半导体的现状及其发展趋势

中国计算50年

——中国数字电子计算机的创业历程及领路人

(2006-09-11 16:18:31)

■ 中国科学院院士、北京科技大学教授 高庆狮

编者按： 一转眼，中国的计算机事业已经走过了50个春秋。在《计算机世界》纪念中国计算机事业发展50年的过程中，我们看到，在这50年里，有太多激动人心的创举出现，也有太多令人黯然的无奈穿过。

几代大师为了中国计算机事业的发展鞠躬尽瘁，更多人为了中国计算机产业的前行奋发图强。为此，我们特邀中国科学院院士、北京科技大学教授、中国科学院计算技术研究所终身研究员高庆狮撰写此文，以纪念过往、庆祝成就，同时也警醒现状、激励未来。

50年风雨之后，为了寻求ICT的融合和计算领域的更大发展，中国正在积极酝酿更好的政策环境。2006年8月29日，全国信息产业科技创新会议在京召开。

自从1946年，世界上第一台数字电子计算机在美国诞生，与计算机最邻近领域的数学和物理界的共和国泰斗、世界数学大师华罗庚教授和中国原子能事业的奠基人钱三强教授，十分关注这一新技术如何在国内发展。

中国诞生计算机

从1951年起，国内外和计算机领域相近的其他领域人才，尤其是从国外回来的教授、工程师和博士，不断转入到该行业中。他们当中的很多人，都在华罗庚领导的中科院数学所和钱三强领导的中科院物理所里，其中包括国际电路网络权威闵乃大教授、在美国公司有多年实践经验的范新弼博士、在丹麦公司有多年实践经验的吴几康工程师，以及从英国留学回来的夏培肃博士和从美国留学回来的蒋士飞博士。

他们积极推动，把发展计算机列入12年发展规划。

1956年3月，由闵乃大教授、胡世华教授、徐献瑜教授、张效祥教授、吴几康副研究员和北大的党政人员组成代表团，参加了在莫斯科主办的“计算技术发展道路”国际会议，到前苏联“取经”，为我国制定12年规划的计算机部分做技术准备。当时的代表团主要成员后来都参加了12年规划。此外，范新弼、夏培肃和蒋士飞也加入规划制定中。在随后制定的12年规划中，确定了中国要研制计算机，并批准中国科学院成立计算技术、半导体、电子学及自动化等四个研究所。

计算技术研究所筹备处由科学院、总参三部、国防五院（七机部）、二机部十局（四机部）四个单位联合成立，北京大学、清华大学也相应成立了计算数学专业和计算机专业。为了迅速培养计算机专业人才，这三个单位联合举办了第一届计算机和第一届计算数学训练班。计算数学训练班的学生有幸听到了刚刚归国的钱学森教授和董铁宝教授讲课。钱学森教授在当时已经是国际控制论的权威专家，而董铁宝教授在美国已经有过3～4年的编程经验，也是当时国内惟一真正接触过计算机的学者。当时我也是学生之一。

钱学森的数学功底的深度和广度几乎涵盖了我们所学的数学的所有课程，而且运用自如，我们作为北大数学系学生，对此感到十分钦佩。同时，钱学森教授也帮助我们具体了解到，数学如何应用到实际物理世界中。

在前苏联专家的帮助下，由七机部张梓昌高级工程师领导研发的中国第一台数字电子计算机103机（定点32二进制位，每秒2500次）在中国科学院计算技术研究所诞生，并于1958年交付使用。参与研发的骨干有董占球、王行刚等年轻人。随后，由总参张效祥教授领导的中国第一台大型数字电子计算机104机（浮点40二进制位、每秒1万次）在1959年也交付使用，骨干有金怡濂，苏东庄，刘锡刚，姚锡珊，周锡令等人。其中，磁心存储器是计算所副研究员范新弼和七机部黄玉珩高级工程师领导完成的。在104机上建立的、由仲萃豪和董韫美领导的中国第一个自行设计的编译系统，则在1961年试验成功（Fortran型）。

国防是首要服务对象

在任何先进国家，计算机的发展首先都是为国防服务，应用于国家战略部署上，中国也不例外。1958年，北京大学张世龙领导包括当时作为学生的王选在内的北大师生，与中国人民解放军空军合作，自行设计研制了数字电子计算机“北京一号”，并交付空军使用。当时中国人民解放军朱德总司令还亲自到北京大学北阁“北京一号”机房参观了该机器。随后，张世龙带领北大师生（包括王选和许卓群在内），立即投入北大自行设计的“红旗”计算机研制工作，当时设定的目标比前苏联专家帮助研制的104机还高，并于1962年试算成功。但是由于搬迁和文革的干扰，搬迁后“红旗”一直没有能够恢复和继续工作。

与此同时，1958年，在哈尔滨军事工程学院（国防科技大学前身）海军系柳克俊的领导下，哈尔滨军事工程学院和中国人民解放军海军合作，自行设计了“901”海军计算机，并交付海军使用。在海军系康继昌的领导下，哈尔滨军事工程学院和中国人民解放军空军合作，自行设计的“东风113”空军机载计算机也交付空军使用。随后，柳克俊领导的国产晶体管军用的计算机，也在1961年交付海军使用。

1958年～1962年期间，中国人民解放军总参谋部也前后独立研制成功了一些自行设计、全部国产化的计算机。

1964年，中科院计算技术研究所吴几康、范新弼领导的自行设计119机（通用浮点44二进制位、每秒 5万次）也交付使用，这是中国第一台自行设计的电子管大型通用计算机，也是当时世界上最快的电子管计算机。当时美国等发达国家已经转入晶体管计算机领域，119机虽不能说明中国具有极高水平，但是仍然能表明，中国有能力实现“外国有的，中国要有；外国没有的，中国也要有”这个伟大目标。

在119机上建立的，是董韫美领导的自行设计的编译系统，该系统在1965年交付使用（Algol型），后来移植到109丙机上继续起作用。

哈尔滨军事工程学院计算机系慈云桂教授领导的自行设计的晶体管计算机441B（浮点40二进制位、每秒8千次）在1964年研制成功，骨干人员包括康鹏等人。1965年，441B机改进为计算速度每秒两万次。

与此同时，中科院计算技术研究所蒋士飞领导的自行设计的晶体管计算机109乙机（浮点32二进制位、每秒6万次），也在1965年交付使用。为了发展“两d一星”工程，1967年，由中科院计算机所蒋士飞领导，自行设计专为两d一星服务的计算机109丙机，并交付使用，骨干有沈亚城、梁吟藻等人。两台109丙机分别安装在二机部供核d研究用和七机部供火箭研究用。109丙机的使用时间长达15年，被誉为“功勋计算机”，是中国第一台具有分时、中断系统和管理程序的计算机，而且，中国第一个自行设计的管理程序就是在它上面建立的。

这些由中国科研人员自力更生、努力拼搏研制出的第一批计算机，代表了中国人掌握计算机的技术水平和成果，证明了中国有能力发展自己的全部国产化的计算机事业。

突破百万到超越亿计算

虽然我国自行设计研制了多种型号的计算机，但运算速度一直未能突破百万次大关。1973年，北京大学（由张世龙培养的、包括许卓群和张兴华等骨干人员）与“738厂”（包括孙强南、陈华林等骨干人员）联合研制的集成电路计算机150（通用浮点48二进制位、每秒1百万次）问世。这是我国拥有的第一台自行设计的百万次集成电路计算机，也是中国第一台配有多道程序和自行设计 *** 作系统的计算机。该 *** 作系统由北京大学杨芙清教授领导研制，是国内第一个自行设计的 *** 作系统。

1973年3月，在全国实际研制目标200～500万次不能满足中国飞行体设计的计算流体力学需要的情形下，时任国防科委副主任的钱学森，根据飞行体设计需要，要求中科院计算所在20世纪70年代研制一亿次高性能巨型机，80年代完成十亿次和百亿次高性能巨型机，并且指出必须考虑并行计算道路。中科院计算所根据国防情报所和计算所情报室提供的国际上的公开资料，分析了1970年前后美国研制的高性能巨型机的优缺点之后，于1973年5月提出“全部器件国产化一亿次高性能巨型机（20M低功耗ECL、电路-四条流水线）及其模型机（757向量计算机、10M ECL、电路-单条流水线）”的可行方案。由于文革中受到严重干扰，以及文革后“走马灯”式良莠不齐的领导乱指挥，尽管在1979年，由亚城负责的20M低功耗ECL电路的集成电路芯片投片已经研发成功，但是最终“全部器件国产化一亿次高性能巨型机”的研发，因为任务变化，最终搁浅。

表1和表2给出了代表中国掌握电子管、晶体管、集成电路计算机技术的发展时间表，水平主要是根据创新的“三性”中的先进性。需要说明的是，表中所列只是代表中国已掌握的计算机技术水平的计算机，其中，带*的103、104、119、150、757，及银河-1号巨型机和银河-2仿真计算机等7台计算机，都被载入“记述对中华文明发展起促进作用的重要历史事件”的中华世纪坛青铜甬道铭文中。

除了研制水平之外，产业、市场和应用的发展也同样重要。在批量生产计算机上，电子工业部及其相关研究所（例如著名的15所）和工厂（例如著名的738厂）功不可没。不仅上述中国早期计算机的研制和批量生产要依靠它们，而且它们也独立设计和研制过一些成批生产的计算机(例如108系列、与清华大学合作的DJS-130等），尤其在人造卫星地面系统（例如320计算机及舰上718计算机）及其他军工任务上，这些研究所和工厂都有过突出贡献。研究所和工厂研究工作的重点，主要是在技术和工艺方面。他们的领军人包括莫根生、陈立伟、曹启章及一批骨干人员，例如江学国等。现任中国工程院院士罗沛霖领导的仿IBM系列也起过历史性作用，沈绪榜和李三立负责的有关卫星天上和地上计算机及其他任务用的计算机也做出了重要的贡献。此外，七机部、清华大学及中科院各分院在发展计算技术方面还做出了许多贡献，这里就不枚举了。

中国自力更生全部国产化的半导体、集成电路计算机事业，和20世纪50～70年代林兰英、王守武、王守觉和徐元森等教授领导的中科院半导体所、上海冶金所和109厂的研究及开发工作是分不开的。中科院半导体所和109厂都是从中国科学院物理所独立出来的，中科院物理所对中国计算机事业的历史贡献功不可没。

人才培养至关重要

发展计算机事业离不开人才培养，20世纪50～70年代，中科院计算技术研究所(及之后的中国科技大学)的夏培肃副研究员、北京大学和哈尔滨军事工程学院，在组织教师和学生动手研制计算机、进行实践、培养人才等方面，都取得了很好的成绩。夏培肃领导组织教师和学生动手研制了107（定点32二进制位、每秒 250次）计算机，该计算机于1960年交付使用，并且还复制了两台。尽管107计算机比103（1958年交付使用）、104计算机（1959年交付使用）速度低了10倍到40倍，但是对培养人才起了重要作用。

一个计算机系统是由多方面研究成果构成的。范新弼领导的磁心存储器长期处于领先地位，其中主要的骨干有伍福宁、王振山、徐正春、张杰、甘鸿，等等。王克本领导了中国第一个八层印刷电路版研究与设计小组。方光旦在磁头、磁胶，张品贤在磁带，顾尔旺在磁鼓等方面，都做出了出色的贡献。实际上，大多计算机的研发都是集体成果，例如全国参加757计算机研发工作的人员，就有上千人。

我国第一个“计算机系统结构设计”小组于1957年在中科院计算所成立。20世纪50～70年代，它承担了中科院计算所代表性的计算机（119、109乙、109丙、757、717等计算机）的系统结构设计任务。参与成员则根据当时前苏联计算机领军人物、前苏联科学院列贝捷夫院士的建议，由年轻的数学专业毕业生组成。第一任小组负责人是国际网络权威人士闵乃大教授，第一个正式设计任务则是1958年5月国防部门的“导d防御系统计算机”系统结构设计。设计工作由北京大学张世龙和第二任小组负责人虞承宣，加上6名数学专业毕业的大学生组成，其中周巢尘、沈绪榜等3人后来分别由不同领域（软件、航天、系统结构）、不同单位被选为中科院院士。

中国20世纪60年代编译系统的带头人在当时都是年轻人，如中国人民解放军总参谋部杨奇、中科院计算所董韫美和仲萃豪、南京大学徐家福、国防科技大学陈火旺等。中国20世纪60年代 *** 作系统的带头人有北京大学杨芙清、南京大学大孙仲秀等，当时也都是年轻人。软件正确性设计（容易推广到硬件的正确性设计）是近20多年国际上关注的具有巨大经济效益、社会效益和理论价值的重大问题。我国领军人物何积丰院士、周巢尘院士如今已经是国际上知名的佼佼者。20世纪70年代，逐渐形成容错和检测理论和实践的带头人是魏道政，而知识处理的带头人是陆汝钤。

依赖进口弊端过大

20世纪70年代后期以后，中国研制的计算机，几乎全部使用进口元器件、进口部件。

由于超大规模集成电路迅速发展，数千万甚至上亿个晶体管逐渐能够集成在一个芯片上，20世纪80年代及其之后得到迅速发展的计算机，是普通个人使用的“微机”（PC机）及超强“微机”（后者可以组成服务器或者并行处理的高性能计算机），而其他各式各样的计算机（包括超级中小型计算机在内）由于性价比问题，无法和微机竞争，就自然逐步退出舞台了。国际上没有及时调整战略的计算机公司，例如CDC公司、王安公司等，纷纷倒闭。虽然如此，国内那一段过渡时期为了满足用户需求而研制的各种机型也曾有过较大贡献，例如张修领导的KJ8920，在为用户提供优质服务软件方面就很突出。

中国最早意识到个人计算机发展趋势而率先转向研究“微机”，并且做出突出贡献的带头人有倪光南、韩承德等。

国内高性能计算机，有慈云桂、卢锡城、周兴铭、杨学军领导的银河系列；张效祥、金怡濂、陈左宁领导的神州系列李国杰、孙凝晖领导的曙光系列；祝明发领导的联想深腾系列；以及周兴铭领导的银河-2数字仿真巨型机等。PC机有联想系列、长城系列、方正系列、同方系列等，其学术代表性带头人是倪光南，产业代表性的领军人是柳传志。

计算机产业作为一个产业链，软件发展依赖于整机和应用需求的发展整机的发展依赖于芯片、部件及需求的发展芯片的发展则依赖于“集成电路生产线大三角形”的发展。这里集成电路生产线大三角形是指集成电路生产线的三大部分，即大底座、中间层和顶层。大底座（价值十多亿美元的集成电路制造工艺生产线）是从拉单晶硅到光刻-扩散-参杂，到最后封装，相当于过去林兰英、王守武、王守觉和徐元森等领导中科院半导体所、上海冶金所的研究工作。中间层是各种高速低功耗电路设计，相当于过去中科院计算所电路设计组蒋士飞、沈亚城等人的研究工作。20世纪70年代，沈亚城所进行的高速低功耗ECL电路设计，直到做成芯片，才可以算做完成。顶层则是硅编译等等软件工作，这部分工作过去是计算所使用小规模集成电路时把逻辑设计图变成为工程布线图的手工工作，加上半导体所制造小规模集成电路各种掩模版所需的手工工作。在超大规模集成电路的情况下，从复杂性、可靠性角度，手工是绝对不可能完成的，需要依靠硅编译来自动完成。

在允许部分进口的环境下，一个产业链如果要求全部国产化，会造成一环落后引发产业链后续部分全部落后的情况；使用进口元器件、进口部件，使得各种类型整机可以在国际先进基础上得到发展，进而软件和应用都能在国际先进基础上得到发展，从市场经济角度看，这无疑是正确的。

但是，当国内所研制的计算机全部转向使用进口元器件、进口部件时，一方面中国的高性能计算和PC机的发展依赖于进口元器件和进口部件的水平另一方面中国的集成电路研制力量，由于缺少巨大的经济支持，都转向非计算机用的其他难度小的方向。

“元器件全部进口化”导致的结果是，不仅全部国产化的亿次高性能巨型机研制中止，而且真正完全自主的国产的计算机集成电路研制工作也中断，至今也没有恢复，甚至没有任何恢复的迹象，这两方面对国家安全都很不利。实际上，“集成电路生产线大三角形”依靠进口的集成电路生产线，就等于依赖外国集成电路生产线水平和外国政府批准向中国出口的集成电路生产线的水平。引进无法达到最先进，而且在特殊情况下，引进很可能中断，引进的生产线的备份件也不能得到更新。

“中国芯”何时真正崛起

进入21世纪以后，李德磊负责的“方舟”、胡伟武负责的“龙芯”、以及王沁参加负责的“多思”、方信我负责的“国安”等等“中国芯”项目不断涌现，计算机产业链国产化又前进了一大步。但当前或者未来将出现的众多的“中国芯”的共同点，都是“集成电路生产线大三角形”的一个应用。也就是说，其水平仍然是依赖于外国集成电路生产线水平和外国政府批准向中国出口的集成电路生产线的水平，仍然受制于人。

众多“中国芯”的主要的差别只是在系统结构设计上，或者在高速低功耗电路等设计上，有没有重大创新、重大突破。设计明显创新的，有国外学者称之为相当于“大学生课程设计”水平，虽然难听却也有几分道理。尽管能设计“中国芯”的人或公司越来越多，但是能设计“中国集成电路生产线大三角形”的人，如果不采取措施，不仅目前没有，恐怕不远的将来仍然是空白。如果中国不能制造中国的“集成电路生产线大三角形”，那么无论有多少种“中国芯”，中国的高性能计算机和中国PC机的发展水平就必然还是取决于美国“集成电路生产线大三角形”的发展水平及美国政府允许向中国出口的水平。

现实的道路是，我们可以通过引进、消化、吸收与独立研究相结合的方式发展芯片产业，而建立完全自主的“集成电路生产线大三角”，则应该是国家急需解决的重中之重。

早在1965年，中科院半导体所王守觉就开始研制从逻辑图到掩模版的自动形成系统“图形发生器”，这项研究比美国还早。由于文革破坏而中断了3年，1971年初研制成功时，反而比美国晚了一年多。以上历史说明，中国人的独立研究能力也不容忽视，研究环境也不容被忽视。

如何做到既能使产业链的各个环节的发展都能建立在国际最高水平之上，又能确保国家安全？这不仅仅是一个计算机产业链的问题，应该是许多产业链所存在的共同问题，更是决策者急需处理的政策问题。

中国半个世纪电子数字计算机事业的领路人，是在两位共和国功勋科学家华罗庚和钱三强关注下的一个群体，这个群体在50年前，是10多名从相邻领域转过来的30～40多岁的中青年带头人，和五、六十名受过专业教育的20多岁的青年骨干，还有数十名当时尚未出世的后起之秀，本文列举的，只是这个百人群体中的一小部分。

链接:文中部分科学家简历

华罗庚：江苏金坛人。中国解析数论、典型群、矩阵几何学、自守函数论与多复变函数论等很多方面研究的创始人与开拓者，国际知名数学家，先后当选美国科学院外籍院士，第三世界科学院院士，法国南锡大学、美国伊利诺大学、香港中文大学荣誉博士，联邦德国巴伐利亚科学院院士等。

钱三强：浙江湖州人，出生于浙江绍兴。核物理专家、中国核原子科学之父，曾师从居里的女儿、诺贝尔奖获得者伊莱娜?居里及其丈夫约里奥?居里。在中国研发原子d期间，担任技术总负责人、总设计师，被追授“两d一星功勋奖章”。

范新弼：电子计算机专家，湖南长沙人。1951年获美国斯坦福大学电子学博士学位，在电子器件研究与应用领域获8项美国专利。归国后，领导我国第一台大型计算机及其后多台大型计算机的磁芯存储器研制工作，领导中国半导体存储元件研究，建立了国内第一批测试设备。

张效祥：计算机专家、中国科学院院士（学部委员）、中国解放军总参谋部计算技术研究所研究员。领导中国第一台大型通用电子计算机的仿制并在此后的35年中主持中国自行设计的电子管、晶体管到大规模集成电路各代大型计算机的研制，为中国计算机事业的创建、开拓和发展，起了重要作用。1985年，领导完成中国第一台亿次巨型并行计算机系统。

钱学森：中国现代物理学家、世界著名火箭专家、全国政协副主席，浙江杭州市人，生于上海。钱学森曾在美国任讲师、副教授、教授以及超音速实验室主任和古根罕喷气推进研究中心主任。1950年开始，历经5年努力，于1955年才回到祖国，1958年起长期担任火箭导d和航天器研制的技术领导职务。

董铁宝：力学家、计算数学家，江苏武进人，“中国第一个程序员”（王选），长期致力于结构力学、断裂力学、材料力学性能、计算数学的研究和教学，我国计算机研制和断裂力学研究的先驱者之一。1945年赴美学习，1956年归国教学，1968年在文革中因受迫害自杀。

金怡濂：中国工程院院士、著名高性能计算机专家、国家最高科学技术奖获得者，原籍江苏常州。中国第一台大型计算机研制者之一，先后提出多种类型、各个时期居国内领先或国际先进水平的大型、巨型计算机系统的设计思想和技术方案，为我国高性能计算机技术的跨越式发展和赶超世界计算机先进水平有着重要贡献。

王选：江苏无锡人。著名的计算机应用专家，主要致力于文字、图形、图象的计算机处理研究。中国科学院院士、中国工程院院士、第三世界科学院院士、国家最高科学技术奖获得者。曾任北大方正集团董事、方正控股有限公司首席科技顾问，九三学社副主席、中国科协副主席、九三学社副主席、中国科协副主席。2003年当选十届全国政协副主席。

周巢尘：计算机软件专家，原籍江苏南汇，中国科学院院士（学部委员）、第三世界科学院院士、中国科学院软件研究所研究员，曾任联合国大学国际软件技术研究所所长。

杨芙清：北京大学计算机学科第一位教授、博士生导师，中国科学院院士（学部委员）、计算机科学技术及软件专家，无锡人。历任软件工程国家工程研究中心主任、北京大学信息与工程科学学部主任、北京大学软件工程研究所所长、北京大学计算机科技系教授。

孙仲秀：计算机科学家、中国科学院院士，原籍浙江余杭，生于江苏省南京市，历任南京大学助教、讲师、副教授、教授、博士生导师、副校长等职。1974年后主持研制了中国国产系列计算机DJS200系列的DJS200/XT1和 DJS200/XT1P等 *** 作系统。从1979年起开始对分布式计算机系统软件和应用进行了研究，1982年在国内首次研制成功ZCZ分布式微型计算机系统，研究和开发了多个实用的分布式计算机系统。

何积丰：中国科学院院士、计算机软件专家，生于上海，祖籍浙江宁波。现任华东师范大学终身教授、软件学院院长，上海嵌入式系统研究所所长、联合国大学国际软件技术研究所高级研究员。早年进行管理信息系统和办公自动化系统的研发。

吴几康：安徽歙县人。计算机专家、中国计算机事业的开拓者之一。曾于1951年至1953年在丹麦任无线电厂开发工程师，归国后调至中国科学院近代物理研究所，后参与筹建计算技术研究所。1965年负责研制成功两台大型通用计算机，后参与筹建771微电子学研究所，任副所长和研究员。

张梓昌：电子计算机专家。江苏崇明（今属上海市）人。历任航天工业部第二研究院所长、测控公司总工程师，中国计算机学会第一届副理事长，中国宇航学会第一、二届理事。长期从事电子设备和计算机的研制，曾负责我国第一台计算机的技术工作，是我国计算机技术的学科带头人之一。

张世龙：北京大学计算机科学与技术系主任、教授，曾参加我国第一台自行设计制造的大型计算机119机和北大红旗计算机的系统设计。

慈云桂：著名计算机科学家、教授，中国科学院技术科学部学部委员，安徽桐城人。历任国防科技大学副校长兼电子计算机系主任和计算机研究所所长等职，先后主持了我国多种型号计算机的研制，从领导研制我国第一台电子管数字计算专用机，到担任“银河”亿次计算机研制的技术总指挥和总设计师，为国家经济建设、国防建设及科学研究事业做出了突出贡献。

冯康：应用数学和计算数学家、中国科学院院士、世界数学史上具有重要地位的科学家。生于江苏南京，原籍浙江绍兴。其独立创造了有限元方法、自然归化和自然边界元方法，开辟了辛几何和辛格式研究新领域。中国现代计算数学研究的开拓者。1997年底国家自然科学一等奖授予冯康的另一项工作“哈密尔顿系统辛几何算法”。历任中国科学院计算技术研究所任副研究员、研究员，中国科学院计算中心主任、名誉主任。(排名不分先后)

(计算机世界报)

参考资料：http://www.cnii.com.cn/20060808/ca371826.htm

半导体行业爆发的迹象越来越明显，全球范围内都是如此，在一些区域市场，销量增幅更是达到了两位数，半导体领域各个品类都实现了同比增长，其中存储器更是成了引领行业增长的先锋。

据《中国半导体分立器件制造行业发展前景与投资预测分析报告》的分析，预计今年半导体行业的销售规模将会达到3800亿元，今年和明年半导体市场的发展前景将会持续向好。

目前，我国半导体行业已经有不少企业都探索出了自身的发展路径。那些具备半导体研发设计与分销能力的企业，更容易在市场上脱颖而出，这也说明企业只有通过技术积累、研发创新以及市场开拓，才能在市场上取得较好的成绩。

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。

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