集成电路产业研发合作网络特征分析——基于产业链视角

吴菲菲，韩朝曦，黄鲁成

(北京工业大学 经济与管理学院，北京 100124)

0 引言

集成电路被称为“现代工业粮食”，是培育战略性新兴产业、发展信息经济的重要支撑，具有基础性和先导性，提升集成电路产业技术水平成为各国在高科技国力竞争中必争的战略制高点[1]。集成电路产业技术复杂，产业结构高度专业化，随着产业规模扩张，竞争加剧、研发难度加大，分工进一步细化，产业发展模式由原来以IDM(Integrated Device Manufacturer，整合元件制造商)为主逐渐向上游Fabless(不涉及晶圆生产的设计环节)+中游Foundry(晶圆代工)+下游OSAT(封装和测试的外包)分工协作转变[2]。国内集成电路产业链各环节发展水平不同，中兴事件暴露出我国核心技术受制于人、极度依赖进口、创新能力不足等问题[3]。因此，从产业链视角出发，分析集成电路产业链研发合作网络特征并认清自身所处位置，对提升我国集成电路产业竞争力具有重要意义。

产业链的形成源于全球价值链分工[4]。随着经济全球化，经过长期市场竞争，企业在全球价值链中的位置逐渐明确，地位相对稳定。由于“微笑”曲线的存在，位于价值链高端的企业获利更多，上游企业对产业发展的制约和引领作用更强。因此，为了追求价值最大化，提高自身在产业链中的影响力，企业希望向价值链高端和产业链上游移动。然而，产业链升级并不能单纯依靠投资实现，没有长期持久的技术研发创新能力大幅提高，企业难以改变自身地位。集成电路属于高技术密集型产业，产业链各环节技术复杂度较高，技术研发风险大，企业要建立全产业链技术优势极其困难。为了提高市场竞争力，深度融入产业链、在关键环节具备不可替代性、与产业链共同进步，成为企业创新决策的目标，产业链升级更是成为中国企业摆脱跨国公司低端锁定的重要途径[5]。

我国产业链研究以国外价值链与供应链研究为基础[6]。企业经营发展需要“上家”和“下家”支持，三者共同构成产业链的上游-中游-下游[7]。目前,产业链研究主要集中在产业链对创新的影响、产业链整合与升级及产业链与创新生态系统3个方面，具体研究内容与代表文献见表1。

表1 产业链相关研究内容及代表文献

以上研究从不同视角对产业链进行了分析，认为嵌入价值链或产业链后，企业研发创新绩效会得到提升，并且效果是由嵌入价值链后的横向或纵向合作决定的[9]。但是嵌入产业链后的研发合作网络具有什么样的特征？这些特征又是怎样影响创新绩效的？解决以上问题对于摆脱低端锁定、向产业链高端攀升具有重要意义。

产业链不同环节具有不同的技术特点，当技术革新导致某一市场发生变化、消费者需求发生转变时，市场需要基于应用场景进行自下而上或基于新兴设计进行自上而下的研发活动。此时，产业链上下游企业之间会根据自身技术优势，对子项目进行研发创新，分析集成研究成果，整合相关生产要素[12]。因此，从产业链不同环节观察集成电路产业研发合作网络特征，探究各环节研发合作特点，可为产业整体发展以及合作伙伴选择提供指引。同时，有助于认清我国企业在集成电路产业链各环节中的位置，进而为我国集成电路产业链整体竞争力提升战略制定提供依据。

目前，我国集成电路产业研究主要从产业整体及集成电路设计、制造环节发展现状展开，具体研究内容及代表文献见表2。

表2 集成电路产业相关研究内容及代表文献

上述成果为深入开展集成电路研究奠定了基础。但是，基于产业链视角的集成电路产业研发合作研究相对缺乏，无法为处于产业链不同环节的企业发展提供针对性的指导，难以针对性地提出提高产业链整体竞争力、促进产业协同发展的对策建议。为此，本文从产业链视角出发，将研发合作网络嵌入产业链中，对产业链各环节发展现状及网络规模、小世界性、无标度等网络特征进行分析，探究嵌入产业链前后研发合作网络特征及诱因，并揭示我国集成电路产业研发合作与国外的差距。

1 研究设计

1.1 研究数据

集成电路产业链分为上游集成电路设计、中游集成电路制造和下游集成电路封测3个环节[22]，每个环节包含多道工序(见图1)。各环节具有不同的特点，技术要求也不同。集成电路产业链结构如图1 所示。

图1 集成电路产业链结构

产业链上游设计环节用的主流技术为40～28～16/14nm，先进的设计技术已经入10nm领域，7nm工艺也在研发之中。产业链中游最重要的是晶圆制造，对资金和设备要求很高[23]。企业为了保持自身竞争力，每年用于设备采购等资本性开支比例较高。从65nm开始，晶圆制造生产线投资呈几何增长，随着集成电路制程节点缩小，制造技术难度成倍增加，能跟随工艺发展的制造厂商越来越少[23]。2017年，传统封装形式(如SOP、TSOP、QFP等)逐渐被取代，先进的封装形式开始成为封测行业主流，其中扇出型封装(Fan-out)是封装技术领域的热点[22]。

集成电路产业涉及多种技术，本文借鉴王文霄[24]基于集成电路产业链各环节关键技术的IPC分类号和主题词构建的专利检索策略，在德温特专利数据库中检索下载1980-2016年相关技术领域专利数据共193 212条，检索时间为2019年1月10日，剔除重复、缺失以及专利权人代码为个人和非标准的专利数据后，获得专利数据152 738条；提取并界定专利权人标准代码大于等于2的专利共9 484项作为研发合作专利，统计每个专利权人拥有满足条件的IPC分类号数量；剔除IPC分类号数量小于10的专利权人后，获得专利权人815个；根据专利权人所属产业链环节识别模型，将815个专利权人划分到集成电路产业链3个环节中，上游共251个专利权人、中游462个、下游102个；最后，根据专利权人之间的研发合作关系，分别构建产业链整体、产业链各环节以及各环节间的研发合作网络。

1.2 专利权人所属产业链环节识别模型

研究嵌入产业链后的研发合作网络，首先要明确产业链划分原则，但目前尚缺乏专利权人所属产业链环节的具体规定或划分方法。为此，本文结合公司官网、行业报告、新闻以及专利等信息，提出专利权人所属产业链环节识别模型，如图2所示。

识别专利权人所属产业链后，构建嵌入产业链前后的研发合作网络，运用复杂网络理论和方法，分析集成电路研发合作网络特征差异，嵌入产业链前后研发合作网络如图3所示。

产业链视角下，研发合作网络既包括产业链上、中、下游3个环节的研发合作网络，也包括各环节之间的研发合作网络。具体而言，当节点间合作关系存在上(中、下)游时，则被视为上(中、下)游研发合作网络；当节点间合作关系同时出现在上中下游之间时，则定义为产业链各环节间合作网络。

1.3 集成电路产业链研发合作复杂网络分析

1.3.1 网络规模

节点数量反映网络规模，直接决定了嵌入网络的主体能获得的最大关系数。产业链中规模较大的研发合作网可以通过密集但不重复的合作关系增强主体竞争力，提高创新能力。产业链某环节网络的参与主体越多，即节点数越多，各主体获得信息和资源的可能性越大，通过合作获得的资源越丰富，网络规模反映了该环节相关企业对研发合作行为的偏好。

1.3.2 网络小世界性

小世界性往往是网络演化的必然结果，表征研发合作网络中任意两个主体之间的合作关系距离很短。在研发合作初期，多数企业倾向与熟悉的个体合作，组建独立研发团体。随着研发活动推进，个体行为的相似性会产生较多冗余信息，这时部分个体会从研发团体外寻找有用的信息，使得研发合作网络的小世界性凸显[25]。若研发合作网络具有小世界性，企业间的研发合作行为会在很大程度上受到距离因素限制。较高的聚簇程度会促成节点间相互信任和更紧密的合作，从而提高信息交流效率和准确度；较短平均路径长度有利于获取新鲜的、非冗余信息，从而激发灵感，促进研发合作[26][27]。但从产业链视角看，是否每个环节的研发合作网络均具有小世界性有待验证。

1.3.3 网络无标度特征

节点度分布代表网络中节点的合作主体数量，揭示了研发合作网络可能具有的无标度特征。若研发合作网络具有无标度特征，说明在研发合作活动中，多数主体倾向于选择与具有大量合作关系的主体建立研发合作关系，因为这些主体拥有更多的合作对象，同时也拥有更强的研发能力，在选择研发合作伙伴时拥有更多选择权，因此与之合作能更便捷地获取信息、资源及先进技术。研发合作网络的增长性和优先连接性共同导致了无标度网络的度服从幂律分布。产业链不同环节的合作要求与选择行为是网络是否具有无标度特征的重要原因。

1.3.4 网络节点影响力范围及主体特征

小世界性和无标度特征与网络节点中心性密切相关。高中心度有利于网络小世界性和无标度特征的形成，但仅测度网络中心性不足以体现节点的影响力范围，也不能揭示国家竞争力。为了进一步测度网络节点的影响力范围，拟采用以中间中心度、度数中心度、接近中心度为三维坐标系的x、y、z坐标轴，以节点在三维坐标系中的坐标到原点的欧式距离为半径形成的1/4球状区域表示节点影响力范围，分析模型如图4所示。

图2 专利权人所属产业链环节识别模型

a 产业链整体研发合作网络 b 嵌入产业链后的研发合作网络

图4 节点影响力范围分析模型

虽然影响力范围较大的节点数量不会很多，但是其影响可以迅速传遍整个网络，对复杂网络的结构和功能至关重要[28]。若M点到原点的欧式距离大于N点到原点的欧式距离，则M点的影响力范围大于N点的影响力范围，M点的研发合作或政策变化等很容易影响到N点，但是N点几乎影响不到M点。通过考察节点影响力范围，明确各专利权人在产业链各层研发合作网络中的影响力范围，为进一步分析国家竞争力奠定了基础。同时，在产业链发展过程中，主体之间通过合作实现关联、捆绑，加深产业链融入程度，稳固企业在产业链中的地位。通过对节点影响力范围较大的节点代表的主体特征进行分析，可以明确产业链合作是否建立在主体信任的基础之上。

2 结果分析

2.1 集成电路产业链研发合作专利数量分析

虽然集成电路产业专利数量很多，但无论是产业整体还是产业链各环节，绝大多数合作专利数量未超过对应总量的10%(见图5)。根据集成电路产业链研发合作专利数量变化情况，并考虑各阶段时间长度的可比性，将集成电路产业嵌入产业链前后的专利申请情况分为4个阶段，如图6所示。

(1)阶段1：产业发展早期阶段(1980-1989年)，企业技术特征和优势形成时期。集成电路产业链研发合作专利从无到有，合作水平较低，产业链整体从1984年开始出现1个合作专利，产业链上游和下游直到1989年开始出现2个合作专利，中游在1987年出现1个合作专利。该阶段的特征是以独立研发为主，尚未形成开放合作的自信。因此，合作专利数量有限，对于合作研发的认识局限于产业链配套和巩固自身地位。

(2)阶段2：产业快速发展阶段(1990-1998年)，产业竞争演化为产业链竞争。快速承接上游研发成果并高质量、低成本地实现中下游产品功能成为产业链竞争的焦点。因此，该阶段研发合作专利数量增加主要得益于产业链中游合作专利数量的增加。产业链中游涉及的关键技术多且复杂，需要持续且大量的研发投入支持，领域内人才知识差异性大，因此广泛寻求合作才能提高研发效率、降低研发风险。

(3)阶段3：产业稳定发展阶段(1999-2004年)，产业链配套逐渐形成，共演机制逐步建立，产业链上游引领对于产业链未来发展的作用至关重要，而下游的完善也影响着产业链获利，研发合作基础以及相关技术累积使专利基数增加，因此产业链整体研发合作专利数量呈快速增长趋势。虽然产业链中游的合作专利数量仍然最多，但是呈现出先增长后下降的趋势，产业链上游和下游的合作专利数量上升趋势较为稳健。

(4)阶段4：产业发展成熟阶段(2005-2016年)。经过长时间的激烈竞争，各企业在产业链中的位置趋于稳定，产业升级难度加大。虽然2007-2008年和2013-2015年这两个时期的专利数量有所反弹，但从整体上看，产业链整体研发合作专利数量仍呈现下降态势。其中，产业链中游合作专利数量先趋于平缓，然后小幅增长，最后急剧下降后又反弹；下游合作专利数量从2007年开始急剧下降，到2010年基本没有合作专利产生，此时下游封测合作行为主要发生在日本富士通公司；上游合作专利数量从2005年大幅下降后，波动不大，集成电路产业链上游设计环节的技术和资金壁垒高，企业难以轻松进退，研发合作行为较为稳定。

图5 集成电路产业链各环节合作研发与独立研发专利数量占比

图6 集成电路产业链整体以及产业链各环节合作专利数量分布

2.2 集成电路产业链研发合作网络规模分析

集成电路产业链整体研发合作网络中共有613个节点，产业链上、中、下游分别有127、342和32个节点，产业链各环节间共有397个节点，嵌入产业链前后的研发合作网络如图7所示。从网络规模看，嵌入产业链后，各环节之间的研发合作网络规模最大，中游制造环节次之，这与集成电路产业模式变化有重大关系。

现在集成电路产业模式主要为Fabless(不涉及晶圆生产的设计环节)+Foundry(晶圆代工)+OSAT(封装和测试的外包)，该模式促进了产业链上中下游3个环节之间的联系与合作，如设计环节会与制造、封测环节主体合作研发，有利于制造、封测的工艺信息、设计信息流动。如果没有产业链条上的信息共享以及研发合作，而是各个环节单独研发合作，会造成产业链上下游衔接不畅，不利于整个产业技术进步。

2.3 集成电路产业链研发合作网络小世界性分析

嵌入产业链前后的研发合作网络小世界性指标见表3，其中产业链整体研发合作网络的小世界性显著，上游和中游研发合作网络具有小世界性，而产业链下游和各环节间的研发合作网络没有小世界性。由此可见，嵌入产业链前后的网络特征不同，产业链整体的小世界性是由上游和中游决定的，该现象可从资金、技术特点以及各环节生产特点得到解释。

表3 产业链视角下研发合作网络小世界性指标

图7 嵌入产业链前后研发合作网络

(1)上游设计环节和中游制造环节资金及技术壁垒相对较高，风险较大，企业很难随意进入，创新需要通过充分利用网络内资源、加强与其它节点合作与交流实现。虽然网络主体数量较多，但主体间的信息交换频繁，任意两个主体之间的合作关系距离很短，进一步促进了小世界性的产生。而产业链下游的资金与技术壁垒相对较低，属劳动密集型，受到技术层面的冲击相对较小。

(2)下游生产活动对上游与中游的依赖性较强。进入价值链的上游厂商越知名，下游封测企业的护城河越稳固，此时主体之间的研发合作行为不活跃，研发主要发生在企业内部，且是针对某类具体产品的。若合作研发导致利润降低，而竞争较合作带来的收益大，更多企业将坚持自主研发，故网络不具备小世界性。

上游设计环节在确定设计方向时需考虑下游企业的制造技术、封装技术等诸多因素。因此，集成电路的产生建立在产业链上中下游企业的密切协作基础之上，但各环节间的研发合作网络不具备小世界性。各主体更倾向于与固定伙伴合作，并且聚集程度不高，节点间的信息流通效率较低，难以及时从上下游获得信息或反馈。

2.4 集成电路产业链研发合作网络无标度特征分析

对嵌入产业链前后的研发合作网络绘制节点的度分布曲线并进行幂指数曲线拟合(见图8)后发现，产业链整体、上游、中游以及产业链各环节间的研发合作网络节点度分布曲线服从幂律分布，即网络具有明显的无标度特征，而产业链下游研发合作网络没有无标度特征，这是由网络的增长机制和优先连接机制决定的。

产业链上游、中游及各环节主体间的研发合作行为较下游需要承担更多风险，新加入的主体在考虑拥有合作伙伴时，会优先选择合作伙伴数量较多的企业、科研院所或高校，以迅速增强自身研发实力、增加研究成果产出，优先选择作用明显，故无标度特征显著。由图3可知，从2007年开始，产业链下游研发合作专利数量持续下降，至2010年仅为个位数。产业链下游研发合作网络不满足增长机制，故不存在无标度特征。

图8 嵌入产业链前后研发合作网络度分布曲线

2.5 集成电路产业链研发合作网络节点影响力范围及主体特征分析

本节通过计算专利权人在研发合作网络中3种中心度在三维坐标系中的欧式距离，测算节点影响力范围，并对其排序(受篇幅限制，未列出)。

在产业链上游，排名第一的是日本瑞萨电子，该企业的中间中心度最高，说明瑞萨电子对网络技术信息流动至关重要，是上游网络具有小世界性的原因之一，其研发合作伙伴选择与研发合作活动变化在上游网络中产生的影响最大。在产业链中游，日本日立集团影响力范围最大，其较高的接近中心度是主要原因，该节点与网络中其它节点的信息流动渠道畅通。在产业链下游，日本富士通的影响力范围最大，3种中心度也非常高，说明富士通是下游研发合作网络的核心节点。而在产业链各环节之间，影响力范围最大的仍是是日本富士通集团，并且下游节点数量较少，一旦富士通集团研发合作出现变动，将波及上游和中游。

影响力范围较大的节点不仅有较大的研发投入[29]，本身也具有较强的研发实力，在整个网络信息流通中起到了一定的桥梁作用。从影响力范围较大的节点国家分布看，日本不仅在产业链各环节具有较为活跃的研发合作活动，而且在产业链各环节之间也具有较大的影响力范围，是目前集成电路产业领域研发较成功的国家。美国仅次于日本，而韩国、德国、意大利等国家仅限在产业链各环节之间具有较多的研发合作。我国在产业链上游仅有一个节点进入研发合作网络，且排名较低，虽然在中游、下游以及环节间的研发合作网络节点数目较多，但影响力范围均排名靠后。这说明，我国集成电路产业研发合作活动受到国外市场影响较大，而国内政策或市场等因素变动对国外的影响微乎其微。

在产业链上、中、下游，影响力范围较大的节点均属于日本，通过对这些节点的合作伙伴进行分析发现，有1/2以上的合作伙伴属日本，研发合作伙伴多集中在本国，说明集成电路产业链研发合作活动建立在共同的文化和价值观基础上。另外，企业与高校或研究所合作也频频出现，如上游的瑞萨电子与庆应义塾大学、中游的日立集团及日本独立行政法人产业技术综合研究所等合作，表明为了应对产业链升级和维持价值链中高端位置，影响力范围较大的主体也重视在基础研究领域保持领先。

3 结语

3.1 研究结论

集成电路产业发展和竞争力提升依赖于产业链条各环节改进[30]，产业链不同环节具有不同的技术要求，反映了不同的合作特点。基于产业链视角研究集成电路产业研发合作网络能全面深入厘清研发合作特点、理解研发合作行为、预测研发合作趋势，进而为研发合作、产业链上下游企业协同发展及产业链条整体能力提升提供具体对策建议。本文得主要结论如下：

(1)集成电路产业发展具有明显的产业链研发合作特征。由于其具有高资金投入、高风险、高技术依赖、高人才依赖等特点，企业难以独立形成全产业链优势，研发合作是产业链进化的必然选择，而融入产业链合作网络也成为企业生存发展的前提。集成电路产业链上游、中游及各环节组织偏好合作研发。网络中有联系的节点数量越多、规模越大，组织越偏好研发合作，进而拓展了组织获取外部知识和信息的渠道；产业链下游网络规模较小，网络组织对研发合作的意愿并不强烈，这与集成电路产业的生产模式、产业链各环节研发需求及技术要求关系密切。

(2)集成电路产业链研发合作均围绕固定核心企业的合作网络展开。集成电路产业链研发合作网络具有的小世界性主要由产业链上游和中游的小世界性特征决定，反映出产业链上游和中游组织在选择研发合作伙伴时，考虑到网络“抱团”现象，会选择嵌入聚集的研发合作网络中，以便从网络主体获取异质性资源。同时，结合网络特点、自身信息和技术优势，通过减少合作主体间的平均路径长度，高效充分地运用网络资源，加快研发速度，增加研发深度，提高创新产出；产业链下游及各环节间的合作网络资源较为分散，企业不愿进行多主体外部交流，而是倾向于与固定伙伴合作，长此以往可能对产业新兴技术失去敏感性，存在被新进入者颠覆的风险。

(3)集成电路产业链研发合作网络核心节点对产业进化具有重大影响。产业链上游、中游和各环节间研发合作网络具有明显的无标度特征，产业链下游没有无标度特征。这说明，除产业链下游外，在集成电路产业研发合作中，仅有少数组织研发能力及核心竞争力较强，是产业链各环节研发合作活动的枢纽。网络资源初次分配后，在网络作用下，向资源利用率高和具有核心竞争力的组织聚集，且度数高的节点通过与其它节点合作研发，向其它节点分配资源，实现了资源或信息的高效流动与利用。然而正由于此，度数较高的节点作用被放大，若该类节点运行出现故障，问题将会扩散至整个网络，给整个网络运行带来巨大风险。所以，度数高的节点研发能力越强，其抵御内外部环境变化的能力也越强，从而保证整个研发合作网络的正常运行，保障产业链稳定性。

(4)我国在集成电路产业链合作网络中尚未形成影响。产业链各环节具有影响力的节点主要位于日本，其次是美国，我国在产业链上游亟待加强布局，在中、下游环节也亟需扩大影响力、培育竞争力。

3.2 实践启示

研究结论对于提高中国在全球集成电路产业链的地位和影响的意义在于：

(1)突出自身优势，稳固在产业链中的地位，并据此融入产业链研发合作网络中。进一步加大研发投入，进行全产业链布局，增强中国在全球集成电路产业链各个环节的影响，努力形成覆盖全产业链的国际竞争新优势。

(2)在产业链上、中、下游分别以日本瑞萨电子、日立集团和富士通等影响力范围较大且具有桥接能力的企业为核心，围绕企业的技术配套，充分利用研发合作关系，形成研发合作网络，依靠合作共赢形成产业链环节上的不可替代优势，从而提升国内与其紧密合作企业的技术水平和竞争能力，最终实现追赶和超越。

(3)政府从直接投入改为在鼓励开放合作上下功夫，激励企业开展产业链合作研发，形成产业链创新生态。此外，政府应培育一批在小世界网络中具有桥接能力、在无标度网络中具有核心竞争力的企业或科研院所，通过研发合作改变国际合作形式，提高我国企业在该领域的竞争力。