我們馬上要迎來後疫情時代裡，有個詞會被反覆提到——“新基建”。新基建到底是什麼？背後的產業是哪些？為什麼這個產業關乎國家命運？為什麼國家要設立科創板？看完這篇文章你就都懂了。
所謂新基建，是指以5G、人工智慧、工業網際網路、物聯網為代表的新型基礎設施，本質上是資訊數字化的基礎設施。2020年3月6日，工信部召開了加快5G發展專題會，強調要加快新型基礎設施建設，4月15日，上海積體電路產業園開園。你一定還記得去年華為事件、去年年底日本對南韓半導體材料的制裁，以及前段時間網上調侃的拿口罩換荷蘭光刻機，這些資訊的背後都指向一個關乎國家大計的行業——電子資訊產業和它背後龐大電子元器件產業。讓我們來了解下這個當下最熱的產業。
國內電子元器件產業現狀
電子元器件是對於各種電子元件以及電子器件的總稱，按照工作時是否需要外部能量源，電子元器件可以分為器件和元件兩大類。器件指的是工廠在生產加工時改變了原材料分子結構的產品，包括主動器件和分立器件；元件指不需要能源的元器件，包括：電阻、電容、電感。
在電子資訊產業裡，電氣元器件產業處於中游，介於電子整機行業和電子原材料行業之間，可以說電子元器件的發展對電子資訊產業起到支撐作用。
中國電子工業近些年持續高速增長，帶動了中國電子元器件產業強勁發展。中國許多門類的電子元器件產量已穩居全球第一位。工信部的資料顯示，2019年中國電子元件及電子專用材料製造業增加值同比增長20.7%，出口交貨值同比下降2.3%。主要產品中，電子元件產量同比增長26.9%。去年12月，電子器件製造業增加值同比增長8.3%，出口交貨值同比增長5.4%。主要產品中，積體電路產量同比增長30%。
2018年12月以來電子元件行業增加值和 出口交貨值分月增速（%）
國內半導體的自給率之痛
目前全世界正在量產的電子元器件約有兩三千萬種，大多數電子元器件品種並不需要用到最先進的工藝，比如最常見、也是用量最大的電阻和電容。然而電子元器件另一條分支半導體就不一樣了，半導體的工藝代表著一個國家最真實，也是最前沿的科技水平。半導體和我們的生活息息相關，其介於導體和絕緣體之間的導電效能決定了它最適合用來做電子產品。從小時候收聽的“半導體”到你的手機再到飛向宇宙的火箭，它們的核心都是半導體材料做成的晶片和器件。就像蒸汽機時代的煤，內燃機時代的油，電器時代的電一樣，半導體是資訊時代的核心燃料。
半導體產品可分為積體電路、分立器件、光電器件和感測器四種，其中積體電路佔整個半導體行業規模八成以上。
積體電路（integrated circuit）（縮寫IC）是一種微型電子器件或部件。採用半導體工藝，把一個電路中所需的電晶體、電阻、電容和電感等元件及佈線互連一起，製作在一小塊或幾小塊半導體晶片或介質基片上，然後封裝在一個管殼內，成為具有所需電路功能的微型結構；其中所有元件在結構上已組成一個整體，使電子元件向著微小型化、低功耗、智慧化和高可靠性方面邁進了一大步。晶片是積體電路一種簡稱，是積體電路經過設計、製造、封裝、測試後的結果。積體電路的出現加速了半導體行業的發展。
半導體技術包括晶片製造技術與設計技術，主要體現在加工裝置、加工工藝、封裝測試、批量生產及設計創新等能力上。半導體的產業鏈上游是裝置製造，材料供應，設計工具；中游是核心產業鏈，包括晶片設計/製造/封裝等；下游是通訊，計算機，消費電子品等龐大的需求產業鏈。而在核心環節中，IC設計處於產業鏈上游，IC製造為中游環節，IC封裝為下游環節。
半導體整體產業鏈
中國已成為全球半導體最大的消費市場。其中智慧手機、平板電腦、汽車電子、智慧家居等物聯網市場快速發展，撬動了各類積體電路產品需求不斷增長。據海關統計，2019年中國積體電路進出口總額為4071.3億美元，其中進口積體電路金額就達到3055.5億美元，2019年中國積體電路進出口量為6638.3億塊，其中進口積體電路4451.3億塊。2018年。中國市場的快速增長，是全球積體電路發展的主要動力之一。
然而這麼大規模的市場，需求供給卻嚴重不平衡，中國的積體電路高度依賴進口，中中國產核心晶片自給率不足10%，也就是說90%以上的晶片都依靠進口。從2015年開始，中國的積體電路晶片進口額就超過石油成為第一大進口商品。中國大陸積體電路市場規模已達到1.6萬億人民幣，佔全球市場中的份額接近50%，市場中上游和中游的收益都被外國廠商瓜分，因為中國還處於半導體產業鏈的最下游：只有需求卻無法自給自足。
首先從半導體產業鏈最上游的晶片設計工具來看，晶片設計需要的設計工具，一是通過IP授權（購買成熟ip方案實現某個特定功能），二是購買EDA軟體。EDA軟體是IC設計，電路板設計最上游、最高階的產業，可以說是中中國產晶片的命門，然而中中國產EDA的國內市場份額不到5%。IP市場英國ARM公司佔41%的市場份額，EDA設計軟體市場Synopsys、Cadence和MentorGraphics三巨頭佔據95%以上的市場份額。2018年美國在全球晶片設計領域擁有59%的市場佔有率，居世界第一；中國臺灣地區市場佔有率約16%，居全球第二；中國大陸則擁有12%的市場佔有率，位居世界第三。
2019年全球前十大IC設計公司營收排名
然後是半導體材料，可分為製造材料和封裝材料，包括：矽片，靶材，CMP拋光材料、光刻膠、高純試劑、電子特種氣體、（光掩膜），其中矽片是半導體材料的核心。中國半導體材料在國際分工中多處於中低端領域，高階產品市場主要被美、日、歐、韓、臺灣地區等少數國際大公司壟斷，國內大部分產品自給率較低， 基本不足30%，主要依賴於進口。
晶片製造和封裝測試所需要的的半導體裝置包括晶圓加工裝置、檢測裝置、封裝裝置和其他裝置，都具備極高的門檻和壁壘。全球半導體裝置主要被日美所壟斷，核心裝置如光刻、刻蝕、PVD、CVD、氧化/擴散等裝置的top3市佔率普遍在90%以上。目前光刻機、刻蝕、鍍膜、量測、清洗、離子注入等核心裝置的中中國產率普遍較低。其中高精度光刻機被ASML、尼康、佳能三家壟斷；刻蝕裝置前三家廠商LAM、東京電子、應用材料市佔率超過90%；鍍膜裝置分為PVD和CVD，PVD前三大廠商AMAT、Evatec、Ulvac佔比96.2%，CVD三大廠商AMAT、TEL、LAM佔比70%。量測方面前端檢測前三甲廠商科磊、應材、日立佔比72%，後道測試裝置廠商美國泰瑞達、日本愛德萬佔全球份額64%；清洗裝置主要裝置廠商SCREEN、東京電子、LAM合計佔比88%；高階離子注入機前三家則包攬97%市場份額。中國本土廠商的半導體裝置只佔全球份額的1-2%。
這些裝置不僅被壟斷，更重要的是你有錢也未必能買到，光刻機是半導體制造裝置中價格佔比最大，也是最關鍵的裝置，被譽為是半導體產業CROWN上的明珠，以荷蘭ASML生產的高精度光刻機為例，每年產量僅幾臺，每臺售價幾億美金，要想用它生產最先進工藝的晶片，你得拿著錢在後面排隊。
接著就是半導體中游產業鏈裡的核心，晶片。中中國產晶片自給率還遠遠不足，目前中國IC晶片的自給率僅為15%。我們常說的“中國製造”其實主要都是整機產品，在最核心的“晶片製造”領域，中國還和國際領先水平有很大差距。以手機的儲存晶片dram為例，這是產業鏈中游晶片產品下體量最大的細分產品，dram的市場空間將近1000億美元，這其中南韓三星電子、南韓SK海力士和美國美光電子三分天下，全球的手機廠商都要找這三家公司買dram，2018年，中國進口了超過900億美元的儲存晶片，而國內廠商的市場份額為——0％。再看看其他系統中中國產晶片佔有率：
晶片製造的代工廠方面，臺積電以將近60%的市場佔有率處於絕對領先的地位，格羅方德和聯華電子分列第二、第三。國內廠商中芯國際暫列第五。中國的晶圓代工廠市場份額僅為4%。
當然也不是完全沒有好訊息，晶片設計方面包括華為海思、紫光展銳，都已經能跟國外的巨頭PK了，比如海思已經大規模生產世界上第一顆7nm晶片，還研發出首款TD-LTE基帶晶片——巴龍700，甚至在部分引數上超越了高通，成為最優秀的手機基帶晶片之一，在5G基帶晶片和AI晶片領域中處於領先地位。晶片的封測環節則由於技術含量相對較低，國內企業最早以此為切入點進入積體電路產業，技術實力和銷售規模，已進入世界第一梯隊，長電+華天+通富三家全球整體市佔率達19%。
半導體行業的馬太效應
想知道為什麼國內半導體行業自給率這麼低，得先從摩爾定律聊起。摩爾定律指的是當價格不變時，積體電路上可容納的元器件的數目，約每隔18-24個月便會增加一倍，效能也將提升一倍。要想容納更多的元器件，就要求積體電路的溝道寬度不斷縮小，於是線寬就成為了代表IC工藝的指標。每一次製程工藝的進步，都帶來更小的線寬、更小的功耗、更高的工作頻率，能夠整合更多的元件，有更強的效能。線寬已經從最初的幾十微米發展到現在的6奈米、5奈米。
線寬是一門需要不斷投入巨資研究新技術的製程工藝，隨著製程工藝的不斷髮展，新建工廠所需投資額也大幅度增長，三星、英特爾的7奈米生產廠，投資額均已經超過200億美元。像這樣的巨資，不是一般企業能燒的起的。所以，半導體行業目前主流商業模式分為了兩種：一是IDM（Integrated Device Manufacturing）模式，以英特爾、三星、SK海力士為代表，從設計到製造、封測直至進入市場全部覆蓋；另一種則是垂直分工模式，上游的晶片設計公司（Fabless）負責晶片的設計，設計好的晶片掩膜版圖交由中游的晶圓廠（Foundry）進行製造，加工完成的晶圓交由下游的封裝測試公司（OSAT）進行切割、封裝和測試，每一個環節由專門的公司負責，便於集中產能，攤薄成本。比如臺積電就是全世界第一家晶圓代工Foundry企業，它的出現標誌著中小公司也能進入晶片製造行業承包某個生產環節。國外的AMD、NVIDIA、高通、MTK、博通，國內的華為海思都屬於沒有IC工廠的Fabless企業，通過使用美國的設計軟體設計自己的晶片，再交由代工廠製造。國內的中芯國際則屬於中游的晶圓廠。目前Fabless+Foundry+OSAT模式成為主流趨勢。
那些入行較早的公司，他們憑藉早期成本較低時賺取的利潤，不斷投入新制程工藝的研發來獲得技術壁壘，比如三星和臺積電甚至能獲得各自政府的全力支援，進入了以廠養廠的良性迴圈，臺積電就表示2020年資本支出不會受到疫情影響，將依然保持在150-160億美元之間。以製造半導體電晶體或積體電路的襯底晶圓為例，其原材料是矽，要把矽做成最後的晶片，需要不斷提純，純度大概在99.9999999% —— 99.99999999%，為什麼要這麼高的純度？因為積體電路的晶片製造過程對製造工藝以及水平要求是零容忍的，任何顆粒雜質殘留在晶圓表面，都會對下一道工序造成不可估量的損失，一旦出錯就是一整批晶圓的報廢。這就難倒了絕大多數中國企業，而這還只是第一步。
晶圓是圓柱形的單晶矽切割成的圓形矽薄片，所有的積體電路都是在晶圓上加工而成的，然後經切割、封裝、測試，形成晶片成品。晶圓越大，能在晶圓上製造的IC就越多，成本就越低。全球一半以上的半導體矽材料產能集中在日本，尤其是隨著尺寸越大、壟斷情況就越嚴重。
以目前需求最廣的12英寸積體電路器件為例，日本的信越化工、(盛高)，臺灣的環球晶圓、德國思創，IOG這五大巨頭佔據95%的市場，而中國只有1%不到。中國現在想追趕國外先進工藝，僅僅建造一條12英寸、14奈米生產線的投資金額就在在500億到600億人民幣之間，相當於於兩條遼寧號航母的造價。這樣的技術壁壘和資金壁壘，使得那些新進入IC行業的國家，根本沒有實力追求最先進的製程工藝。
工藝上乘的積體電路不僅代表高效能，更重要的是高品質，要知道，焊到你的電路板上的元器件，只要有一顆壞了，就會讓你整個電路板報廢，無論你的電路板有多值錢。這就是為什麼國內公司更多選擇國外大廠的積體電路產品，因為他們承擔不起損壞的風險，而這樣的市場選擇，最終只會讓國外廠商的護城河越挖越寬， 馬太效應愈加明顯。
關乎國運的中中國產替代
中國積體電路製造工藝總體落後國際同行兩代，龐大的需求造成了嚴重的依賴。對國外晶片的高度依賴不僅僅影響電子資訊產業收益和發展，也嚴重影響一個國家的安全戰略，一旦國外停供晶片或代工，國防、能源、資訊、金融等行業都存在被卡住脖子的可能。因此，中國開始瞄準半導體產業鏈中游：晶片的自主研發和中中國產替代。儘管沒有任何一個國家能自己生產全部的電子元器件——即便是美國，也有大量元器件依賴進口，這是全球化下產業分工的必然——但通過中中國產替代能最大限度避免被人卡脖子，尤其是考慮到美國一旦繼續加大貿易制裁，產業自主已經不僅事關市場份額，更關乎國家命運。
什麼是中中國產替代？我們拿手機舉例。根據研究機構Counterpoint給出的2月份智慧手機市場份額調檢視，市場份額前7的手機廠商中國佔據5家，佔全球總額超過1/3：
但是把手機拆成一個個電子元器件我們發現，中中國產手機的主要電子元器件基本依賴進口。首先oled柔性螢幕，目前全球範圍基本被三星和LG display壟斷，包括蘋果手機也用這兩家的oled屏。尤其是三星，花了15年時間取得了螢幕這一細分領域的壟斷地位，2020年第一季度報告顯示，三星oled螢幕出貨量佔全球的90%份額。要想真正製造出中國的手機，就需要半導體產業鏈上的材料供應商能提供足以匹配進口產品的國行半導體產品。隨著美國對華為的打壓，華為已經開始扶持國內螢幕生產商，比如京東方為華為mate20pro提供oled螢幕，小米首次在量產旗艦機上採用柔性AMOLED屏，該螢幕由國內OLED面板企業維信諾提供。
我們從半導體產業鏈來梳理各環節中中國產替代情況，總體來看，垂直分工模式的晶片產業鏈初步搭建成形，產業上中下游已然打通。
首先在晶片設計方面，除了大家熟悉的華為海思的麒麟晶片外，2017年全球TOP50無晶圓廠IC設計公司中中國已經佔據10家；
在半導體裝置方面，上海微電子作為國內頂尖的光刻機制造商光刻機已經實現90nm製程，並有望延伸至65nm和45nm；中微半導體則是唯一打入臺積電7nm製程的中國刻蝕裝置商，封裝環節刻蝕機基本實現中中國產化，中中國產化率近90%；鍍膜裝置方面，國內廠商北方華創實現28nmPVD裝置的突破，16年國內市佔率已經有10%；北方華創整合Akrion後提供單片清晰和槽式清洗裝置，已經進入中芯國際產線。
在半導體材料領域，核心產品大矽片逐步實現中中國產化。目前國內在積極擴產8寸矽片，包括合晶科技、Ferrotec，以及國內的Gritek（有研新材）、JRH（金瑞泓）、AST（超矽）等。靶材、封裝基板、CMP 等，中國技術已經比肩國際先進水平的、實現大批量供貨、可以立刻實現中中國產化，代表企業是江豐電子，其產品已經打入主流國際市場。矽片、電子氣體、掩模板等技術可以比肩國際、但還沒做到批量供貨。
晶片製造，也就是代工廠方面，以中芯國際、華虹半導體為代表的晶圓代工製造企業逐步進入高速發展渠道；中芯國際已經接下了華為14nm晶片的大單，很快將能製造7nm晶片，未來一顆徹底中中國產的中國芯不再是夢想，而華虹則是全球領先的8英寸晶圓代工廠商和特色工藝聚焦者。儲存晶片方面，紫光國微旗下的西安紫光國芯目前最新DDR4晶片已經小批量產，長江儲存公司則宣佈攻克128層3D快閃記憶體技術，QLC型別容量做到了1.33Tb容量，破下三個世界紀錄，長鑫儲存、福建晉華也在奮力追趕，國記憶體儲晶片的依賴有望緩解。cis晶片的龍頭企業目前還是是索尼和三星，但中國的韋爾股份已經攀升到第三，成為蘋果手機的主要供應商之一，許多中中國產手機的cis晶片也已經開始從索尼轉向中中國產。
最後封測環節，以長電科技、華天科技、通富微電為代表的中國公司市場佔有率已經十分優秀，臺灣地區知名IC設計公司聯發科、聯詠、瑞昱等企業已經將本地封測訂單逐步轉向大陸同業公司。
在積體電路之外的光電子器件、感測器和分立器件也都在半導體行業內有至關重要的作用，這些細分行業中中國產化也已經有所成效，比如華為釋出800G光晶片，引領了高階光器件中中國產替代；揚傑科技在功率器件的大部分細分產品市場具有較高的市佔率。
中國能彎道超車嗎？
如果要說哪一個國家還有望能趕上積體電路產業的最先進工藝，恐怕只有中國。在軍用電子元器件上我們已經實現了80%的自給率。而在民用方面，十幾年前中國還沒有足夠資金進場，但最近十年開始了大規模投資，SEMI的資料顯示，2017-2020年間全球投產的半導體晶圓廠為62座,其中有29座設於中國大陸，佔全球總數的42%，總投資額約14568億元，產能將達到265萬片。政策方面，中國的支援力度也可謂空前，2014年《國家積體電路產業發展推進綱要》的推出催生了國家大基金的誕生，2019年一級市場在國家大基金的引領之下，總基金規模超過了4000億，科創板的創立進一步提升了創投基金的積極性和主動性。
一方面，半導體產能開始向中國大陸轉移。半導體產業經歷了兩次產業轉移，第一次是從美國向日本的轉移，第二次是從美日向韓臺的轉移，這兩次轉移都和技術升級有關，比如pc技術的發展和智慧手機的普及，隨著中國智慧手機品牌全球市場份額持續提升，以及國家對下一代技術的佈局，未來半導體產業在中國興起有了基礎。中國現有的12寸晶圓廠產能總計共42萬片/月，其中包括中芯國際、SK Hynix、Intel（大連）、武漢新芯、華力微電子，而新增的12寸晶圓廠總產能將高達63.50萬片/ 月，佔全球12寸晶圓廠的產能比重已由2016年的10%攀升至2018年的22%。受到疫情影響，承載了大量電子上游核心元器件及材料生產的日本企業材料庫存緊張，這也為中國半導體向上遊產業鏈滲透提供了機會。
另一方面下游產業鏈的發達必將帶動中游和上游產業的發展，產業鏈結構也會逐步向上游擴充套件。2018年，中國積體電路設計業銷售收入2519億元， 所佔比重從2012年的28%增加到38%；製造業銷售收入1818億元，所佔比重從23%增加到28%；封測業銷售收入2194億元， 所佔比重從2012年的48%降低到34%， 結構更加趨於優化。PC、手機行業已經較為成熟，但汽車電子、人工智慧、5G、物聯網、大資料、VRAR等新興行業有望成為半導體中中國產化的新動能。
還有一點，就是當製程工藝達到一定水平，比如3奈米以下，將可能遇上瓶頸，全球各領先企業的研發進度一旦停滯，或許將是中國彎道超車的機會。
不過積體電路產業畢竟是真正的資本密集型、技術密集型，人才密集型產業，除了技術的積累資金的投入，人才的培養同樣重要，目前北京、清華、交通大學等碩、博士高材生畢業後，首選是網際網路＋公司，IC行業只有IC設計有一定吸引力，這也是為什麼中國在IC設計方面的發展比其他環節更好。據工信部《中國積體電路產業人才白皮書》（2018-2019年版）指出：預計達到2022年前後，全行業人才需求規模為72.2萬左右，然而2019年國內半導體從業人員總計46.1萬人，缺口巨大，一個工程師需要10年的時間才能獨當一面，這需要穩定的環境。中國的半導體振興之路任重而道遠，我們呼喚“兩彈一星”的自力更生艱苦創業的精神。
參考資料：
工信部2019年電子資訊製造業執行情況
http://www.miit.gov.cn/n1146312/n1146904/n1648373/c7673583/content.html
中中中國產業資訊網：電子元器件行業發展回顧（概念、產業鏈、政策、規模等）及展望
http://www.chyxx.com/industry/202004/852030.html
半導體產業鏈全面梳理：中國還缺什麼？https://www.sohu.com/a/331510721_774177
半導體研究系列 新時代證券 孫金鉅