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Spatial organization and network externalities of the cluster networks in China's semiconductor industry: A view on production segments of semiconductor industrial value chain

  • LIU Qing , 1 ,
  • XUE Desheng , 1, 2 ,
  • HUANG Gengzhi 1, 2 ,
  • JIANG Xiaorong 3, 4
Expand
  • 1. School of Geography and Planning, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510006, China
  • 2. Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory (Zhuhai), Zhuhai 519000, China
  • 3. College of Resource Environment and Tourism, Hubei University of Arts and Science, Xiangyang 441053, China
  • 4. Economics and Management School, Wuhan University, Wuhan 430072, China

Received date: 2023-07-24

  Accepted date: 2024-02-21

  Online published: 2024-04-12

Abstract

The paper employs the investment statistical data of China's semiconductor enterprises in 2020, from the perspective of semiconductor production segments accommodating wafer materials, packaging materials, equipment, design, manufacturing and assembly, testing and packaging (APT). We aims to examine the geographical distribution and regional organization of China's semiconductor industry investment clusters. The empirical results are shown as follows: (1) Firms in each single value segment are contiguously clustered in the Yangtze River Delta (YRD), Pearl River Delta (PRD), Beijing-Tianjin-Hebei (BTH) region, Fuzhou- Xiamen coastal area and Chengdu-Chongqing region. Among them, the YRD is a highly agglomerated area of semiconductor materials, equipment, manufacturing and APT, while the PRD is the most pronounced congeries of semiconductor design. (2) Semiconductor cluster networks exhibit positive and negative externalities in borrowed scale and agglomeration shadows, promoting synergistic agglomeration and spatial integration of final and intermediate goods through regional externalities. As for the regional heterogeneity, the YRD cluster network is the production-driven and technology-led type; the PRD one is oriented towards market-led and demand-led; the cluster type in the mega-regions of BTH, Central-Southern Liaoning and Guanzhong is characterized by spin-offs of state-owned enterprises, military enterprises and research institutes. (3) Wafer materials, equipment, and manufacturing communities tend to cluster growth on a small scale, manifested cross-border investment within the regional hinterland in a short distance. There is the tiptop nucleated cluster preference in design community, comprising local investment clusters, intra-regional investment clusters closely and inter-regional clusters remotely. Yet, there is obvious cluster trend in packaging materials and APT communities, whose investment linkages are mainly built via scattered investment in a long-distance span. (4) In terms of regional organization and spatial structure, the semiconductor investment layouts of the BTH, PRD and YRD regions are characterized by single-core, dual-core and multi-core community linkages, respectively. The semiconductor design and equipment segments are more apt to the single-core cluster structure, the semiconductor manufacturing segment is more inclined to dual-core cluster structure, and wafer materials, packaging materials and APT segments are more inclined to multi-core or homogeneous growth structures. Based on the preceding results, we put forward specific suggestions towards investment optimization of China's semiconductor industry.

Cite this article

LIU Qing , XUE Desheng , HUANG Gengzhi , JIANG Xiaorong . Spatial organization and network externalities of the cluster networks in China's semiconductor industry: A view on production segments of semiconductor industrial value chain[J]. GEOGRAPHICAL RESEARCH, 2024 , 43(4) : 909 -930 . DOI: 10.11821/dlyj020230594

1 引言

当下中国经济由高速发展阶段转向高质量发展阶段,半导体产业是中国由制造大国向制造强国迈进的基础性、先导性与战略性产业[1,2]。但本土半导体产业长期陷入低端价值锁定与高端环节产能紧缺、严重依赖外需的困境[3,4]。更为严峻的是,后疫情时代中美紧张关系进一步加剧了中国半导体产业链安全危机[5]。自2019年中美贸易战以来,美国当局开始了专门针对中国的芯片出口管制与尖端技术输出许可,试图将中国半导体产业维持在总体低端的发展水平[6,7]。在中美大国博弈、科技经济大脱钩的背景下,中国启动双循环经济战略,旨在通过国内大循环构建自主完备可控的半导体价值链,在关键领域争取更大的自主权[8]
半导体产业及商业化运营最初始于20世纪50年代的美国,而它的全球分工及向世界其他地区的扩散始于美国自20世纪60年代以来的离岸生产线转移[9-11]。自此学者们开始了以美国为主的半导体全球地理布局与价值环节的详实研究。① 关于半导体产业的地理布局,主要围绕着以Scott为代表的学者对美国半导体的在岸生产集群和离岸转移重组展开[11,12,14,15]。最初,Scott的研究勾勒了美国本土半导体的在岸布局[11,16],其半导体部门的地理分布模式由两部分组成:硅谷为主的三大地理集群辅之以遍布全国其他地区的分散工厂。这些产业集群具体为分布在美国东北部的分立器件集群(马萨诸塞州、波士顿128公路)、南部墨西哥湾区的逻辑芯片集群(菲尼克斯、达拉斯、奥斯汀)、加州硅谷微处理器与集成电路集群(森尼韦尔、山景城、圣何塞、圣克拉拉)[17-19]。相比,美国半导体行业的一些内部职能转移到海外的程度更令人瞩目,在Scott揭示的美国半导体产业的全球转移和地理版图中,展示了美国与东亚主导这一行业,而欧洲处于次级位置[9]。② 半导体的生产细分环节也出现了上述的专业化国际分工转移[21]。现有研究主要聚焦于美资半导体厂商在研发、制造和封测组装环节的地理扩张。在美国半导体地理转移的早期阶段,只有组装环节(由于其相对简单的技术和巨大的劳动力需求)被分配到海外区位。随着时间的推移,许多晶圆制造转移到西欧、东亚,半导体封测业务转移到东南亚[11-13]。该行业空间分工表现为产品研发、电路设计和制造主要在资本主义世界体系的核心区域进行,而组装(与封测结合在一起的程度越来越高)在外围进行[22]。此外,随着美国半导体离岸生产线和价值环节向亚洲的转移布局,亚洲新兴工业化国家出现了多个半导体生产中心。尤其近年来半导体生产重心以及相关产业链越来越多地转移到中国,中国也成为半导体地理版图中非常关键的角色[22,24]。特别是近年来中国半导体产业出现显著成长,其设计业已位居全球第二,在组装、封测环节更是不可或缺的世界工厂,也衍生出与组装/封测相关的更加细分的封测材料与设备环节[25-28]。然而,现状半导体的地理分布与价值环节的研究总体归纳为国家尺度的核心-边缘结构+三类环节国际分工,研究焦点区域在美国、日本、韩国、新加坡、英国、德国等国家以及中国台湾省,研究环节聚焦于设计、制造与封测组装。但是随着新国际劳动分工与全球价值链下垂直一体化分工的解体与水平化分散,以及无晶圆厂(fabless)与晶圆铸造厂(foundary)分工模式的出现极大转变了这一行业的全球分工[29],整个半导体生产环节进一步细化,也逐渐分化出与晶圆制造与封装测试相关的半导体材料与设备环节[2],但是当下研究对上述细分环节的空间组织鲜有探讨。尤其对于像中国这样的发展中国家,对于从更精确的城市尺度下,其本国半导体在上述细分环节的地理格局是怎样的仍不清楚,这些更细分环节的集群网络格局与区域组织模式更不得而知,也需要进行更加系统的研究补充与细化。
基于上述,半导体高端价值环节的创新与产业升级是大国博弈与科技竞争的战略高地,新热点新局势新危机不断涌现[1,22],尤其在中国谋求成为全球半导体产业新势力的当下,具有前瞻性与系统性研究的现实迫切性和重要学术价值。但是现状研究主要将国家尺度作为基本空间分析单元,仍较缺乏从更精细化的城市尺度上对中国半导体产业地理分布的探讨;而研究的部门划分仍聚焦于半导体设计、制造、封装测试环节,缺乏对与半导体生产相关的全产业链细分环节的探讨,这包括晶圆制造材料、封装材料、设备、设计、制造与封测价值细分环节,也需进行具体研究与分类讨论。基于此,本文从城市尺度的半导体产业价值细分环节视角构建投资网络( 半导体企业并非仅限于本地生产,更多以总部-分支工厂,这种多分支多区位的投资组织模式开展生产与运营。所以企业的本地与对外投资区位联系能较贴切的反映半导体产业的地理分布图景。再者,半导体产业作为对企业创新能力与准入门槛要求极高的高科技产业,往往依托产业集群模式孵化发展。因为集群地域的地理邻近性、根植性与网络性,可增强行为主体间知识溢出、学习互动与产业分工联系[20,21]。纵观世界上著名的半导体产业地带也多依托国家电子产业基地和科技产业园区以及骨干企业的集中分布区域(硅谷、波士顿128公路、新竹、张江、关东、北九州、剑桥科技园、M4走廊、勒诺布尔与德累斯顿微电子集群等),这种集群地域模式最终得以壮大。因此产业投资集群是测度与洞察半导体产业地理空间格局的重要空间载体与视角。),试图回答以下科学问题:中国半导体在与生产相关的价值细分环节存在怎样的地理集群分布与区域组织结构?因此,本文对于现有文献的研究贡献在:从城市尺度的半导体产业集群网络视角,探索在半导体全球地理版图中像中国这样的后发地区,在与生产相关的全产业链价值细分环节的集群地理分布与区域组织结构。而在现实意义层面,通过对上述问题的解答,为优化中国半导体产业区域布局、提升集群发育实力、域内域内多集群协同高质量发展提供借鉴。尤其在逆全球化的新危机下,对中国在该领域构建自主完备的国内产业链条,特别是推动国内大循环与区域协同创新发展有着鲜明的研究意义。

2 理论基础与研究框架

2.1 价值链理论与半导体生产环节垂直解体

价值链理论源自Porter在《竞争优势》中提出的价值链模型,他认为企业产品线贯彻上游生产、中游流转和下游销售环节,归纳为基本活动和支持性活动,这些环节围绕企业的增值活动形成一个相互联系的价值链条[30]。在此基础上,Kogut提出价值增加链来分析企业的国际化战略布局,认为价值增加链布局可以突破企业和国家界线,实现垂直生产链条的全球部署[31]。随着价值链理论更多的扩展到跨国公司的全球生产领域,该理论与产品内分工、新国际劳动分工联系紧密,表征很多产品生产过程包含的不同工序和区段,被拆散后在空间上分布和部署到不同国家开展,因而有越来越多国家或区域参与产品生产过程中不同环节、区段及供应活动,形成以工序、区段、环节为对象的分工体系[32]
这种围绕新国际劳动分工和劳动空间分工对的价值链模式在半导体部门,尤为明显,因为以美国为主的半导体产业最先采用离岸转移和离散化生产模式[24]。劳动空间分工理论将这种价值链分散形态定义为纵向分解和空间集聚[33]。Scott和Henderson认为半导体部门出现这种生产链条的松散化和分散式集聚在于外部交易成本[5,34]。由于半导体垂直一体化作业模式裹挟着高昂的生产成本和复杂的交易关系,这刺激了外部交易成本的上升,外部交易成本的上升又会导致空间不经济。因此,半导体企业开始采用专业化战略与分散化生产体系,将生产分离,在保留的业务领域不断细分产品线,这样既分散了高昂的晶圆铸造成本,由通过分拆生产流程进一步缩短芯片设计产品的上市时间。半导体产业随着多分厂跨国公司在全球的离岸生产和扩张的外部交易,也引发其不同区段在特定地域的专业化集聚。企业组织类型也由IDM集团型企业的紧密(内部产品线)纵向型向松散(多部门)纵向型、轻资产型分化[35]。相应地,其价值环节也围绕着专业化代工企业(Fabless+Foundtry+OSAT, outsourced semiconductor assembly and testing)( Fabless为Fabless design house,指无生产线的芯片设计公司,最初源于美国在半导体领域只从事芯片设计的无晶工厂和风险企业;Foundary为Fab fabrication foundary, 意为使用硅铸造半导体产品的代工厂,为晶圆标准工艺加工线,为Fabless提供晶圆制造服务;OSAT(Outsourced Semiconductor Assembly and Testing)为外包半导体(产品)封装和测试,是为一些Foundry公司做IC产品封装和测试的产业链环节,这个环节被看作是半导体产业的中游领域,往往与IC设计公司Fabless、晶圆铸造厂Foundary公司形成紧密的前后向产业链合作关系。)、分包转包商、合同制造商分解为设计业、制造业、封装测试业3个分业[36]。但是,随着半导体细分市场越来越精细化,有更多专业化为生产链条做配套的企业进入该领域,它们主要集中在上游环节,尤其是围绕半导体的晶圆铸造和封测环节分别形成的材料与设备配套商。所以在整个与生产相关的价值链条也逐渐向上游扩展,由以往的设计、制造与封测组装3环节向晶圆材料、封测材料、设备设计、制造与封测组装6环节进一步分化。之所以会出现价值链条的进一步分拆,出于以下原因:① 跨国公司在进行半导体的离岸外包与全球转移时,是对半导体生产链条的某一些环节进行扩张。但是地方承接者并非就承接环节只发展这些环节,而是在此基础上孵化出衍生链条并找到自己在细分市场的生态位,例如与晶圆制造、封装测试相关的材料与设备环节等。因此整个半导体产业链条是逐渐被细化的。② 美国对半导体的全球生产网络重组问题:虽然半导体产业的全球分工与扩张最初源自美国在1960s,对本国半导体组装生产线的地理转移。但是自2000年以来美国对于半导体行业霸主地位的回归与复兴,不再仅限于最初对组装生产网络的调控,而是扩展到对半导体整个生产链条在全球尺度的重组与再利用。因此整个生产细分环节越来越趋于复杂化协调组织。除了工序企业的进入,也囊括了更多上游为这些企业做生产配套的材料与设备企业。

2.2 产业集群、集聚经济和网络外部性

产业集群由Porter在其专著《竞争优势》中提出,指某一行业内的竞争性企业以及与这些企业互动关联的合作企业、专业化供应商、服务供应商、相关产业厂商和相关机构(如大学、科研机构、制定标准的机构、产业公会等)聚集在某特定地域的现象[30,37]。以往研究表明,产业之所以产生集群与集聚经济密不可分。集聚经济表征关联企业、机构基于互补性或同质性合作竞争,形成水平与垂直专业化的分工格局而带来集聚益处[38]。集聚经济研究聚焦于集聚外部性视角,经历了新古典区位理论、马歇尔产业区与外部经济理论、新经济地理学、新产业区和产业空间理论、竞争优势理论、新制度经济学、演化经济的理论发展。集群视角也沿着新区域主义、曼彻斯特学派的全球-地方张力范式、演化经济地理学的认知邻近、关系经济学的“本地蜂鸣-全球管道”的发展脉络,关注点由单集群向多集群、集群内向集群间关系转变,外部性也逐渐由集聚外部性向网络外部性转变[39]。Capello认为网络外部性是指集群间因职能网络的存在而产生互补性与协同效应,强调了不同城市间、不同主体间的联系引发的外部性[40]
由于半导体产业涉及一条完整的价值链条,基于不同细分环节形成不同类型的集群职能网络,半导体厂商为了增强细分环节的前后向联系,也更加趋向于利用集群外生产要素的互动和关系的协同发展。这种互动与协同主要通过网络外部性及其驱动机制对半导体集群网络进行组织建构。网络外部性(network externality),又称网络效应(network effect)或需求方规模经济(demand-side economies of scale),最初源自经济学概念,当消费者通过购买特定产品或服务加入某一网络,他所获得的效用依赖于同一网络中使用同样产品或服务的人数。经济学家将这种具有关系依赖的产品称为网络产品,因为外部消费行为产生的价值溢出称为网络外部性[41]。由于网络外部性存在于具有关系依存性的事物,地理学者也将它延伸到空间尺度的外部关系研究上,主要应用于城市网络、产业网络、企业网络、交通网络(客货运、航空网络)等研究,表示空间尺度上经济主体间相互作用产生的影响。① 网络外部性得益于生产要素在各职能网络的流动,包括借用规模、区域外部性、集聚阴影和区域(企业)异质性[39]。首先,半导体厂商通过毗邻更大更完备规模的集群投资布局,可以增进各要素之间的正向互动与合作,积淀研发优势和创新氛围,减少集聚成本,这在半导体的设备、设计与晶圆铸造环节尤其明显。第二,半导体厂商的选址范围不仅考虑单个城市内部,还倾向与不同职能区位及其外部空间区域建立联系(解释区域内投资密集的区域),以便接近更广阔的上下游市场和产品采购量。例如半导体的晶圆铸造材料、晶圆设备与制造环节更倾向形成外部集聚区域,半导体的封测材料、封测设备与封测组装环节更倾向联系布局。第三,半导体产业的集中发展不都只带来正反馈,有时也会产生负外部性。尤其是薄弱城市靠近实力雄厚的城市区位发展,高能级城市也可能“袭夺”低能级城市的要素与资源,表现为灯下黑效应。第四,集聚外部性与网络外部性的共同作用形成区域异质性,这有赖于差异化的半导体政策供给、项目布局、龙头企业和历史基础等,最终实现集群网络的互锁和强化[42]。② 网络外部性的驱动机制包括学习机制与匹配机制。学习机制指技术与知识通过集群间的水平合作溢出,便于企业知识积累、研发与新产品的交流。匹配机制指网络中嵌入的企业,可以方便地在集群间匹配供应商、合同商、经销商、贸易商等伙伴,利用获取中间投入品[39]。本文采用网络外部性的学习和匹配机制来阐释中国半导体网络社群的形成原因。首先,网络社群是复杂网络分析中的概念,指在网络中存在子结构或行动者子集,在此子集合中的行动者之间具有较强的、直接的、紧密的、频繁的、积极的关系,因而结合成一个次级团体时,这样的团体被称为网络社群。因为它本质上强调的是在某些边界线、地区或领域内发生作用的关系集合,而网络外部性也恰恰是对关系互动性和依赖性的研究理论,用网络外部性机制解释网络结构具有契合性和合理性。具体来说,第一,网络外部性更加强调关系相互依存性。它的学习和匹配机制在解释网络社群的影响机制时,不再把社区成员看做孤立单元,而是更加关注了社群网络关系本身对于社群的影响力,即强调了一方关系的存在发展有赖于也其他网络关系的存在发展。相比,以往的集聚外部性的溢出效应存在空间范围限制,更加强调地理邻近性但相对忽略成员间外部关系互动的考量[43]。第二,关注到了产业链条或产业生态对社群的作用。在同为从关系维度出发的社群解释框架,技术学习与创新机制的“关系接近”框架更加强调了学习、创新、惯例、熟人网络等所形成的的关系资产和意会知识,可以跨越地理界限进行远距离结网。但是这种解释框架还是相对忽视了产业链条和产业生态系统对于网络社群的构建,尤其在半导体这种高度零散化生产和外包分包的行业,供应商、合同制造商、代工商、电子设备制造商广泛存在,基于供应链/外包关系的结网作用也需要关注。网络外部性的匹配机制也可以超出以往学习或者创新的解释,更加关注了供应链合作关系和产业生态带来的社群效应,而企业也主要是由于嵌入价值链条逐渐习得和积累的供应商能力,而不仅仅是基于产业氛围、地方情景、政策供给、人才、惯习这样的“软创新”[43]。对此,网络外部性根据水平与垂直合作工序可分为创新合作网络和供应链合作网络。在网络社群的小群体结构和区域组织中,创新合作网络更加强调学习机制,表明同行企业间的创新合作更倾向水平分工,社群集聚有利于互补性技术与知识的外部扩散[40]。在半导体价值环节中主要刻画了晶圆材料、设备、设计这类知识密集型细分部门;供应链合作网络更强调匹配机制,通过价值环节的上下游垂直分工建立广泛的供应关系,推动企业间建立完备的供应链生态和采购体系,这主要面向半导体细分环节中的封测材料、晶圆制造和封测环节这类劳动力与资本密集型部门。

2.3 研究框架

本文首先在理论基础从两大理论构建实证的分析框架:一是价值链理论和半导体生产环节的垂直解体,着重讨论了半导体细分环节由3环节向6环节衍生的原因,为后文的实证分析单元提供理论支撑;二是集群理论与网络外部性,从网络外部性及驱动机制分别讨论中国半导体的集群网络的全局与局部空间组织原因。接着,实证部分的安排遵循从从全国到区域、从宏观到微观、从总体网络结构(overall structure)到子结构(sub-structure)的逻辑过渡关系。具体地,实证安排在第四和第五部分,首先第四部分是识别集群范围,在这个集群范围的基础上构建全局投资集群网络骨架,落在集群网络的全国总体格局和整体结构性上。再应用网络外部性分析全局投资集群网络分布原因。第五部分是在第四部分已构建的这个全局投资集群网络基础上,又进而关注总体集群网络和区域集群网络的子结构(也是凝聚子群问题),这是通过研究区域尺度和测度网络结构的下沉将两部分串联起来的。这里,采用网络外部性的驱动机制分析半导体集群网络的全局和区域群体结构。综上,第四、第五部分通过以下关系连接起来:“集群范围识别-集群网络构建-集群网络的整体结构-网络外部性对整体网络格局的影响-集群网络的群体结构-区域集群网络的群体结构-驱动机制对集群网络群体结构的影响”(图1)。
图1 研究思路与分析框架

Fig. 1 Diagram of research framework

3 数据来源与研究方法

3.1 数据来源

本文的数据来源三部分:① 2022年中国半导体企业6大价值链环节上市企业1666家,分支企业4731家,分别为:晶圆材料企业421家,分支企业1299家;封测材料企业196家,分支企业482家;设备企业159家,分支企业560家;芯片设计企业219家,分支企业726家;制造企业382家,分支企业973家;封装测试企业289家,分支企业691家。包括数据字条为在城市级尺度上分布的各企业经营范围、成立时间与地理坐标、从业人员、企业专利数据、投资情况。企业清单来自于《中国集成电路产业年鉴》、市场调研报告《参照系》、国泰安数据库。② 中国半导体相关统计数据。数据来源包括IC insight、Gartner、《中国集成电路统计年鉴》《中国科技统计年鉴》《中国信息产业年鉴》《中国半导体行业协会发展报告》《集成电路产业发展报告》(中国工业信息安全发展研究中心)。③ 2021年《中国统计年鉴》与《中国城市统计年鉴》的电子产业从业人员与发明专利申请数据。

3.2 研究对象

该部分是本文的实证分类基础与基本分析单元。本文首先通过对半导体价值链流程进行梳理(图2),在此基础上将半导体划分为为6个价值环节,晶圆制造材料、封装测试材料、半导体设备、半导体设计、制造与封装测试(assembly, packaging and testing,APT),后文实证部分都是按这6个环节细分进行展开(表1)。图2刻画了半导体价值链流程,基于当下主流的晶圆代工厂商模式,半导体价值链上游为设备供应、特种材料供应与半导体设计。总体来说,前两者都是围绕半导体的晶圆制造与封装测试两方面的设备与供应材料,接着与半导体整个制造工艺相关的是上游的设计、中游制造与下游的封测三大细分部门。首先上游环节是半导体设计,Fablss主导电路的设计和布局布线,它们通过产品定义、规格制定、客服服务等流程,最终生成三维电路布局图供下游厂商选择。接着到了晶圆制造环节,具体包括晶圆加工、铸造、氧化、光刻、刻蚀与薄膜沉积,接着被加工的晶圆转移到集成电路的初始测试区域进行中端探测(Probe)。然后这些晶圆被整理成晶体管元件的形式,进一步通过IC互联形成芯片银行,这些需要被最终检测的芯片最终被送往组装封测厂,被切割成单个芯片进行最终测试,被检测的芯片被放置在封装模具里最后运往下游的配送中心或客户。
图2 半导体产业价值链流程(基于Fabless+Foundary+OSAT model)

Fig. 2 Principal stages in the process of semiconductor production (based on Fabless+Foundary+OSAT model)

表1 半导体产业部门分类及零部件组成

Tab. 1 Segment classification and component composition in the semiconductor industry

一级分类 二级分类 部门细分 组成/组件
晶圆材料 前道材料 硅片 单晶硅、多晶硅、非晶硅、碳化硅衬底材料、抛光材料
溅射靶材 单质金属靶材、合金靶材、陶瓷化合物靶材
抛光材料 金属薄膜CMP、氧化硅薄膜CMP、硅薄膜CMP
光刻胶 光引发剂、树脂、溶材料剂、活性稀释剂
特种气体 外延气体、掺杂气体、CVD、离子注入、刻蚀
光掩膜 烙版(Chrome)、干版、凸版、液体凸版
高纯化学剂 通用湿电子化学品、功能性湿电子化学品、超纯元素
封测材料 后道材料 封装与测试
材料
引线框架、IC载板、膜封材料、锡球、键合金丝、聚酰亚胺、封装基板、电镀液、涂料、磁性材料、铜箔基材/散热基材、IC封装高密度印制电路板、覆铜板、绝缘板、多层板黏结片、耗材
半导体
设备
晶圆制造设备(前道) 光刻机 EUV、ArF lm、ArF Dry、KrF、i-line
刻蚀机 介质刻蚀机、硅刻蚀机、金属刻蚀机
薄膜沉积设备 化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)、原子层沉积(LAD)
清洗机 单片清洗、槽式多片清洗、单片槽式组合、全自动槽式清洗
其他设备 去胶机、涂胶显影机、CMP设备、离子注入机、热处理、量测设备
封装设备
(后道设备)
机械设备厂商 打线机、耦合机、中高变频设备、植球机、贴膜机、减薄机、晶圆安装机、划片机、装片机、注塑机、引线键合机、切筋/成型设备
测试设备
(后道设备)
晶圆测试与
终端测试
测试机、探针台、分选机、光学自动检测设备
半导体
设计
IC布图设计 电子设计自动
化/知识产权
射频芯片、移动芯片、无线通信芯片、存储芯片、触控芯片、图像传感芯片(CMOS)
制造 晶圆加工 制程工艺 沉积、清除、成像(光刻技术)、掺杂、分立器件制造、电子元器件、半导体器件、模组配件制造、电子器件的专用零部件制造
封装测试 后端工艺 先进封装
中测与终测
倒装芯片、3D IC堆叠、WLP、硅通孔技术TSV、系统级封装SiP;
针测、技术检测、编带测试、烧录测试

注:由于本文的研究聚焦在主要面向半导体生产领域的价值环节,不包含下游的客户分销与服务环节。

3.3 研究方法

3.3.1 投资集群识别方法

已有集群研究中,识别产业空间集聚状态的有效方法是运用基于行政单元的空间数据和区位熵指标。本文的研究范围界定为中国385个市域分析单元,运用区位熵与社会网络分析方法进行集群识别。区位熵选取的测度维度为企业数量、就业(企业从业人员)与创新(发明专利申请),具体的计算公式如下:
L Q I m = ( i m n / i m ) / ( I n / I )
L Q E m = ( e m n / e m ) / ( E n / E )
L Q P m = ( p m n / p m ) / ( P n / P )
式中:LQ表示区位熵,LQ>1、LQ=1和LQ<1分别表示城市的半导体创新、企业与就业的集群水平高于、持平和低于中国平均水平;LQImLQEmLQPm分别表示创新、企业与就业区位熵;m为城市,n为半导体产业;imnemnpmn分别为2022年m市的半导体产业的发明专利申请、企业数量与从业人员数量;imempm分别为m市的半导体产业的发明专利申请、企业与从业人员总数;InEnPn为中国半导体行业的发明专利申请、企业与从业人员数量,IEP分别为中国的发明专利申请数量、半导体企业数量和从业人员数量。

3.3.2 社会网络分析

为进一步采用网络分析指标刻画中国半导体产业投资集群格局,首先构建相应的有向加权的网络模型:向量Vi=[vi](i=1,2,…,n)为半导体投资企业所在城市,向量Vj=[vj](j=1,2, ,n)为接受半导体投资企业所在城市,权重矩阵W=[wi,j](i=1,2,…,n; j=1,2,…,n)为VaVb投资笔数,继而形成N×N的邻接关系矩阵A=[ai,j](i=1,2,…,n; j=1,2,…,n),最后用C=(Vi,Vj,W,A)表示半导体企业所在城市的投资网络模型。

3.3.3 社区发现

社区发现本质上就是对网络中联系紧密且相似的节点进行聚类归并。本文采用基于流和信息论的Infomap算法,其核心是通过最小化随机游走路径编作为优化的目标函数,将社区划分转换为信息流路径编码压缩。根据香农定理,若使用n个码字描述随机变量X在游走过程中出现概率pin种状态信息,则平均编码长度不低于X的熵。熵的计算公式为:
H ( X ) = - i = 1 n p i l o g ( P i )
式中:H(X)为随机变量X的熵。对社区结构划分,即对所有节点进行霍夫曼编码,来描述随机游走过程和不同节点之间的转移概率(访问量与访问频率),以此来表达网络中的任意路径。根据信息熵理论,其映射方程如下:
L ( M ) = q H ( Q ) + i = 1 m p i H ( P i )
式中:L(M)为在社区内与社区间随机游走路径的平均编码长度期望值;q为从一个社区进入另一个社区的随机游走概率;pi在一个社区内部随机游走的概率;H(Q)、H(Pi)分别为随机游走在社区间和社区内运动概率的熵。

4 中国半导体产业的集群识别与投资集群网络

4.1 投资集群识别结果

通过3个维度的区位熵计算结果,可知中国半导体产业呈现集聚为主的空间分布模式,其中高度集聚地区与中国城市群分布总体一致。且相比于就业与企业维度,创新维度更加倾向于高度集聚在少数集群区域。具体地,由区位熵的数量规模表明(图3),创新区位熵、企业区位熵、就业区位熵大于1的区域分别有35个、24个和23个。为更全面地考察中国电子信息产业集聚区域,创新、企业和就业区位熵数值之一大于1的区域共计43个,将其视为潜在集群保留。从区位熵的空间布局看,上述识别出的半导体集群区主要分布在京津冀、长三角、珠三角、成渝、福厦沿海、长江中游、山东半岛、关中等地区。
图3 中国半导体产业区位熵与投资联系集群识别结果

注:基于自然资源部地图技术审查中心标准地图服务网站的标准地图(审图号:GS(2023)2763号)绘制,底图边界无修改。

Fig. 3 Identification results of location quotients and investment cluster linkages of the semiconductor industry in China

4.2 中国半导体企业的对外与本地投资集群网络

从2022年中国城市接受半导体企业投资网络看(图4):① 从总体特征来看,企业投资存在地方性、区域性与地理邻近性。各类半导体企业均优先选择本地投资或邻近的城市的进行投资,尤其是对外投资核心节点的本地投资强度也同时较高。② 从分环节来看,长三角是半导体材料、设备、制造与封测的总体高水平一体化集群区,尤其是材料类环节主要集中在上海与江苏省(苏州与无锡),设备类主要集中在浙江省(杭州、宁波、衢州、金华);珠三角是半导体设计的集群高地,尤其集中在深圳;制造环节连片集中在东部沿海地区,长三角呈现显著的高值集聚,中西部小范围分布在成渝、关中、中原城市群。③ 从布局结构来看,在对外投资网络中,核心热点城市呈现为菱形布局与雁型结构,雁首为长三角,雁两翼为京津冀与珠三角,雁尾为中三角、川渝与关中地区;在本地投资集群中,东部集群为双核或多核牵引型,西部集群往往依托省会城市,表现为单核牵引型。④ 从投资的区域偏好看,京津冀核心投资区域为辽中南与山东半岛地区,长三角首位投资为域内投资(苏南、浙北、皖中南),对外投资重心在珠三角、福厦沿海与中三角,珠三角区域内投资重心在珠江东岸的深圳-东莞-惠州,域外投资核心地区在长三角、成渝以及长株潭地区。
图4 中国半导体企业本地与对外投资集群网络格局

注:基于自然资源部地图技术审查中心标准地图服务网站的标准地图(审图号:GS(2023)2763号)绘制,底图边界无修改。对外投资网络中总度值为接收非本地(入度)投资与发出(出度)对外投资的企业数量,其中输出控制代表出度,输入控制代表入度,投资金额表示投资联系强度。

Fig. 4 Network distribution of outward and local investment clusters in China's semiconductor industry

4.3 中国半导体集群的网络外部性

从网络外部性来解释上述集群的空间布局,主要有4个方面的解释因子(图5)。
图5 网络外部性对中国半导体投资集群网络的影响

Fig. 5 The influence of network externality on the investment cluster network of China's semiconductor

4.3.1 借用规模

借用规模首先表现出地理邻近性特征,其他的中小规模的集群区域通过邻近这核心集群网络布局,可以获得规模集聚带来的外部性,更为重要的是,周边小集群借用核心集群的规模可以带来市场接近效应。通过借用,集群的经济一体化水平和大集群向小市场出口的概率都更高,周边半导体企业通过市场接近能更大的拓展市场潜力,更易于利用这种规模经济,由此带来正向互动性。

4.3.2 集聚阴影

与借用规模的正向溢出相对,集聚阴影表征了核心集群对周边节点的负向袭夺现象。过多的半导体生产要素被吸纳进核心地带,小城市节点发展反而受限形成灯下黑地域,最终出现负溢出性。同样,与市场邻近效应相对,集聚阴影也由市场拥挤效应所驱动。过高的一体化程度反而削弱了周边小市场相对发展优势,同时集群间半导体生产联系弱化,也会引起低效、无序的空间竞争。

4.3.3 区域外部性

区域外部性主要表现在半导体上下游产业链条协同集聚。半导体企业通过与不同职能区位及其外部空间区域建立联系,以便接近更广阔的上下游市场和保证产品采购量[44]。Fujita和Krugman认为最终市场引起集聚,最终产品部门可以使用大量差异化的中间产品,吸引中间品部门的集中布局,这尤其反映在长珠三角的半导体域内集群网络。长三角是制造芯片的核心市场,围绕这一终端需求,吸引了众多晶圆铸造材料、铸造设备企业的大量布局;珠三角是消费芯片的终端市场,为了满足下游市场的定制化需求和产品出货,有众多的半导体设计、封装、测试、模组企业围绕布局,为终端市场做配件加工与配套服务。最终产品与中间产品的空间一体化是区域外部性的主要形式,从而形成完备的半导体域内投资集群[45]

4.3.4 区域异质性

差异化也是引起中国半导体集聚的另一个强大力量,这反应在区域政策、产业基础、龙头企业的异质性方面。① 长三角有极雄厚的半导体产业基础、国有工厂和外资投资,其半导体工业几乎占全国产值的一半。尤其是上海作为龙头,在各个环节都处于国内尖端水平,领跑长三角乃至全国发展。一方面,20世纪60年代以来上海就是中国电子工业重镇,承担集散职能,多数半导体产品尤其是半导体制造设备从外资进口经由上海再转往各地;另一方面,以建设晶圆生产线为主的国家政策供给在这一区域最显著。例如,908和909工程,带动周边企业建立半导体的系统工程和更完备的产业生态。更为重要的是,上海“聚焦张江”战略具有里程碑意义[41]。在浦东建立3倍于新竹科学院的张江微电子开发区,建设10条8~12英寸集成电路生产线[46]。团结全球华人资本,鼓励台资企业家来沪建立中芯国际,并引进众多跨国公司入驻张江。这可以解释为什么长三角尤其是上海的半导体价值链条倾向面向生产驱动型和技术拉动型,追求先进制程工艺,在摩尔定律内快速迭代,专著于做晶圆铸造,带动半导体设备与封测相关环节发展。② 珠三角的半导体集群更偏向市场导向型和需求牵引型。首先,珠三角为芯片提供了极为广阔的移动终端和消费电子市场,半导体企业更易在此区域形成集群以最大化邻近下游市场。第二,这里的芯片技术更倾向需求牵引型,面向手机、PC、物联网、新能源汽车的芯片需求,走特色工艺路线。企业多是在成熟工艺基础上做特色,满足多样化定制战略[46]。所以,这里孵化了众多的芯片设计企业,尤其是Fabless模式。第三,珠三角有众多的半导体配套加工企业,这与珠三角的芯片代理商体系密不可分。代理商和分销商模式在珠三角的半导体工业体系尤为典型,最初源自港澳台资企业在“三来一补”中贸易商的角色,带动珠三角本地企业形成此类小作坊,主要负责芯片配件加工、封测、大厂订单拿货、材料与设备采购等环节[47]。③ 京津冀、辽中南和关中一带主要是国企军企和科研院所分拆型。北方有很多国营工厂或者军转民企业发展半导体集群,此外科研院所的孵化作用也极其重要。例如,紫光集团是由清华大学分拆出来的企业;东北地区主要的龙头企业集中在半导体设备,分布在辽宁和沈阳,例如政府主导建立的锦州辽晶电子技术公司,以及中国科学院系统沈阳地区的研究所分拆出来的沈阳和研科技股份有限公司、中国科学院沈阳科学仪器股份有限公司、沈阳中科汉达科技有限公司、沈阳芯源微电子设备股份有限公司等企业。在西北主要集中在西安,西安主要是基于西安电子科技大学、西北工业大学、西安交通大学、西安电力电子技术研究所、中国科学院西安光学精密机械研究所衍生出的半导体企业。④ 川渝地区集群依托三线建设以来的国有工厂,上海国营工厂对西南的对口援助,最先建立半导体配套工厂川仪六厂和成都970厂,布局于成都高新区和重庆北碚区的嘉陵江边,后来向遂宁、乐山、眉山扩散,奠基了川渝集群网络的产业骨架[46]

5 中国半导体网络的社群格局和驱动机制

5.1 投资集群网络的社群结构

根据周灿等关于中国半导体产业投资集群网络的研究[37],从社区集群倾向与空间分布看,设计社群的集群发育最为显著,空间分布上高度集聚,表现为三种集群模式,高强度的本地投资集群,围绕北京、深圳、上海创新三极形成的近距离域内集群,跨越地理边界建立远距离跨区域投资集群。晶圆材料、设备与半导体制造社群具有小范围的集群发育倾向,这些投资集群主要表现为近距离区域腹地内投资,但总体上大体量的投资社区主要集中在长三角地区。封测材料与封测环节社群没有显著的投资集群发育,各社区呈离散化空间分布,各社区间联系松散缺乏集群向心力,在空间分布上表现为远距离跳跃式的散点投资倾向。

5.2 区域社区的空间组织和驱动机制

本节选取珠三角、长三角、京津冀地区作为研究区域投资关系的主要社区。图6表明,其中晶圆材料、半导体设计与设备为单核心社区,封测材料与制造环节为双核心社区,晶圆材料与封测环节为多核心社区。晶圆材料、设计与设备环节均形成以深圳为绝对核心的单中心区域结构。大额投资流量以深圳为核心呈放射状流向区域内其他高能级城市(图6a图6c图6d)。区域层面深圳投资合作强度最大的关系是深圳对成都、武汉、南昌、重庆、东莞、惠州,表现为双边投资特征。封测材料与制造环节表现为以深圳-东莞为双核的区域投资联系结构,但二者流量分布与各自子势力范围存在差异(图6b图6e)。封测环节为投资网络化、高密度的多核心区域结构,区域内成员的投资流量分布相对均衡(图6f)。
图6 珠三角地区的社区投资联系

Fig. 6 Community investment linkages within the Pearl River Delta region

图7表示长三角的投资社区关系,其中晶圆材料、半导体设计与设备为单核心社区,封测材料、制造与封测环节为多核心社区。首先,晶圆材料、设备与设计社区均形成以上海为龙头城市的单中心扇形状空间投资结构(图7a图7c图7d)。上海的大额投资流向苏南与浙北地区延伸,构成区域投资的扇面型网络骨架。封测材料、制造与封测环节社区均表现出高水平的相对均势发展,区域一体化程度较高的多核心结构(图7b图7e图7f)。从投资流量看,上海、苏州、杭州、无锡是区域投资重心,并且表现为高强度的互动投资和紧凑的网络化联系。图8表示京津冀环的投资社区关系。其中半导体设计与设备为单核心社区,制造环节为双核心社区,晶圆材料为多核心社区,封测材料与封测环节为低水平均质发育社区。具体地,设计与设备社群均为以北京为绝对权力顶点的单中心结构,其他社区成员北京强大的吸引力所“袭夺”,优先选择向北京投资(图8c图8d)。制造环节社区为以北京与天津为主体的双中心结构,但北京的投资强度与子辐射范围总体大于天津(图8e)。晶圆材料社区表现为多中心发育结构,但存在两级区域核心,一级核心城市间高度关联,并形成以各自城市为核心的二级层级网络(图8a)。封测材料与封测环节为低水平均质化社区,区域成员缺乏核心投资引擎,社区成员的投资水平维持在总体低水平的均衡状态(图8b图8f)。
图7 长三角地区的社区投资联系

Fig. 7 Community investment linkages within the Yangtze River Delta region

图8 京津冀地区的社区投资联系

Fig. 8 Community investment linkages within the Beijing-Tianjin-Hebei region

从网络外部性的驱动机制分析上述集群网络的社群结构和区域组织结构:① 学习机制。在半导体的晶圆材料、设计、设备等技术密集型环节有明显的集群发育和小群体结构,并以单核布局结构为主,这有赖于网络外部性中的学习机制。对于半导体产业链中研发门槛和知识密集型细分环节,本身具有地理集中性,社区内地理距离对集群影响是主要的,更强调地理接近和面对面交流带来的学习氛围,从而构建水平分工的创新合作网络[4]。此类研发活动不但依赖于可交易的显性知识溢出,更依赖不可交易的意会知识。意会知识本身具有地理集中性和强烈的空间粘性(如共同的话语体系、产业氛围和创新环境),它的产生、扩散、共享强调地方“产业空气”,较难进行长距离的溢出[38]。上述半导体技术密集型社区通过这种意会知识获取本地化集群与知识溢出效益。此外地理接近有利于企业实现空间学习和集体学习,增进部门专业化的水平关联,利于互补性技术与知识的扩散,并维护企业间合作关系的连续性与稳定性。由此形成的创新合作网络也具有强烈的地方化空间粘性,更易于形成聚焦于某个地方的学习型集群,表现为极化的单核。② 匹配机制。在半导体的封测材料、封测环节和晶圆制造等劳动力密集和重资金密集型环节,没有较明显的集群发育倾向,并以双核或多核布局结构为主,这有赖于企业嵌入到供应链关系网络的匹配机制。具体来说,第一,上述半导体细分环节对生产链条中的垂直整合度高,依赖价值环节的前后向联系建立广泛的供应关系,从而构建的是垂直分工的供应链合作网络。这更加强调关系接近和组织接近性,企业嵌入到供应链合作网络中,基于这种关系网络可以优先获得更多的供应信息、渠道和合作平台,有利于企业快速获取与供应商合作机会,可有更多机会整合进更为高端的供应链体系和全球生产网络,获得更多的合作伙伴,最终推动企业间建立完备的供应链生态和采购体系[4,39]。内部采购量也承担了一定的市场支撑作用,依托内部庞大的采购量可以保证企业不断更新迭代新产品。第二,供应链合作网络还需要复杂的芯片代理商体系和物流结构才能有效地分销和售后[47]。因此供应链条更加元化和易于扩散,企业也更倾向多区位布局,以邻近供应商、代理商、合同制造商、物流商,从而在空间分布上呈现散点或多核组织。第三,半导体企业邻近它的供应商、代理商、合同制造商和物流商等配套企业,可从接近这些这些配套企业中获利。这种模式适用于垂直整合程度高,需要平衡工厂间生产能力并具有相对较高价值密度的生产环节。它的运作通常在区域内使用紧密相连的城市生产地点,通过网络式交互来实现灵活的订单分配和生产设施的高利用率。此外上述社群类型还需要复杂的物流结构才能有效地分销,因此在交通设施发达、运输条件便利、彼此邻近的城市社区间布局生产可降低运输成本,或者在产业基础较雄厚的城市及邻近腹地配套布局生产,所以在空间分布上也呈现双核布局特征。第四,供应商能力与供应链纵向结构推动网络社群成员集聚,通过供应链纵向控制结构实现更高效的区域供应链竞争。研究表明,网络外部性的存在将会极大地影响到整个供应链系统,而它们只有在区域集聚的时候才易于形成供应链的纵向控制结构[48]。供应链纵向控制结构由集中决策控制结构(纵向一体化)和分散决策控制结构(分散化)组成。在半导体的区域社群结构中,主要体现为以Foundary为核心形成的材料设备商-Foundary-封测代工商的纵向一体化结构,以Fabless为核心形成的Fabless-Foundary-代理商-零售商/分销商的分散化结构,通过网络外部性的匹配机制,形成集中或分散的供应商合作网络,成为社群间的联系纽带。此外,对于网络外部性不同的供应商来说,较大的网络外部性差异推动集中决策结构的形成,较小的网络外部性差异促进分散化决策结构的形成,但是它们都是通过社区成员的集聚来发挥纵向一体化的外部性效应。

6 结论与讨论

本文主要基于2022年中国半导体六大价值链细分企业数据、半导体相关统计数据,从网络外部性视角研究了中国半导体产业投资集群网络的空间组织与影响机制,研究结论如下:① 全局对外投资集群网络总体呈菱形布局和雁型结构,东部本地集群为双核或多核牵引型,西部本地集群表现为单核牵引型。从分环节看,长三角是半导体材料、设备、制造与封测的总体一体化集群区,尤其是材料类环节主要集中在上海与江苏,设备类主要集中在浙江;珠三角是半导体设计的集群高地,尤其集中在深圳;制造环节连片集中在东部沿海地区,小范围分布在中西部成渝、关中、中原城市群。② 网络外部性发现,半导体集群网络在借用规模和集聚阴影表现为正负外部性,通过区域外部性实现最终产品与中间产品的协同集聚和空间一体化。在区域异质性中,长三角集群网络为生产驱动型和技术拉动型,珠三角为市场导向型和需求牵引型,京津冀、辽中南和关中地区为国企军企和科研院所分拆型,成渝为三线建设对口援助型。③ 从投资社群结构看,晶圆材料、设备与制造社群具有小范围的集群发育倾向,表现为近距离区域腹地内跨界投资。设计社群规集群发育最显著,并表现为本地投资集群、近距离区域内集群和远距离跨区域投资集群。封测材料与封测环节社群没有明显的投资集群发育,表现为远距离跳跃式的散点投资模式。④ 在半导体的晶圆材料、设计、设备等技术密集型环节有赖于学习机制形成水平分工的创新合作网络,在半导体的封测材料、封测环节和晶圆制造等劳动力密集和重资金密集型环节通过匹配机制形成垂直分工的供应链合作网络。
需要再次对比讨论的是区域集群网络与空间结构,从单核心社区中区域龙头城市看,京津冀围绕北京形成向心式网络骨架,长三角依托上海形成扇面型网络骨架,珠三角依托深圳形成放射式网络骨架。总体而言,上海作为区域核心引擎的极化作用相对弱于北京与深圳;从投资的区域结构看,京津冀、珠三角和珠三角的半导体投资布局分别主要为单核心、双核心和多核心区域关联形态。从价值链细分环节的区域布局看,半导体设计与设备环节更倾向单核心发育结构,半导体制造环节更倾向双核发育结构,晶圆材料、封测材料与封测环节更倾向多核心或均质化发育结构。鉴于此,本文对未来中国半导体产业投资布局与空间组织提供以下参考建议:① 晶圆制造环节需要培育产业集群内的双核初始发动引擎,选择区域高行政级别且地理邻近的城市投资布局,一主一辅到双强再到外围卫星城市的彼此配合分工。② 材料类或者封测环节倾向多核心且区位选址具有资源禀赋导向性,增长中心也可与高度分化的资源基地联系在一起。对于前道晶圆材料要注重由长三角多核心的扩散与知识溢出,对于后道的封测材料与封测环节可由长珠三角核心逐渐到中西部低劳动成本与土地价格或者资源型城市,考虑对产能的有序置换、精简瘦身、区域承接,以推动先发区域更加聚焦到高端环节的研发攻关以及更多后进区域参与到半导体价值链分工。③ 研发环节三大高地的核心引擎城市表现为差异化的知识溢出扩散通道。北京依托向心式的研发通道打造成投资接收高地,上海根据它苏南浙北扇面型的研发通道,增强区域内核心城市的创新协同发展,孵化出长三角的多核心创新高地。深圳依托它放射状研发通道,加大对中国新兴创新城市的风险投资。各城市政府也应制定优惠的投资政策,进一步吸引深圳芯片设计类企业入驻。
本文还存在以下问题有待完善。第一,受限于多个时间截面的中国半导体企业数据和统计数据缺失,本文无法基于历时性数据剖析中国半导体集群网络的演化动态。第二,限于篇幅要求,对网络外部性的驱动机制与多维邻近性的互动还欠缺更充分的讨论。此外,未来还需关注以下方面来进一步扩展丰富本文的研究:① 在国内大循环和地缘经济博弈视角,从GPN2.0的战略耦合、解耦与在耦合视角,探讨在国际营商环境更加复杂的情况下,中国半导体企业的战略响应机制、新一轮的国内产业转移与区域承接(向其腹地及内陆区位的转移与扩展),以构建更加完备自主的国内供应生产网络。② 关注中国典型半导体集群的区域模式与发展路径,对比剖析中国特色的半导体集群范式与西方以及东亚模式的差异。

真诚感谢匿名评审专家在论文评审中所付出的宝贵时间和精力,专家对本文研究思路、引言完善、理论基础与解释框架、解释机制、概念界定、逻辑结构等方面的修改意见,使本文获益匪浅。

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