吴汉明院士发声，芯片制造面临3个挑战，国产后来居上还有希望

中国的芯片产业落后已经不是什么秘密了。中国大陆在芯片设计、封装和测试领域表现出色，但在其他子行业中占比相对较低，受制于人的情况非常严峻。

国产芯片受制于人

在EDA工具、半导体IP、半导体设备、材料等芯片产业链的上游，我国陷入了瓶颈。

在中游制造业，中国的芯片产能也与市场地位严重不匹配；中国是世界上最大的芯片市场，但在2020年中国芯片市场总量中，中国大陆企业创造的产值仅占5.9%。

芯片是工业的“粮食”，实现芯片自主可控便是保障国家工业安全。 ,但现在中国的芯片产业依赖进口，这显然令人担忧。

那么，国产芯片有可能突破吗？答案是肯定的。

国产芯片未来有希望

现在国内芯片受制于人的情况越来越受到关注。越来越多的资本、人才、福利和政策正涌入中国的芯片行业。这就把国产芯片推上了快车道。

与此同时，中国芯片市场连续16年位居世界第一，巨大的消费市场给了中国企业足够的发展空间。国内替代的趋势给了中国本土企业更多的机会。

更重要的是，中国正处于从摩尔时代到后摩尔时代的产业转型过程中，这给了中国芯片产业巨大的机遇。

先简单科普一下摩尔定律：摩尔定律最初是被英特尔创始人戈登摩尔在1965年提出的一个概念，核心内容为：在价格不变时，集成电路上可容纳的元器件数目每隔18-24个月便会增加一倍，性能也会提升一倍。

摩尔定律被认为是芯片行业的黄金法则，但它在20nm失效：100万个晶体管的价格在28nm时为2.7美分，但在20nm时上升到2.9美分。这违反了摩尔定律最基本的条件，价格不变。

由此，后摩尔时代带来了旧的法律与芯片行业现状的脱节。芯片行业需要寻求新技术来推动芯片向前发展，中国有望抓住机遇迎头赶上。

这既是挑战，也是机遇

在6月9日的2021世界半导体大会上，中国工程院院士吴汉明，阐述了后摩尔时代芯片制造的三大核心挑战，这对中国来说既是挑战，也是机遇。

一是，基础挑战：精密图形。

当波长大于物理尺寸时，分辨率会极其模糊。目前芯片制造中使用的主要技术是用193nm波长光源曝光数十纳米图形，其未来发展将受到欧战的挑战。

二是，核心挑战：新材料、新工艺。

原有的材料已经逐渐不能满足芯片开发的需要。为了继续推动芯片性能的提高，需要新的材料。比如主流硅基芯片很难进一步细化，阻碍了芯片性能的提高。因此，业界正在寻找新的材料。

三是，终极挑战：提升良率。

提高产量是非常困难的。如果成品率不达标，在芯片制造过程中会产生大量的浪费，很难降低生产成本。从这个角度来看，后摩尔时代有很多挑战。

但在后摩尔时代，芯片研制难度与成本快速攀升，使得行业脚步放慢。而放缓的摩尔定律，对中国这样的追赶者来说，是一个难得的赶超机会。

同时，后摩尔时代先进制程前进困难，成熟制程有望迸发出巨大的发展空间。

为此，中芯国际以先进制造工艺为发展方向，也在积极开发先进包装，以应对后摩尔时代。与此同时，台积电成熟工艺的比例也在增加。

写在最后

今天，虽然中国的芯片产业还很落后，但如果能抓住后摩尔时代的机遇，国产芯片就能从自主控制走得更远，赶上芯片领域。

说起国产芯片，大多数人都是一知半解的，对于国内芯片品牌发展现状也知之甚少。虽说芯片一直是 国人心中的痛，但随着我国科研人员的不懈努力，国产芯片也有不少龙头。

芯片产业是由很多环节组成的，共同分工合作促成行业的发展。其中，涵括芯片设计，芯片制造，芯片封测测试，半导体设备端等等几大环节。而其中芯片设计环节，国内以海思，紫光展锐，联发科，汇顶科技等为主导；芯片制造环节，国内以中芯国际，北方华创，华虹宏力等为主导；芯片封测测试环节，国内以长电科技，通富微电，晶方科技等为主导；半导体设备端环节，国内以北方华创，中微半导体，盛美股份等为主导。

目前国内已经拥有六家国产电脑芯片研发企业，他们所研发的芯片分别是龙芯、华为鲲鹏、沸腾、海光、申威、兆芯，那这六大国产芯片巨头实力到底如何呢？我们从这六大国产电脑芯片产品可以看出，实力最强则是华为鲲鹏920芯片，在2019年就达到了 7nm工艺制程水准，随后便是海光达到了14nm工艺水准，飞腾、兆芯也达到了16nm工艺水准，剩下龙芯、申威这两家芯片企业依旧停留在28nm工艺水准，而这六款芯片也采用了不同的芯片架构，有主流的ARM、X86芯片架构，也有MIPS、alpha架构。

这也代表了目前国产芯片发展三大路线，分别是IP内核授权模式、指令集架构授权模式、授权+自主研制模式。我们可以看到这三大国产芯片发展路线，也是各有优劣，但由于目前国产芯片整体实力依旧还有着较大差距，如果单从芯片设计能力水平方面来看，无疑以华为为代表的指令集架构授权模式更好，而华为海思也是目前唯一能够跻身于世界顶尖水平的国产芯片企业。

当然，这些芯片公司主要都是在移动芯片领域上有着较为不错的成绩，其他芯片领域还是有着不少企业影响力也不小，希望经历这次的国外芯片垄断后，中国能够研发出自己的世界品牌，在国际芯片领域上逐步产生话语权。

功率半导体行业背景：

功率器件原理：

功率器件特指转换并控制电力的功率半导体器件。电力转换包括转换一个或多个电压、电流或频 率；功率控制指控制输入和输出的功率大小。（电力转换 核心 目标是提高能量转换率、减少功率损耗。关断时没有漏电，导通时没有电压损失， 在开关切换时没有功率损耗。电力控制 核心 是使用最小的输入控制功率保证输出功率的大小和时延。）

半导体器件分类：

功率半导体应用范围

功率半导体下游应用广泛，基本上涉及到电力系统的地方都会使用功率器件。下游应用领域主要可分为几大部分： 消费电子、新能源 汽车 、可再生能源发电及电网、轨道交通、白色家电、工业控制，市场规模呈现稳健增长态势。

功率半导体发展

功率半导体分类及特点

功率器件性能对比

功率半导体市场规模

功率半导体用于所有电力电子领域，市场成熟稳定且增速缓慢。行业发展主要依靠新兴领域如新 能源 汽车 、可再生能源发电、变频家电等带来的巨大需求缺口。成熟市场规模：根据IHS Markit 数据显示2018年全球功率器件市场规模为391亿美元， 中国功率市场规模为138亿美元 ，全球占比 35%。

纯增量市场规模：我们主要测算了国内新能源 汽车 、充电桩、光伏和风电四个领域中应用功率半导体市场空间。

①新能源 汽车 领域市场需求到2025年约160亿元，2030年约275亿元。

②公共直流充电桩领域2020-2025年累计市场需求约140亿元，2025-2030年累计需求约400亿元。

③光伏领域2020-2025年累计市场需求约50亿元，随政策调整有望进一步增长。

④风电领域2020-2024 年累计市场需求约30亿元。整体看，国内功率半导体市场2025年四个领域提供纯增量规模预计达 200亿元。

根据Omdia数据显示，2018年全球排名前十功率半导体企业来自于美国、欧洲和日本，合计市占率达60%。国内功率半导体市场自给率偏低，中高端功率MOSFET和IGBT自给率不足10%，国产替代空间巨大。

行业发展趋势一：不需要追赶摩尔定律，倚重制程工艺、封装设计和新材料迭代，整体趋向集成 化、模块化

功率半导体整体进步靠制程工艺、封装设计和新材料迭代。设计环节：功率半导体电路结构简单， 不需要像数字逻辑芯片在架构、IP、指令集、设计流程、软件工具等投入大量资本。 制造 环节： 因不需要追赶摩尔定律，产线对先进设备依赖度不高，整体资本支出较小。封装环节：可分为分 立器件封装和模块封装，由于功率器件对可靠性要求非常高，需采用特殊设计和材料，后道加工价值量占比达35%以上，远高于普通数字逻辑芯片的10%。

行业发展趋势二：新能源与5G通信推动第三代半导体兴起

新能源、5G等新兴应用加速第三代半导体材料产业化需求，我国市场空间巨大且有望在该领域快 速缩短和海外龙头差距。①天时：第三代材料在高功率、高频率应用场景具有取代硅材潜力，行业整体处于产业化起步阶段。②地利：受下游新能源车、5G、快充等新兴市场需求以及潜在的硅材替换市场驱动，目前深入研究和产业化方向以SiC和GaN为主，国内市场空间巨大。③人和：第三代半导体核心难点在材料制备，其他环节可实现国产化程度非常高，加持国家在政策和资金方 面大力支持。我们认为该行业技术追赶速度更快、门槛准入较低、国产化程度更高，中长期给国内功率半导体企业、衬底材料供应商带来更多发展空间确定性更强。

行业发展趋势三：IDM模式更适合功率半导体行业，代工可以提供产能、工艺技术补充

海外功率半导体龙头企业都采用IDM模式，国内功率半导体行业商业模式以IDM为主，设计+代工为辅。

国内上市公司

国内功率半导体发展分析

企业简介：

公司主营业务是以IGBT为主的功率半导体芯片和模块的设计研发和生产，并以IGBT模块形式对外实现销售。IGBT模块的核心是IGBT芯片和快恢复二极管芯片，公司自主研发设计的IGBT芯片和快恢复二极管芯片是公司的核心竞争力之一。公司总部位于浙江嘉兴，在上海和欧洲均设有子公司，并在国内和欧洲均设有研发中心。

自2005年成立以来，公司一直致力于IGBT芯片和快恢复二极管芯片的设计和工艺及IGBT模块的设计、制造和测试，公司的主营业务及主要产品均未发生过变化。2019年，IGBT模块的销售收入占公司销售收入总额的95%以上，是公司的主要产品。

股权结构：

斯达的创始人，深耕 IGBT 领域十五年：

董事长兼创始人沈华（1963 年），于1995 年获得美国麻省理工学院（MIT）材料学博士学位，1995年7月至1999年7月任西门子半导体部门（英飞凌前身，1999 年成为英飞凌公司）高级研发工程师，1999 年 8 月至 2005 年任赛灵思公司高级项目经 理。

胡畏（1964 年），副总经理，1994年获美国斯坦福大学工程经济系统硕士学位。 1987年至1990年任北京市计算中心助理研究员，1994年至1995年任美国汉密尔顿证券商业分析师，1995 年至2001年任美国 ProvidianFinancial 公司市场总监，执行高级副总裁助理，公司战略策划部经理。2005 年回国创办公司。

从前十大流通股东来看，多只公募基金二季度新进前十大股东。2季度均价150。

财务介绍：

摸鱼打分73分，ROE8.21%，2020年上半年，公司实现营业收入41,647.84万元，较2019年上半年同期增长13.65%，实现归属于上市公司股东的净利润8,067.11万元，较2019年上半年同期增长25.30%，扣除非经常性损益的净利润6,903.77万元，较2019年上半年同期增长31.00%。同时，公司主营业务收入在各细分行业均实现稳步增长： （1）公司工业控制和电源行业的营业收入为32,924.94万元，较上年同期增长15.86%；（2）公司新能源行业营业收入为6,981.03万元，较上年同期增长6.03%；（3）公司变频白色家电及其他行业的营业收入为1,649.38万元，较上年同期增长12.35%。

PE200倍，处于 历史 66%位置，PB28.72倍， 历史 66%的位置。

公司看点：

公司采用以市场为导向，以技术为支撑，通过不断的研发创新，开发出满足客户需求的具有市场竞争力的功率半导体器件，为客户提供优质的产品和技术服务。

公司产品生产环节主要分为 芯片和模块设计、芯片外协制造、模块生产 三个阶段。

阶段一：芯片和模块设计。公司产品设计包含IGBT芯片、快恢复二极管芯片的设计和IGBT模块的设计。本阶段公司根据客户对IGBT关键参数的需求，设计出符合客户性能要求的芯片；根据客户对电路拓扑及模块结构的要求，结合IGBT模块的电性能以及可靠性标准，设计出满足各行业性能要求的IGBT模块。

阶段二：芯片外协制造。公司根据阶段 一 完成的芯片设计方案委托第三方晶圆代工厂如上海华虹、上海先进等外协厂商外协制造自主研发的芯片，公司在外协制造过程中提供芯片设计图纸和工艺制作流程，不承担芯片制造环节。

阶段三：模块生产。模块生产是应用模块原理，将单个或多个如IGBT芯片、快恢复二极管等功率芯片用先进的封装技术封装在一个绝缘外壳内的过程。由于模块外形尺寸和安装尺寸的标准化及芯片间的连接已在模块内部完成，因此和同容量的器件相比，具有体积小、重量轻、结构紧凑、可靠性高、外接线简单、互换性好等优点。公司主要产品IGBT模块集成度高，内部拓扑结构复杂，又需要在高电压、大电流、高温、高湿等恶劣环境中运行，对公司设计能力和生产工艺控制水平要求高。本阶段公司根据不同产品需要采购相应的芯片、DBC、散热基板等原材料，通过芯片贴片、回流焊接、铝线键合、测试等生产环节，最终生产出符合公司标准的IGBT模块。

公司销售主要采取直销的方式进行销售，根据下游客户的分布情况，除嘉兴总部外在全国建立了六个销售联络处，并于瑞士设立了控股子公司斯达欧洲，负责国际市场业务开拓和发展。

下游应用：

中国工控 IGBT 市场按照总体 150 亿 RMB 工控占比 29%计算大约在 44 亿 RMB。 按照国内复合增速 5%，则 2025 年国内工控的市场空间约为 60 亿元；这一块是斯达半导的基本盘，行业需求分散稳定且波动相对较小。英威腾和汇川技术等工控领域国内 领军公司一直都是斯达半导排名第一第二的大客户。

疫情加速了国内下游工控行业的国产替代进程，疫情同时阻碍了英飞凌等 IGBT 产品进入国内。斯达工控 IGBT 可能处于下游本 土需求增加+加速替代国外龙头提升份额的有利局面，预计在后疫情时代工控 IGBT 领 域持续提升市占率的过程也将持续。

IGBT 占新能源车成本近 8%，且是纯增量产品。 IGBT 模块在新能源 汽车 领域中发挥着至关重要的作用，被广泛应用于电机控制器、车载空调、充电桩等设备。IGBT 模块的作用是交流电和直流电的转换，同时IGBT模块还承担电压的高低转换的功能。新能源 汽车 外接充电时候是交流电，需要通过 IGBT模块转变成直流电然后给电池，同时要把交流电压转换成适当的电压以上才能给电池组充电。

在电动车领域主要应用分三类： 1）电驱动系统：IGBT 模块将直流变交流后驱动 汽车 电机（电控模块）； 2）车载空调变频与制热：小功率直流/交流逆变，这个模块工作电压不高，单价相对也低一些； 3）充电桩中 IGBT模块被用作开关使用：直流充电桩中 IGBT模块的成本占比接 近 20%；

电池成本占比最大，一般来说可以占到约电动车总成本 40%以上；2）成本占比第二大的是电机驱动系统,可以达到电动车总成本的 15%~20%,而 IGBT则占到电机驱动系统成本 40%-50%，等价于 IGBT 占新能源车总成本接近 8%的比例。

并且，对于IGBT来说，新能源 汽车 对 IGBT 需求是纯增量，因为传统燃油车功率半导体器件电压低，只需要Si基的 MOSFET，而新能源 汽车 在 600V以上MOSFET无法达到要求，必须要换成 IGBT；因此 IGBT 是仅次于电池以外第二大受益的零部件。

斯达在家电 IPM 和光伏风电等都有相关布局，但是营收占比还相对较小，19 年占比在 4%左右，可能和市场空间相对较小，公司选择先攻克工控和新能源 汽车 的战略有关，在供应链安全因为外部环境受到威胁的大背景下，斯达未来在这一块不断增长的利基市场还是有比较大的替代潜力，是斯达的潜在期权增量领域。

行业地位：

由于IGBT对设计及工艺要求较高，而国内缺乏IGBT相关技术人才，工艺基础薄弱且企业产业化起步较晚，因此IGBT市场长期被大型国外跨国企业垄断，国内市场产品供应较不稳定；随着国内市场需求量逐步增大，供需矛盾愈发突显。我国政府于《中国制造2025》中明确提出核心元器件国产化的要求，“进口替代”已是刻不容缓。公司具备自主研发设计国际主流IGBT芯片和快恢复二极管芯片的能力和先进的模块设计及制造工艺水平，全面实现了IGBT和快恢复二极管芯片及模块的国产化，是国内IGBT行业的领军企业。

根据全球著名市场研究机构IHS在2019年发布的最新报告，2018年度公司在全球IGBT模块市场排名第八，市场占有率2.2%，是唯一进入前十的中国企业。

未来看点：

短期看工控IGBT ：20年疫情背景加速了下游如汇川技术等客户变频器/伺服等产品的国产替代（汇川中报业绩预告高速增长），同时斯达竞争对手英飞凌等产能受限物流受阻，斯达工控IGBT目前处于客户高增长和竞争对手暂时受阻碍的有利局面，二三季度边际向好确定，未来2年工控IGBT是斯达的基本盘；

中期看车载IGBT ：车载IGBT行业增速快于工控，且认证慢，安全性和产品性能要求高；斯达前期车载IGBT产品持续研发布局，累计给20家车企客户进行小批量配套供货，预计接下来将迎来收获期，且恰逢IPO扩产增加车载IGBT产能，预计车载IGBT将较快起量，是公司20-25年增长最快的细分领域；新能源 汽车 业务进展顺利，新增多个项目定点。上半年新能源乘用车销量大幅下滑的背景下，公司新能源领域营收仍小幅增长，估计公司已成为低功率电动车细分领域最大的IGBT模块供应商，同时斩获了多个国内外知名车型平台定点，将在2022年开始SOP。另外，48V功率器件开始大批量装车应用，出货量有望继续上升。

长期看SIC布局 ：斯达对SIC持续投入研发，并和宇通等联合开发基于SIC的电机控制系统，预计2024年左右国内会迎来SIC器件渗透率拐点，测算不同SIC渗透率和斯达在IGBT/SIC器件不同市占率下斯达2025年的收入，显示2025年斯达收入在42亿-64亿之间，净利率20%左右。

---