本文来自北大纵横，作者/徐力炜。
一、半导体产业发展现状
半导体是电子产品的核心，信息产业的基石。半导体行业因具有下游应用广泛、生产技术工序多、产品种类多、技术更新换代快、投资高风险大等特点，产业链从集成化到垂直化分工越来越明确，并经历了两次空间上的产业转移。全球半导体行业大致以4-6年为一个周期，景气周期与宏观经济、下游应用需求以及自身产能库存等因素密切相关。
1.半导体产业市场发展现状
据中国半导体行业协会统计，2021年中国半导体产业首次突破万亿元，销售额达到10458.3亿元，同比增长18.2%。其中设计业销售额达到4519亿元，同比增长19.6%；制造业销售额为3176亿元，同比增长24.1%；封测行业销售额达到2763亿元，同比增长10.1%。另据中国国家统计局发布的数据，2021年中国半导体集成电路（IC）产量将达到3594亿片，比上年增长33.3%，这一增长率是去上一年16.2%的两倍多。美国半导体行业协会（SIA）预测，中国企业在全球半导体市场的份额将从2020年的9%增长到2024年17.4%，这意味着中国将成为仅次于美国和韩国的全球第三大半导体生产国。中国半导体产业是世界上少有的具有设计、制造、封测、装备和材料五大板块齐整的产业。
从全球半导体市场的角度来看，市场增速正在逐渐放缓。2021年全球半导体市场规模5559亿美元，同比增长26.2%，预计2022年将增长至5976亿，预计增长率下滑至7.5%。预测在2023年，全球半导体市场的总收入将下降2.5%。
从区域市场来看，2021年，全球各地区和国家半导体市场保持高速增长，其中欧洲同比增长27.5%，美洲同比增长27.3%，日本同比增长19.7%。而中国2021年的销售额为1925亿美元，同比增长了27.1%。占全球市场34.6%，自2013年起就成为全球最大的半导体市场，美国在全球市场中仅占15%左右。
2.半导体产业需求现状
从产品角度来看，模拟与存储成为全球半导体市场最热销的产品。实际上，模拟电路一直增长平稳，但增长较慢。而自2020年起，模拟电路成为了市场增长的领头羊，这背后的动力来源是汽车电子、绿色节能、功率器件发展的强劲需求增长对模拟电路的推动。其次是存储器。随着大数据时代的来临，需要的是存储能力，都对于存储有很大的需求，因此，存储也将保持长期的发展。
从应用方面看，汽车半导体引领全球半导体市场的增长。去年全球半导体需求增长中，增长最快的领域是汽车电子半导体，增速达到37.9%，超过了其他各个门类。从规模上，全球汽车电子半导体已经将近700亿美元，占整个市场的13%，成为半导体市场的一个重要细分市场。
3.半导体产业技术工艺现状
从制程方面看，10纳米以下先进制程仅占全球半导体产能5.9%的份额。2021至2024年全球晶圆代工产能年复合成长率达11%，其中28nm产能在2024年将达到2022年的1.3倍，是成熟制程扩产最积极的制程节点，预期有更多特殊制程应用将往28nm转进，且2021至2024年全球28nm(含)以上成熟制程产能将稳定维持75-80%比重，显示布局成熟制程特殊工艺市场潜力与重要性。但是虽然先进制程半导体仅占半导体晶圆产量的15%，其收益却占总收益的44%。这也是代工市场的资本支出集中在先进制程而对成熟制程技术的投资有限的原因。
从产能的角度，2021年中国半导体产能以22%成为全球半导体最集中的区域，中国台湾占比达18.6%。美国在全球半导体制造能力中的份额已从1990年的37%，下降到2020年的12%左右。
4.半导体行业全球市场竞争现状
2022年8月9日，美国《芯片与科学法案》落地,决定对华禁售用于14nm以下先进制程工艺及制造相关设备,包括有“芯片之母”之称的设计软件EDA,意图阻止中国大陆获得高端芯片制造能力。《芯片与科学法案》是美国近年来少有的产业扶持政策，其核心内容包含《芯片法案》和《研究与创新法》，《芯片法案》提出了对美国半导体产业发展的扶持方案；《研究与创新法》侧重于对美国未来即科技研发的投资。月底,美国要求其本土企业停止向中国出口用于人工智能工作的顶级计算芯片GPU,美国寄希望《芯片和科学法案》出台卡住中国在新兴技术领域发展的“脖子”，让中国失去追赶甚至超越美国的动力。美国对中国半导体产业的一贯遏制政策，确实让中国陷入了一定的困境，但激发了中国半导体行业自力更生，自主研发的趋势。在国内巨大的市场需求支撑下，中国半导体行业迎来了前所未有的发展，增速全球第一。逐步实现国产替代也成为国内半导体行业参与国际竞争的路径，并确保半导体供应链自主可控。
在美国挑起全球半导体行业竞争加剧的趋势下，全球各国纷纷采取各种政策对半导体行业予以扶持。11月底，欧盟国家同意为增强欧盟的半导体生产能力拨款逾400亿欧元。欧盟的计划是到2030年将芯片产量占全球的份额从目前的10%提高至20%。
在日本，丰田、电装、索尼、日本电报电话公司（NTT）、日本电气（NEC）、软银、铠侠、三菱UFJ银行联合成立芯片制程公司Rapidus，计划2027年实现2纳米以下芯片的量产。
二、半导体产业链发展现状
半导体产业链具体包括上游半导体原材料与设备供应、中游半导体产品制造和下游应用。
1.半导体产业上游
半导体产业上游包括半导体原材料与设备供应。半导体材料处于上游供应环节，材料品类繁多，按制造流程可细分为前端制造材料和后端封装材料。半导体设备，即在芯片制造和封测流程中应用到的设备，广义上也包括生产半导体原材料所需的机器设备。在整个芯片制造和封测过程中，会经过上千道加工工序，涉及到的设备种类大体有九大类，细分又可以划出百种不同的机台，占比较大市场份额的主要有：光刻机、刻蚀机、薄膜沉积设备、离子注入机、测试机、分选机、探针台等。
2020年，全球半导体材料市场增长了5%，销售收入达到553亿美元，创下了新的行业记录。尽管疫情的影响还在持续，但这一增长势头在整个2021年一直持续。据TECHET统计数据，今年全球半导体材料市场将超过570亿美元，预计到2025年，所有半导体材料的年复合增长率不低于5.3%，其中增长最快的包括硅晶圆、清洗材料、抛光液材料和光刻胶这些晶圆制造材料。
经历了2019年产业的整体萎缩，全球半导体产业景气度快速反弹，带动半导体设备市场规模持续扩张，数据显示，2021年全球半导体设备市场规模达1026.4亿美元，同比2020年增长44%以上，产业回弹规模更快。2021年国内整个半导体设备的国产率仅为20%左右。2021年，中国共进口了13类半导体设备，总额为170.5亿美元。排在前两位是等离子体干法刻蚀机，进口台数为1947台，第二位是化学气相沉积设备（CVD），进口台数为1965台，同比增长分别为52.6%、62.5%。光刻机排在第五位，进口数为406台，同比增长则为69.9%。排在最后的则是硅单晶炉，这说明硅单晶炉已经完全国产化。
2.半导体产业的中游
半导体产业中游为半导体生产制造环节，主要包括：芯片设计、晶圆制造和封测三大环节。
芯片设计以销售收入统计，2021年全球芯片设计的市场规模约1690亿美元，复合年增长率为13.6%，我国芯片设计行业保持了较快的增长态势，销售规模由2017年的1946亿元增至2021年的4596.9亿元，年均复合增长率为24%。2020年我国芯片设计行业销售额首次突破500亿美元，全行业设计企业数量为2218家，同比增长24.6%。预计2022年我国芯片设计行业销售规模将进一步增至4989.6亿元。
晶圆制造及加工实现芯片电路图从掩模上转移至硅片上，并实现预定的芯片功能，包括光刻、刻蚀、离子注入、薄膜沉积、化学机械研磨等步骤。其主要的工艺流程包括热处理、光刻、刻蚀、离子注入、薄膜沉积、化学机械研磨和清洗。，全球2021年晶圆代工销售额增长26%达1101亿美元。2022年来看，受7月主要下游企业AMD、英伟达和苹果下调订单量，预计增长将出现下降，将维持在10%左右。在国内市场，2017年我国晶圆制造行业市场规模已达1448.1亿元，到2020年，我国晶圆制造行业市场规模增长至2510.1亿元。预计2022年，我国晶圆制造行业市场规模将超3000亿元。
封装及测试完成对芯片的封装和性能、功能测试，是产品交付前的最后工序。封装测试位于半导体产业链的中下游，包括封装和测试两个环节。我国封装业起步早、发展快，在全球已经具备一定的竞争力。全球封装测试行业市场规模由2016年的510亿美元增长至2020年的594亿美元，复合年均增长率达3.89%。2021年增加至618亿美元，同比增加约4.04%，预测到2023年全球封装测试行业的市场规模将会达到652亿美元左右。总体而言市场规模小幅稳步增长。我国封装测试行业市场规模由2016年的1560.3亿元增长至2021年的2660.1亿元，年均复合增长率达12.4%，预计2022年中国封装测试行业市场规模将达2819.6亿元。国内市场的年平均复合增长率高于全球市场年平均复合增长，体现出我国封装测试行业拥有较强的市场竞争能力。
3.半导体产业下游
半导体产业下游为应用场景，主要应用领域涉及到网络通信、计算机、消费电子、工业控制、汽车电子等。
汽车IC市场份额自1998年以来稳步增长，从当年占IC总销售额的4.7%增长到2021年的7.4%。未来汽车领域的市场份额将继续增长，预计今年将达到8.5%和到2026年9.9%的百分比份额。这一增长的核心是大量新传感器、模拟设备、控制器和光电器件被整合到大多数新车中。此外，全球混合动力和全电动汽车销量的增长正在推动这一需求的增长。
在经济下行及生产中断的情况下，消费和商用领域均受到需求疲软的影响，2022年第二季度，中国大陆个人电脑出货量1148.5万台，同比下降16%。眼下，在存储芯片、个人电脑处理器以及其他芯片领域，迅速出现了供大于求，与此同时，在汽车芯片、工业芯片等领域，受产能影响，半导体厂商还无法满足客户、提供稳定的芯片供应。由于供需错配，未来一定时期内，汽车和工业芯片的供应仍将紧张，而消费类芯片的库存将持续过剩。
三、我国半导体产业发展瓶颈
半导体产业作为现代信息产业的基础和核心产业之一，是衡量一个国家或地区现代化程度以及综合国力的重要标志。“十四五”规划中对我国半导体产业做出重要指引，强调第三代半导体的发展，布局高端芯片及第三代半导体材料领域。在国家政策导向下，半导体材料厂商不断提升半导体产品技术水平和研发能力，中国在半导体材料供应链的本土化必将成为长期趋势；半导体产品体系不断丰富和完善，国产替代进程提速，不仅在中低端半导体领域具备较强的竞争力，在高端半导体领域也摆脱了全面依赖国外产品的被动局面；在产业应用领域方面，尤其是在汽车电子和工业电子方面具有潜力成为半导体行业增长最迅速的领域，半导体应用市场的变革将进一步推动芯片的需求。
目前，从制造设备到原材料，再到设计软件，我国自主研发的步伐都在加快，已经在刻蚀设备、薄膜沉积设备、单芯片多处理器（CMP）设备、清洗设备等领域实现28纳米及以上制程方面相继取得突破。更为关键的是，国内的增量市场巨大，在5G、AI、新能源汽车、硬件新物种等领域的移动终端需求在不断提升，预计到2026年我国半导体销售规模将成长至2740亿美元。
从整个产业链而言，我国在上游的设计和下游的封装实际上并不弱，如海思芯片、紫光展锐等。真正卡脖子核心环节主要有四个方面，分别是：EDA软件、晶圆代工、设备、材料。
1.EDA软件
在EDA行业中，前三的企业分别为新思科技、楷登电子、明导国际，国内EDA市场长期被三大巨头垄断，约占据了80%的市场份额。而中国EDA软件企业中，仅有北京华大九天科技股份有限公司覆盖了40%的工具链，在本土市场中占有大约6%的市场份额，而其他国产EDA厂商则多为点工具，无法为客户提供特定区域全流程产品服务。
2.晶圆代工
在晶圆代工方向，台积电占据一半以上市场，国内中芯国际和华虹半导体虽然跻身全球前10，但市场份额仅占5.4%和3%。在技术工艺上，台积电早已实现5nm工艺，而中芯国际去年才实现7nm工艺，远远落后于台积电和三星。
3.设备
目前，世界上光刻机行业的老大是荷兰的阿斯麦ASML，占据全球高端光刻机市场份额的89%，接下来是日本的尼康和佳能，而国产光刻机市场份额不足1%。尤其是7nm以下的EUV光刻机市场，被ASML完全垄断。上海微电子是国内技术最先进的光刻机厂商，但目前只能量产90nm光刻机，28nm光刻机正在研发中。
刻蚀机是芯片制造刻蚀环节的关键设备。市场规模120亿美元，目前，国际上主要供应商是应用材料、Lam Research等，分别占比15%、50%，日本TEL占比25%。刻蚀机国产化率达到23%。
薄膜沉积设备按工艺分为物理气相沉积（PVD）、化学气相沉积（CVD）和外延。设备市场空间合计约125亿美元，其中CVD设备市场规模最大，达到80亿美元，美国应用材料和泛林半导体占比30%、21%，日本TEL占比19%。国内CVD设备国产化率不到5%，PVD设备国产化率则达到30%，北方华创的PVD设备已经用于28nm生产线中，14nm工艺设备也已实现重大进展，拓荆科技的PECVD设备已在中芯国际40-28nm产线使用，ALD设备也在14nm工艺产线通过验证。
量测是半导体加工过程中重要的质量检测环节，需要通过量测设备对半导体的薄膜厚度、关键尺寸、刻蚀深度、表面形貌等物理性参数的量测。目前，全球量测设备厂商主要集中在美日两国，国内市场渗透率不足5%。
4.材料
光刻胶是芯片制造的核心关键材料，其质量和性能是影响芯片性能、成品率及可靠性的关键因素。但全球光刻胶行业长期被日本和美国的公司垄断，全球前5大厂商就占到了市场份额的87%。目前适用于6英寸硅片的g线和i线光刻胶国内自给率约20%，适用于8英寸硅片的KrF光刻胶国内自给率不足5%，适用于12英寸硅片的ArF光刻胶几乎完全进口。
硅片尺寸的大小，与芯片制造的成本息息相关。硅片尺寸变大、变薄成为各大厂商主攻的技术方向，降本成效显著，组件效率提升明显。目前，我国12英寸硅片主要依赖进口，国产化率仅13%，8英寸硅片也只有少数厂商可以供应。在国产供应商中，沪硅产业、立昂微、中环股份较为领先。
光刻掩膜版是一块优质玻璃板，上面用感光材料“画出”电路图形，是光刻步骤中最重要的“道具”之一，也是半导体制造流程中造价最高的部分之一。目前，国内光刻掩膜版主要依靠进口，国产化率不足5%。国内生产和研发光刻掩膜版的企业有：清溢光电、路维光电。
光刻气体是指光刻机用来产生激光的气体，主要由氖气、氩气、氪气、氙气、氟气等气体的混合气体，是芯片制造过程中，占比最大的材料。目前，国内光刻气体的国产化率不足5%。国内生产和研发光刻气体的企业有：华特气体、金宏气体。
