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产业与政策丨全球集成电路产业：成长、迁移与重塑
作者简介
马源
国务院发展研究中心企业研究所副所长，研究员，主要研究方向为数字经济、“放管服”改革、优化营商环境、企业改革和创新等。屠晓杰
通信作者。中国信息通信研究院政策与经济研究所产业发展研究部主任，兼集成电路发展研究中心战略支撑组组长，高级工程师，主要研究方向为集成电路产业、战略性新兴产业、互联网产业等。论文引用格式：
马源, 屠晓杰. 全球集成电路产业:成长、迁移与重塑[J]. 信息通信技术与政策, 2022,48(5):68-77.
全球集成电路产业：成长、迁移与重塑
马源1 屠晓杰2
（1. 国务院发展研究中心企业研究所，北京 100010；2. 中国信息通信研究院政策与经济研究所，北京 100191）
摘要：在全球经济加速数字化转型大背景下，集成电路产业面临新一轮发展变革的机遇与挑战。以《美国半导体产业状况》公布的全球产业数据为基础，审视全球集成电路产业发展事实，并从产业成长、迁移与重塑3个方面分析产业发展大趋势、大规律，以期更好地把握产业演进最新走向，深化规律性认识并完善政策体系，提升我国集成电路产业整体优势。
关键词：集成电路；数字化经济；发展趋势；后摩尔时代
中图分类号：F416.63 文献标志码：A
引用格式：马源, 屠晓杰. 全球集成电路产业：成长、迁移与重塑[J]. 信息通信技术与政策, 2022,48(5):68-77.
DOI：10.12267/j.issn.2096-5931.2022.05.009
0 引言
集成电路产业是战略性、基础性和先导型产业，在牵引一国科技进步、促进社会经济发展、保障国家安全等方面具有举足轻重的作用。一方面，集成电路是新一代信息技术的“大脑”，其技术进步速度和创新进程直接关乎到数字经济市场规模和潜在增长空间；另一方面，嵌入了集成电路的数字化装备和产品，驱动着各行业各领域的数字化转型，加速了ICT资本在经济体系中的深化速度，提升了全要素生产率。放眼全球，集成电路产业正在高速发展，成长势头强劲、技术创新特征更趋明显；产业重心动态变化，热门产业应用不断涌现；产业竞争态势越来越激烈,，国家间的合作和竞争呈现出新趋势。可以说，全球集成电路产业版图正在重塑，产业链和价值链重塑涌现出诸多新机遇与新挑战。
能否抓住这一轮发展先机，主动迎接挑战，关键在于能否站在新的变革起点上，洞察产业发展大趋势、大规律，顺势而为，推动有效市场和有为政府更好结合，提升一国集成电路产业整体优势。本文以美国半导体产业协会（SIA）每年定期公开发布的《美国半导体产业状况》（State of the U.S.Semiconductor Industry）报告为基础，择取2014—2021年的全球产业数据，来审视全球集成电路产业发展的典型事实，并从产业成长、迁移与重塑3个方面进行分析，以期更好地把握产业演进最新走向，助力深化规律性认识和完善政策体系。
1 全球集成电路产业成长势头强劲，创新驱动特征更加明显
集成电路产业是一个比较成熟的产业，产业界对其发展走势和波动有深刻认识，例如其与宏观经济波动比较吻合。集成电路产业也是一个动态创新性产业，随着数字化转型的提速和全面铺开，集成电路行业将加大研发投入，创新竞争激烈，产业发展存在不小的变数。纵向来看，全球集成电路产业市场销售规模、投资与支出强度、从业人员数量及生产效率提升显著，产业界对创新要素的需求更加迫切，主要经济体在这方面也纷纷开始加强战略规划和政策支持。
1.1 全球集成电路产业销售额较快增长，引领全球经济转型发展
在新冠肺炎疫情冲击下，全球范围内数字化转型明显加速，从生产到生活各个领域人们对数字化产品和服务的需求都明显增长，包括生产侧的数据中心、服务器集群、软硬件解决方案，消费侧的手机、PC、智能穿戴设备、智能网联汽车等，都需要集成电路，由此带动集成电路产业市场需求旺盛。SIA数据显示[1-7]，2014—2021年全球半导体产业销售额从3 358 亿美元增长到2020年的4 404 亿美元，年均复合增长率达到4.66%（见图1）。尤其是2021年，全球半导体产能和出货量再创新高，销售额进一步增长到5 559 亿美元[8]，同比增长26.2%，展现出较好的成长性，也是引领全球经济发展的关键动力。
进一步分析历年全球GDP规模与半导体销售额数据，不难发现，全球经济增长与集成电路产业发展密切相关。2014—2020年，两者的相关系数达到0.864，说明两者景气程度高度相关，互为促进。从2014年起，全球集成电路产业技术和市场经历了一个“硅周期”（通常为4~5 年）的高速增长以后，在2019年出现增速趋缓的正常调整，全球销售额明显下滑。但2020年暴发的新冠肺炎疫情打破了这次“硅周期”调整规律，从2019年下半年至今，尽管全球宏观经济受到疫情显著冲击，但全球半导体产业在2020年经历短暂的下行调整后调头回升，开始进入新一轮发展通道。可以预见的是，随着全球各个地区、各个行业数字化转型由浅入深、由点及面地铺开，集成电路产业将成为未来一段时期引领和重塑全球经济的关键性领域。
1.2 研发支出和资本支出强度提高，创新竞争壁垒随之拉高集成电路产业具有典型的创新驱动特征，从既往经验中总结出的“摩尔定律”就是例证，其成长速度、规模与技术革新进展紧密耦合。为了保持竞争力，集成电路企业必须通过持续性、高强度投入，来开发新技术、购置新装备、建设新工厂、改进新工艺，继而实现自我颠覆、自我革新，唯此才能历久弥新。
随着产业竞争日益激烈，全球集成电路产业研发支出和投资总额逐年增长，呈现出“长周期、高投入”的投资特征。一方面，在研发支出上，先发地区致力于通过投入高额研发资金打造技术领先优势，形成难以逾越的产业壁垒，进一步扩大产业差距。例如，在研发支出方面，如图2所示[1-7]，美国半导体研发支出占销售收入的比重全球最高，达到18.6%，欧洲、日本、韩国次之，相比之下，中国大陆地区集成电路产业研发支出占销售收入的比重仅为6.8%[7]，这方面的差距非常显著。另一方面，在资本支出上，随着5 nm、3 nm先进制程工艺的逐渐成熟，叠加全球性芯片市场供应短缺的影响，加大资本支出已是必然要求。2020年，美国半导体行业的资本支出总额为303 亿美元（见图3），主要用于引进更为先进的装备、建设本土和海外制造厂[7]，以消除本国制造业产能不足的隐患。可以预计，在接下来一段时间内，随着国家间竞争加剧，全球集成电路产业的研发支出和资本支出将进一步大幅提升，这势必加速全球半导体产业创新步伐。
1.3 从业者数量及人均劳动生产率大幅增加，人才缺口开始凸显集成电路产业是人才密集型行业，需要一大批高学历、有经验、复合型人才。随着全球产业规模的迅速扩大，集成电路设计、制造、封装测试、装备材料等全产业链各个环节都提供了一大批岗位，对从业者的数量需求也在扩大。SIA数据显示[1-7]，2014—2020年，美国半导体行业从业者数量总体保持稳定，约24 万人，但随着各方面重视和支持力度加大，2020年从业者数量急剧增长，达到了27.7 万人（见图4）。在就业岗位方面，到2020年美国半导体行业除了直接提供就业岗位外，还带动了160 万个间接就业岗位，平均每个直接就业岗位关联了5.7个其他领域就业岗位，创造经济收入达1 608 亿美元[7]。同时，在全球化产业分工过程中，美国留住了利润率更高的环节例如集成电路设计业，加之近年来全球市场需求快速扩张，带动人均劳动生产率从2014年的46.7 万美元，提升到2020年的57.1 万美元[1-7]，增长了22.27%。有竞争力且稳定的高素质人力资源“蓄水池”成为美国在半导体行业长期领先的重要保障。
但是，从供给侧来看，集成电路专业人才培养又是一项周期漫长的任务。从高端领军人才、核心技术人员到有丰富经验的一线工人，都成为各国争夺的重点对象。人才供需矛盾开始成为限制产业发展的我国半导体行业人才需求将达到74.45 万人[9]，而高端人才的短缺是行业痛点之一。《半导体人才白皮书》显示，中国台湾地区半导体行业人才需求在2021年二季度创造了6年半以来的新高，其平均每月人才缺口达到2.7 万人，年增幅44.4%[10]。在全球产业蓬勃发展的大趋势下，现有集成电路人才存在明显缺口，短期内难以满足产业持续扩张的需求。
1.4 主要经济体纷纷布局制定战略规划，把握未来发展主动权面对需求扩张和竞争加剧的发展态势，全球各主要经济体都开始主动谋划、积极布局，主要是制定集成电路产业战略发展规划，以把握发展主动权，提升产业话语权。2019年以来，美国、日本、欧盟、韩国等国家/地区针对本国/地区的未来产业发展目标制定了一系列国家级半导体产业发展计划和政策（见表1），以激励本土产业发展。例如，在美国国防高级研究计划局（DARPA）推出电子复兴计划之后，美国于2021年接连推出《基础设施计划》《美国创新和竞争法案》《美国芯片法案》；日本在2021年发布了《半导体产略》《半导体产业紧急强化方案》等。通过梳理这些计划和政策的主要内容，可以发现美国、日本在很多方面都有相同或类似的布局方向。未来5~10年，各国都将重点聚焦到加大产业投资、鼓励本土制造业发展和先进技术研发、提高芯片产能上，以打造起更加完善、健壮的半导体产业供应链。在此背景下，SIA预测，随着各国集成电路制造产能的扩大，2022年半导体销售额增幅有望达到8.8%，产业前景可观。表1 全球主要国家/地区半导体产业相关政策
2 全球集成电路产业持续动态迁移，新兴场景成为核心赛道
过去几十年来，集成电路产业不断演化，早期的产业组织是纵向一体化制造（Integrated Design and Manufacture，IDM）模式，随着全球化分工深化，产业组织开始走向纵向分工（Vertical Separation）模式，即设计业、制造业、封装测试业彼此分离，上下游密切协作的垂直分工体系，同时也衍生出半导体原材料、设备、EDA、IP等专业化从业者。在此过程中，产业发展格局动态演变，发展重心呈现出从策源地美国为主，转移到追随者日本，再到东亚地区（日本、中国台湾地区、韩国和中国大陆地区）的大致脉络。而在其应用场景方面，消费电子、移动互联、网络通信等多元化场景倒逼产品类型创新，不同产品占比跟随市场需求发生明显的调整。特别是人工智能、5G、物联网、无人驾驶等新兴技术的快速发展与广泛渗透，智能穿戴、大数据、智能网联汽车等新兴场景开始成为拉动产业增长的主赛道。
2.1 亚太地区半导体市场占比超过6成，中国是最大单一国家市场随着全球电子通信设备生产基地转移到亚太地区，集成电路市场和产业发展重心正向着东亚地区显著转移。市场规模方面，SIA数据显示[1-7]，亚太地区半导体市场规模从2001年的398 亿美元增长到2020年的2 710 亿美元，成为全球最大的半导体市场，销售额占比达到61.5%，超过其他地区总和。产业布局方面，在全球垂直分工生产体系下，亚太地区的重要性不断攀升，在半导体原材料、设备、制造、封测等不同环节均掌握了一定的话语权。例如，日本的半导体原材料在全球处于领先位置；韩国深耕存储器半导体领域，市场份额位居世界第一；中国台湾地区率先实现5 nm芯片量产与3 nm先进制程工艺；中国大陆地区则在封装测试环节具有一定优势。
受人口红利、经济稳定发展、产业利好政策等因素驱动，中国已成长为全球最大的半导体单一国家市场，不仅拥有全球最大的电子终端消费群体，也是全球最大的电子信息产品制造国[7,11]。自2018年起，中国集成电路市场的相关数据开始进入SIA发布的年度半导体行业状况报告中，成为其重点分析对象。2020年，中国集成电路市场的销售额为1 518 亿美元，同比增长17%，在全球市场销售额占比中高达34.4%[7]，大于美洲和欧洲的销售总和。得益于人工智能、5G等新兴技术产业应用的快速发展和传统产业数字化转型升级的需求激增，我国集成电路产业规模也快速增长，成为全球产业发展的主要市场之一。
2.2 场景需求驱动半导体产品应用泛化，汽车等领域放量增长集成电路市场需求很大程度上取决于应用场景。从产业下游应用场景来看，传统的通信行业、计算机领域处于存量时代,市场需求占比最大。但随着数字化、网络化、智能化等应用场景日渐多样化，例如为了满足智能汽车、智能穿戴、移动互联、数据中心等领域需求，半导体工业也不断发展出更加先进的产品和工艺技术。世界半导体贸易统计协会（WSTS）统计的数据显示[1-7]，通信、PC与计算机、汽车电子、消费电子、政府采购、工业电子等场景一直是全球半导体产品的主要应用领域，但领域占比发生了变化（见图5）。2014年，全球半导体市场需求占比最大的是通信应用场景，高达34.4%；PC与计算机应用场景次之，占比30.6%；汽车电子领域占比位列第五，为10.4%[1]。到2020年，PC与计算机应用场景占比成为最大领域，高达32.3%；通信领域屈居第二，为31.2%，政府采购应用场景占比最少，仅1.0%[7]。半导体市场应用需求占比的变化显示了近几年半导体产品的发展趋势。
需要强调的是，近几年全球范围内新能源汽车、智能汽车的发展和普及带动了汽车电子产业的快速崛起，诸如微控制器、存储芯片、功率半导体、智能传感器、无线通信、继电器等集成电路产品成为市场新宠。一方面，每辆汽车的集成电路产品的平均总含量逐年提升，且网联化、智能化程度越高，所需的微控制器、存储器、传感器等集成电路芯片的数量越多；另一方面，新一代纯电智能化新能源汽车的需求市场迅速膨胀，成为增速最快的细分行业。加之新冠肺炎疫情导致全球汽车芯片产能失衡，各国都在积极导入供应链，汽车芯片有望成为未来的主要拓展领域。
2.3 AI+5G+IoT生态促进新一轮产业爆发，带动市场增长与技术创新当前，5G通信、工业互联网、物联网、人工智能、虚拟现实等新兴技术研究方兴未艾。集成电路先进工艺技术在推动新兴技术由理论研究落地到工业应用的同时，AI+5G+IoT的创新生态应用也为集成电路产业带来了新一轮的发展机遇，成为重要的市场增长点和技术创新领域。在市场需求方面，全球集成电路产业驱动力量正逐步由智能手机、PC等传统设备扩增到人工智能与5G通信融合应用产品、智慧汽车和新能源汽车、工业物联网以及数据中心等行业，在AI芯片、自动驾驶、机器视觉、智能家居等领域催生了一批独角兽企业。在技术创新方面，AI+5G+IoT的创新生态应用对集成电路的算力、功耗和成本提出了更高的要求，推动集成电路在高性能计算、移动计算、自主感知、边缘计算等方面加速技术革新，系统级多端互联异构芯片、单片/集成MCU、定制化芯片成为具有竞争力的产业新贵。根据全球市场洞察公司（Global Market Insights）的报告，2019年全球AI芯片组的市场规模超过80 亿美元，预计到2026年该市场规模可达700 亿美元，年均复合增长率在35%左右[12]；又据Statista的统计数据，2019年全球5G芯片的市场规模为10.3 亿美元，预计到2025年该市场规模可达145.3 亿美元，年均复合增长率将在55%左右[13]，成为产业新的市场增长点与技术创新点。
3 全球集成电路产业竞合态势重塑，战略和技术博弈日趋激烈
一直以来，集成电路产业是高度国际化的产业，没有哪个国家能够独立发展集成电路产业。但是，受全球新冠肺炎疫情防控、逆全球化思潮发酵等因素影响，全球集成电路产业正常的经贸秩序遭到冲击，周期性波动规律被打破，市场供需矛盾更加突出，协作分工生产和国际化合作受阻。同时，新兴技术突破及其巨大的应用前景，正吸引各国加强布局和投入，全球集成电路产业链和价值链重组趋势已变得越发明朗。
3.1 全球性芯片供需失衡凸显产业链供应链风险，本地化制造开始兴起集成电路产业周期性波动特点突出。为防范供过于求带来的巨额亏损，全球芯片制造企业通常根据需求前瞻预测和行业产能利用情况，稳步推进制程和工艺升级，稳健扩大制造封测产能。意料之外的是，2020年年初新冠肺炎疫情席卷全球，各经济体为防控疫情推出了不同力度、不同方式的管控举措，这不可避免打乱了全球供应链，原材料、设备、设计、制造、封装等上下游环节的国际合作随之处于不稳定状态，产能无法有效释放，供需失衡，直接引发全球性芯片短缺。特别是在汽车电子芯片领域，一方面由于汽车芯片主要分布在欧美和东南亚地区，受新冠肺炎疫情严重影响，汽车芯片企业大幅减产，短期内难以补上；另一方面，智能手机、智能穿戴、工业互联、大数据、智能网联汽车等需求激增，加剧了断链风险，供需失衡一直延宕至今。
在垂直分工模式下，美国聚焦设计、装备等环节，长期把制造和封测环节外包给亚太区域，时至今日，其产能尤其是先进产能已不再占据领先地位。SIA的数据显示，2014—2020年美国的制造产能占全球芯片制造的份额下降到12%[14]，对总部位于美国的半导体企业来讲，其晶圆产能占比也从52.2%下降到43.2%[1-7]（见图6）。为了缓解芯片短缺、确保本国供应链充足，各国都在积极部署，瞄准先进制程技术，加大研发力度，并通过配置重资产，利用境外收购、入股、投资建厂等合作手段扩大生产规模，提高本土芯片制造产能。未来5~10年，本地化制造风潮带来的产业格局变化将对国际化合作产生深刻影响。
3.2 后摩尔时代带来创新突破机遇，颠覆性技术成为力争之地自1958年诞生以来，集成电路产业一直按“摩尔定律”的经验轨迹向前推进。随着先进制程工艺逐渐逼近物理极限，在现有技术框架下，集成度提升带来的功耗、算力、成本的优化空间越来越小，工艺提升难度不断加大，研发效费比开始成为新挑战，集成电路产业发展进入后摩尔时代，这给追赶者带来了机会。面对人工智能、大数据、自主感知、移动互联等应用领域对计算性能和存储能力的指数式增长需求，探索原理性、颠覆性创新，以推动产业技术的持续高速发展，开始成为主要经济体在新一轮科技和产业变革中谋求产业话语权的难逢机遇。
根据IRDS发布的国际半导体技术发展路线图[15]（见图7），后摩尔时代集成电路技术将朝着More Moore、More than Moore和Beyond CMOS 3个方向，围绕新材料、新架构、新封装进行重大技术创新，持续提升集成电路芯片性能，使其具有更高的速度和密度、更低的功耗和更多的功能。例如，在新材料方面[16]，高k栅极电介质、应变增强材料、高迁移率沟道材料是重要研究方向，以GaAs、GaN、SiC为代表的化合物半导体材料能够满足新能源汽车、5G通信等新兴产业对半导体芯片的高频率、高功率、高压强要求；在新架构方面，横向环绕栅极结构LGAA以及横向GAA与垂直GAA相结合的3D架构为进一步提高芯片性能、降低功耗提供了解决途径，存内计算架构、量子、类脑新领域也有望取得突破；在新封装方面，异质异构3D集成与叠加的应用前景十分广阔，以SiP先进封装技术为基础的Chiplet模式能够满足灵活集成、功能多样化的产业需求。
3.3 贸易争端与技术垄断拉高国际合作壁垒，各国竞相追求产业安全垂直分工模式下，集成电路产业的高效运转有赖于位于世界各地的产业链上下游市场主体紧密协作，但也放大了断链断供风险。特别是随着集成电路对信息技术、经济社会和国家综合实力的影响更加深刻，集成电路产业开始成为国家间贸易争端的主要领域，竞相追求产业安全已纳入诸多国家的政策视野。
其实，这方面的例子不断复现。早在20世纪80年代，美国就从经贸政策、进出口管制、汇率等多个方面发力围堵日本集成电路产业，削弱其产业竞争力。近年来，逆全球化和单边主义抬头，全球化合作前景更加扑朔迷离，因历史争端，2019年日本限制向韩国出口氟化氢、氟聚酰亚胺、光刻胶等半导体原材料，一定程度上造成韩国集成电路产业“无米之炊”的困境。根据路透社报道，2022年3月，由于俄罗斯和乌克兰冲突，占全球半导体氖气供应量45%~54%的两家乌克兰供应商停止运营，引起各大企业对半导体短缺危机的担忧。在外来投资监管方面，合作障碍也明显增多。例如，美国外国投资委员会（CFIUS）加强对外国投资者交易的国家安全审查，特别是在能源、半导体、高科技等领域更是“严加防范”；欧盟也于2019年通过外商直接投资审查机制，加大国际投资壁垒。
在目前复杂多变的国际政治、经济关系影响下，全球集成电路产业合作的内在动力弱化，产业发展不确定性增加，结合自身情况，加快构建本土产业链，增强产业链供应链韧性，开始变得日益迫切。
4 结束语
纵观全球集成电路产业发展历程，过去30年里，在全球化大潮推动下，产业逐步由纵向一体化走向纵向分工，这极大地释放了专业化分工红利，带动了工艺技术的持续突破，市场规模的不断扩大，也大大加快了全球数字化进程。但是，逆全球化思潮抬头，叠加新冠肺炎疫情暴发以及经贸争端频发，直接放大了国际化分工下隐藏的断供断链风险，以往高效运转、密切合作的正常经贸秩序遭到破坏，信任机制开始遭到侵蚀。放眼未来，数字化转型大潮正扑面而来，集成电路产业的基础性、战略性、先导性地位空前提高，全球产业格局快速成长、动态迁移、逐渐重塑的特征更加明晰。同时，进入后摩尔时代后，围绕新材料、新架构、新封装的技术创新迭起，“5G+AI+IoT”在新兴产业领域展现出巨大应用前景，这给世界各国带来了同一起跑线发展的难得机遇，正因为如此，主要经济体不约而同，加强谋划、加快部署、加大支持，力求谋得主导权，抓住发展先机。为此，我国要在把握产业大势、尊重产业规律的基础上，借鉴国际经验、加强统筹谋划、加快前瞻布局、注重技术创新、拓展应用空间、壮大产业生态、统筹竞争合作等，来提升我国集成电路产业的发展水平。
参考文献
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Global integrated circuit industry: evolution, migration and reconstruction
MA Yuan1, TU Xiaojie2
(1.Enterprise Research Institute of Development Research Center of the State Council , Beijing 100010, China; 2. Policy and Economics Research Institue, China Academy of Information and Communications Technology, Beijing 100191, China)
Abstract: As the global economy expands through digital transformation at a high pace, the integrated circuit(IC) industry is confronted with tremendous opportunities and challenges, inspired by a new round of development revolutions. Based on the global industrial data shown in annual reports “State of the U. S. Semiconductor Industry”, this paper investigated the current global industrial patterns of the IC industry and analyzed the development paradigm thoroughly from the aspects of evolution, migration and reconstruction. Moreover, it is propitious for a country to seize the latest evolving trends, deepen the understanding of developing rules and improve the policy system, so as to promote overall competitive advantages on the IC industry.Keywords: integrated circuit; digital economy; development trend; Post-Moore Law Period
本文刊于《信息通信技术与政策》2022年 第5期
主办：中国信息通信研究院
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