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半导体涵盖类别非常广泛,实际用途多样化,因此,为了更好的理解半导体产业链,我们首先需要区分不同类型的半导体及其技术壁垒。半导体产品按技术重点的不同可以分为三类:(1)以制造工艺驱动的产品,主要包括存储器、微器件,这类产品的发展主要依赖于先进的工艺技术;(2)…

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半导体涵盖类别非常广泛,实际用途多样化,因此,为了更好的理解半导体产业链,我们首先需要区分不同类型的半导体及其技术壁垒。


半导体产品按技术重点的不同可以分为三类(1)以制造工艺驱动的产品,主要包括存储器、微器件,这类产品的发展主要依赖于先进的工艺技术;(2)以电路设计驱动的产品,主要包括逻辑器件、专用半导体、通信和消费类产品,这类产品的发展更多依赖于设计;(3)以器件物理驱动的产品,主要包括类比器件、高频率器件、分立式器件,器件物理方面的进步则是这些产品发展的关键。


事实上,这三类半导体技术壁垒或有高低,其中设计驱动的产品壁垒最高,基于工艺的半导体次之,物理驱动的产品壁垒相对较低。


起源:美国最早实现半导体技术的原始积累


美国贝尔实验室完成半导体技术的原始积累。美国的半导体的发明最早是由军方推动的,第二次世界大战后,为弥补真空电子管体积大、功率小的弊端,美国政府支持贝尔实验室,成立了固态物理研究部门。


贝尔实验室是工业界少有的几个研发(R&D)机构,其母公司阿尔卡特朗讯每年销售额的 11%~12%(约 40 亿美元)作为贝尔实验室的研发经费。1947 年 12 月,贝尔实验室发明了世界第一个接触型锗三极管;1948 年 1 月研发了双极型晶体管;1951 年,西方电器公司开始生产商用锗接点晶体管;1952 年 4 月,西方电器、雷神、美国无线电等公司,生产商用双极型晶体管;1954 年 5 月,第一颗以硅做成的晶体管由德州仪器公司开发成功,与此同时,利用气体扩散把杂质掺入半导体的技术也由贝尔实验室和通用电气公司研发出来;1957 年底,美国不同部门已制造出六百多种不同形式的晶体管。1958 年,美国的德州仪器公司(TI)用 MESA 技术发明了第一款 IC,我们认为,这意味着基于半导体的技术革命由此开端。


资金和人才是波士顿成为半导体产业发源地。半导体研发需要大量资金和人才,波士顿拥有哈佛、麻省理工等优秀的教育和人才资源,并拥有杜邦、美国电话电报公司等多家实力雄厚的大企业,二战时期政府把大量军事订单派发给波士顿半导体公司,提供了资金支持和市场保障。1958 年,为应对苏联发射成功第一颗人造卫星,美国政府设立了晶体管电路小型化专项基金,而军方订单和政府支持使波士顿的半导体公司的生产和研发能力大大提升,很快成长为行业巨头。随后这些企业不断兼并上下游企业,形成垂直型等级管理模式,拥有从技术研发到生产制造,再到市场推广一系列产业链。


微处理器的发明被誉为是跨时代的创新,开启了计算机和互联网的技术革命。1968 年,戈登摩尔和罗伯特诺伊斯在硅谷创办了英特尔公司,英特尔公司最初的产品是半导体存储器芯片。1969 年,英特尔推出自己的第一批产品——3101 存储器芯片,随后又推出 1101和 1103,存储芯片价廉物美,供不应求,它的诞生正式宣告了磁芯存储器的灭亡。1971年,英特尔开发出第一个商用处理器 Intel 44004,微处理器所带来的计算机和互联网革命,改变了整个世界。


英特尔通过不断创新发展,最终成为微处理器领域的绝对龙头。1965 年,英特尔的创始人之一摩尔提出了著名的摩尔定律(Moore's Law):当价格不变时,集成电路上可容纳的元器件的数目,约每隔 18-24 个月便会增加一倍,性能也将提升一倍,英特尔以摩尔定律为准绳,通过不断创新追赶摩尔定律。1978 年,英特尔生产出了 16 位 8086 处理器,是所有 IBM PC 处理器的鼻祖。1981 年,IBM 为了短平快地推出 PC 产品,处理器直接采用英特尔的 8086,英特尔从此一举成名。1982 年,英特尔研发出与 8086 完全兼容的第二代 PC 处理器 80286,用在 IBM PC/AT 上。


1985 年,康柏制造出世界上第一台 IBM PC兼容机,随后 PC 兼容机企业像雨后竹笋一样涌现出来,但是为了和 IBM PC 兼容,处理器都是使用英特尔公司的。1989 年,英特尔推出了从 80386 到奔腾处理器的过渡产品80486。凭借 80486,英特尔一举超过所有日本半导体公司,成为了半导体行业的绝对龙头。直至今日,英特尔仍然是全球微处理器领域难以撼动的龙头。


发展:美国技术转移,战后日本半导体崛起


战后日本半导体产业的崛起首先依赖于国外技术转移。在上世纪 80 年代前,美国对技术转移不敏感,认为专利转让能让美国在没有时间和金钱的投资下获得丰厚收入,而日本的半导体技术正是抓住了美国技术转移的时代性机会窗口。


二战后美国本土半导体市场增长快速,利润率远超海外市场,一些美国公司也看到了海外市场的前景,但不愿意冒高成本和风险去开拓海外,由于日本的贸易保护政策,很多美国企业放弃了日本市场,另一些则是通过出售专利逐渐渗透日本市场。在利用转化和提升引进技术过程中,日本政府通过政策支持、资金补贴和低息贷款大力支持半导体行业的发展。



美日贸易摩擦,日本开始自主研发存储半导体。20 世纪 70 年代初,日本半导体行业与美国差距明显,日本政府适时引入外资、鼓励合营企业,半导体企业逐渐增长。随后美国迫使日本开放其国内计算机和半导体市场,促使日本政府下决心自主研发芯片,1976 年,日本政府以 5 大企业(富士通、日立、三菱、NEC、东芝)为核心,联合日本工业技术研究院、电子综合研究所和计算机综合研究所共同实施“超大规模集成电力(VLSI)”计划,随后三年内,VLSI 研究协会共申请专利 1210 项并开发出 64KRAM 随机存储器,为其DRAM 芯片的研制打下良好基础。


受益于 PC 兴起,日本顺势跃居世界半导体强国。20 世纪 80 年代,英特尔公司成功研发“通用型 MPU”,将半导体产品市场从“专用型”推向“通用型”,为 PC 市场的发展提供了前提条件,随后 PC 市场不断扩大,DRAM 的需求也随之大幅提升,预先布局存储的日本顺势跻身集成电路强国之列,在半导体领域逐渐赶超美国,根据日本半导体协会数据,1986 年日本半导体行业在全球市占率上升至 65%,成为行业龙头。1988 年,日本产商控制了全球半导体市场 51%的份额,1989 年,日本电气、东芝和日立同时位居世界半导体产量前三名。


扩散:美日贸易摩擦,韩国半导体趁势崛起


为稳定供应链,三星主动切入半导体领域。从上世纪 60 年代开始,韩国进入工业化时代,经济的高速增长及消费者收入水平的提高推动家电产品需求的上升,作为家电产品供应商,三星对半导体的需求随之增长,为了稳定半导体的供应,三星于 1974 年收购韩国半导体公司 50%的股份,初步进入半导体产业。


受限于落后的技术,当时半导体的核心部件需要从日本进口。1977 年三星收购韩国半导体公司剩余的 50%股权,同时还收购了在韩国半导体行业处于领先地位的外企仙童公司子公司,获得其芯片加工技术,在半导体行业逐渐赢得一席之地。


三星的技术引进战略奠定了存储半导体研发的基础。80 年代初,为了适应需求结构的变化,拓展国际市场,三星转向国外技术引进战略。通过与外国企业的技术合作及在海外设立子公司,三星逐步掌握从装配过程、工艺开发到晶片制造和检验的芯片制造技术。


1982年,三星从美国 Micron Technology 公司获得 64K DRAM 的技术许可,作为技术转让的一部分,三星派遣工程师赴该美接受培训,使得三星吸收许可技术的能力大大提高。1983年,三星电子在美国设立子公司,聘用当地的技术人员开发 64K DRAM,为公司的技术研发与前沿市场信息的获取提供支持。



竞争对手限制,三星从技术引进转向自主研发。随着三星相继开发成功 64K、256K、1M DRAM 半导体产品,国外竞争对手开始采取措施限制其发展,三星很难再实施以前的外国技术导入战略,竞争环境的变化,迫使三星从外国技术导入战略转向并行技术自研的新战略。


与此同时,韩国政府也逐步认识到半导体行业的重要性,并加大政策扶持力度,1986年,韩国政府推出《超大规模集成电路技术共同开发计划》,在政府的支持下,三星与现代电子、LG 电子合作成立开发半导体技术的国家研究开发小组,通过外聘技术人员和引进海外技术人才,三星在半导体领域迅速赶超欧美,跻身行业前沿团队。


财团模式+逆周期投资,韩国半导体取代日本。进入 90 年代,世界半导体行业整体下行,DRAM 逐渐通用化,依靠财团优势,三星加大投资和研发,通过引入大量 DRAM 设备实现规模生产形成价格优势并迅速抢占市场。


90 年代中后期,三星电子“双向型数据通选方案”获美国半导体标准化委员会认可,成行业新标准,对日本半导体行业造成二次冲击,与之对应的是日本半导体产业研发投资额逐年下降,创新产品匮乏,日本半导体进入衰退期并逐步丧失龙头地位。最终,韩国取代了日本成为新的世界半导体产业重心。


再分工:劳动力成本上升,制造部门向台湾转移


台湾半导体以代工起步,占据制造环节的领导地位。在上世纪 70 年代,台湾确定了以科技产业为核心的政策,扶持了众多科技公司,威盛电子、联电、富士康均在此期间成立,而台湾的电子产业相对完备,涉及手机、电脑、LED、电子组装等,整个产业链非常完善,相关公司众多,给了半导体企业发展和崛起的良好土壤。台湾为了支持半导体产业的发展,建立了世界上第一个由政府主导成立的科技产业园区——新竹科技产业园。


全球化分工更进一步,半导体代工模式兴起。台湾半导体企业起初专注于劳动密集型的封装环节,到 90 年代末期,随着全球贸易的进一步深化,我国台湾凭借相对廉价的劳动力优势(部分来自于大陆),以客户为导向的晶圆代工模式兴起,台积电、联电等台湾本土IC 代工企业崛起,给了半导体企业高速发展的源动力。


此后,台湾半导体产业发展迅速,联发科和晨星做芯片、日月光专注于晶圆制造、精材科技做封装,逐步将半导体范围扩大到设计、制造、封装、测试等全产业链。