栏目介绍
纸上得来终觉浅，躬行而知深一度。投资是一个通过研究实践不断接近真相、挖掘价值的过程。《研究深一度》是中欧基金推出的一档聚焦产业研究的栏目，旨在通过中欧研究团队的第一视角，捕捉产业变迁的趋势，探究周期变化的规律。欢迎与中欧研究团队一起，看见专业的力量，见证深度研究的价值！
2024开年的科技圈依然热潮涌动。大洋彼岸，俗称“科技圈春晚”的CES 2024（国际消费类电子产品展览会）上，“中国芯”上车成为瞩目焦点。从各家芯片巨头和车企动作来看，未来芯片之争已瞄准汽车智能化领域。随着年初《国家汽车芯片标准体系建设指南》发布，“中国标准”框架逐步清晰，国产芯片上车步伐有望提速。
一块芯片，不过方寸之大，却已成为21世纪各国工业发展的必争之地。作为现代工业科技皇冠上的“明珠”，芯片本身代表了人类智慧的结晶。芯片是如何从0到1诞生的？芯片产业链的主要环节有哪些？“中国芯”又该如何破局突围？本期《研究深一度》将带大家全方位认识芯片产业。
1833年，英国科学家迈克尔法拉第(Michael Faraday)在测试硫化银(Ag2S)特性时，发现硫化银的电阻随着温度的上升而降低的特异现象，这是人类对于半导体的第一次认知。此后，学术界围绕半导体的理论研究如火如荼地展开了。
1947年，美国贝尔实验室成功研制出世界上第一个晶体管——点接触晶体管。作为20世纪最伟大的发明之一，晶体管的出现吹响了信息技术革命的号角。进入21世纪，半导体和芯片技术在互联网、人工智能、新能源等领域的应用不断拓展，目前已经成为信息技术领域的支柱产业。
回归芯片本身，其主要元素是硅，而硅也是沙子的主要成分，因此芯片制造本身确实可以称作点沙成金术。那么，到底如何用一堆沙子制造出芯片呢？
一颗芯片的诞生，主要分为芯片设计、晶圆制造和封装测试几个阶段。其中，晶圆制作的过程尤为复杂。整体芯片制造就如同乐高盖房子一样，需要先有设计图，然后开始打地基，晶圆就像房子的地基一样，最后再是层层上叠的过程。
芯片设计是芯片制作的第一步，在设计阶段，工程师用硬件描述语言(HDL)完成设计文件，随后由计算机自动完成电路逻辑的编译。芯片的用途、规格、特性、制成工艺，全部是在这个阶段完成的规范和设计。
晶圆是芯片制作的基础，通常采用单晶硅材料。为了制作硅晶圆，需要经过提纯硅、硅熔炼成硅锭、切割、抛光几个过程。在得到了硅晶圆片后，需要在晶圆片上以纳米级的精度相互叠加图案，这些图案纵向连接，可达100多层。值得一提的是，这些图案是通过不同光刻机的光刻而完成，因此，光刻机的机种直接决定了芯片的精度和质量，成为了制约芯片发展的关键要素。光刻环节结束后，再经过蚀刻、离子注入、沉积等一系列工艺的精雕细琢，最终完成晶体管之间连接电路构建并通过晶圆级测试。
封装和测试是芯片制造的最后一个阶段，封装环节主要完成芯片的安放、固定、密封、保护，测试环节对芯片进行功能测试、可靠性测试和性能验证。经历过测试环节后，就可以包装进行销售了。
为了实现纳米级的芯片制造，一颗芯片的诞生往往要经历上百道精密的工序形成，并且每道工序都需要精密的仪器和优质的环境才能最终制造出性能相符的产品。
从含有二氧化硅的沙子到成为人类智慧结晶的芯片，芯片制造的过程也构造了芯片复杂的产业链。芯片产业链的上游主要包括半导体设备、原材料、设计软件等，中游主要包括设计、制造、封测三个环节，下游主要包括消费电子、信息通讯、汽车、物联网等应用场景。
芯片的上游的企业主要负责生产芯片所需原材料、芯片制造设备和EDA软件。举例而言，制造芯片离不开前端及后端的原材料，前端材料主要包括硅片、金属及各类化学品和气体，后端则包括封装材料或基材。这些材料被应用于不同的生产步骤。此外，EDA（电子设计自动化）设计软件可以缩短芯片的开发时间，并提高芯片性能。目前国内EDA企业与国际领先水平还存在较大差距，是典型的卡脖子环节。
芯片的中游生态主要包括设计、制造（代工）、封测三个环节。在设计环节，立足于芯片的不同功能，可以分为模拟芯片、存储芯片、逻辑芯片。对芯片设计厂商来说，选择最先进的、熟悉的工具无疑将显著提升设计速度，从而加快具体芯片产品的推出速度赢得市场。
在代工环节，全球晶圆制造代工市场由成熟制程（>=14nm）和先进制程（<14nm）组成。其中，成熟制程占据约70%的市场份额，先进制程芯片制造占据约30%。
芯片制程指的是芯片能在晶圆雕刻出的电路之间的间距。在相同面积大小的芯片上，制程越小，芯片可容纳的晶体管数量就越多，算力也越强。随着信息技术和新材料的应用发展，目前世界上最先进的芯片制程已经达到了3nm级别，而国内成熟的制程工艺在14nm，相较于全球领先水平仍有距离。
在封测环节，主要包括封装和测试两个部分。封测环节相较于其他环节，对于技术的要求较低，具有劳动密集型的产业特征。2018年以来，中国厂商在封测环节所占据的市场份额增长迅速，目前在全球范围内已经具备一定的竞争优势。
芯片下游的主要应用领域包括通讯设备、消费电子、人工智能、医疗器械、汽车电子等领域。
以我们日常使用的智能手机为例，一部智能手机通常拥有20-30颗芯片，除了集成了包括CPU、GPU、NPU等功能模块的SoC（系统级芯片）之外，还包括实现通信的通讯类芯片，存储信息的存储类芯片，还有陀螺仪，光传感等实现相关功能芯片等等。并且，随着目前智能手机功能越来越多，其搭载的各类芯片也随之增加。
2018年以来，国内芯片半导体产业在自主可控的进程中取得了初步突破，并且未来有更广阔的成长空间。中国目前是全球半导体需求最大、增速最快的市场。根据WSTS（世界半导体贸易统计组织的数据），中国半导体市场销售规模从2014年的913.75亿美元增长至2021年的1925亿美元，年复合增长率为11.23%。2021年，中国半导体销售额在全球市场份额占到34.6%。庞大的下游需求和消费者市场为中国加快芯片产业链的发展提供了坚实的底气。
目前，国内芯片产业链主要存在供给不足和发展不平衡的问题。一方面，国内半导体企业的供给能力不足。相比于庞大的需求市场，目前中国半导体产值规模仅312亿美元，映射到国内需求市场自给率为16.4%，有明显的提升空间。另一方面，当前芯片产业链在结构上发展不均衡。目前，国内半导体产业的竞争优势更多集中在劳动力和资本密集型的下游封测和部分制造环节，而在芯片设计及上游的设备、原材料、EDA软件等环节，仍存在着明显的短板。
不过，中国芯片产业在研发和创新方面正在奋起直追。根据韩国“大韩商工会议”公布的数据分析显示，在2018年至2022年期间，中国在全球五大知识产权局的半导体专利申请数量已超过美国，位居第一。除此之外，在“十四五规划纲要”中，明确将半导体产业定位为国家战略性新兴产业，提出要加强集成电路和软件基础能力建设。税收减免、资金扶持和研发支持等相关利好政策频出，为芯片产业的中长期发展提供有力支撑。
展望未来，在国家政策大力支持、市场需求刺激、企业研发投入增长等多重利好因素驱动下，中国的芯片行业有望实现更大的技术突破和进步，构建出更加完整、智能、高效的芯片产业链。
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