一、簡介

半導體指常溫下(xià)導電性能(néng)介于(yú)導體與絕緣體之間的材料。

半導體在集成電路、消費電子、通信系統、光伏發(fā／fà)電、照明、大功率電源轉換等領域都有應用(yòng)，如(rú)二極管就(jiù)是采用(yòng)半導體制作的器件。

大部分的電子産品，如(rú)計算機、智能(néng)手機等或是數字錄音機當中的核心單元都和半導體有着(zhe／zhuó／zhāo／zháo)極爲密切的關聯。

常見的半導體材料有矽、鍺、砷化镓等，矽是各種半導體材料應用(yòng)中最具有影響力的一種。

無論從科技或是經濟發(fā／fà)展的角度來看，半導體的重要(yào / yāo)性都是非常巨大的。

二、發(fā／fà)現曆史

1833年(nián)，英國科學家(jiā)電子學之父法拉第最先發(fā／fà)現硫化銀的電阻随着(zhe／zhuó／zhāo／zháo)溫度的變化情況不同于(yú)一般金屬，一般情況下(xià)，金屬的電阻随溫度升高而(ér)增加，但法拉第發(fā／fà)現硫化銀材料的電阻是随着(zhe／zhuó／zhāo／zháo)溫度的上升而(ér)降低。這是半導體現象的首次發(fā／fà)現。

1839年(nián)，法國的貝克萊爾發(fā／fà)現半導體和電解質接觸形成的結，在光照下(xià)會(huì)産生(shēng)一個電壓，這就(jiù)是後(hòu)來人們熟知的光生(shēng)伏特效應，這是被發(fā／fà)現的半導體的第二個特性。

1873年(nián)，英國的史密斯發(fā／fà)現硒晶體材料在光照下(xià)電導增加的光電導效應，這是半導體的第三種特性。

1874年(nián)，德國的布勞恩觀察到某些硫化物的電導與所(suǒ)加電場的方向有關，即它的導電有方向性，在它兩端加一個正向電壓，它是導通的；如(rú)果把電壓極性反過(guò)來，它就(jiù)不導電，這就(jiù)是半導體的整流效應，也是半導體所(suǒ)特有的第四種特性。同年(nián)，舒斯特又發(fā／fà)現了銅與氧化銅的整流效應。

1911年(nián)，考尼白格和維斯首次使用(yòng)半導體這個名詞。

1947年(nián)12月，貝爾實驗室完成并總結出半導體的這四個特性。

2019年(nián)10月，一個國際科研團隊稱與傳統霍爾測量中僅獲得(dé / de / děi)3個參數相比，新技術在每個測試光強度下(xià)最多可(kě)獲得(dé / de / děi)7個參數：包括電子和空穴的遷移率；在光下(xià)的載荷子密度、重組壽命、電子、空穴和雙極性類型的擴散長度。

三、半導體産業鏈全景

半導體産業鏈大緻可(kě)以劃分爲上遊、中遊和下(xià)遊。

上遊包括半導體材料、生(shēng)産設備、EDA、IP核。

EDA，即電子設計自(zì)動化（Electronics Design Automation），包括電路設計與仿真工具、PCB 設計軟件、IC 設計軟件、PLD 設計工具等。

IP核（Intellectual Property Core）提供已經完成邏輯設計或物理設計的芯片功能(néng)模塊，通過(guò)授權允許客戶将其(qí)集成在其(qí)芯片設計中，通過(guò)流片形成最終的芯片産品。

中遊包括設計、制造、封測三大環節。

下(xià)遊主要(yào / yāo)爲半導體應用(yòng)，例如(rú)PC、醫療、電子、通信、物聯網、、信息安全、汽車、新能(néng)源、工業等。

半導體可(kě)以分爲四類産品，分别是集成電路、光電子器件、分立器件和傳感器。其(qí)中規模最大的是集成電路，市場規模達到2,753 億美元，占半導體市場的83%

集成電路從制程工藝來看，頂尖工藝(7nm+10nm)目前占據13%的市場份額，主要(yào / yāo)用(yòng)于(yú)CPU、GPU等超大規模邏輯集成電路的制造。主要(yào / yāo)用(yòng)于(yú)存儲芯片制造的14nm-28nm工藝占據了34%的市場份額；MCU/MPU、模拟器件、分立器件和傳感器主要(yào / yāo)使用(yòng)40nm以上工藝，占據了剩餘的41%市場份額。

另外，分立器件、傳感器、光電器件也都在半導體行(háng / xíng)業中起着(zhe／zhuó／zhāo／zháo)至關重要(yào / yāo)的作用(yòng)，市場規模也都不小。分立器件主要(yào / yāo)包括二極管、晶閘管、MOSFET、IGBT等。

四、生(shēng)産模式與制造工藝

設計過(guò)程可(kě)以粗略的分爲确定項目需求、系統級設計、邏輯設計、硬件設計四部分。

集成電路作爲半導體産業的核心，由于(yú)其(qí)技術複雜性，産業結構高度專業化。随着(zhe／zhuó／zhāo／zháo)産業規模的迅速擴張，産業競争加劇，分工模式進一步細化。

目前，全球半導體産業有兩種商業模式，即IDM（Integrated Device Manufacture，集成器件制造）模式和垂直分工模式。垂直分工模式主要(yào / yāo)包括Fabless（無晶圓制造的設計公司）+Foundry（晶圓代工廠）+OSAT（封裝測試企業），另外還有IP核（Intellectual Property Core）提供方等。

IDM模式的企業主要(yào / yāo)有Intel、三星、德州儀器（TI）等,這種模式涵蓋設計、制造、封測等整個芯片生(shēng)産流程。這類企業一般具有規模龐大、技術全面、積累深厚的特點。

而(ér)垂直分工模式中，則是IP核、設計、制造、封裝測試環節分離，IP核供應商提供專業的知識産權模塊，設計公司（Fabless）直接面對(duì)客戶需求，但隻從事(shì)設計，将制造和封裝測試外包，即晶圓代工廠（Foundry）、封裝測試企業和IP核供應商爲設計公司服務。

其(qí)中設計公司以高通、博通、聯發(fā／fà)科、海思爲代表，晶圓代工廠以台積電、格羅方德、聯電、中芯國際爲代表，封測以日月光、矽品、安靠、長電科技爲代表。

EDA與IP授權是芯片設計的兩個關鍵步驟，也是制造的基礎。

EDA是電子設計自(zì)動化（Electronics Design Automation）的縮寫，EDA技術就(jiù)是以計算機爲工具，設計者在EDA軟件平台上，用(yòng)硬件描述語言VerilogHDL完成設計文件，然後(hòu)由計算機自(zì)動地完成邏輯編譯、化簡、分割、綜合、優化、布局、布線和仿真，直至對(duì)于(yú)特定目标芯片的适配編譯、邏輯映射和編程下(xià)載等工作。EDA技術的出現，極大地提高了電路設計的效率和可(kě)操作性，減輕了設計者的勞動強度。

EDA設計軟件包括電路設計與仿真工具、PCB設計軟件、IC設計軟件、PLD設計工具等。

目前EDA設計軟件領域集中度較高，Synopsys、Cadence和MentorGraphics三巨頭占據了EDA設計軟件市場95%以上的市場份額，Synopsys、Cadence等公司将自(zì)己的軟IP集成在設計軟件中，進一步增加了用(yòng)戶黏性，也提高了行(háng / xíng)業壁壘。

半導體IP授權主要(yào / yāo)分爲軟IP、固IP和硬IP。軟IP是用(yòng)Verilog/VHDL等硬件描述語言描述的功能(néng)塊，不涉及具體電路元件。固IP是以電路元件實現的功能(néng)模塊。硬IP提供設計的最終階段産品—掩膜。

制備不同的半導體器件對(duì)半導體材料有不同的形态要(yào / yāo)求，包括單晶的切片、磨片、抛光片、薄膜等。半導體材料的不同形态要(yào / yāo)求對(duì)應不同的加工工藝。常用(yòng)的半導體材料制備工藝有提純、單晶的制備和薄膜外延生(shēng)長。

第三代半導體材料是以氮化镓和碳化矽爲代表的寬禁帶半導體材料，在導熱率、抗輻射能(néng)力、擊穿電場能(néng)力、電子飽和速率等方面優勢突出，更适用(yòng)于(yú)高溫、高頻、抗輻射的場合。

當前全球芯片設計仍以美國爲主導，美國IC設計公司占據了全球約68%的最大份額，台灣地區IC 設計公司占16%，歐洲IC 設計企業隻占了全球市場份額的2%，日韓地區Fabless 模式并不流行(háng / xíng)。

國内對(duì)于(yú)美國公司在核心芯片設計領域的依賴程度較高。

紫光展銳、華爲海思等在移動處理器方面已進入全球前列。

中央處理器(CPU) 方面，英特爾幾乎壟斷了全球市場，國内相關企業約有 3-5 家(jiā)，但都沒有實現商業量産，多仍然依靠申請科研項目經費和政府補貼維持運轉。龍芯等國内 CPU 設計企業雖然能(néng)夠做出 CPU 産品，而(ér)且在單一或部分指标上可(kě)能(néng)超越國外 CPU，但由于(yú)缺乏産業生(shēng)态支撐，還無法與占主導地位的産品競争。

目前全球存儲芯片主要(yào / yāo)有三類産品，根據銷售額大小依次爲：DRAM、NAND Flash 以及Nor Flash。在内存和閃存領域中，IDM 廠韓國三星和海力士擁有絕對(duì)的優勢，截止到2017年(nián)，在兩大領域合計市場份額分别爲75.7%和49.1%，中國廠商競争空間極爲有限，武漢長江存儲試圖發(fā／fà)展 3D Nand Flash(閃存)的技術，但目前僅處于(yú) 32 層閃存樣品階段，而(ér)三星、英特爾等全球龍頭企業已開始陸續量産 64 層閃存産品；在Nor flash 這個約爲三四十(shí)億美元的小市場中，兆易創新是世界主要(yào / yāo)參與廠家(jiā)之一，其(qí)他主流供貨廠家(jiā)爲台灣旺宏，美國Cypress，美國美光，台灣華邦。

FPGA、AD/DA 等高端通用(yòng)型芯片，具有研發(fā／fà)投入大，生(shēng)命周期長，較難在短期聚集起經濟效益，因此在國内公司層面發(fā／fà)展較爲緩慢，甚至有些領域是停滞的。

芯片設計的上市公司，都是在細分領域的國内最強。比如(rú)彙頂科技在指紋識别芯片領域超越FPC 成爲全球安卓陣營最大指紋IC 提供商，成爲國産設計芯片在消費電子細分領域少有的全球第一。士蘭微從集成電路芯片設計業務開始，逐步搭建了芯片制造平台，并已将技術和制造平台延伸至功率器件、功率模塊和MEMS 傳感器的封裝領域。但與國際半導體大廠相比，不管是高端芯片設計能(néng)力，還是規模、盈利水平等方面仍有非常大的追趕空間。

五、設備

半導體設備處于(yú)産業鏈上遊，貫穿半導體生(shēng)産的各個環節。按照工藝流程可(kě)以分爲四大闆塊——晶圓制造設備、測試設備、封裝設備、前端相關設備。再具體來說，晶圓制造設備根據制程可(kě)以主要(yào / yāo)分爲8 大類，其(qí)中光刻機、刻蝕機和 薄膜沉積設備這三大類設備占據大部分的半導體設備市場。同時設備市場高度集中，光刻機、CVD 設備、刻蝕機、PVD 設備的産出均集中于(yú)少數歐美日本巨頭企業手上。

中國半導體設備國産化率低，本土半導體設備廠商市占率僅占全球份額的1-2%。

關鍵設備在先進制程上仍未實現突破。目前世界集成電路設備研發(fā／fà)水平處于(yú)12 英寸5nm，生(shēng)産水平則已經達到12 英寸7nm；而(ér)中國設備研發(fā／fà)水平還處于(yú)12 英寸14-7nm，生(shēng)産水平爲12 英寸14nm，總的來看國産設備在先進制程上與國内先進水平仍有差距；具體來看65/55/40/28nm 光刻機、40/28nm 的化學機械抛光機國産化率依然爲0，28nm化學氣相沉積設備、快速退火設備、國産化率很低。

六、材料

半導體産業發(fā／fà)展至今經曆了三個階段：

第一代半導體材料以矽爲代表；

第二代半導體材料砷化镓也已經廣泛應用(yòng)；

而(ér)以氮化镓和碳化矽、氧化鋅、氧化鋁、金剛石等爲代表的第三代半導體材料。相較前兩代産品性能(néng)優勢顯著，憑借其(qí)高效率、高密度、高可(kě)靠性等優勢，在新能(néng)源汽車、通信以及家(jiā)用(yòng)電器等領域發(fā／fà)揮重要(yào / yāo)作用(yòng)，成爲業内關注的新焦點。

全球半導體材料市場規模443 億美金。

Si：主要(yào / yāo)應用(yòng)于(yú)集成電路的晶圓片和功率器件;

GaAs：主要(yào / yāo)應用(yòng)于(yú)大功率發(fā／fà)光電子器件和射頻器件;

GaN：主要(yào / yāo)應用(yòng)于(yú)光電器件和微波通信器件;

SiC：主要(yào / yāo)應用(yòng)于(yú)功率器件。

半導體材料主要(yào / yāo)分爲晶圓制造材料和封裝材料兩大塊。晶圓制造材料中，矽片機矽基材料最高占比31%，其(qí)次依次爲光掩模版14%、光刻膠5%及其(qí)光刻膠配套試劑7%。封裝材料中，封裝基闆占比最高，爲40%，其(qí)次依次爲引線框架16%，陶瓷基闆11%，鍵合線15%。

日美德在全球半導體材料供應上占主導地位。各細分領域主要(yào / yāo)玩家(jiā)有：矽片——Shin-Etsu、Sumco，光刻膠——TOK、Shipley，電子氣體——Air Liquid、Praxair，CMP——DOW、3M，引線架構——住友金屬，鍵合線——田中貴金屬、封裝基闆——松下(xià)電工，塑封料——住友電木。

七、制造

半導體制造在半導體産業鏈裏(lǐ)具有卡口地位。制造是産業鏈裏(lǐ)的核心環節，地位的重要(yào / yāo)性不言而(ér)喻。統計行(háng / xíng)業裏(lǐ)各個環節的價值量，制造環節的價值量最大，同時毛利率也處于(yú)行(háng / xíng)業較高水平，因爲Fabless（無晶圓制造的設計公司）+Foundry（晶圓代工廠）+OSAT（封裝測試企業）的模式成爲趨勢，Foundry 在整個産業鏈中的重要(yào / yāo)程度也逐步提升，可(kě)以這麽認爲，Foundry 是一個卡口，産能(néng)的輸出都由制造企業所(suǒ)掌控。

代工業呈現非常明顯的頭部效應 根據IC Insights 的數據顯示，在全球前十(shí)大代工廠商中，台積電一家(jiā)占據了超過(guò)一半的市場份額，前八家(jiā)市場份額接近90%。

八、封測

封測行(háng / xíng)業位于(yú)半導體産業鏈末端，其(qí)附加價值較低，勞動密集度高，進入技術壁壘較低，封測龍頭日月光每年(nián)的研發(fā／fà)費用(yòng)占收入比例約爲4%左右，遠低于(yú)半導體IC 設計、設備和制造的世界龍頭公司。

封測行(háng / xíng)業呈現出台灣地區、美國、大陸地區三足鼎立之态，其(qí)中長電科技/通富微電/華天(tiān)科技已通過(guò)資本并購運作，市場占有率跻身全球前十(shí)（長電科技市場規模位列全球第三），先進封裝技術水平和海外龍頭企業基本同步，BGA、WLP、SiP 等先進封裝技術均能(néng)順利量産。

九、行(háng / xíng)業頭部廠商

半導體廠商可(kě)區分成三種：

芯片制造商（如(rú)英特爾、三星電子），設計、制造與銷售自(zì)有芯片。

無廠半導體公司（如(rú)高通、聯發(fā／fà)科、海思、威盛、瑞昱），設計并銷售自(zì)己的芯片，制造是委外代工的。

晶圓代工（如(rú)台積電、聯電），隻制造芯片，不進行(háng / xíng)設計工作。

根據全球半導體貿易統計組織（WSTS）的數據，2018年(nián)全球半導體（含分立器件、光電子、傳感器、集成電路）市場規模高達4687.8億美元，而(ér)2019年(nián)預計市場規模将超過(guò)5000億美元。整個半導體産業中集成電路（IC）占83%，占比最大。

權威半導體第三方調研機構 IC Insights 發(fā／fà)布了其(qí) 2020 年(nián)第一季度全球十(shí)大半導體（IC 和 OSD，OSD 是光電器件、傳感器和分立器件的縮寫）銷售排名，前十(shí)廠商分别是英特爾、三星、台積電、SK 海力士、美光、博通、高通、德州儀器、英偉達和海思。

根據 IC Insights 的統計，排名前十(shí)的半導體公司 2020 年(nián)第一季度銷售額同比增長了 16％，是同期半導體全行(háng / xíng)業增長 7％的兩倍多。這十(shí)家(jiā)公司中有九家(jiā)的 2020 年(nián)第一季度銷售額超過(guò)了 30 億美元，比 2019 年(nián)多加了一家(jiā)。

按地區來劃分，前十(shí)名中有 6 家(jiā)美國公司、2 家(jiā)韓國企業、中國大陸和中國台灣各 1 家(jiā)，其(qí)中四家(jiā)爲無晶圓廠公司（Broadcom，Qualcomm，Nvidia 和 HiSilicon），一家(jiā)純晶圓代工廠（TSMC）。

和去(qù)年(nián)同期一樣，該榜單的前三名依舊是英特爾、三星和台積電。

數據顯示，英特爾 2020 年(nián)第 1 季營收 195.08 億美元，年(nián)增 23%，穩居全球半導體龍頭寶座。三星則以第一季度 147.97 億美元、年(nián)增 15%的營收緊随其(qí)後(hòu)，爲第 2 大半導體廠。

而(ér)排名第三的台積電，在海思與蘋果 7nm 智能(néng)手機應用(yòng)處理器大量出貨的貢獻下(xià)，第一季度營收達 103.19 億美元，年(nián)增 45%。

十(shí)、全球市場及發(fā／fà)展趨勢

半導體被稱爲制造業皇冠上的明珠，半導體産業是信息技術産業的核心，是推動傳統工業轉型升級和提升中國“智造”水平的物質支撐，是支撐經濟社會(huì)發(fā／fà)展和保障國家(jiā)安全的戰略性、基礎性和先導性産業。

2010年(nián)以來，全球半導體行(háng / xíng)業從PC時代進入智能(néng)手機時代，進入新一輪快速成長期。創新不斷推動行(háng / xíng)業發(fā／fà)展，分工細化降低進入壁壘。

從具體産品分類來看，IC Insights提供的數據顯示，智能(néng)手機、PC、汽車電子、IOT（Internet of Things，物聯網）和服務器占據前五大的位置，智能(néng)手機仍是應用(yòng)領域的第一大場景。

我國半導體産業的進口替代空間巨大。半導體産業鏈制造能(néng)力的不足使我國成爲半導體進口第一大國。2018年(nián)，中國淨進口的集成電路全球占比高達56.45%。集成電路進口額從2015年(nián)起已連續4年(nián)超過(guò)原油，成爲我國進口金額最大的商品。

半導體制造作爲重資産行(háng / xíng)業，資本開支巨大。目前全球半導體産業的資本支出非常集中，前5大廠商就(jiù)占了整個資本支出的65%左右，三星一家(jiā)大概占20%-25%，2017年(nián)全球資本支出同比增長34%，達到新高900億美元之後(hòu)，預計2018年(nián)全球資本支出将首次超過(guò)1000億美元，達到1026億美元，同比增長14%。

2014年(nián)工信部發(fā／fà)布《國家(jiā)集成電路産業發(fā／fà)展推進綱要(yào / yāo)》以及随後(hòu)發(fā／fà)起設立“國家(jiā)集成電路産業投資基金”（簡稱“大基金”）以來，國内半導體産業的發(fā／fà)展掀起新一輪熱潮。半導體産業的投資主體沿着(zhe／zhuó／zhāo／zháo)中央政府-----地方政府-----産業資本的道路滾動推進。

國家(jiā)大力推動半導體産業加速發(fā／fà)展

據 Gartner預測，2019年(nián)、2020年(nián)、2021年(nián)、2022年(nián)，全球半導體市場銷售分别爲4,890億美元、5,280億美元、5,190億美元、5,390億美元，分别增長2.5%、8.1%、-1.8%、3.8%。

半導體産業已成爲全球創新最爲活躍的領域。以5G、汽車電子、物聯網、AI（人工智能(néng)）、高性能(néng)運算、數據中心、工業機器人、智能(néng)穿戴等爲驅動因素的新一輪矽含量提升周期到來，給半導體産業帶來新機遇。