集成電路產業研發合作網絡特征分析
——基于產業鏈視角

吳菲菲，韓朝曦，黃魯成

(北京工業大學 經濟與管理學院，北京 100124)

0 引言

集成電路被稱為“現代工業糧食”，是培育戰略性新興產業、發展信息經濟的重要支撐，具有基礎性和先導性，提升集成電路產業技術水平成為各國在高科技國力競爭中必爭的戰略制高點[1]。集成電路產業技術復雜，產業結構高度專業化，隨著產業規模擴張，競爭加劇、研發難度加大，分工進一步細化，產業發展模式由原來以IDM(Integrated Device Manufacturer，整合元件制造商)為主逐漸向上游Fabless(不涉及晶圓生產的設計環節)+中游Foundry(晶圓代工)+下游OSAT(封裝和測試的外包)分工協作轉變[2]。國內集成電路產業鏈各環節發展水平不同，中興事件暴露出我國核心技術受制于人、極度依賴進口、創新能力不足等問題[3]。因此，從產業鏈視角出發，分析集成電路產業鏈研發合作網絡特征并認清自身所處位置，對提升我國集成電路產業競爭力具有重要意義。

產業鏈的形成源于全球價值鏈分工[4]。隨著經濟全球化，經過長期市場競爭，企業在全球價值鏈中的位置逐漸明確，地位相對穩定。由于“微笑”曲線的存在，位于價值鏈高端的企業獲利更多，上游企業對產業發展的制約和引領作用更強。因此，為了追求價值最大化，提高自身在產業鏈中的影響力，企業希望向價值鏈高端和產業鏈上游移動。然而，產業鏈升級并不能單純依靠投資實現，沒有長期持久的技術研發創新能力大幅提高，企業難以改變自身地位。集成電路屬于高技術密集型產業，產業鏈各環節技術復雜度較高，技術研發風險大，企業要建立全產業鏈技術優勢極其困難。為了提高市場競爭力，深度融入產業鏈、在關鍵環節具備不可替代性、與產業鏈共同進步，成為企業創新決策的目標，產業鏈升級更是成為中國企業擺脫跨國公司低端鎖定的重要途徑[5]。

我國產業鏈研究以國外價值鏈與供應鏈研究為基礎[6]。企業經營發展需要“上家”和“下家”支持，三者共同構成產業鏈的上游-中游-下游[7]。目前,產業鏈研究主要集中在產業鏈對創新的影響、產業鏈整合與升級及產業鏈與創新生態系統3個方面，具體研究內容與代表文獻見表1。

表1 產業鏈相關研究內容及代表文獻

以上研究從不同視角對產業鏈進行了分析，認為嵌入價值鏈或產業鏈后，企業研發創新績效會得到提升，并且效果是由嵌入價值鏈后的橫向或縱向合作決定的[9]。但是嵌入產業鏈后的研發合作網絡具有什么樣的特征？這些特征又是怎樣影響創新績效的？解決以上問題對于擺脫低端鎖定、向產業鏈高端攀升具有重要意義。

產業鏈不同環節具有不同的技術特點，當技術革新導致某一市場發生變化、消費者需求發生轉變時，市場需要基于應用場景進行自下而上或基于新興設計進行自上而下的研發活動。此時，產業鏈上下游企業之間會根據自身技術優勢，對子項目進行研發創新，分析集成研究成果，整合相關生產要素[12]。因此，從產業鏈不同環節觀察集成電路產業研發合作網絡特征，探究各環節研發合作特點，可為產業整體發展以及合作伙伴選擇提供指引。同時，有助于認清我國企業在集成電路產業鏈各環節中的位置，進而為我國集成電路產業鏈整體競爭力提升戰略制定提供依據。

目前，我國集成電路產業研究主要從產業整體及集成電路設計、制造環節發展現狀展開，具體研究內容及代表文獻見表2。

表2 集成電路產業相關研究內容及代表文獻

上述成果為深入開展集成電路研究奠定了基礎。但是，基于產業鏈視角的集成電路產業研發合作研究相對缺乏，無法為處于產業鏈不同環節的企業發展提供針對性的指導，難以針對性地提出提高產業鏈整體競爭力、促進產業協同發展的對策建議。為此，本文從產業鏈視角出發，將研發合作網絡嵌入產業鏈中，對產業鏈各環節發展現狀及網絡規模、小世界性、無標度等網絡特征進行分析，探究嵌入產業鏈前后研發合作網絡特征及誘因，并揭示我國集成電路產業研發合作與國外的差距。

1 研究設計

1.1 研究數據

集成電路產業鏈分為上游集成電路設計、中游集成電路制造和下游集成電路封測3個環節[22]，每個環節包含多道工序(見圖1)。各環節具有不同的特點，技術要求也不同。集成電路產業鏈結構如圖1 所示。

圖1 集成電路產業鏈結構

產業鏈上游設計環節用的主流技術為40～28～16/14nm，先進的設計技術已經入10nm領域，7nm工藝也在研發之中。產業鏈中游最重要的是晶圓制造，對資金和設備要求很高[23]。企業為了保持自身競爭力，每年用于設備采購等資本性開支比例較高。從65nm開始，晶圓制造生產線投資呈幾何增長，隨著集成電路制程節點縮小，制造技術難度成倍增加，能跟隨工藝發展的制造廠商越來越少[23]。2017年，傳統封裝形式(如SOP、TSOP、QFP等)逐漸被取代，先進的封裝形式開始成為封測行業主流，其中扇出型封裝(Fan-out)是封裝技術領域的熱點[22]。

集成電路產業涉及多種技術，本文借鑒王文霄[24]基于集成電路產業鏈各環節關鍵技術的IPC分類號和主題詞構建的專利檢索策略，在德溫特專利數據庫中檢索下載1980-2016年相關技術領域專利數據共193 212條，檢索時間為2019年1月10日，剔除重復、缺失以及專利權人代碼為個人和非標準的專利數據后，獲得專利數據152 738條；提取并界定專利權人標準代碼大于等于2的專利共9 484項作為研發合作專利，統計每個專利權人擁有滿足條件的IPC分類號數量；剔除IPC分類號數量小于10的專利權人后，獲得專利權人815個；根據專利權人所屬產業鏈環節識別模型，將815個專利權人劃分到集成電路產業鏈3個環節中，上游共251個專利權人、中游462個、下游102個；最后，根據專利權人之間的研發合作關系，分別構建產業鏈整體、產業鏈各環節以及各環節間的研發合作網絡。

1.2 專利權人所屬產業鏈環節識別模型

研究嵌入產業鏈后的研發合作網絡，首先要明確產業鏈劃分原則，但目前尚缺乏專利權人所屬產業鏈環節的具體規定或劃分方法。為此，本文結合公司官網、行業報告、新聞以及專利等信息，提出專利權人所屬產業鏈環節識別模型，如圖2所示。

識別專利權人所屬產業鏈后，構建嵌入產業鏈前后的研發合作網絡，運用復雜網絡理論和方法，分析集成電路研發合作網絡特征差異，嵌入產業鏈前后研發合作網絡如圖3所示。

產業鏈視角下，研發合作網絡既包括產業鏈上、中、下游3個環節的研發合作網絡，也包括各環節之間的研發合作網絡。具體而言，當節點間合作關系存在上(中、下)游時，則被視為上(中、下)游研發合作網絡；當節點間合作關系同時出現在上中下游之間時，則定義為產業鏈各環節間合作網絡。

1.3 集成電路產業鏈研發合作復雜網絡分析

1.3.1 網絡規模

節點數量反映網絡規模，直接決定了嵌入網絡的主體能獲得的最大關系數。產業鏈中規模較大的研發合作網可以通過密集但不重復的合作關系增強主體競爭力，提高創新能力。產業鏈某環節網絡的參與主體越多，即節點數越多，各主體獲得信息和資源的可能性越大，通過合作獲得的資源越豐富，網絡規模反映了該環節相關企業對研發合作行為的偏好。

1.3.2 網絡小世界性

小世界性往往是網絡演化的必然結果，表征研發合作網絡中任意兩個主體之間的合作關系距離很短。在研發合作初期，多數企業傾向與熟悉的個體合作，組建獨立研發團體。隨著研發活動推進，個體行為的相似性會產生較多冗余信息，這時部分個體會從研發團體外尋找有用的信息，使得研發合作網絡的小世界性凸顯[25]。若研發合作網絡具有小世界性，企業間的研發合作行為會在很大程度上受到距離因素限制。較高的聚簇程度會促成節點間相互信任和更緊密的合作，從而提高信息交流效率和準確度；較短平均路徑長度有利于獲取新鮮的、非冗余信息，從而激發靈感，促進研發合作[26][27]。但從產業鏈視角看，是否每個環節的研發合作網絡均具有小世界性有待驗證。

1.3.3 網絡無標度特征

節點度分布代表網絡中節點的合作主體數量，揭示了研發合作網絡可能具有的無標度特征。若研發合作網絡具有無標度特征，說明在研發合作活動中，多數主體傾向于選擇與具有大量合作關系的主體建立研發合作關系，因為這些主體擁有更多的合作對象，同時也擁有更強的研發能力，在選擇研發合作伙伴時擁有更多選擇權，因此與之合作能更便捷地獲取信息、資源及先進技術。研發合作網絡的增長性和優先連接性共同導致了無標度網絡的度服從冪律分布。產業鏈不同環節的合作要求與選擇行為是網絡是否具有無標度特征的重要原因。

1.3.4 網絡節點影響力范圍及主體特征

小世界性和無標度特征與網絡節點中心性密切相關。高中心度有利于網絡小世界性和無標度特征的形成，但僅測度網絡中心性不足以體現節點的影響力范圍，也不能揭示國家競爭力。為了進一步測度網絡節點的影響力范圍，擬采用以中間中心度、度數中心度、接近中心度為三維坐標系的x、y、z坐標軸，以節點在三維坐標系中的坐標到原點的歐式距離為半徑形成的1/4球狀區域表示節點影響力范圍，分析模型如圖4所示。

圖2 專利權人所屬產業鏈環節識別模型

a 產業鏈整體研發合作網絡 b 嵌入產業鏈后的研發合作網絡

圖4 節點影響力范圍分析模型

雖然影響力范圍較大的節點數量不會很多，但是其影響可以迅速傳遍整個網絡，對復雜網絡的結構和功能至關重要[28]。若M點到原點的歐式距離大于N點到原點的歐式距離，則M點的影響力范圍大于N點的影響力范圍，M點的研發合作或政策變化等很容易影響到N點，但是N點幾乎影響不到M點。通過考察節點影響力范圍，明確各專利權人在產業鏈各層研發合作網絡中的影響力范圍，為進一步分析國家競爭力奠定了基礎。同時，在產業鏈發展過程中，主體之間通過合作實現關聯、捆綁，加深產業鏈融入程度，穩固企業在產業鏈中的地位。通過對節點影響力范圍較大的節點代表的主體特征進行分析，可以明確產業鏈合作是否建立在主體信任的基礎之上。

2 結果分析

2.1 集成電路產業鏈研發合作專利數量分析

雖然集成電路產業專利數量很多，但無論是產業整體還是產業鏈各環節，絕大多數合作專利數量未超過對應總量的10%(見圖5)。根據集成電路產業鏈研發合作專利數量變化情況，并考慮各階段時間長度的可比性，將集成電路產業嵌入產業鏈前后的專利申請情況分為4個階段，如圖6所示。

(1)階段1：產業發展早期階段(1980-1989年)，企業技術特征和優勢形成時期。集成電路產業鏈研發合作專利從無到有，合作水平較低，產業鏈整體從1984年開始出現1個合作專利，產業鏈上游和下游直到1989年開始出現2個合作專利，中游在1987年出現1個合作專利。該階段的特征是以獨立研發為主，尚未形成開放合作的自信。因此，合作專利數量有限，對于合作研發的認識局限于產業鏈配套和鞏固自身地位。

(2)階段2：產業快速發展階段(1990-1998年)，產業競爭演化為產業鏈競爭。快速承接上游研發成果并高質量、低成本地實現中下游產品功能成為產業鏈競爭的焦點。因此，該階段研發合作專利數量增加主要得益于產業鏈中游合作專利數量的增加。產業鏈中游涉及的關鍵技術多且復雜，需要持續且大量的研發投入支持，領域內人才知識差異性大，因此廣泛尋求合作才能提高研發效率、降低研發風險。

(3)階段3：產業穩定發展階段(1999-2004年)，產業鏈配套逐漸形成，共演機制逐步建立，產業鏈上游引領對于產業鏈未來發展的作用至關重要，而下游的完善也影響著產業鏈獲利，研發合作基礎以及相關技術累積使專利基數增加，因此產業鏈整體研發合作專利數量呈快速增長趨勢。雖然產業鏈中游的合作專利數量仍然最多，但是呈現出先增長后下降的趨勢，產業鏈上游和下游的合作專利數量上升趨勢較為穩健。

(4)階段4：產業發展成熟階段(2005-2016年)。經過長時間的激烈競爭，各企業在產業鏈中的位置趨于穩定，產業升級難度加大。雖然2007-2008年和2013-2015年這兩個時期的專利數量有所反彈，但從整體上看，產業鏈整體研發合作專利數量仍呈現下降態勢。其中，產業鏈中游合作專利數量先趨于平緩，然后小幅增長，最后急劇下降后又反彈；下游合作專利數量從2007年開始急劇下降，到2010年基本沒有合作專利產生，此時下游封測合作行為主要發生在日本富士通公司；上游合作專利數量從2005年大幅下降后，波動不大，集成電路產業鏈上游設計環節的技術和資金壁壘高，企業難以輕松進退，研發合作行為較為穩定。

圖5 集成電路產業鏈各環節合作研發與獨立研發專利數量占比

圖6 集成電路產業鏈整體以及產業鏈各環節合作專利數量分布

2.2 集成電路產業鏈研發合作網絡規模分析

集成電路產業鏈整體研發合作網絡中共有613個節點，產業鏈上、中、下游分別有127、342和32個節點，產業鏈各環節間共有397個節點，嵌入產業鏈前后的研發合作網絡如圖7所示。從網絡規模看，嵌入產業鏈后，各環節之間的研發合作網絡規模最大，中游制造環節次之，這與集成電路產業模式變化有重大關系。

現在集成電路產業模式主要為Fabless(不涉及晶圓生產的設計環節)+Foundry(晶圓代工)+OSAT(封裝和測試的外包)，該模式促進了產業鏈上中下游3個環節之間的聯系與合作，如設計環節會與制造、封測環節主體合作研發，有利于制造、封測的工藝信息、設計信息流動。如果沒有產業鏈條上的信息共享以及研發合作，而是各個環節單獨研發合作，會造成產業鏈上下游銜接不暢，不利于整個產業技術進步。

2.3 集成電路產業鏈研發合作網絡小世界性分析

嵌入產業鏈前后的研發合作網絡小世界性指標見表3，其中產業鏈整體研發合作網絡的小世界性顯著，上游和中游研發合作網絡具有小世界性，而產業鏈下游和各環節間的研發合作網絡沒有小世界性。由此可見，嵌入產業鏈前后的網絡特征不同，產業鏈整體的小世界性是由上游和中游決定的，該現象可從資金、技術特點以及各環節生產特點得到解釋。

表3 產業鏈視角下研發合作網絡小世界性指標

圖7 嵌入產業鏈前后研發合作網絡

(1)上游設計環節和中游制造環節資金及技術壁壘相對較高，風險較大，企業很難隨意進入，創新需要通過充分利用網絡內資源、加強與其它節點合作與交流實現。雖然網絡主體數量較多，但主體間的信息交換頻繁，任意兩個主體之間的合作關系距離很短，進一步促進了小世界性的產生。而產業鏈下游的資金與技術壁壘相對較低，屬勞動密集型，受到技術層面的沖擊相對較小。

(2)下游生產活動對上游與中游的依賴性較強。進入價值鏈的上游廠商越知名，下游封測企業的護城河越穩固，此時主體之間的研發合作行為不活躍，研發主要發生在企業內部，且是針對某類具體產品的。若合作研發導致利潤降低，而競爭較合作帶來的收益大，更多企業將堅持自主研發，故網絡不具備小世界性。

上游設計環節在確定設計方向時需考慮下游企業的制造技術、封裝技術等諸多因素。因此，集成電路的產生建立在產業鏈上中下游企業的密切協作基礎之上，但各環節間的研發合作網絡不具備小世界性。各主體更傾向于與固定伙伴合作，并且聚集程度不高，節點間的信息流通效率較低，難以及時從上下游獲得信息或反饋。

2.4 集成電路產業鏈研發合作網絡無標度特征分析

對嵌入產業鏈前后的研發合作網絡繪制節點的度分布曲線并進行冪指數曲線擬合(見圖8)后發現，產業鏈整體、上游、中游以及產業鏈各環節間的研發合作網絡節點度分布曲線服從冪律分布，即網絡具有明顯的無標度特征，而產業鏈下游研發合作網絡沒有無標度特征，這是由網絡的增長機制和優先連接機制決定的。

產業鏈上游、中游及各環節主體間的研發合作行為較下游需要承擔更多風險，新加入的主體在考慮擁有合作伙伴時，會優先選擇合作伙伴數量較多的企業、科研院所或高校，以迅速增強自身研發實力、增加研究成果產出，優先選擇作用明顯，故無標度特征顯著。由圖3可知，從2007年開始，產業鏈下游研發合作專利數量持續下降，至2010年僅為個位數。產業鏈下游研發合作網絡不滿足增長機制，故不存在無標度特征。

圖8 嵌入產業鏈前后研發合作網絡度分布曲線

2.5 集成電路產業鏈研發合作網絡節點影響力范圍及主體特征分析

本節通過計算專利權人在研發合作網絡中3種中心度在三維坐標系中的歐式距離，測算節點影響力范圍，并對其排序(受篇幅限制，未列出)。

在產業鏈上游，排名第一的是日本瑞薩電子，該企業的中間中心度最高，說明瑞薩電子對網絡技術信息流動至關重要，是上游網絡具有小世界性的原因之一，其研發合作伙伴選擇與研發合作活動變化在上游網絡中產生的影響最大。在產業鏈中游，日本日立集團影響力范圍最大，其較高的接近中心度是主要原因，該節點與網絡中其它節點的信息流動渠道暢通。在產業鏈下游，日本富士通的影響力范圍最大，3種中心度也非常高，說明富士通是下游研發合作網絡的核心節點。而在產業鏈各環節之間，影響力范圍最大的仍是是日本富士通集團，并且下游節點數量較少，一旦富士通集團研發合作出現變動，將波及上游和中游。

影響力范圍較大的節點不僅有較大的研發投入[29]，本身也具有較強的研發實力，在整個網絡信息流通中起到了一定的橋梁作用。從影響力范圍較大的節點國家分布看，日本不僅在產業鏈各環節具有較為活躍的研發合作活動，而且在產業鏈各環節之間也具有較大的影響力范圍，是目前集成電路產業領域研發較成功的國家。美國僅次于日本，而韓國、德國、意大利等國家僅限在產業鏈各環節之間具有較多的研發合作。我國在產業鏈上游僅有一個節點進入研發合作網絡，且排名較低，雖然在中游、下游以及環節間的研發合作網絡節點數目較多，但影響力范圍均排名靠后。這說明，我國集成電路產業研發合作活動受到國外市場影響較大，而國內政策或市場等因素變動對國外的影響微乎其微。

在產業鏈上、中、下游，影響力范圍較大的節點均屬于日本，通過對這些節點的合作伙伴進行分析發現，有1/2以上的合作伙伴屬日本，研發合作伙伴多集中在本國，說明集成電路產業鏈研發合作活動建立在共同的文化和價值觀基礎上。另外，企業與高?；蜓芯克献饕差l頻出現，如上游的瑞薩電子與慶應義塾大學、中游的日立集團及日本獨立行政法人產業技術綜合研究所等合作，表明為了應對產業鏈升級和維持價值鏈中高端位置，影響力范圍較大的主體也重視在基礎研究領域保持領先。

3 結語

3.1 研究結論

集成電路產業發展和競爭力提升依賴于產業鏈條各環節改進[30]，產業鏈不同環節具有不同的技術要求，反映了不同的合作特點。基于產業鏈視角研究集成電路產業研發合作網絡能全面深入厘清研發合作特點、理解研發合作行為、預測研發合作趨勢，進而為研發合作、產業鏈上下游企業協同發展及產業鏈條整體能力提升提供具體對策建議。本文得主要結論如下：

(1)集成電路產業發展具有明顯的產業鏈研發合作特征。由于其具有高資金投入、高風險、高技術依賴、高人才依賴等特點，企業難以獨立形成全產業鏈優勢，研發合作是產業鏈進化的必然選擇，而融入產業鏈合作網絡也成為企業生存發展的前提。集成電路產業鏈上游、中游及各環節組織偏好合作研發。網絡中有聯系的節點數量越多、規模越大，組織越偏好研發合作，進而拓展了組織獲取外部知識和信息的渠道；產業鏈下游網絡規模較小，網絡組織對研發合作的意愿并不強烈，這與集成電路產業的生產模式、產業鏈各環節研發需求及技術要求關系密切。

(2)集成電路產業鏈研發合作均圍繞固定核心企業的合作網絡展開。集成電路產業鏈研發合作網絡具有的小世界性主要由產業鏈上游和中游的小世界性特征決定，反映出產業鏈上游和中游組織在選擇研發合作伙伴時，考慮到網絡“抱團”現象，會選擇嵌入聚集的研發合作網絡中，以便從網絡主體獲取異質性資源。同時，結合網絡特點、自身信息和技術優勢，通過減少合作主體間的平均路徑長度，高效充分地運用網絡資源，加快研發速度，增加研發深度，提高創新產出；產業鏈下游及各環節間的合作網絡資源較為分散，企業不愿進行多主體外部交流，而是傾向于與固定伙伴合作，長此以往可能對產業新興技術失去敏感性，存在被新進入者顛覆的風險。

(3)集成電路產業鏈研發合作網絡核心節點對產業進化具有重大影響。產業鏈上游、中游和各環節間研發合作網絡具有明顯的無標度特征，產業鏈下游沒有無標度特征。這說明，除產業鏈下游外，在集成電路產業研發合作中，僅有少數組織研發能力及核心競爭力較強，是產業鏈各環節研發合作活動的樞紐。網絡資源初次分配后，在網絡作用下，向資源利用率高和具有核心競爭力的組織聚集，且度數高的節點通過與其它節點合作研發，向其它節點分配資源，實現了資源或信息的高效流動與利用。然而正由于此，度數較高的節點作用被放大，若該類節點運行出現故障，問題將會擴散至整個網絡，給整個網絡運行帶來巨大風險。所以，度數高的節點研發能力越強，其抵御內外部環境變化的能力也越強，從而保證整個研發合作網絡的正常運行，保障產業鏈穩定性。

(4)我國在集成電路產業鏈合作網絡中尚未形成影響。產業鏈各環節具有影響力的節點主要位于日本，其次是美國，我國在產業鏈上游亟待加強布局，在中、下游環節也亟需擴大影響力、培育競爭力。

3.2 實踐啟示

研究結論對于提高中國在全球集成電路產業鏈的地位和影響的意義在于：

(1)突出自身優勢，穩固在產業鏈中的地位，并據此融入產業鏈研發合作網絡中。進一步加大研發投入，進行全產業鏈布局，增強中國在全球集成電路產業鏈各個環節的影響，努力形成覆蓋全產業鏈的國際競爭新優勢。

(2)在產業鏈上、中、下游分別以日本瑞薩電子、日立集團和富士通等影響力范圍較大且具有橋接能力的企業為核心，圍繞企業的技術配套，充分利用研發合作關系，形成研發合作網絡，依靠合作共贏形成產業鏈環節上的不可替代優勢，從而提升國內與其緊密合作企業的技術水平和競爭能力，最終實現追趕和超越。

(3)政府從直接投入改為在鼓勵開放合作上下功夫，激勵企業開展產業鏈合作研發，形成產業鏈創新生態。此外，政府應培育一批在小世界網絡中具有橋接能力、在無標度網絡中具有核心競爭力的企業或科研院所，通過研發合作改變國際合作形式，提高我國企業在該領域的競爭力。