加微小的数字挺进，但芯片性能水平的提升，已不再单纯依赖工艺的进步，设计厂商的比拼重点也越来越倾向于系统级别的创新。谢仲辉指出，服务器、AI、汽车、手机等高科技系统公司，通过SoC芯片和ASIC芯片的创新来实现系统创新。同时新兴技术的发展也反过来促进芯片设计和EDA的发展，人工智能、机器学习、云计算等技术对芯片设计和EDA工具本身的影响越来越大。因而Chiplet、异构计算等能够提升芯片集成规模和效率的技术受到广泛关注。
“Chiplet包含了许多EDA相关技术，包括封装内功耗分析、散热分析等，Chiplet芯片的设计验证也对传统EDA提出了新的要求。这种通过异构、系统集成的方式，也体现了我们从系统设计角度去出发的理念。半导体设计产业开始不仅是通过工艺的提升，而是更多考虑系统、架构、软硬件协同等，以应用导向驱动芯片设计，让用户得到更好的体验。”谢仲辉表示。
架构创新也成为芯片设计的另一个发力点。精简、灵活、可拓展的RISC-V，以及异构集成等不依赖制程工艺提升芯片性能的技术，将在后摩尔时代发挥更加重要的作用。
“RISC-V或将成为x86、ARM之外的又一重要架构。随着AI技术的发展，异构架构目前已经得到了较为广泛的应用。存算一体（阻变存储器等）将目前计算机存储和运算两大基本功能单元合二为一，理论上能够和AI算法（神经网络）形成较好耦合。”彭虎说。
在最上游的材料环节，在迁移率、带隙宽度等方面具有更优能力的新材料正在进入产业界的视野。宽禁带半导体产业化进程提速，Wolfspeed全球首条8英寸碳化硅晶圆生产线于4月启动试产，将进一步提升碳化硅的产量并降低成本。
“可以看到，业界广泛讨论的第二、三、四代半导体，也就是GaAs、GaN、SiC、Ga2O3等材料具有宽禁带、高导热率、高抗辐射等优势，在高速、高频、大功率等应用场景相较硅具有显著优势，在5G、新能源市场逐步普及。石墨烯、碳纳米管等碳基器件理论上可以较好适配柔性电子领域应用。”彭虎说。
而“一机难求”的设备产业，也在随着工艺制程的进步提升系统性能。今年6月，台积电研发资深副总经理米玉杰在台积电硅谷技术研讨会上表示，公司将在2024年引进ASML高数值孔径极紫外光光刻机，更高数值的孔径意味着更小的光线入射角度，能够用来制造尺寸更小、速度更快的芯片。
景璀表示，未来半导体设备技术发展将聚焦于三个主要趋势：一是功能模块和工艺集成化，设备各模组功能进行模块标准化，尽可能实现工艺输出的稳定性和一致性，相关联或相近工艺尽量整合在同一系统，有效提高整个系统的输出效率；二是控制精细化，先进工艺节点越低对关键参数的控制要求越精细；三是系统智能化，设备系统集成智能算法，根据工艺输出可自动对关键参数进行修正调节。
