半導體是現代數字經濟的核心
半導體是現代經濟的基石。它無處不在，必不可少。從計算機、手機、消費電子、家電，到汽車、金融、能源、醫(yī)療，乃至工業(yè)設備、航空航天、軍事武器，都是由半導體提供動力和連接。從某種意義上說，我們的世界建立在半導體之上。
半導體是整機設備的心臟，是支撐數字經濟發(fā)展的關鍵基礎設施單元。沒有芯片，就沒有數字化（歐盟委員會，2022）。隨著數字化、網絡化、智能化的發(fā)展，半導體在產品中的價值含量不斷提升。以汽車為例，2022年平均每輛汽車中的半導體價值是712美元，預計2025年增加到931美元（來源：Gartner）。半導體是產品競爭力的重要組成部分，也是影響產業(yè)鏈和國家安全的關鍵環(huán)節(jié)。由于芯片短缺，2021年全球減產了1056萬輛汽車，2022年減產438萬輛（來源：AutoForecast Solutions）。如果芯片供應無法保障，某些國家的坦克和導彈將成為廢鐵。
半導體是現代數字經濟的核心，是國際競爭的焦點。各國紛紛開展技術競賽，把半導體芯片作為國家戰(zhàn)略。美國簽署《2022芯片與科學法案》，提供527億美元的政府補貼和25%的投資稅收抵免。歐盟發(fā)布《歐洲芯片法案》，計劃到2030年投資430億歐元，將尖端和可持續(xù)半導體的產量提升至全球的20%以上。日本試圖重拾昔日輝煌，努力實現半導體復興，發(fā)布了《半導體和數字產業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略》，八大巨頭聯合設立高端芯片公司Rapidus，目標是在2027年實現2nm芯片量產。韓國發(fā)布《K—半導體戰(zhàn)略》，擬10年投資4500億美元，建設全球最大的半導體制造基地。我國堅定不移推進高水平科技自立自強，努力破解“卡脖子”難題，注冊成立國家集成電路產業(yè)投資基金二期，印發(fā)《新時期促進集成電路產業(yè)和軟件產業(yè)高質量發(fā)展的若干政策》（國發(fā)〔2020〕8號）。
摩爾定律：半導體技術以指數級速度進步
摩爾定律是在1965年《電子學》雜志上一篇不經意之作中提出的，只是幾行漫不經心的文字。現在的表述簡潔有力——集成電路上晶體管數量每18個月（或24個月）翻一番。摩爾定律描繪了半導體的技術進步是指數方式，而非線性。但多數人難以理解這種持續(xù)不斷的指數增長，尤其是會嚴重低估最后數據的規(guī)模，低估即將到來的一切。在古印度棋盤與麥粒的故事中，在一個小小棋盤上按指數規(guī)則擺放麥粒，所需數量之巨是國王無法想象的，也是難以承擔的。
經過五十多年的技術進步，半導體行業(yè)已非常先進。1971年第一款商用微處理器Intel 4004問世，它采用10微米制程工藝，集成了2250個晶體管。如今工藝制程達到2納米，拇指蓋大小的芯片上可包含500億個晶體管。四十年間，工藝制程縮小5000倍，晶體管數量增加2000萬倍。目前，半導體發(fā)展日益迫近物理極限、功耗極限、工藝極限和經濟極限（魏少軍，2020），器件縮放變得越來越困難。很多人質疑摩爾定律是否有效，像之前的那些人一樣。
我們需要注意，摩爾定律不是客觀存在的物理學定律，而是經驗法則，是人們付出努力所獲得的結果，某種程度上也代表著人們對未來可實現的預期。其長期有效的根本原因在于人們的創(chuàng)造力，沒有持續(xù)的創(chuàng)造，就不會有摩爾定律，也就不會有持續(xù)的技術進步。
半導體周期：一個興衰交替的行業(yè)
摩爾定律揭示了半導體技術指數進步的大趨勢。在商業(yè)上，半導體是一個典型的周期性行業(yè)，繁榮和蕭條交替出現。半導體的需求是連續(xù)的，供給是階躍的，這是造成半導體周期的主要原因。
和摩爾定律一樣，半導體周期不是數學意義上的概念，而是人類行為導致的帶有周期性質的波動現象，不可能用一個公式或一個具體數字進行表達。對于周期長度和周期次數，人們有著不同看法。這首先取決于如何定義。德意志銀行（2022）認為，如果當月半導體銷售額高于上個月或高于過去12個月的平均值，則一個周期將持續(xù)。更直觀的方式是把銷售額增長率作為評判標準。通過下圖中的紅線——月度銷售額的同比變化率，我們可以清晰看出周期性變化。中金公司（2022）認為，自1978年以來全球半導體經歷了7輪大周期，目前處于第8輪大周期。近20年來，全球半導體行業(yè)每隔4-5年經歷一輪小周期。
圖 全球半導體銷售額及同比增長率
當前半導體正處于蕭條周期。如下圖所示。按銷售額同比增長率的正負判斷，本輪周期從2020年一季度進入上行周期，經過2021年的極度繁榮后，于2022年三季度進入下行周期。迄今整個周期已持續(xù)3.5年，其中上行10個季度，下行4個季度。按銷售額同比增長率的曲線判斷，本輪周期從2019年二季度開始上行，2021年二季度達到波峰；之后進入下行周期。迄今整個周期已持續(xù)4年多，其中上行9個季度，下行8個季度。有專家預測，當前或已達下行周期底部附近，有望回升。
圖 全球半導體季度銷售額同比增速
來源：根據WSTS數據整理
半導體在國際貿易中的價值絲毫不亞于石油
在很多人的印象中，石油、鐵礦石和糧食是國際貿易的大宗商品。我國是世界最大的原油進口國，但其進口額遠不及集成電路。根據海關總署數據，2015年我國（大陸地區(qū)，下同）集成電路進口額超過原油，成為最大進口商品，并持續(xù)至今；2018年集成電路進口額超過2萬億元，并持續(xù)至今；2022年進口額高達2.77萬億元，占進口總額的15.3%。如下圖所示。
圖 我國集成電路和原油的進口額占進口總值的比例
來源：根據海關總署數據整理
可以用“三個最大”來表示我國半導體的進出口情況。半導體是我國進口額最大的商品；我國是全球最大的半導體進口國，2021年進口額占世界的37.2%；我國是全球最大的半導體出口國，2021年出口額達2076億美元，占世界的20.1%（來源：彼得森國際經濟研究所，2022）。
半導體是韓國的經濟命脈，是韓國出口額最大的產品。2022年出口額達1308億美元（來源：韓國科學技術信息通信部），占出口總額的19.1%。在美國，半導體是第五大出口商品，2022年出口額611億美元，僅次于成品油、原油、天然氣和飛機（來源：SIA）。
半導體市場高度集中
半導體是一個快速迭代、風險極高的行業(yè)，制造芯片是一個復雜漫長的過程。為保持競爭力，必須不斷地將巨額資金投入到研發(fā)投資、設備采購和新工廠建設。根據SIA數據（2023），過去二十多年，美國半導體行業(yè)研發(fā)和資本支出額占銷售額的比例維持在30%左右，去年為35%；研發(fā)支出占銷售額的比例在15%以上，2022年為18.75%，僅次于制藥和生物技術產業(yè)，是第二高的行業(yè)。不只是美國，所有玩家的研發(fā)支出占銷售額的比例都必須保持較高水平，歐洲為15%，中國臺灣11%，韓國9.1%，日本8.3%，中國大陸7.6%。高額的資本支出和研發(fā)投資對半導體行業(yè)必不可少。
芯片的生產發(fā)生在一個全球性的、復雜的供應鏈中，并且在一些重要環(huán)節(jié)呈過于集中趨勢，只有少數幾家公司（甚至只有一家）能參與其中。例如，只有中國臺灣和韓國能夠制造10納米以下先進制程的邏輯芯片，各占92%和8%的產能（來源：SIA，2021）；只有荷蘭ASML一家公司可以生產7nm先進制程的EUV光刻機；在設計環(huán)節(jié)，Cadence、Synopsys、Ansys和西門子EDA四家美國企業(yè)占據EDA軟件90%以上的份額（來源：Griffin Securities，2023）；自1997年至今，美國一直占有全球最大的半導體市場份額，去年占48%（來源：SIA，2023）。
人才也呈集中化趨勢，華人對芯片行業(yè)舉足輕重。英偉達黃仁勛、臺積電張忠謀、AMD蘇姿豐、聯發(fā)科蔡力行，是半導體領域最引人矚目的華裔企業(yè)家。在TRI公布的2020年全球十大芯片設計廠商中，有八家掌舵人是華人。
“世界秩序由硅決定，芯片力量令人恐懼。”（日經中文網，2022）。近年受新冠疫情和地緣政治等多重因素影響，全球缺“芯”日益嚴重，進一步暴露出半導體供應鏈的脆弱性。半導體是高水平科技自立自強的重要領域，是必須打贏的一場攻堅戰(zhàn)。
來自： 騰訊研究院
閆德利 騰訊研究院資深專家
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