发展和变化中的集成电路产业

发展和变化中的集成电路产业2022/12/27浙大微电子（共68页）2

1.概述集成电路产业是一门充满创新和变数的产业1958年第一块集成电路（IC）诞生，半个世纪的历程演绎了令人兴奋不已的快速进步。IC产业既是一个令世人惊羡钟爱的产业，又是一个使人呕心沥血、欲罢不能、不断面对挑战的产业。集成电路具有当今高技术产业的典型特点，它是中间产品，其应用可以产生十倍甚至于百倍的倍增效益，因此，世界在这一领域的竞争非常激烈。2022/12/27浙大微电子（共68页）3IC技术发展沿革：

微米－亚微米－深亚微米－纳米

集成电路的技术进步一般用微细加工精度和芯片的集成度来衡量。

2007年：65纳米CMOS工艺为主流的集成电路技术已进入大生产。45纳米先导性生产线也开始投入运转。CPU上的晶体管数已达到8亿只。集成电路产业作为典型的高技术产业，高投入、搞收益、高风险的特征更加突出。2022/12/27浙大微电子（共68页）4

摩尔定律（1965年提出）

GordonMoore－Intel名誉董事长IC上可容纳的晶体管数目，每18个月(或24个月)便会增加一倍，性能也将提升一倍。这一定律还意味着IC的成本每18个月(或24个月)降低一半。集成电路自诞生以来，一直戏剧性地遵循着这一定律。这样的变化速度是其它产业的产品难于比拟的。该定律成为电子信息产业对于其技术发展前景预测的基础。2022/12/27浙大微电子（共68页）5

摩尔定律的演进数据来源：INTEL2022/12/27浙大微电子（共68页）6半导体产业发展历史大事记（I）第一只晶体管问世FairchildSemiconductors公司成立（仙童－飞索）第一块集成电路问世仙童（半导体工艺）和德州仪器公司（电路形式）共同推出了第一颗商用集成电路（双极型模拟电路）TTL逻辑电路问世（双极型数字电路）仙童公司推出第一块CMOS集成电路1英寸硅晶圆出现GordonMoore提出Moore’slaw（摩尔定律）专业半导体制造设备供应商—美国应用材料公司成立2022/12/27浙大微电子（共68页）7半导体产业发展历史大事记（I）1947第一只晶体管问世1957FairchildSemiconductors公司成立（仙童－飞索）1958第一块集成电路问世1961仙童（半导体工艺）和德州仪器公司（电路形式）共同推出了第一颗商用集成电路（双极型模拟电路）1962TTL逻辑电路问世（双极型数字电路）1963仙童公司推出第一块CMOS集成电路19641英寸硅晶圆出现1965GordonMoore提出Moore’slaw（摩尔定律）1967专业半导体制造设备供应商—美国应用材料公司成立2022/12/27浙大微电子（共68页）8Intel成立；NEC制作出日本第一颗IC商用的BiCMOS技术开发成功5英寸的硅晶圆出现8英寸硅晶圆开始使用；台湾台积电开创专业IC制造代工模式专业EDA工具开发商Cadence公司成立.12英寸硅晶圆出现中芯国际IC制造公司（SMIC）在中国大陆成立Intel建成首个12英寸生产线半导体产业发展历史大事记(II)2022/12/27浙大微电子（共68页）91968Intel成立；NEC制作出日本第一颗IC1973商用的BiCMOS技术开发成功19795英寸的硅晶圆出现19858英寸硅晶圆开始使用；1987台湾台积电开创专业IC制造代工模式1988专业EDA工具开发商Cadence公司成立.199612英寸硅晶圆出现2000中芯国际IC制造公司（SMIC）在中国大陆成立2002Intel建成首个12英寸生产线半导体产业发展历史大事记(II)2022/12/27浙大微电子（共68页）10硅含量半导体价值在电子产品价值中所占的百分比

196519751985199520052010电子产品中的硅含量2％6％7％21％23％硅片直径（mm）502”1004”1506”2008”30012”半导体产值（亿美元）15402501440227430562022/12/27浙大微电子（共68页）11硅周期

全球集成电路产业一直保持周期性的上升与下降，人们称这种周期性的变化为“硅周期”2022/12/27浙大微电子（共68页）12

世界硅周期曲线数据来源：MorganStandley2022/12/27浙大微电子（共68页）13硅周期存在的原因

供求关系的变化是硅周期存在的主要原因行业发展过快、产能扩大太猛会导致市场供大于求，库存量剧增，价格急速下降。集成电路的发展不仅对电子设备有强烈的影响和渗透，而且反过来还对其有强烈的依赖性，电子设备市场的繁荣与衰退都将直接影响到集成电路市场。2022/12/27浙大微电子（共68页）14

1985-2007年全球半导体产业

销售收入规模增长情况数据来源：WSTS2022/12/27浙大微电子（共68页）151986-2007年全球半导体产业

销售收入增长率

变动情况数据来源：WSTS2022/12/27浙大微电子（共68页）16

2007年全球半导体厂商Top20排名厂商销售额百万美元排名厂商销售额百万美元1Intel（美）3397311AMD（美）57922Samsung（韩）2013712Qualcomm（美）56033Toshiba（日）1259013NEC（日）55554TI（美）1217214Freescale（美）53495ST（欧）999115Micron（美）49436Hynix（韩）961416Qimonda（欧）41867Renesas日）813717Matsushita（日）39468Sony（日）804018Elpida（日）38369NXP（欧）603819Broadcom（美）373110Infineon（欧）586420Sharp（日）3584数据来源：iSuppli

美国7家，日本7家，欧洲4家，亚太2家2022/12/27浙大微电子（共68页）17微电子、IC、半导体三者关系微电子－学科名称对应的产业－集成电路(IC)产业外延包括－整个半导体产业

半导体产业的主要产品分为四大类：集成电路，分立器件，光电器件、传感器

05-07年全球半导体产品销售比例200520062007集成电路IC84.8％84.5％85.4％分立器件Disc.7.1％6.7％6.4％光电器件Opto.6.1％6.6％6.3%传感器Sensors2.0％2.2％1.9％2022/12/27浙大微电子（共68页）18按公司总部所在地划分的全球IC销量数据来源：iSuppli2022/12/27浙大微电子（共68页）19世贸规则的影响世贸规则约束着WTO缔约方的经贸活动反倾销规则对每一外国的产品销售到本国的比例进行限制原产地规则以扩散工艺所在地为该IC产品的原产地《半导体芯片保护法》对集成电路布图提供特别的权力保护2022/12/27浙大微电子（共68页）202.集成电路产业结构集成电路产业是目前世界上发展最快、最具影响力的产业之一。为了适应激烈的竞争、实现最大价值的内在要求，产业结构发生了很大的变化：最初以“全能型”企业为主体现在为垂直分工越来越清晰的“专业型”企业为主体2022/12/27浙大微电子（共68页）21集成电路产业链

整机生产

IC设计设计工具软件开发

IC制造材料制备IC封装设备制造

IC测试

2022/12/27浙大微电子（共68页）22早期的集成电路产业结构早期的IC产业以全能型企业为主，称为IDM:

集整机产品和IC设计、制造、封装和测试等生产全过程于一身。最早开始投资IC产业的IDM多为美国电子企业

德州仪器、仙童、Motorola、IBM、DECD等这些公司投资IC产业主要为自身整机产品服务

提升产品质量，降低成本，争夺市场2022/12/27浙大微电子（共68页）23材料、设备业分离后的集成电路产业产品形态明晰的设备业、材料业最先从这些“全能企业”中分离出来。整个产业系统分化为集成电路业、半导体设备业和半导体材料业三个子产业。材料、设备业开发技术难度大，属于基础科学类，开发费用高，因此进入门槛高。半导体设备制造业被应用材料、日本东京电子、荷兰ASML三家企业垄断。国内材料业公司有：有研院、海纳、新傲等。2022/12/27浙大微电子（共68页）24材料、设备业分离后的IC产业链

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2022/12/27浙大微电子（共68页）25封装、测试业分离后的集成电路产业二十世纪70年代，封装、测试业逐渐从整个产业中分离出来。封装、测试（后道）技术已物化到了设备技术和原材料技术之中。剩下的生产工序转化为劳动力密集型工作。发达国家将封装测试转移到本土以外的其他地区台湾企业在全球封装测试产业中所占的比重最大（全球前5大封测厂占3席）2022/12/27浙大微电子（共68页）26封装、测试业分离后的IC产业链

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2022/12/27浙大微电子（共68页）27设计业分离后的集成电路产业八十年代Daisy公司首先实现了计算机辅助工程技术（CAE）集成电路设计技术开始部分物化到设计工具中。随着EDA工具的发展，库的概念、工艺模型参数及其仿真概念的引入IC设计开始进入抽象化阶段，使设计过程可以独立于生产工艺而存在。随着PC机的广泛应用，IC产业已进入以客户为导向的阶段，集成电路产业从一个标准产品竞争时代进入到一个用户定制产品的时代。专门从事IC设计的公司开始大量出现。1982年世界上第一家专业的IC设计公司―美国LSILogic公司成立。处于产业链前端的设计业被认为地位最稳固并可控制整个产业链。2006年世界IC设计公司收益较2005年增长34%，远高于整个半导体行业8.9%的增长率，占半导体工业总体收益的20%。2022/12/27浙大微电子（共68页）28

1994-2005年集成电路设计公司

数量与收入变化情况数据来源：FSACAGR－年均增长率2022/12/27浙大微电子（共68页）29设计业分离后的IC产业链

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2022/12/27浙大微电子（共68页）30加工业分离后的集成电路产业制造工艺水平的不断提高，对生产线的投入越来越大，多数IDM无力承担如此之高的费用。于是只专注于芯片制造的代工企业出现了。1987年，全球第一家集成电路制造专业代工服务公司―台积电（TSMC）成立。半导体代工阵营中的前四大企业为：台积电（TSMC）、联电(UMC)、中芯国际(SMIC)、特许(Chartered)以X-Fab、JazzSemiconductor为代表的企业以提供特殊Foundry服务(RF、Analog)而拥有自己的一席之地。无生产线的IC设计公司（Fabless）与IC代工制造公司(Foundry)相配合的方式成为IC产业发展的重要模式。2022/12/27浙大微电子（共68页）31加工业分离后的IC产业链

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2022/12/27浙大微电子（共68页）32整机业务分离后的集成电路产业“IDM公司”从”综合型IDM公司”中剥离出来专门从事半导体产业的设计、制造、封装测试，不从事整机业务。专业型IDM公司具有更高的运作效率。Motorola、Siemens、Philip等欧美综合型IDM公司将半导体业务单独剥离出来，分别成立了Freescale、Infineon、NXP等专业型IDM公司。日本的综合电子企业NEC和日立公司，剥离其存储器部门联合成立存储器大厂Elpida。日立、三菱的非存储器部门又分离出来联合成立瑞萨半导体公司这些都成为2000年后半导体业界相当瞩目的现象。2022/12/27浙大微电子（共68页）33

集成电路产业结构演化路线2022/12/27浙大微电子（共68页）34产业集群集成电路产业已逐渐由原来“大而全”形式的产业演化成目前设备商、材料商、EDA工具开发商

等“专而精”的多个细分子产业，形成了产业集群的概念。在IDM公司继续发挥重大作用的基础上，IC产业形成了设计业、制造业、封装业、测试业

等独立成行的局面。即使设计业本身也慢慢出现了细分，如专门从事提供IP的设计服务公司，即第三方公司。2022/12/27浙大微电子（共68页）35IC设计业进一步细分

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产品设计IP模块设计2022/12/27浙大微电子（共68页）36

Fab-lite概念45nm节点32nm节点建厂费用30亿美元50-100亿美元工艺研发24亿美元30亿美元设计费用2-5千万美元7.5千万美元掩模费用9百万美元NA数据来源：EETimes.VLSI.2007April

随着半导体技术的进一步推进，工艺研发费用、建厂费用等呈火箭状上升，国际IDM大厂纷纷向Fab-lite转移，寻求与代工厂商的外协合作，共同开发新工艺，或委托开发新技术。许多竞争对手也不得不联合起来，形成其它产业很少见的现象。2022/12/27浙大微电子（共68页）37产业集群特点产业分类产业链中位置产业特点投资金额（美元）人均产值(万美元)设计上游智力密集型开发一款IC产品在百万到千万70-100制造加工中游资金、技术密集型具有高风险、高投入、高利润特点12英寸生产线需20亿18英寸将高达100亿12-50封装测试下游劳动密集型从千万到数亿10IDM整条302022/12/27浙大微电子（共68页）38私募资金进军半导体领域私募资金对此充满高风险的领域发动了连续进攻2006年以来，私募资金买断上市半导体公司的现象开始出现：私募集团收购飞利浦半导体事业部门80.1％的股份。飞思卡尔半导体以176亿美元出售给私人投资集团。国际私募基金凯雷集团有意收购全球最大半导体封装测试企业―台湾日月光集团。2022/12/27浙大微电子（共68页）393.产业形态IC产业主要以四大类产品的形态存在微器件存储器逻辑电路模拟电路2022/12/27浙大微电子（共68页）40微器件微器件由三部分器件构成微处理器（MPU）通用型、嵌入式微控制器（MCU）4、8、16、32位数字信号处理器（DSP）通用型、嵌入式2022/12/27浙大微电子（共68页）41微处理器（MPU）

通用型微处理器PC机或工作站、服务器等的CPU，具有

高垄断、高技术、高利润、高风险等特征。

嵌入式型微处理器嵌入式CPU的基础是通用型CPU，本质上与通用CPU的区别不大，只是在各种不同的应用中仅保留与具体应用有关的功能，去除冗余的功能。2022/12/27浙大微电子（共68页）42通用型微处理器高垄断：整个行业的PC市场基本被Intel、AMD两家所控制，Sun、IBM等少数公司只能分享工作站与服务器领域的一部分市场。高技术：通用CPU强烈追求功能的强大和频率的提高，对最先进的IC工艺需求十分迫切，高端CPU已进入65nm工艺制程。继续缩小加工尺寸将遇到漏电流和亚阈值斜率增大及互连线问题，因而转向通过改变体系框架发展多核CPU来达到目标。高利润：以Intel处理器为例，其产品享受着30~40%

的高额利润，而像戴尔这样的计算机公司，却只有5％的利润。高风险：高技术意味着新的企业如果想进入这个行业，必然承受高风险这个代价。2022/12/27浙大微电子（共68页）43嵌入式CPU嵌入式CPU主要用于消费类家电、汽车电子、工业设备等，是一个应用高度分散，不断创新的产业。与通用CPU领域的“独大”局面不同，嵌入式CPU呈现的是一个百家争鸣的形态。与通用型CPU主要使用x86或PowerPC两类核心架构相比，嵌入式CPU常见的核心架构包括MIPS、ARM、SuperH、x86和PowerPC。2022/12/27浙大微电子（共68页）44微控制器（MCU）

MCU是各种自动控制系统的核心，是最早的SoC，它将CPU、RAM、ROM、定时器、I/O接口和外围电路整合在单一芯片上，形成系统级芯片。对嵌入式系统的显示器、键盘、传感器等外围进行控制。市场的产品生命周期很长（汽车3到10年，家电5年）。运用的软件及操作系统也不太会更换，这些都有别于MPU市场。2022/12/27浙大微电子（共68页）45

4、8、16、32位元MCU市场出货量数据来源：In-Stat，20062022/12/27浙大微电子（共68页）46数字信号处理器（DSP）与微处理器分类一样，DSP也分为通用DSP与嵌入式DSP两类。通用DSP的主要市场在于通信应用。嵌入式DSP则应用广泛，包括DVD播放机、机顶盒、音视频接收设备、MP3播放器、数码相机和汽车电子等。2022/12/27浙大微电子（共68页）47DSP领域的Gene定律

每隔18个月，DSP的功耗将会降低一半1982年TI推出第一块商用DSP芯片，25年间，市场规模已从1千万美元成长到100亿美元。DSP的发展先后经历了三波应用创新：第一波为通信产品第二波为娱乐产品第三波则是汽车、医疗、环保等。目前，通信领域市场仍在稳定持续发展；娱乐应用才刚刚开始，拥有着无可限量的发展前景第三波应用的特点在于个性化，因此市场非常巨大2022/12/27浙大微电子（共68页）48存储器

主要包括DRAM和Flash闪存两大类产品。是最为体现半导体先进制造工艺和经营规模效应的产品。是一种最通用的商品，价格对供求变化的敏感性非常高，波动幅度极大。资金需求大、工艺技术要求先进，产业变动起伏，不易控制。市场特点决定需要很大规模的制造和量产能力，是半导体产业中最不稳定的市场，是制造商和投资者眼中的高风险业务。存储器制造厂商经营压力沉重。2022/12/27浙大微电子（共68页）49DRAMDRAM存储器起源于Intel公司，后日本、韩国及中国台湾纷纷以此为切入点进入IC产业领域，迄今为止依然是这些国家和地区的主打产品。因为日本企业的逐渐强大，Intel在1985年宣布退出存储器领域，转而集中发展微处理器。因为日本存储器产业的强大，使得1988年日本位居全球半导体产业之首，独占世界市场50％以上，并维持7年之久。同样因为韩、台在DRAM领域的相继崛起，美国称霸微处理器领域，导致日本在世界半导体市场上地位的逐渐下降，近年已仅占20％。2022/12/27浙大微电子（共68页）50DRAM现状美国TI、Motorola已完全退出DRAM存储器产业，

IBM亦淡出，仅剩下全球市占率第四的美光（Micron）独撑大局。日本东芝、富士通、日立等均退出DRAM市场，日立与NEC整合成立尔必达（Elpida）公司，成为全球第五大存储器厂商。欧洲仅剩下德国的英飞凌(Infineon)，市场占有率2000年窜升至第四。06年剥离其存储器事业部门成立Qimonda，为全球第三大厂。韩国DRAM位居全球首位。三星蝉联冠军。现代及LG合并而成的Hynix，是全球DRAM第二大厂。台湾也有4家公司入围世界10大DRAM公司之列。2022/12/27浙大微电子（共68页）512000年与2006年全球前十大DRAM厂商排名2000年排名2006年排名名次公司营收(亿美元)名次公司营收(亿美元)1Samsung66.41Samsung94.82Micron59.52Hynix56.43Hynix54.33Qimonda53.74Infineon29.84Micron37.45NEC21.15Elpida35.36Toshiba19.46南亚22.47Hitachi12.37力晶15.78Mitsubishi9.828茂德13.89茂德8.89钰创2.8510华邦5.810华邦1.72数据来源：iSuppli2022/12/27浙大微电子（共68页）52Flash(闪存)

是一种非易失（非挥发）性存储器，用于数码相机MP3移动电话移动多媒体等目前已采用45纳米工艺制程。

Flash分为NAND和NOR两种形式。2022/12/27浙大微电子（共68页）53逻辑电路逻辑电路扮演着IC中第一大门类的角色。提供电路接口、数据通信、信号处理、数据显示、定时和控制操作以及系统运行所需要的其它功能逻辑电路主要包括通用逻辑电路门阵列标准单元现场可编程逻辑器件（FPLD）数字双极电路逻辑电路与存储器、微处理器一同构成了三种基本的数字电路类型。2022/12/27浙大微电子（共68页）54模拟电路

模拟电路是指处理连续性的光、声音、温度、速度等自然模拟信号的集成电路产品。标准模拟IC稳压器参考源放大器比较器数据转换器接口专用模拟IC消费电子计算机电信工业等领域2022/12/27浙大微电子（共68页）55模拟电路产品特点品种多、生命周期长、技术含量高、辅助设计工具少、测试周期长。数字IC强调运算速度与成本，模拟IC强调高信噪比、低失真、低功耗和稳定性。主要的工艺有BiCMOS和BCD工艺，在高频领域还有SiGe和GaAs工艺。模拟电路市场增长稳定，波动小，企业一般拥有持续获利的前景。TI、ST、NXP、Infineon和ADI一直占据着全球五大供应商位置。2022/12/27浙大微电子（共68页）56全球半导体分类产品规模2022/12/27浙大微电子（共68页）574.产业格局全球集成电路产业长期以两位数的速度发展成为超过2000亿美元的大产业。全球集成电路生产线近600条，其中8英寸线近190条12英寸线预计2008年底将达到70条2022/12/27浙大微电子（共68页）58

2008年底全球12英寸生产线将达70条（含在建）

地区公司产品

地区公司产品日本16条东芝×3SoC、FPGA、NAND

欧洲

4条ST/NXP/FreescaleR&D瑞萨SoCQimonda×2DRAMNECSoCIMECR&D松下Logic

韩国

9条三星×6DRAM/NAND、Logic富士通×2SoC海力士×3DRAM/NAND索尼×3CCD、CMOS、Logic

台湾地区

19条台积电×3FoundryROHMLogic联电×2FoundryElpida×2DRAM茂德×4DRAMSeikoTFT华邦DRAM夏普TFT南亚DRAM美国18条英特尔×7MPUInotera×2DRAMTI×2DSP力晶×3DRAMAMDMPURexchip×2DRAMSpansion×2R&D、NOR华亚DRAMMicron×2DRAM

新加坡特许FoundryIMFlash×2DRAM/NAND

中国3条SMIC×3FoundryIBMSoC

美国AlbanyR&D2022/12/27浙大微电子（共68页）59产能规模2007年第三季度全球集成电路晶圆产能情况单位：k/周MOS（8”折算）2025.4

其中8”所占比例51.9％BIPOLAR（5”折算）196.1数据来源：WSTS2022/12/27浙大微电子（共68页）6003-07年全球MOS晶圆产能比例变动情况数据来源：WSTS，CSIA整理2022/12/27浙大微电子（共68页）61Foundry和IDM产能所占比例变动情况数据来源：WSTS2022/12/27浙大微电子（共68页）62

全球MOS和Bipolar产能利用率情况数据来源：WSTS2022/12/27浙大微电子（共68页）63全球MOS晶圆不同线宽工艺产能利用情况数据来源：WSTSCSIA整理2022/12/27浙大微电子（共68页）64全球FOUNDRY与IDM产能利用情况数据来源：WSTS2022/12/27浙大微电子（共68页）65国家/地区产业结构北美：产业具备