半导体：趋势、周期和供应链安全半导体

作者：闫德利

半导体是现代数字经济的核心

半导体是现代经济的基石。它无处不在，必不可少。从计算机、手机、消费电子、家电，到汽车、金融、能源、医疗，乃至工业设备、航空航天、军事武器，都是由半导体提供动力和连接。从某种意义上说，我们的世界建立在半导体之上。

半导体是整机设备的心脏，是支撑数字经济发展的关键基础设施单元。没有芯片，就没有数字化（欧盟委员会，2022）。随着数字化、网络化、智能化的发展，半导体在产品中的价值含量不断提升。以汽车为例，2022年平均每辆汽车中的半导体价值是712美元，预计2025年增加到931美元。半导体是产品竞争力的重要组成部分，也是影响产业链和国家安全的关键环节。由于芯片短缺，2021年全球减产了1056万辆汽车，2022年减产438万辆。如果芯片供应无法保障，某些国家的坦克和导弹将成为废铁。

半导体是现代数字经济的核心，是国际竞争的焦点。各国纷纷开展技术竞赛，把半导体芯片作为国家战略。美国签署《2022芯片与科学法案》，提供527亿美元的政府补贴和25%的投资税收抵免。欧盟发布《欧洲芯片法案》，计划到2030年投资430亿欧元，将尖端和可持续半导体的产量提升至全球的20%以上。日本试图重拾昔日辉煌，努力实现半导体复兴，发布了《半导体和数字产业发展战略》，八大巨头联合设立高端芯片公司Rapidus，目标是在2027年实现2nm芯片量产。韩国发布《K—半导体战略》，拟10年投资4500亿美元，建设全球最大的半导体制造基地。我国坚定不移推进高水平科技自立自强，努力破解“卡脖子”难题，注册成立国家集成电路产业投资基金二期，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》（国发〔2020〕8号）。

摩尔定律：半导体技术

以指数级速度进步

摩尔定律是在1965年《电子学》杂志上一篇不经意之作中提出的，只是几行漫不经心的文字。现在的表述简洁有力——集成电路上晶体管数量每18个月（或24个月）翻一番。摩尔定律描绘了半导体的技术进步是指数方式，而非线性。但多数人难以理解这种持续不断的指数增长，尤其是会严重低估最后数据的规模，低估即将到来的一切。在古印度棋盘与麦粒的故事中，在一个小小棋盘上按指数规则摆放麦粒，所需数量之巨是国王无法想象的，也是难以承担的。

经过五十多年的技术进步，半导体行业已非常先进。1971年第一款商用微处理器Intel 4004问世，它采用10微米制程工艺，集成了2250个晶体管。如今工艺制程达到2纳米，拇指盖大小的芯片上可包含500亿个晶体管。四十年间，工艺制程缩小5000倍，晶体管数量增加2000万倍。目前，半导体发展日益迫近物理极限、功耗极限、工艺极限和经济极限（魏少军，2020），器件缩放变得越来越困难。很多人质疑摩尔定律是否有效，像之前的那些人一样。

我们需要注意，摩尔定律不是客观存在的物理学定律，而是经验法则，是人们付出努力所获得的结果，某种程度上也代表着人们对未来可实现的预期。其长期有效的根本原因在于人们的创造力，没有持续的创造，就不会有摩尔定律，也就不会有持续的技术进步。

半导体周期：

一个兴衰交替的行业

摩尔定律揭示了半导体技术指数进步的大趋势。在商业上，半导体是一个典型的周期性行业，繁荣和萧条交替出现。半导体的需求是连续的，供给是阶跃的，这是造成半导体周期的主要原因。

图 全球半导体销售额及同比增长率

当前半导体正处于萧条周期。如下图所示。按销售额同比增长率的正负判断，本轮周期从2020年一季度进入上行周期，经过2021年的极度繁荣后，于2022年三季度进入下行周期。迄今整个周期已持续3.5年，其中上行10个季度，下行4个季度。按销售额同比增长率的曲线判断，本轮周期从2019年二季度开始上行，2021年二季度达到波峰；之后进入下行周期。迄今整个周期已持续4年多，其中上行9个季度，下行8个季度。有专家预测，当前或已达下行周期底部附近，有望回升。

图 全球半导体季度销售额同比增速

来源：根据WSTS数据整理

半导体在国际贸易中的

价值丝毫不亚于石油

在很多人的印象中，石油、铁矿石和粮食是国际贸易的大宗商品。我国是世界最大的原油进口国，但其进口额远不及集成电路。根据海关总署数据，2015年我国（大陆地区，下同）集成电路进口额超过原油，成为最大进口商品，并持续至今；2018年集成电路进口额超过2万亿元，并持续至今；2022年进口额高达2.77万亿元，占进口总额的15.3%。如下图所示。

图 我国集成电路和原油的进口额占进口总值的比例

来源：根据海关总署数据整理。

可以用“三个最大”来表示我国半导体的进出口情况。半导体是我国进口额最大的商品；我国是全球最大的半导体进口国，2021年进口额占世界的37.2%；我国是全球最大的半导体出口国，2021年出口额达2076亿美元，占世界的20.1%。

半导体是韩国的经济命脉，是韩国出口额最大的产品。2022年出口额达1308亿美元，占出口总额的19.1%。在美国，半导体是第五大出口商品，2022年出口额611亿美元，仅次于成品油、原油、天然气和飞机。

半导体市场高度集中

半导体是一个快速迭代、风险极高的行业，制造芯片是一个复杂漫长的过程。为保持竞争力，必须不断地将巨额资金投入到研发投资、设备采购和新工厂建设。根据SIA数据（2023），过去二十多年，美国半导体行业研发和资本支出额占销售额的比例维持在30%左右，去年为35%；研发支出占销售额的比例在15%以上，2022年为18.75%，仅次于制药和生物技术产业，是第二高的行业。不只是美国，所有玩家的研发支出占销售额的比例都必须保持较高水平，欧洲为15%，中国台湾11%，韩国9.1%，日本8.3%，中国大陆7.6%。高额的资本支出和研发投资对半导体行业必不可少。

芯片的生产发生在一个全球性的、复杂的供应链中，并且在一些重要环节呈过于集中趋势，只有少数几家公司（甚至只有一家）能参与其中。例如，只有中国台湾和韩国能够制造10纳米以下先进制程的逻辑芯片，各占92%和8%的产能；只有荷兰ASML一家公司可以生产7nm先进制程的EUV光刻机；在设计环节，Cadence、Synopsys、Ansys和西门子EDA四家美国企业占据EDA软件90%以上的份额；自1997年至今，美国一直占有全球最大的半导体市场份额，去年占48%。

人才也呈集中化趋势，华人对芯片行业举足轻重。英伟达黄仁勋、台积电张忠谋、AMD苏姿丰、联发科蔡力行，是半导体领域最引人瞩目的华裔企业家。在TRI公布的2020年全球十大芯片设计厂商中，有八家掌舵人是华人。

“世界秩序由硅决定，芯片力量令人恐惧。”。近年受新冠疫情和地缘政治等多重因素影响，全球缺“芯”日益严重，进一步暴露出半导体供应链的脆弱性。半导体是高水平科技自立自强的重要领域，是必须打赢的一场攻坚战。