本文來自於“獨角獸智庫”公眾號，作者為獨角獸研究，原標題為《【獨角獸研究】半導體入門系列之一》。
開始接觸半導體行業時，印象最深的感受是：哪裏都有你，但哪裏都看不透你，因為半導體在這個智能化的社會已經基本無處不在，雖然基本邏輯一樣，但是應用不同又會劃分出不同的種類，再加上它的市場規模龐大，導致產業鏈雖然長，但是每個細分環節的市場規模都不算小。今天嘗試把自己學習和研究結果跟大家做個分享，希望對初學者有所啟發。
先上兩張半導體全面圖，第一張主要告訴我們，在電子化和智能化的過程中，為了實現不同功能，需要開發不同種類的芯片；第二張是半導體核心產業鏈和配套產業。
一、分立器件和集成電路的關係
半導體直接的解釋是指導電性能介於導體和絕緣體之間、並可以通過摻入雜質來改變其導電性能的材料。二極管和三極管是分立器件中最重要的元件類別，半導體材料是它們的基礎，只是之前還有電子管和晶體管之分，但是電子管因為燈絲的熱損耗，效率比晶體管低，現在已很少見到，絕大部分是晶體管，所以我們現在討論二極管、三極管時已經把前面的半導體或晶體省去。簡單來講，二極管是具有單向導電的二端器件，三極管的作用是放大電流。
晶體管出現後才有了集成電路，這裏插一個故事來解釋這個問題：1942年在美國誕生了世界上第一臺電子計算機，它是一個佔地150平方米、重達30噸的龐然大物，裏面的電路使用了17468只電子管、7200只電阻、10000只電容、50萬條線，耗電量150千瓦。很顯然，佔用面積大、無法移動是它最直觀和突出的問題，如何能把這些電子元件和連線集成在一小塊載體上是當時很多科學家思考的問題。1947年，美國貝爾實驗室製造出來了第一個晶體管，在此之前要實現電流放大功能只能依靠體積大、耗電量大、結構脆弱的電子管，而晶體管不僅具備電子管的主要功能，並且克服了電子管的上述缺點，這樣一來，把電子線路中的分立元器件集中製作在一塊半導體晶片上，實現一小塊晶片就是一個完整電路就成為了可能，這就是初期集成電路的由來。
因此，分立器件和集成電路的關係可以從字面上去理解，即分立和集成、器件和電路的關係。由於它們的基礎都是半導體材料，所以為了方便，把它們都歸於半導體行業中。
二、細分市場規模
縱向種類劃分：根據世界半導體貿易協會（WSTS）統計，2016年全球半導體市場規模是3389億美元，其中集成電路市場規模為2767億美元，佔比81.6%。進一步細分，邏輯芯片的市場規模最大，達到949億美元，佔比28%，接下來分別是存儲器、微處理器和模擬電路，佔比是22%、19%和13%。而從最近的數據來看，預計2017年全球半導體市場規模會超過4000億美元，存儲器產值有望超1100億美元，成為佔比最高的集成電路細分品種。
橫向產業鏈劃分：按照全球半導體企業的營收來測算，半導體設計市場規模在800-900億美元，晶圓製造環節的市場規模大約是500億美元，半導體封測市場規模也在500億美元左右，這部分的數據大家大概瞭解一下級別就可以，具體數據不是很準確，因為有些企業設計到多個環節。原材料和半導體設備的市場規模都在400-500億美元，都包含了製造和封測環節所需的材料和設備。
三、核心能力指標
在IC設計、晶圓製造和封測這幾個環節中，晶圓製造是進入壁壘最高的環節，就是給你同樣的先進設備和材料，沒有掌握相關工藝是做不出來先進晶圓的，而這部分工藝的開放度很低，這也是臺積電為什麼能夠佔領50%市場份額的主要原因之一。
晶圓製造涉及兩個參數，一是上游材料硅片的尺寸，二是代表晶圓工藝的蝕刻尺寸，即晶體管之間的距離。
1）在一定範圍內，硅片尺寸越大越好，因為這樣每塊晶圓能生產更多的芯片，比如同樣使用0.13微米的製程在200mm的晶圓上可以生產大約179個處理器核心，而使用300mm的晶圓可以製造大約427個處理器核心，300mm直徑的晶圓的面積是200mm直徑晶圓的2.25倍，出產的處理器個數卻是後者的2.385倍，並且300mm晶圓實際的成本並不會比200mm晶圓來得高多少，因此這種成倍的生產率提高顯然是所有芯片生產商所喜歡的。但是硅片具有的一個特性限制了生產商隨意增加硅晶圓的尺寸，那就是在晶圓生產過程中，離晶圓中心越遠就越容易出現壞點。因此從硅片中心向外擴展，壞點數呈上升趨勢，這樣我們就無法隨心所欲地增大晶圓尺寸。半導體硅片是個市場高度集中的行業，日本信越、日本勝高、中國臺灣環球晶圓、韓國LG和德國Silitronic這五大廠壟斷了全球超過90%的市場份額，原因是半導體硅片對純度的要求極高（99%的小數點後面要11個9以上），相較於太陽能硅片（小數點後要6個9），半導體硅片整個工藝流程（原料純度，管道清洗，提純塔，廠房潔淨度等）的要求都高出許多。目前主流的硅片尺寸為300mm（12英寸）、200mm（8英寸）和150mm（6英寸），其中12英寸硅片佔比超過60%，主要用在高性能芯片上，由於硅片尺寸越大，工藝難度越高，所以目前我國對300mm（12寸）硅晶圓的需求還基本依靠進口。
2）蝕刻尺寸是在一個硅片上所能蝕刻的一個最小尺寸，更先進的製造工藝，所能蝕刻的尺寸越小，那一塊硅片上所能生產的芯片就越多，成本也就隨之降低、處理器的運算效率也會增加。此外，體積的減少可以降低耗電量，更容易塞入行動裝置中以滿足未來輕薄化的需求。目前先進主流的晶圓技術是12英寸硅片加14nm製程，而為了應對更強運算能力和更低功耗的需求，10/7nm甚至5nm工藝已經提上應用議程。雖然半導體工藝從微米級到納米級，納米級從90nm到40nm過程中，核心指標“計算能力單位成本”持續下降，也就是工藝提高可以帶來明顯的收益，但是當工藝進入20nm這個級別之下，上述規律已經不明顯，開發成本快速提升導致收益下降，所以目前來看，28nm製程是性價比最高的節點。
四、行業增長驅動力
半導體行業的增長有一定的週期性，它的景氣週期主要由新科技帶來的終端需求提升，比如1970-1990年，受到大型機、個人電腦等終端消費推動，全球半導體銷售產值從5億美金增長到1000億美金；2001-2007年，受到筆記本、無線通訊、家電等消費推動，全球半導體銷售產值從1400億美金增長到2500億美金；2009－2014年，需求推動的力量是智能手機為代表的移動互聯網產品，這一時期全球半導體銷售產值從2200億美金增長至3300億美金。
預計從2017年開始到2022年，受到AI、物聯網、5G、汽車智能化等的推動，全球半導體銷售產值將突破5000億美金。具體來講有三方面增長驅動力：1、消費電子創新帶動新型IC（AMOLED驅動、無線充電芯片等）高增長；2、汽車電子化率持續提升帶來汽車半導體持續增長；3、物聯網、AI、AR/VR等新型終端持續放量。
1）消費電子是目前半導體產值最高的下游，目前能看到未來2-3年消費電子確定性創新方向主要包括LCD屏幕往OLED屏幕轉變、3d攝像頭、無線充電、3D背板等，這些創新領域都會帶動相關芯片需求增長。
2）汽車電子化的核心驅動力是智能駕駛和新能源汽車，智能駕駛需要更多傳感器和通信網絡來製程，因此會新增很多電子需求，主要包括車載攝像頭、毫米波雷達、激光雷達、Tbox、汽車通訊系統等；新能源汽車系統中用電動機取代傳統的內燃機，新增大量高價值量電子部件，包括鋰電池、IGBT等功率器件。據PWC數據，目前全球汽車的電子化率（電子零部件成本/整車成本）不到30%，未來會逐步提升到50%以上，從絕對值看，目前單車半導體價值量接近400美金，未來將以每年5-10%的增速持續提升。
3）物聯網主要應用在智能家居，車聯網，智能醫療，智能工控等領域，據ICInsight數據，2015年全球物聯網半導體領域市場規模在224億美元，預計到2020年、2025年市場規模分別為429億美元、919億美元，基本實現5年翻一倍的增速，未來10年CAGR約為14%。從芯片種類來看，物聯網需要最大的三類芯片分別是傳感器芯片、通信芯片和控制芯片。傳感器芯片主要包括圖像傳感器、化學傳感器、濕度傳感器、電磁傳感器等；通信芯片主要包括藍牙、蜂窩、WiFi、ZigBee等；控制芯片主要包括MCU芯片等。
4）其實消費電子、汽車智能和物聯網的顛覆性增長都需要AI芯片的支持，AI芯片是目前引領半導體行業先進技術發展的核心。AI產業鏈根據技術層級從上到下分為基礎層、技術層和應用層，基礎層分為計算能力層與數據層，以GPU、FPGA、ASIC和類腦芯片為代表的計算芯片位於計算能力層。此外，不同環節的不同需求會催生專用計算芯片，比如深度學習主要分為訓練和推斷兩個環節，在數據訓練階段，大量的標記或者未標記的數據被輸入深度神經網絡中進行訓練，隨着深度神經網絡模型層數的增多，與之相對應的權重參數成倍的增長，從而對硬件的計算能力有着更高需求，此階段（訓練階段）的設計目標是高併發高吞吐量；推斷環節分為兩大類——雲側推斷與端側推斷，雲側推斷不僅要求硬件有着高性能計算，更重要的是對於多指令數據的處理能力，比如Bing搜索引擎同時要對數以萬計的圖片搜索要求進行識別推斷從而給出搜索結果，而端側推斷更強調在高性能計算和低功耗中尋找一個平衡點，設計目標是低延時低功耗。（編輯：張鵬豔）
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