倪志宝
广西大学， 广西 南宁 530004
摘 要：半导体芯片产业是数字信息产业的基石，是一个国家科技竞争实力的主要表现。当前中美贸易摩擦，美国对我国的科技封锁，半导体芯片产业首当其冲，也是美国对我国“卡脖子”的核心技术领域。存储芯片是数据的载体，也关乎数据的安全，存储芯片已经成为半导体芯片产业最大的细分市场，是半导体芯片产业的主要增长驱动力。半导体芯片产业一直遵循的摩尔定律，现正处于趋缓之际，也给半导体芯片“国产替代”创造了赶超的良机。近几年国产芯片设计企业发展迅猛，但是国产芯片制造环节一直是最大的短板，存储芯片对芯片制程工艺的要求没有处理器芯片高，因此国产存储芯片的突破在于IDM模式。
关键词：半导体芯片；存储芯片；大基金；摩尔定律；IDM模式；
1 半导体芯片产业链介绍
半导体芯片产业是数字信息产业的基石，是一个国家科技竞争实力的主要表现。当前中美贸易摩擦，美国对我国的科技封锁，半导体芯片产业首当其冲，也是美国对我国“卡脖子”的核心技术领域。半导体芯片产业关乎国家科技战略安全，因此我国政府陆续推出战略新兴产业政策扶持半导体芯片产业发展，并且成立了国家集成电路产业投资基金（简称“大基金”）。在产业政策和国产替代的大力推动下，我国国产芯片行业的发展呈加速发展态势。全球半导体协会 SIA 数据显示，2019年全球半导体市场规模4121亿美元。我国作为制造业大国，尤其是智能手机、电脑产量位居全球第一，因此我国是全球最大的半导体市场，占全球销量的1/3，相当于美国、欧盟和日本的销量总和。但是我国半导体芯片自给率水平非常低，我国芯片国产自给率只有30%，特别是核心芯片极度缺乏。根据中国半导体行业协会统计的数据，2019 年中国集成电路产业销售额为7562.2亿元，同比增长15.8%。据中国海关数据统计，2019年我国芯片的进口金额为3040亿美元。根据国务院2020年8月4日印发《新时期促进集成电路产业和软件产业高质量发展的若干政策》，中国芯片国产自给率要在2025年达到70%。半导体芯片产业链分为芯片设计、芯片制造、芯片封装测试三大环节，见图1。
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图1：芯片产业链
半导体芯片产业主要分为三个经营模式：第一个是Fabless模式，只做芯片设计，不自主生产，芯片制造和封装测试交由外包厂商完成，比如高通、苹果、华为海思；第二个是Foundry模式，不做芯片设计，只做芯片代工生产，比如台积电、中芯国际；还有一个是IDM模式即垂直整合制造商模式，是指包含芯片设计、晶圆制造、封装测试以及投向消费市场全环节业务的企业模式，芯片设计只是其中的一个附属部门，同时企业拥有自己的晶圆厂、封装厂和测试厂，该模式对企业技术、资金和市场份额要求较高，目前英特尔、三星、德州仪器等国际巨头采用这一模式。半导体芯片产业的经营模式经历了从单一的IDM模式向IDM模式和Fabless模式并存的阶段。芯片产业早期只有IDM模式，但随着智能终端电子产品的发展，芯片对晶圆制造的制程工艺、封装测试工艺等方面要求越来越高，芯片企业基于专注于芯片设计、规模经济、制造生产投入成本过大等方面因素，开始将芯片晶圆制造和封测交给专业的外包厂商完成，芯片企业由单一的IDM模式向专业化分工演进，形成了目前芯片产业IDM模式和Fabless模式并存的经营模式。国内芯片产业仍然大量集中在附加值和技术含量较低的产业链环节，芯片设计、制造和封装测试产业分布不够合理，尽管近几年国产芯片设计环节发展迅速，但是芯片制造一直是国产集成电路产业最大的短板，严重制约了国产半导体芯片产业的发展。半导体芯片产业发展关乎到国家安全战略，国产化和“国产替代”迫在眉睫。
2 存储芯片分类
随着5G、物联网和人工智能技术等数字经济的高速发展，数据的存储需求越来越大，存储芯片已经成为半导体产业的主要增长动力。存储芯片已经超过处理器芯片，是半导体芯片最大的细分市场，约占全球半导体市场规模的 30%。存储芯片是集成电路产业的温度计和风向标。随着人工智能、大数据、物联网、云计算等数字经济的高速发展，存储芯片是数据的载体，关乎数据的安全。
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图2：存储芯片分类
存储器芯片领域主要划分为两类：一类是易失性存储器，即内存，就是断电后存储器内存储的信息立即消失，例如DRAM，其中PC机内存和手机内存大约占六成。另一类是非易失性存储器，即闪存，就是断电以后存储器内存储的信息仍然存在，主要是NAND Flash和 NOR Flash，NAND Flash用于数据存储，NOR Flash则用于代码存储介质中。NAND Flash具有容量大，改写速度快等特点，为固态大容量内存的实现提供了廉价有效的解决方案。从应用形态上看，NAND Flash的具体产品包括USB（U盘）、闪存卡、SSD（固态硬盘），以及嵌入式存储（eMMC、eMCP、UFS）等。USB属于常见的移动存储设备，闪存卡则用于常见电子设备的外设存储，如相机、行车记录仪、玩具等。一方面，手机、SSD作为NAND Flash的主要下游领域，未来将处于持续上升的趋势；另一方面，NAND Flash作为大容量数据存储的首选设备，需求量主要依赖于数据量的大小，预测全球数据圈将从2018年的32ZB增长至2025年的175ZB，增幅将超过5倍。存储芯片主要包括DRAM、NAND Flash和NOR Flash。根据半导体市场研究机构IC insights数据，存储芯片整个市场中DRAM产品占比约53%，NAND Flash产品占比约42%，Nor Flash占比仅为3%左右。
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下面分别介绍一下存储芯片中的DRAM、NAND Flash和NOR Flash市场格局。
2.1 DRAM市场格局
DRAM市场，韩国三星、韩国SK海力士和美国美光科技三家厂商就牢牢占据了DRAM产品95%的市场份额，根据TrendForce 研究部门?DRAMeXchange 公布了 2019 年第四季度全球 DRAM?厂商营收排行榜单，三星第一，SK 海力士位居第二，第三是美光科技，后续名次依次为中国台湾Nanya（南亚科技）、中国台湾Winbond（华邦）和中国台湾Powerchip（力晶科技）。面对韩国三星、韩国海力士、美国美光科技三大寡头垄断市场，中国作为全球最大的DRAM市场，但国产自给率几乎为零，福建晋华因中美贸易摩擦和知识产权纠纷等原因现处于停摆状态，只有合肥长鑫刚刚开始量产，因此国产DRAM有很大的增长潜力。
2.2 NAND Flash市场格局
根据智研咨询发布的《2020-2026年中国NAND FLASH行业竞争格局分析及投资潜力研究报告》数据显示：NAND Flash市场，NAND Flash主要厂商为韩国三星、日本铠侠、美国西数、美国美光科技等。与DRAM市场格局一样，三星同样处于领先地位，但NAND Flash市场集中度稍微低于DRAM市场。铠侠与西数的合资工厂产能共用，若将其收入合并计算，其市占率与三星伯仲相当。国产厂商武汉长江存储处于起步状态，正在市场与技术上奋起直追。
2.3 NOR Flash市场格局
NOR Flash产品在整个存储芯片市场中占比仅3%左右，远远低于DRAM和NAND Flash产品。但在NOR Flash市场格局，我们难得地发现了国产厂商兆易创新位列NOR Flash厂商全球排名第三。NOR Flash市场规模曾经跟随功能手机消亡而逐渐萎缩，前几年三星、美光科技、Cypress（赛普拉斯）等很多存储大厂纷纷退出或者减产NOR Flash业务，但近两年来随着物联网、可穿戴设备等新兴应用的崛起，尤其TWS（真无线蓝牙耳机）、汽车电子、5G等新兴应用的带动，NOR Flash业务开始复苏。集邦咨询数据，2020年第一季度NOR Flash厂商市场份额分别是：中国台湾旺宏电子占26.2%，中国台湾华邦电子占24.5%，国产兆易创新占18.8%，美国Cypress（赛普拉斯）占11.5%。国产NOR Flash厂商中，目前全球排名第三的兆易创新积极布局新兴应用领域，尤其受益于TWS（真无线蓝牙耳机）、汽车电子和5G基站等市场，武汉新芯已经在5G基站市场开始供货，还有芯天下和恒烁半导体布局物联网市场，普冉半导体、东芯半导体、芯泽电子等厂商在产品和市场方面都各有特色。因此，从整个存储芯片市场格局来看，三星、SK海力士和美光科技等国际存储芯片巨头的市场竞争优势非常明显，国产存储芯片发展潜力巨大。
3 存储芯片经营模式的比较分析
前文提到半导体芯片的经营模式除了芯片代工厂的Foundry模式，半导体芯片企业由单一的IDM模式向专业化分工演进。Fabless经营模式的成熟，促使了国内诞生了一些专注于芯片设计的新秀企业，尤其是存储芯片设计企业，因为存储芯片对芯片制程工艺的要求没有处理器芯片高，如兆易创新、澜起科技等优秀的存储芯片设计企业都是采取Fabless模式，他们专注于芯片设计，而将芯片晶圆制造和封测外包给代工厂。全球存储芯片三大巨头三星、SK海力士和美光科技，都是采用一体化IDM经营模式。在我国政府国有资金大力支持下，近年上马的寸尺芯片企业合肥长鑫（DRAM产品为主）、武汉长江存储（NAND Flash产品为主），都是采取一体化IDM经营模式。虽然IDM经营模式的芯片晶圆制造工厂投资巨大、制程工艺迭代推进竞争激烈，早期创业的存储芯片设计企业可采取Fabless模式，专注于芯片设计，但是国产存储芯片的突破在于IDM模式，IDM经营模式的优势在于：（1）IDM模式“研-产-销”一体化，采用最先进的工艺制程技术，把产品做到极致，提升产能，降低产品成本，与竞争对手抢占市场份额。（2） IDM经营模式的优势在于芯片设计和芯片制造配合度高，还有整体成本控制、提高产品毛利率、良率以及产能。（3）由于存储芯片通用性强，具有高度标准化的特性，因此较难实现产品的差异化，所以存储芯片对成本更加敏感，这导致各厂商需要集中在制程工艺技术和生产规模上比拼竞争力。（4）存储芯片不同于处理器芯片，品牌化程度低，是工业品销售模式，而非消费品。存储芯片的技术参数基本都是标准化，产品差异化竞争较小，因此用户很少对存储芯片有品牌化概念，用户粘性低，所以存储芯片具有“有品类无品牌”特征，IDM经营模式更利于规模经济效应。
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半导体芯片产业是知识和资本密集型相结合的行业，日韩及中国台湾的成功经验是“产官研”模式，也就是产业、政府和高校研究机构合作模式，半导体芯片的未来发展离不开政府资金和产业政策的扶持。芯片设计都要突破IP（专利）的封锁，存储芯片的IP壁垒门槛要比处理器低，可以通过合作授权和自主研发相结合的方式获得IP。日本、韩国和中国台湾地区的半导体芯片发展之路，基本上都是采取产品方面以通用性强的存储芯片为切入口（主要是DRAM产品），引进当时最先进的设备和技术，培育IDM大厂，继而带到整个半导体芯片产业的发展。对于我国存储芯片产业乃至半导体芯片产业发展很有借鉴意义。
结 论：
在贸易摩擦背景下，国内诞生了很多优秀的、快速成长的半导体芯片企业，尤其在芯片设计环节，但是国内很多地方也盲目上马了一些半导体芯片项目，由于缺乏人才、经验、技术竞争力，造成项目烂尾和停摆，低水平重复建设，厂房空置、造成了资源浪费。半导体芯片产业链非常长，而且流程极其复杂，人才储备和专利知识产权壁垒高，资本投入非常大而且周期长，虽然摩尔定律趋缓，但半导体芯片行业大致遵循摩尔定律，技术是迭代式向前推进，因此如果企业没有持续的盈利能力，很多半导体芯片企业就没有足够的资金支撑到下一代技术研发，企业就会走进“死胡同”，因此半导体芯片产业必须依赖国家资金和产业政策扶持，着眼于长期发展，继而建立企业的核心竞争力。存储芯片通用性强，并且也是半导体芯片最大的板块，IDM模式的优势在于“研-产-销”产业链内部直接整合，具备规模经济效应和有效缩短产品上市时间的优势。综上所述，国产存储芯片的未来发展一定是IDM模式。
参考文献：
[1] 杨明辉团队. 国产芯片产业究竟如何[R]. 光大证券，2018.
[2] 智研咨询集团. 2020-2026年中国DRAM存储器行业投资潜力分析及市场规模预测报告[R]. 2020.
[3] 智研咨询集团. 2020-2026年中国NAND闪存行业市场现状及前景战略分析报告[R]. 2020.
[4] 智研咨询集团. 2020-2026年中国存储器行业市场运行潜力及竞争策略研究报告[R]. 2020.