中国大陆半导体集成电路制造行业的产业升级和未来展望

The Special Issue of TED 2015
Industrial Upgrading and Future prospects
of the Semiconductor industry in the people’s republic of China
-IC Manufacturing

三重野　文健　博士
FumitakeMieno, CEO, Ph.D.
Global Research & Innovative Solutions Co. Ltd.
GRAINnS
2-3-9, Mejiro, Toshima-ku, Tokyo, 171-0031
Fumitake.mieno@grainns.top
Mieno-f@hotmail.co.jp

概述：
想要了解中国大陆半导体集成电路制造行业的产业升级和未来展望，从研究其国内居领先地位的IC制造公司入手是一个好方法。作为这种方法的首次运用，本文对中芯国际（SMIC）这家在中国居于领先地位的代工厂过去15年来的盈利状况和发展过程进行了调研，指出相比韩国和台湾的同行企业的特点，中国的集成电路制造业的弱点在于缺乏创新的商业模式，并由此建议了若干对策。

2001年加入WTO后，在中国半导体行业内，最热门的话题是国际代工企业中芯国际的成立，以及中国第一条300mm晶圆生产线的建成。
中芯国际成立于2000年，注册于开曼群岛，并在纽约证券交易所及香港证券交易所两地上市。中芯国际从200mm晶圆生产起步，后来发展到300mm晶圆生产线。中芯国际作为一家代工公司，向全球客户提供晶圆代加工制造服务，客户包括了博通、高通、德州仪器、东芝、富士通等，以及中国内地的众多半导体Fabless设计公司。
在中国半导体企业排名，按照企业年销售额排名，中芯国际是除了海力士和英特尔外资企业之外排名第一的中国本土集成电路制造商，此外，在全球代工厂中芯国际位列第五。[ 1 ]。

表 1. 中国国内的主要集成电路制造商[ 1 ]

表 2. 主要的集成电路代工公司。[ 1 ]

最近三年, 中芯国际的运营盈利，股票价格在上升。但是, 中芯国际总体的利润仍为负值，接近 1.4 亿美元。 [ 2 ]　尽管中芯国际在国内的IC制造商中居于领先地位，但它被认为同样面临所有中国集成电路制造产业所遇到的障碍。此外，中国集成电路的消耗（需求）和中国集成电路生产（供应）的比率已经高于4倍并且依然在增长中。在中国的半导体产业的行业收入分布中，与其它行业例如O-S-D（光学器件-传感器-分立器件）、IC封装测试以及IC设计相比，IC制造业的营收是最低的。[ 3 ]

本文从以下几方面针对中国的集成电路产业如何进行提升给出了讨论和建议。

中芯国际作为中国领先的IC制造商的盈利能力、发展历史以及由此而揭示的中国集成电路制造业的弱点。
与（韩国、台湾）行业领先的公司之间的比较，由此认识中国的集成电路制造产业升级的制约因素。
中国集成电路制造业的未来展望。

中芯国际盈利能力及历史发展。

1.1. 中芯国际周边环境

–在中国半导体产业的需求与供给之间的巨大差距。 图1给出了中国国内IC的消费和生产曲线，可以看到两者之间的差距已经是一个不断增加的趋势。正如图2所表明的，IC的消耗量已经超过生产量的4倍以上，而且这一消耗/生产的比率还在不断增加。IC的市场消耗正在不断增长，但国内的IC供应商完全不能满足需求。

图 1. 2000年～2012年国内IC消耗和当地的生产从 2000年到 2012年。

([ 3 ]来源CCID、SIA、PWC)。

图2. 国内集成电路消耗/生产之比。

2013年，进口集成电路的总额已经超过进口石油，达到1600亿美元。对中国的半导体产业投资的动机正是为了填补这一巨大差距。集成电路的消耗主要集中于智能手机和平板电脑的[ 4 ]，而中国是这些终端产品的最大制造商。

表3 2014年国内集成电路市场的产品类型分布。[ 4 ]

–集成电路设计业的规模已大于集成电路制造业。

图3. 国内半导体分类增长情况 (来源于CCID, CSIA, PWC)。

图3显示了中国的半导体产业的行业类型分布（来源于CCID, CSIA, PWC）。[ 3 ] 2012年的总收入为563亿美元，光学设备、传感器和分立器件被合称为O-S-D，因工艺步骤和地面设备数量较少，相比IC制造而言，O-S-D的生产门槛较低。这些相对较低的壁垒投资比较小的工艺步骤和设备总数量。集成电路封装和测试是劳动密集型产业，作为电子产品的供应链环节而得益。

2012年、集成电路制造业始终是国内半导体行业分布中最小的一块，集成电路制造业的增长率也是所有行业中最低的。台积电（TSMC）声称, 他们通过自己先进的逻辑电路生产工艺获得了中国IC设计80%以上的市场需求[ 5 ],例如 28纳米、20纳米和14纳米的产能，这些国内到2014尚无法提供。

1.2.中芯国际盈利能力及历史发展

图4显示了2004至2014年间公布的年度报告的净收益（亏损）。[ 2 ] 2008和2009年度的亏损来自雷曼兄弟冲击和DRAM价格竞争。2011年亏损则是由先进的逻辑电路工艺技术投资和时间延迟导致。最近三年的利润情况通过估价图可以得到反映（图５）。然而，总体利润仍有接近14亿美元的亏损。

图4 2004～2014年中芯国际净收益（亏损）。资料来源[ 2 ]。

图5 是证券市场2004到2015年5月的股票价格图表。图中可以看出

近期股票交易的价格和数量都在不断增加。
三个执行管理层在三个细分板块中的变化都是同步的。

图5 2004年至2015年5月的中芯国际股价。[ 6 ]

中芯国际的发展历史可依照执行管理层的变更划分为表1中的三个阶段。

	Year	Strategy and/or features
Phase 1	2000-2009	Foundry + DRAM filler
Phase 2	2010-2011	Foundry (Logic oriented)
Phase 3	2012-2015	Foundry (Balanced)

表1 中芯国际战略和特点

第1阶段的特点是DRAM填充策略，在中芯国际成立初期，逻辑电路代工业务无法填补全部产能，之后，全部产能都为DRAM和/或其他存储器产品所填满。由于“填充”策略，公司甚至可以出售自己的存储器产品，然而，DRAM价格因竞争激烈而下跌。

在第2阶段，中芯国际开始转向逻辑集成电路业务，然而，建立先进的逻辑电路生产技术消耗了时间和金钱，却未达到预期的目的。

在第3阶段，成熟的技术改进和电源管理IC实现了平衡的产品结构，所谓的“成熟的技术提升”是在充分利用现有的制造工具的基础上以较低的资本投资实现的。

到2012年，中芯国际作为中国领先的半导体制造商花了12年才实现盈利（其中2010也获利），原因如下。

– 业务扩张：包括北京、上海、成都、武汉、深圳，这导致沉重的设备折旧费用负担和大量的管理/工程资源分流；

– DRAM价格竞争：这一阶段,两大DRAM公司先后破产：奇梦达（2009，德国）、尔必达（2012，日本）。[ 7 ] [ 8 ]，在此之后，DRAM价格竞争才放松下来。

-逻辑电路技术开发延迟：几乎落后两代技术开发导致较低的ASP（平均销售价格）。

-雷曼兄弟的冲击：从2005年起连续三年的冲击，2007年即便是在晶圆厂扩张导致沉重的折旧负担下，损失也逐渐减少到了1940万美元，2008年为44000万美元，2009年为960万美元。

中国的半导体产业升级。

2-1. 集成电路制造成长迟缓的原因

如图3所示，IC制造业的增长相对较小，出于所有行业的最底部。探讨IC制造业的增长率低的根本原因，就可以清晰理解中国半导体行业实现产业升级的策略。

IC制造业发展受限可以说源于以下五个因素：

A.工艺技术

自行开发工艺技术需要有丰富的工程资源与经验丰富的经理/工程师。另一方面，工艺转移过程中技术需要有经验的客户/技术合作伙伴，以及良好的工艺技术及知识产权。

B.制造技术

制造技术涉及技术转移控制、设备控制、过程控制、产量管理控制和系统开发。

C.工厂运作

晶圆厂操作系统管理提供产能、良率、流片时间、设备利用率和先进的工艺过程控制，最大限度地发挥晶圆厂性能。并通过持续的系统优化来最大限度地提高操作者的技能。

D.产能和客户需求的匹配（市场/销售）

技术失误来自“A”，产能失误来自“B、C, E”，时间失误来自“A、B、C、E”。

E.资源（管理/工程人力资源，预算，设备/材料）。

其中，工艺技术是核心因素。自行开发是难度最大的，但由于知识产权问题，自行开发又是必须的

2-2. 技术差距因素。

Mark Blaxill和Ralph Exkardt指出，每个公司知识产权的增长一般分为5个阶段（图6）[ 9 ]。2015年，中芯国际被认为出于第3阶段，该年中芯国际在内地的专利总数约为5000件[ 10 ] 。另一方面，台积电在美国有6500件以上的专利，其中3800件是授予中国大陆的[ 11 ]

一个重要的考虑点是，两代以上的技术延迟/差距已经导致了一些知识产权的“非明显性”（ non-obviousness）。“非明显性”是一个专利所需的元素，两代的技术延迟尚可在技术专利中获得“明显性”，再后来者获得有价值的专利的机会就较少了。

图6 公司知识产权成长的五阶段，中芯国际位三阶段。(资料来源[ 9 ])。

除了IP的问题，尚有以下影响中国的IC制造的因素：

–自我研发的工艺技术

逻辑电路制造技术的自我研发至少存在两代差距，这个差距降低了ASP（平均销售价格）并导致知识产权风险。

技术领先的公司依然按照摩尔定律以1.5～2年的周期开发先进的工艺技术，目前已经完成了10nm工艺研发并开始了7nm工艺的研发。中芯国际今年才开始14nm技术研发，但是销售市场上的14nm产品2014就已经出现了。由于缺少资源，一个技术开发通常需要5～6年。

–工艺技术转让。

从先进企业的技术转移是解决技术差距的途径之一。在晶圆代工企业的起步阶段，代工作为IC制造中的一个全新的概念，还是一个利基市场，竞争较少，相对也比较容易找到技术领先的合作伙伴。随着时间的推移，代工企业已经成熟和竞争激烈，寻找合适的技术优于自身的合作伙伴/客户变得越来越困难。中国代工企业即使找到技术合作伙伴/客户，ASP也是被合作伙伴/客户借助自己的优势所控制。中国代工公司被列为第二或第三位的供应商，较低的ASP带来了管理的难度和收入差距的进一步加大。

在早期阶段，中国本土IC设计公司在技术上处于弱势地位，本地代工厂尚不能以本地的IC设计公司作为技术合作伙伴。此外，本地IC设计公司往往选择海外领先的代工厂作为制造合作伙伴。随着IC设计公司的成长，他们更有理由选择具有先进逻辑电路制造技术和拥有技术稳定性的海外代工企业。

–制造技术。

为了最大限度地提高晶圆厂生产率和产品质量，在设备控制、工艺控制，良率管理、工序操作和文件控制等方面都需要持续改进，这些需要丰富的经验和知识。

–装备/材料。

中国的IC制造业依赖于国外的设备和材料供应商，例如AMAT (CVD，刻蚀，离子注入，退火)， LAM（刻蚀，CVD，清洗），ASML（Scanner），SCREEN（Wet Cleaning, Annealing, Coater/developer）, TEL(Furnace, Etcher, Coater/developer), Shinetsu (Wafer), TOK (Resist),等。

中国本土厂商正在不断增长，然而在8英寸/成熟技术阶段面临韩国厂商和二手设备供应商的激烈竞争。

–管理人/工程师资源。

在先进技术开发方面，经验丰富的经理/工程师尚不足够。国内IC制造厂的绝大部分研发者都是来自海外，具有在美国或者台湾的IC行业经验。然而，即使提供了特别优厚的条件，往往也不能吸引他/她或者她/他的家人离开已经定居的先进国家。

本地人力资源正在增长，但是其具有的技术背景远逊于那些来自技术先进公司的研发者。他们倾向于依赖设备/材料供应商，而缺少对基础工艺的研究和主动学习。同样，具有丰富经验的晶圆厂管理人员和制造技术工程师也远远不足。

3. 中国半导体产业的未来展望。

3-1. 什么是中国IC制造业的产业升级所需要的？

在2020年，全球物联网市场将达到3兆400亿美元[ 12 ]。为填补需求/供需差距, 中国 IC 制造业需要进行两种类型的工业升级：

A.具备较低操作成本和较低ASP的产能扩充；

B.能提供更高的 ASP的新技术开发。先进技术是领先企业的竞争力。

上述两条几乎是方向相反的，而且，从中国工程师的观点，技术先进的批量生产存在更高的风险。它取决于本地的集成电路设计公司的需求、确保持续盈利能力的ASP以及先进的工艺技术的提高。

同时实现的两个方向的目标导致我们陷入进退两难，如何同时解决产能扩张和先进技术改进，成为中国IC制造业面临的主要问题。

在三星(韩国)和台积电(台湾)，这一进退两难的问题已经通过创新得到解决,表2显示了韩国和台湾IC 制造业早期的创新点。以韩国的情况来说，当只有韩国公司投资在 DRAM的疲弱的市场周期时刻, 技术领先的公司却没有投资 (图 7)[ 13 ] 。台湾的情况则是：Morris Chan带来了集成电路制造的代工厂的概念并且帮助台积电以较低的制造成本成功获得客户，包括美国、日本和欧洲的IDMs。

Country	Innovations (Early stage)	Business opportunities (Early stage)
Korea	DRAM Investment Non-cycled, 300mmmigration	Note Book PC, Cellular phone
Taibei China	Foundry, SMIF, FOUP, 300mm migration	Note Book PC, Cellular phone
China	?	Smart phone, Tablet IoT
India, Russia, Vietnam	?	IoT

表2 创新支持的集成电路制造业。

图7 作为领先公司的日本IDMs的投资周期，投资与收益同步，在收入疲软时受到重大影响。[ 13 ]

另一方面, 中国IC制造公司缺少鲜明特点和/或创新的商业模式和/或技术。

在台积电代工初始阶段，没有竞争对手以及IP属于客户，客户提供的技术转让包含了知识产权(工艺专利、设计IP)。因此IP不是台积电主要的关注点。现在，在2015年，代工企业情况发生变化, 重点已转移到具有高度IP敏感度的制造/工艺技术的激烈竞争。近来，, 三星(IDM)和英特尔(IDM)也开始代工业务以填充他们的巨大产能 [14,15 ] 。在IC制造业他们排在第一和第二的位置 [ 16 ]。

从公司知识产权成长(图6)的第三阶段过渡到第四阶段，存在一个过渡板块，在阶段 1～3、后来者可以跟随前人所做。这种 “跟随文化”不能产生具有创新思维的工程师/管理者。在阶段 4、“创新文化”需要有价值的专利。在阶段 3 和 4之间,因为“跟随文化”和 “创新文化”的完全不同的产生了一个过渡板块。(图 8)。

中芯国际作为国内领先的公司处于阶段3并且需要尽快转换到阶段4。 IC制造是一个智慧、知识、资本、劳工-密集的行业。遵循摩尔定律、IC制造业始终在挑战小尺寸和高密度。这是不同于其他部门的，如表3所示。

IC 封装/测试和 O – S -D 行业是劳动密集型的业务，IC制造/IC设计行业是知识/智慧密集型的产业。

在2015年，14纳米技术已经在美国、韩国、台湾投入生产，同时10nm已在开发中。这些国家的发展，10纳米以下则是一个争取IP的研发战场。研发，IP和制造技术是将技术拓展到生产的关键节点问题。获得10nm以下技术节点将为中国IC制造带来光明的未来，需要认识到对研发和知识产权发展的投资的重要性，尤其是是基础研究。 IMEC和IBM的研发功能已经在大多数竞争对手中被用作共同的平台，而后来的角落正常地放下底线。研发、IP 和制造技术是最关注的技术扩大到高级节点的生产。获得超出 10nm 技术节点将带来光明的未来中国 IC 制造业。这是需要认识到, 投资重视研发和 IP 的发展, 特别是基础研究。研发功能的 IMEC 和 IBM 都已经用在大多数竞争对手的通用平台，迟来者自然会落入深渊。

作为中国国内的全球性公司，具备研发功能的实例是华为。华为有 16 个研发中心在德国、瑞典、美国、印度、俄罗斯、日本、加拿大、土耳其等地，以及大约70,000多研发人员(占雇员总数的45%)。而三星有在日本、中国、美国等地有29个研发中心。

Industry Sector	Industry type
IC Manufacturing	Wisdom, Knowledge, Capital, Labor
IC design	Wisdom, Knowledge, Labor
O-S-D	Labor, Capital, Knowledge
IC packaging and testing	Labor, Capital

表3。半导体行业的集約型类型。

3-2. 中国集成电路制造创新考虑。

图9显示了电子器件最终产品与集成电路指数进展之间的关系示意图。在摩尔定律中，集成电路的进步被定义为p = 2^n/1.5，根据集成电路的指数级进展，每个最终产品可以充满“苹果”。

图10显示了电子设备相关终端产品的30年预测。电子设备将广泛应用于每一个人的身体和大脑。而且，尖端设备的生产有希望获得广泛的应用，例如3兆400亿美元的物联网市场。

图 9. 电子器件的指数化进展苹果树。

图 10. 从2015起电子设备产品30年发展预测

从长远来看，IC制造商能够提供的指数级发展可以提供图10所示的创新技术。

中国的 IC 制造业能够通过长期规划和持续性指数发展获得自己的位置，以下是对国产IC制造业增长的建议：

建立超越 7纳米技术的450mm晶圆生产线。

参考韩国和台湾的经验, 较大直径的制造晶圆厂的建立是一种商业成功的要素，如表2。较大直径的晶圆制造可以带来更高的产能和基于新一代技术的成本降低。

Non-EUV对于450mm晶圆制造是一种创新。DSA（直接自组装）、纳米压印、多电子束仍在开发中。面向光刻技术的器件结构/工艺已经达到了经济上的极限，只有领先的大公司才可以借助巨大的投资计划引进极紫外波作为生产工具。先进的NAND闪存设备已经转移到三维结构，可以放宽光刻规则。超越7纳米逻辑技术、单片3DIC、垂直纳米线/纳米管有可能从根本上改变面向光刻的工艺技术。

优点；世界第一、成本效益、适于进入物联网市场。

缺点；不确定因素，如器件结构、光刻。

建立第三代晶圆代工的生态系统。

为加强国内代工厂的竞争力，可以通过如下方法来提升研发水准，在全球思维下追赶技术差距。

B-1. 建立先进的国家研究实验室：有效利用先进国家的人力资源。

优点；有经验的研发人力资源和IP创造者。

缺点；投资。

B-2. 提高半导体行业层次: 吸引外国实体的设备供应商, 在中国内地建立研发中心的演示厅内。加强设备和材料的本地供应。为了控制成本和生产进度，设备和材料的供应应为最关心的问题。此外，可以从先进的设备和先进材料来获取先进的技术。

优点；控制成本和交付，先进的技术开发。

缺点；时间、投资、资源

B-3. 购买知识产权：从知识产权市场购买知识产权。

优点；可以即使获得有价值的知识产权。

缺点；投资。

B-4. 并购（主要技术企业）：购买领先的技术公司。

优点；领先技术的捷径。

缺点；政府批准和人力资源管理。

B-5. 合作（领先的技术公司）：与领先的技术公司的合作伙伴关系。

优点；获得技术诀窍许可。

缺点；管理理念的碰撞。

闭环实现中国综合直接制造（IDM）。

本土集成电路设计公司和当地的代工厂作为一个IDM公司。

优点；所有本地循环，易于访问。

技术延误；技术延迟。

总结

IC制造的本职是一种文化的创新加速，由此注定了这是一块硬骨头。从真空管到晶体管，集成电路成为低成本和高性能的核心。基于集成电路每1.5～2年密度增加一倍的摩尔定律，集成电路的尖端技术支撑了信息通信技术业务、机器人业务、汽车生产等行业的建立和不断进步。‘

中国作为世界电子产品制造商、消费先进的集成电路。为了填补其需求和供应超过四倍的差距，可以借助两种途径，一是吸引国外企业开放集成电路制造工厂，另一类是自建先进集成电路制造生产厂。外国企业早已进入中国，如海力士（无锡）、英特尔（大连）、三星（西安）。台湾当地政府允许联电在厦门开设28nm技术晶圆厂，台积电在南京开设16nm技术晶圆厂等。外资企业在大陆建立工厂后，面临的风险是工厂关闭或订单不足，这取决于国外公司的情况和市场情况。这种风险不由中国内地控制。

中国集成电路制造业的未来在于自我为主的创新文化的生长，最关注的是“创意=力量” “创意=力量”是创新文化产生的新价值创造能力，是维持集成电路制造力的源泉。。台积电的“代工观念”和三星的“非周期性投资”可以向原始的集成电路制造管理注入新的价值和多样性的选择。

中国集成电路制造业的文化需要从“追随文化”转变为“创新文化”。

致谢

在此感谢創能動力科技有限公司首席执行官，前中芯国际300mm厂資深总监周永昌先生，感谢他的富有成果的讨论。

参考文件

[1] IC Insights.Strategic Reviews database, CCID, CSIA, PWC.

[2]SMIC homepage, http://www.smics.com/eng/investors/ir_historical.php.20150530

[3] Source, CCID, CSIA, PWC.

[4] 2015 Semiconductor industry forecast(2),

http://eetimes.jp/ee/articles/1502/04/news092.html 20150630

[5] Chinese Dream for IC Powerhouse Is Coming True, Alan Patterson

11/18/2014 http://www.eetimes.com/document.asp?doc_id=1324666 20150630