个人关于芯片的学习总结-半导体行业整体研究

闲来无事收集整理一份半导体行业的研究材料，仅供本人日常学习使用。

1. 研究范畴：半导体、集成电路与芯片

（1）半导体狭义上是指半导体材料，即常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料。包括以硅（Si）、锗（Ge）等元素半导体（第一代半导体材料），和以砷化镓（GaAs）、氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）、氧化镓（Ga2O3）等化合物半导体材料（第二代至第四代半导体材料）。半导体材料是制作半导体器件和集成电路的电子材料，是半导体工业的基础。利用半导体材料制作的各种各样的半导体器件和集成电路，促进了现代信息社会的飞速发展。

（2）集成电路，是指通过一系列特定的加工工艺，将晶体管、二极管等有源器件和电阻器、电容器等被动元件及布线“集成、封装”在半导体（如硅或砷化镓等化合物）晶片上，执行特定功能的电路或系统。

（3）芯片（Chip），通常就是指集成电路芯片。因此绝大多数时候，芯片、集成电路、IC等术语可以混用。

半导体和集成电路定义范畴

1. 产品类型：集成电路是半导体主要组成部分

现有的半导体产品类型繁多，通常按照WSTS统计数据，可分为集成电路、分立器件、光电子器件、传感器共4大类。

半导体产品类型细分

（1）集成电路，即通常所称的芯片，英文简称IC或Chip，占据半导体销售额的绝大部分，其又可细分为模拟芯片和数字芯片两类。

模拟芯片，主要是指由电阻、电容、晶体管等组成的模拟电路集成在一起用来处理连续函数形式模拟信号的集成电路，主要包括以放大器、比较器、接口IC等为代表的信号链类芯片，和以驱动IC、交直流转换（AC/DC、DC/DC、DC/AC等）、充电/电池管理IC等为代表的电源管理类芯片。

常见模拟芯片示例

数字芯片，是对离散的数字信号进行算术和逻辑运算的集成电路，其基本组成单位为逻辑门电路，包括逻辑芯片、微处理器和存储芯片三大类。

1、逻辑芯片，广义上可以是所有采用逻辑门的大规模集成电路，这里主要是指仅包含逻辑运算能力的集成电路，包括以CPU、GPU为代表的通用计算芯片、专用芯片（ASIC等）和FPGA等。

2、存储芯片，主要承担数据存储功能，包括易失性存储和非易失性存储，易失性存储主要以随机存取器RAM为主，使用量最大的为动态随机存储DRAM；非易失性存储较为常见的是NOR Flash与NAND Flash。NOR Flash的读取速度较快，被广泛用于代码存储的主要器件，NAND Flash则在高容量时具有成本优势，是目前SSD固态硬盘的主要存储介质。

（3）微处理器（MPU），主要是指将计算、存储等多种功能封装成一个芯片之上的微控制单元（MCU）。

常见数字芯片示例

1. 分立器件，是相对于集成电路而言的半导体另一大产品分支。分立器件早于集成电路出现，至今仍然被广泛地应用在消费电子、计算机、通信、汽车电子等领域。

分立器件可分为普通二极管、三极管、以电容/电阻/电感为代表的三大被动元件，和占据分立器件主要地位的功率器件。

其中功率半导体又分为功率IC和功率器件，功率IC主要以电源管理类模拟IC为主，功率器件主要包括功率二极管、晶管、功率晶体管等类型。而功率晶体管还可细分为双极结型晶体管（BT）、结型场效应晶体管（JFET）、金属-氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）和绝缘栅双极型晶体管（IGBT）等多种类型，主要用于放大器、大功率半导体开关和逆变器等。

常见分立器件示例

1. 光电子器件，主要是指利用光子-电子转换效应（光电效应）设计的功能器件，可大致分为光电导器件、光器件、发光器件和受光器件。

分类：光电导器件包括光电阻、光电二极管、光电三极管等，其中：1、光电二极管是构成CCD和CMOS图传感器的基本单元。2、光器件是利用光效应进行工作的半导体器件，主要包括光电池、光电测与光电控制器件等。3、发光器件，主要包括发光二极管（LED）和半导体光器。LED按化学性质又分有机发光二极管OLED和无机发光二极管LED，最初用于仪器仪表的指示性照明，后来用作文字或数字显示，近些年又发展出mini-LED和micro-LED等新技术。

4、半导体发光器，可分为同质结、单异质结、双异质结等几种类型，主要用作光通信、光存储、光陀螺、光印、测距以及雷达等领域。半导体发光器可以按照材料、波长、功率、发方式等多种维度分类，其中VSCE光器得益于3D结构光（苹果Face ID采用的方案）和i DAR等下游应用场景的拓展而在近几年市场规模快速发展。5、受光器件，即接受光信号转换为电信号的光电器件，主要包括图像传感器、红外接收器、光电倍增管等产品，在下游应用产品中通常与发光器件集成在一起使用。

常见光电子器件示例

1. 半导体传感器，是指利用半导体材料物理、化学、生物特性制成的传感器，按照信号感知方式，可以分为温度传感器、度传感器、力传感器等多种类型。传感器作为数字世界的眼耳口鼻，在几乎所有行业都有着广泛的应用场景。

除以上分类外，半导体产品还有多种分类维度，例如按照下游需求场景可分为民用级（消费级）、汽车级（车规级）、工业级、军工级和航天级等。

半导体传感器产业链

1. 产业链概况：人类最复杂的工程，3大环节多种模式

半导体整个产业链大致分为：上游的设备材料；中游的制造以及封测环节；下游的设计公司，包括不同芯片产品的分类。其中上下游都有很多公司，较为分散，而由于中游的制造环节属于高度的资金密集叠加技术密集的产业，集中度非常高。整个产业链呈现出上宽、中间窄、下宽的格局。

以集成电路为例，一般的生产流程：从芯片在设计公司设计出来，送到代工厂，到最终交付到市场，要经历一个3—6个月的制造周期。1、由于每个产品由于光照层数不同，需要的制造时间也不同；同时，新产品还需要三个月的产线验证时间，因此前端设计公司要提前3—6个月去找代工厂下单。2、代工厂做完以后，例如中芯国际做完产品之后会送到长电做封装（封装环节一般需要几周的时间），然后将最终产品交给设计公司。

集成电路生产流程

全球半导体产业链各环节研发支出和资本支出占比（单位：%）

根据上述的生产流程，可以简单地将集成电路产业链划分为3个核心环节和三种支撑，即设计、制造、封装与测试三大环节，三种支撑包括基础科学技术研发（EDA、IP）、半导体设备（光刻机、刻蚀机等前后端设备）和半导体材料（硅片、光刻胶等核心原材料）。

产业链工作示意图

各环节价值量：设计 晶圆制造 设备 封测 材料。根据SIA和BCG报告，半导体产业链的设计环节在整个产业链中大约占59%价值量（其中：EDA工具和IP授权业务占3%；逻辑芯片设计占30%，且以Fabless模式的厂商为主；存储芯片设计占9%，且以IDM模式的厂商为主），而作为产业链支撑的半导体制造设备和材料，分别占12%和5%，晶圆制造环节占19%，封装与测试环节仅占6%。

基于中游制造环节的高度的资金密集叠加技术密集属性，当前，半导体（集成电路）行业中游又分化出了三种较为成熟的运作模式，分别为IDM（包括：虚拟IDM）、Fabless和Foundry模式（包括：Fab-lite）。不同分工模式下，各环节承担厂商不同：

三种半导体制造的商业模式

1. IDM模式下，芯片设计、制造、封装测试等环节均由IDM厂商承担。该模式主要特点是完整地覆盖了芯片设计、芯片制造、芯片封装和测试等多个产业链环节于一身，就像光伏产业链一体化的企业一样。主要优势：设计、制造、封装测试等环节协同优化，有助于充分发掘技术潜力，能有条件率先实验并推行新的半导体技术（如Fin Fet）。早期多数集成电路企业采用该模式，但目前仅有极少数企业能够维持，主要有三星、德州仪器（TI）、英特尔等半导体国际巨头，国内的企业有闻泰科技、华润微、扬杰科技等。

IDM模式主要劣势：高度的重资产属性造成了IDM公司规模的庞大，管理成本较高，运营费用较高，资本回报率偏低。且需要公司的产品拥有巨大销量，才能产生规模优势，才能高效折旧，才能支持后续晶圆制造工艺的持续迭代。

IDM模式

1. 晶圆代工模式下，设计、制造、封测等环节分别由Fabless厂、Foundry厂和OSAT厂分别承担。

其中，Fabless只负责芯片的电路设计与销售，将生产、测试、封装等环节外包。1、该模式主要优势：资产较轻，初始投资规模小，创业难度相对较小，企业运行费用较低，转型相对灵活。2、主要劣势：与IDM相比无法与工艺协同优化，因此难以完成指标严苛的设计，与Foundry相比需要承担各种市场风险，一旦失误可能风险很高。

这类企业主要有：联发科（MTK）、博通（Broadcom）等企业，国内的企业有华为海思、兆易创新、紫光国微、北京君正、韦尔股份、卓胜微、汇顶科技等。

Fabless模式

（3）Foundry仅负责晶圆制造环节，不负责芯片设计，可以同时为多家IC设计公司提供晶圆代工服务，通俗点讲就是代工厂，最典型的就是台积电。主要优势：不承担由于市场调研不准、产品设计缺陷等决策风险。主要劣势：投资规模较大，维持生产线正常运作费用较高，需要持续投入维持工艺水平，一旦落后追赶难度较大。

这类企业主要有：SMIC、UMC、Global Foundry等国外企业，国内的企业有中芯国际、华虹半导体。同时，随着集成电路技术与产品更迭速度加快，IDM厂为了降低制造成本，实现更高的经济收益，开始发展Fab-lite模式，即轻晶圆厂模式，即，把部分成熟制程的制造环节外包给助厂商代工，部分制造环节留下，因此这种方式也称混合模式。

Foundry模式

（4）虚拟IDM模式是指IC设计厂商在专注设计环节的同时，也拥有专有工艺技术，借助代工厂的产线进行晶圆制造工艺的开发和优化。

相较于IDM模式，虚拟IDM模式少了晶圆制造环节，减轻了企业初始进入成本；相较于Fabless模式，多了自有的制作工艺，可以更好地进行产品定制化开发，优化产品性能和降低成本。

虚拟IDM模式比较

OSAT是专门从事半导体封装和测试的企业。目前主流的产品是先进封装，例如，倒装（FC） 、系统级封装（SiP） 等都是 OSAT主导的先进封装。而由Foundry主导的先进封装则强调基于 2.5D/3D 堆叠的异构集成技术。

在半导体产业，乃至整体科技产业中，都被认为是比较辛苦的产业链环节。与其他科技领域相比，OSAT领域利润率相对较低，竞争也比较激烈。主要企业有长电科技、华天科技、通富微电等。

虚拟IDM模式比较

1. 发展特征：产业区域转移与分工模式细化

1. 从电子管到晶体管，半导体产业的起源。19世纪60年代后期开始的第二次工业革命，使人类进入了电时代。1947年12月，美国贝尔实验室由肖克利、巴丁和布拉顿组成的固体物理小组成功研发出点接触型锗三极管，是世界上第一个晶体管，标志着人类自此进入晶体管电路时代。
2. 从晶体管到集成电路，半导体产业的大发展。晶体管的发明开创了微电子学的先河，很快受到市场青睐。1954年，贝尔实验室发明第一台晶体管计算机。1957年，IBM开始销售使用了3000个锗晶体管的608计算机，这是世界上第一台投入商用的计算机，同年，被誉为半导体产业“西点军校”的仙童半导体在硅谷创立，奠定了美国硅谷的发展基础。1958年9月，德州仪器的基尔比发明了第一款基于锗晶体管的集成电路，标志着集成电路的诞生；1971年英特尔推出第一款商用处理器Intel4004，1978年推出X86芯片鼻祖Intel8086，并在1981年被IBM用于第一款个人电脑IBM5150上，取得了巨大的商业成功。而后随着小型计算机步入千家万户、晶圆代工模式创新发展和微纳制程节点不断突破，半导体产业不断发展壮大。
3. 半导体产业在美国起源后，伴随地缘政治、地区产业政策、制造模式变革等多种因素，经历了三次明显的区域迁移：即美国 日本 韩国&中国台湾 中国大陆。

全球半导体产业相关重大历史事件梳理

区域特征：全球主要国家与地区通过细化分工、紧密配合，在半导体产业链中扮演了迥异的角色，同时也获取不同程度的价值。以手机SOC为例：

第一步：欧洲和美国主要负责提供EDA工具、IP授权和芯片设计环节。智能手机OEM厂商通过比较，最终确定芯片供应商和芯片型号；

第二步：然后得到订单的芯片供应商，将芯片图交付给位于中国台湾的晶圆代工厂进行大批量制造。另一方面，晶圆厂生产线所需的各类设备主要由美国、日本和欧洲的供应商提供。晶圆片则先由一家美国公司提出金硅，然后交由日本多晶硅制造商加工厂电子级多晶硅，再由韩国厂商将单晶硅锭切割成硅片，最终送到中国台湾晶圆厂的产线上。

第三步：中国台湾晶圆厂加工好的芯片送往马来西亚完成封装，最后在中国大陆的工厂被组装到智能手机中，然后智能手机OEM厂商将产品销往全球。

全球集成电路产业链分工（以手机芯片为例）

2）区域分布特征：基于地区在不同生产要素优势的分工与合作。

整体上看：1）美国、韩国、日本和中国台湾等发达国家或地区在全球半导体产业价值链占比高于消费占比。美国在半导体产业的整体价值链中占比约35%，高于25%的消费占比。韩国的价值链占比约16%，消费仅2%。日本在全球半导体产业中贡献13%价值，消费占比约6%。中国台湾在产业价值链占比约10%，但仅消费约1%。2）欧洲、中国大陆则是价值链占比低于消费。2021年欧洲在半导体价值链占比约10%，消费占比约20%，中国大陆在价值链占比约11%，消费占比却高达24%。

设计、设备属于研发密集型环节，需要参与厂商不断投入研发支出用于开发新技术，推出新产品，从而保持自身竞争力。区域特征上：1）美国和欧洲在设计、设备环节占据绝对的主导权；2）美国在EDA与IP核领域占72%的价值量，在逻辑芯片设计领域占67%，在芯片设计领域合计占比接近50%，在设备环节占比约42%；2）韩国在存储芯片领域占据58%价值量，超过美国的28%；3）除美国外，日本在设备环节占比约27%，超过欧洲的21%。

半导体材料和晶圆制造属于资本开支密集型环节，不断增长的下游需求为行业带来增量产能需求，通过成长性的资本开支将企业产能提升一个台阶，进而带动未来收入和利润的增长，对于晶圆材料和晶圆制造企业至关重要。对于以台积电为的晶圆代工龙头，维持成长性资本开支的能力，本身也是企业的城河之一。区域特征上，中国台湾、中国大陆、日本和韩国则替代欧美占据主导权。材料环节，中国大陆和中国台湾分别占19%和23%，韩国和日本分别占17%和14%。晶圆制造环节，中国大陆和中国台湾分别占21%和19%，韩国和日本分别占17%和16%。

封装与测试环节属于资本开支和劳动力密集型环节。封装与测试环节参与者包括IDM厂商的封测车间或工厂，和专业封测代工厂商（OSAT）。封测环节通常技术含量较低，而对劳动力需求较高，经过数十年的发展，逐渐形成了以中国大陆的长电科技、通富微电和华天科技等OSAT厂商主导的产业格局。2021年中国大陆在全球半导体封测环节价值量占比约38%，中国台湾（以日月光为代表）占比约19%。

全球半导体产业分环节、区域价值量分布（单位：%）