全球与中国芯片产业链透视

       近年来，随着数字技术和人工智能技术飞速发展，芯片的应用领域不断拓展，在全球经济及社会发展中的重要性与日俱增。全球芯片市场需求持续增长，芯片产业从设计、制造到封装测试的产业链格局正在迅速变迁，产业链结构也在不断优化。本文将对全球与中国芯片产业链进行概要分析，供广大读者参考。

深度分析，解读芯片产业链

       完整的芯片产业链主要包括芯片的设计、制造和封装测试主要环节，此外还衍生出包括芯片制造设备、关键材料等在内的相关支撑产业。按照上下游产业划分，芯片产业链可简单的划分为：上游包括EDA软件、芯片制造所需的材料及设备；中游为芯片设计与制造过程，包括芯片设计、芯片制造、封装测试；下游广泛应用于通讯设备、人工智能、汽车电子、消费电子、物联网、工业、医疗、军工等领域。如图1所示：

       其中，EDA软件是芯片设计的核心工具，是芯片设计和制造流程的支撑，是芯片设计方法学的载体，也是连接设计和制造两个环节的纽带和桥梁，位于芯片产业链的上游。
一个完整的芯片设计和制造流程主要包括工艺平台开发、芯片设计和芯片制造三个阶段。工艺平台开发阶段主要由晶圆厂主导完成，在其完成半导体器件和制造工艺的设计后，建立半导体器件的模型并通过PDK（Process Design Kit，工艺设计套件）或建立IP和标准单元库等方式提供给芯片设计企业。芯片设计阶段主要由芯片设计企业主导完成，其基于晶圆厂提供的PDK或IP和标准单元库进行电路设计、仿真验证和物理实现。芯片制造阶段主要由晶圆厂根据物理实现后设计文件完成制造。

       上述三个设计与制造的主要阶段均需要对应的EDA工具作为支撑，包括用于工艺平台开发和芯片制造两个阶段的制造类EDA工具，以及支撑芯片设计阶段的设计类EDA工具。

       芯片制造设备和材料，是位于芯片产业链上游的另外两大重要支撑环节。在《芯片是怎样“炼”成的》一文中，我们将芯片的制造过程简单分为晶圆加工、氧化、光刻、刻蚀、薄膜沉积、互连、测试和封装八个步骤。其中所需要的设备包含了硅片晶炉、热处理设备、光刻机、涂胶显影机、刻蚀设备、离子注入设备、清洗设备、薄膜沉积设备、检测设备、抛光设备等。此外，芯片制造过程中，主要用到的材料包含硅片、电子特种气体、光掩膜版、光刻胶、抛光材料、高纯度湿电子化学品、靶材、封装材料^[1]等。各设备和材料种类的介绍如下表1、表2所示。
       注：《对芯片分类的探讨》一文中，我们根据半导体材料类型的分类维度，归纳了三代半导体材料。其中硅和锗是第一代材料；砷化镓和磷化铟为第二代材料；碳化硅和氮化镓为第三代材料。硅是目前应用最广泛的芯片材料，大多数常见的芯片都是由硅材料制作而成。此处我们主要总结芯片制造中的常见材料，所以只归纳硅片。

       芯片设计位于芯片产业链中游，芯片能实现怎样的功能主要看最初芯片的整体设计。其将系统、逻辑与性能的设计转化为具体的物理版图，包括芯片的规格制定、RTL（寄存器传输级）code实现、编码检查与分析、功能验证、逻辑综合、布局布线、静态时序分析、物理验证、功耗分析、时序仿真等关键步骤。关于芯片的设计过程，详见《数字芯片是怎样设计出来的？》一文。

       封装测试是芯片产业链中游的第三个专业化环节。芯片封装的主要作用是给微小精密、易受损的芯片裸片提供一个坚固耐用的保护壳，同时把裸片上密集微小的电信号触点与封装外较大的电信号引脚或焊点相连，以便芯片可以方便地焊接在电子元件中。芯片测试通常包括两个步骤：功能测试和性能测试。功能测试是检查芯片的功能是否正常的过程，通常包括检查芯片的输入、输出，以及它们之间的逻辑连接是否正确。性能测试是确保芯片在运行时具有良好性能，包括对芯片的功耗、运行速度以及其他可能影响芯片性能的因素进行测试。

       依据生产设计和制造能力的不同，芯片行业划分出三种运营模式，分别是：IDM、Fabless和Foundry。芯片行业是高技术壁垒的行业，由于芯片设计与制造包含的流程众多，芯片企业负责的环节不同，也就产生了不同的运营模式。

       早期的芯片企业以IDM模式为主，IDM模式也称为垂直一体化模式，即企业同时拥有设计和制造能力^[2]，是一种集芯片设计、制造、封装、测试和销售等多产业链环节于一体的产业运作模式。这种产业模式可以很好地协同设计、制造等环节以实现技术闭环，有助于快速发掘技术潜力，但其运作费用较高，通常回报偏低。

       随着经济的发展，一部分IDM企业开始让出部分生产环节，交给独立企业来制造，自己转型成只做设计的企业，以获得更高的利润。这种新模式称为垂直分工模式，将设计、制造和封装测试分离成芯片产业链中独立的一环。

       垂直分工模式包含Fabless和Foundry模式。Fabless是指只从事芯片设计与销售，而不涉及制造、封装和测试等环节的一种产业运作模式。这种产业模式运作费用较低，投资规模较小，转型灵活，但无法做到IDM的技术协同设计，很难完成严苛的指标。Foundry即常说的“芯片代工厂”，负责生产、制造芯片的厂家，它是只负责芯片制造、封装或测试的其中一个环节，而不负责芯片设计环节的一种产业运作模式。这种产业模式不用承担市场或产品设计缺陷等决策风险。但投资规模较大，维持产线稳定运行的费用较高。