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新周期或将来临，半导体转向何方？

时间：2023-07-15 来源：浏览：

新周期或将来临，半导体转向何方？

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功能介绍源自麻省理工学院，关注新兴科技的过去、现在和未来。

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以下文章来源于中科创星，作者硬科技投资先行者

中科创星 .

专注于“硬科技”领域的早期投资机构。

导语

半导体作为20世纪最重要的底层技术之一，是信息技术、材料技术、能源技术的“基石”，对全球科技产业的发展至关重要。

本文核心观点：

1） 半导体产业伴随着技术范式的发展而（升级）变迁，而技术的突破则非常依赖于基础科学的突破 。

2） 半导体行业与宏观经济相关度较高，一旦出现“经济/金融危机”“地缘冲突”“自然灾害”等外部冲击，企业就有极大概率遭受重创，陷入“停滞”。

3） 大国博弈加速关键性核心产业的竞争，在政策支撑下，产业发展上升至国家战略层面，进而获得更多的资源倾斜 。

4）在“后摩尔时代”，半导体产业的选择方向一是继续延续摩尔定律，如研发新的材料和采用新的设计/封装工艺；二是“另辟蹊径”，超越摩尔定律寻找新的技术，如光子技术、量子技术等。

PART 01

半导体产业发展历史与驱动因素

全球半导体产业发展历史简述

自20世纪50年代以来，半导体产业的发展至今已经历了四个主要的发展阶段，分别是：1950年-1970年（产业崛起期），1970年-1990年（产业迁移期Ⅰ），1990年-2010年（产业迁移Ⅱ+分工优化期），2011年-至今（产业迁移Ⅲ+分化期）。

在此过程中，得益于技术的扩散与进步叠加，及各国资源禀赋和政策支撑，美国→日本→韩国、中国台湾→中国大陆先后登上半导体产业的“舞台”，并逐渐成为半导体产业最重要的市场。

1）第一阶段（1950年-1970年）

技术突破和市场需求引致半导体产业崛起。第二次世界大战之后，全球进入新一轮的和平周期。但二战仍引发了全球各国对于先进的军事、医学、核能技术的关注。尤其是在“美苏冷战”的大背景下，半导体产业受到了重视。

1948年6月，贝尔实验室发布了点接触晶体管。2年后，威廉·肖克利的研究小组制成了第一只结型晶体管，使得后来的晶体管和芯片的大规模生产成为可能。在美国国防部和美国宇航局的订单支持下，半导体产业开始在美国走向“繁荣”。数据显示，截至 1953年，美国共计生产了100万个晶体管。此后三年（1954～1956年），美国市场上共销售了1700万个锗晶体管和1100万个硅晶体管，总价值为5500万美元。

20世纪70年代，美国企业掌握了全球半导体市场的主导权，德州仪器（TI）、仙童半导体（Fairchild）、摩托罗拉（Motorola）、英特尔（Intel）等知名企业均在此时脱颖而出。与此同时，凭借芯片技术（美国军用芯片市场占比高达80%以上）美国的军事装备在冷战期间对比苏联有了很大的优势。凭借在全球半导体产业的绝对领先，美国经济长期处于繁荣之中。

2）第二阶段（1970年-1990年）

在本土大力发展半导体产业的同时，基于经济性的考虑，美国也在将低附加值的技术产业环节进行迁移，而作为美国的盟友，日本得到了美国的大力扶持——军需订单和先进技术，日本在第二轮半导体产业发展中成为了“主角”。尤其是20世纪六七十年代，半导体产业伴随着日本经济的黄金年代一同发展。除了劳动力优势之外，日本发展半导体产业的方式与美国大相径庭——产业政策和政府支撑。

不过，由于日美贸易的长期逆差，美国对日政策由扶持转为遏制。于是，在美国的强压下，日美签订“广场协议”，旨在通过“推高日元，贬值美元”以缓解美国的贸易逆差。结果是，日元在短时间内大幅度升值，日本产品的国际价格竞争力丧失，导致以出口为导向的日本经济受到了严重打击，日本经济在90年代基本陷入停滞。

伴随着日本经济泡沫破裂，日本政府对半导体产业的直接支援逐渐减少，半导体产业因而也开始发生第二轮迁移，韩国和中国台湾受益。与此同时，半导体厂商从 IDM 模式向“设计+制造+封装”的全球分工模式转变，催生代工厂商大量兴起，以台积电为首的厂商抓住了半导体行业垂直分工转型机遇，开启了晶圆代工（Foundry）模式。

3）第三阶段（1990-2010年）

20世纪90年代，韩国开始“逆周期”投资，通过技术引进和产业政策，韩国政府和韩国企业开始在 DRAM 领域进行扩张：1993年，韩国政府制定《21世纪电子发展规划》；1年后，韩国政府颁布《半导体芯片保护法》，以法律的形式来保护韩国半导体芯片的技术创新。

1996-1999年，韩国三星采取“反周期定律”，逆势投资存储器。彼时，日本的日立、NEC、三菱等公司不堪重负，存储部门均被母公司剥离。雪上加霜的是，1997年的亚洲金融危机加速了全球半导体产业进入衰退，内存价格大跌，日本半导体产业遭受了沉重的打击，日本内存根本无法与韩国竞争（韩元贬值），于是日本各大电子巨头纷纷放弃了内存产线。

4）第四阶段（2010年-至今）

通过长期引进外部技术，培养新型技术人才，以及凭借着中国相对廉价的劳动力和丰富的资源，中国开始大量承接低端组装和制造业务，世界优秀的半导体企业也不约而同地聚集到中国来，抢占着市场份额；另一方面，国内市场需求的爆发式增长，也推动我国半导体产业的高速发展：

2010年后，随着国内PC互联网和移动互联网时代的展开，消费电子产业带来了大量的消费需求；
2012年，我国成为全球最大的PC市场；
2015年，我国成为手机销量第一大国，此后手机、电脑等产品的出货量长期稳居世界第一；
2019年，我国成为全球第一大消费电子生产国和消费国。

同时，下游市场的发展带动了半导体上游产业。据SEMI的《年终总半导体设备预测报告》显示：截至2021年年底，中国大陆运营/计划合计73座晶圆厂，仅次于日本、美国和中国台湾。

总之，通过复盘半导体产业史，我们可以得出以下几个结论：

结论1：技术层面。 半导体产业伴随着技术范式的发展而（升级）变迁，而技术的突破则非常依赖于基础科学的突破。 再者，人力资本始终是创新型产业发展的核心推动力，基础科研端诸多人才的投入往往是破局之本。
结论2：企业层面。 市场需求刺激新技术扩散。 同时，伴随着经济层面上的规模效应出现，推动企业进入扩张期。
结论3：产业层面。半导体行业与宏观经济相关度较高，一旦出现“经济/金融危机”“地缘冲突”“自然灾害”等外部冲击，企业就有极大概率遭受重创，陷入“停滞”，危机过后，市场复苏强反弹。
结论4：国家层面。 大国博弈加速关键性核心产业的竞争，在政策支撑下，产业发展上升至国家战略层面，进而获得更多的资源倾斜——产业政策、税收政策、金融政策等 ，因而从政策层面也可以观察到未来产业的发展方向和发展趋势。

在此，我们也可以基于上述规律来观察一下中国半导体这十年。

中国半导体的“黄金十年”

1）2013年-2016年：“市场需求+政策引导”，大陆半导体产业顺势崛起

2013年，中国半导体进口超过石油进口额，此后几年，在政策、市场、技术的驱动下，呈现高增长趋势。其中，除了2010-2015年间智能手机和5G通信的大规模商业化所带来的移动互联网经济拉动了半导体产业的发展外，还有两大战略/政策支撑了半导体产业的快速崛起：

一是2014年6月《国家集成电路产业发展推进纲要》正式发布。《纲要》的出台意味着政府下定决心推动集成电路产业发展，实现自主可控；
二是2015年中国发布《中国制造2025》、“互联网+”行动指导意见以及“国家大数据战略”相继组织实施，为中国半导体产业的发展奠定了长期发展方向。

2）2016年-至今：经济增长放缓，“科技竞争”+“保护主义”白热化

2016年3月7日，美国商务部网站公布，中国电信设备供应商“中兴通信”因涉嫌违反美国对伊朗的出口管制法律，因此将其列入了“实体清单”，并执行限制出口措施。此后，密集的科技管控政策向中国袭来：技术出口管制、投资审查限制、人才交流限制、实体名单......

以上种种措施起到了两个方面的作用，一是加速了科技保护和岛链化经济，二是更加坚定了中国走自主创新的决心，于是，中国再次发挥制度优势：

2019年，大基金二期成立，在大基金的引导带动下，国内集成电路行业投融资环境明显改善。
同年1月，中央深改委审议通过了《在上海证券交易所设立科创板并试点注册制总体实施方案》、《关于在上海证券交易所设立科创板并试点注册制的实施意见》，科创板正式提上日程，并于2019年7月22日开市。

2020年以来，全球半导体产业进入调整周期：一方面，疫情催动了暂时性的消费电子的爆发，但同时也加速了经济下行，因而在疫情结束后，消费需求加速减弱，消费电子产业也进入了新的一轮主动去库存周期；另一方面，疫情反复引发了2022年的“供应链危机”，导致工业级、车规级半导体供不应求，进一步遏制了汽车行业和部分高端制造业的发展。

PART 02

半导体产业链及国内投融资情况

半导体产业概述

半导体可分为集成电路（IC）、光电子器件、分立器件、和传感器，占比分别为84.22%、7.41%、5.10%、3.26% （2021年）。

逻辑电路和存储器的市场占比仍占据IC市场一半以上的份额，仍将是未来的主流产品。例如，2021年集成电路销售额4630亿美元，占半导体销售额（5559亿美元）的83.3%。其中，逻辑电路销售额1548亿美元，占30.8%；存储器销售额1538 亿美元，占27.7%。

据中国半导体行业协会统计，2021年中国集成电路产业销售额为10458.3亿元，其中，设计业销售额为4519亿元，占比为43.21%；制造业销售额为3176.3亿元，占比为30.37%；封装测试销售额2763亿元，占比为26.42%。

上游：支撑性产业——材料/设备

材料端。 半导体材料是半导体产业链中细分领域最多的环节，市值超过600亿美元。其中，中国半导体材料市场规模约 119 亿美元，占比全球材料市场比重约 18%。不过，由于我国缺乏专业人才、材料研究起步晚，行业进入壁垒高，因而在核心材料和技术暂时落后。例如，大陆企业在封装基板（国产化率<10%）、陶瓷封装（国产化率10%）、芯片粘结材料（国产化率<10%）方面与国际领先企业差距依然较大，提升国产化率迫在眉睫。

设备端。 半导体设备贯穿整个生产环节，尤其是在晶圆加工中，设备投入占比极大，占总设备投入的 80%左右。目前，国际前五的半导体设备公司销售额占全球设备市场规模超过 70%。其中，营收超过100亿美元的企业共有四家，分别为美国应用材料（AMAT）、荷兰阿斯麦（ASML）、美国泛林（Lam Research）以及日本东京电子（TEL）。反观中国本土的半导体设备则占比较小，目前国内大概有将近20个半导体前道设备公司，未来国产设备发展空间广阔。

中游：设计/制造/封测

设计方面。 芯片设计公司主要分为三种：无晶圆厂的公司（Fabless ）、集成设备制造商（IDM）和EDA/IP提供商。据IC Insights统计，2022年全球IC设计行业整体营收达到2154亿美元。其中，美国IC设计领域规模最大，市场份额达63%，营收超过1300亿美元；中国台湾位列第二，市场占有率达18%，营收接近400亿美元；中国大陆位列第三，市场份额约为15%。

IC 设计企业属于轻资产，作为产业龙头主营业务贴近并引领市场终端需求。从公司层面来看，全球十大设计公司之中有6家美国公司，3家中国台湾公司，只有1家中国大陆公司——韦尔半导体，这也反映了中国大陆的设计公司的现状——数量众多且产品种类繁多，企业总体规模偏小，且公司的产值及产品相对分散。

制造方面。 半导体制造行业是受研发和技术驱动的行业，对人才和技术极为看重。同时，半导体制造厂商需要持续不断投入工艺制程和产品结构的研发，且半导体制造企业是重资产企业，需要资本的大力支持。

封（装）测（试） 是半导体制造产业链的最后一个环节。2004 年至今，我国半导体封测行业一直保持高速发展，年复合增长率为 15.8%，规模和技术上已经不落后于世界大厂。而从技术趋势来看，随着电子产品进一步朝向小型化与多功能的发展，芯片尺寸越来越小，输出、入脚数大幅增加，为了“延续摩尔定律”，3D封装、硅穿孔（TSV）、扇形封装 (FO WLP/PLP) 、微间距焊线技术，以及系统封装 (SiP）等技术相继受到关注。

简言之，半导体中游产业链三个环节中，设计对技术积累与人才要求最高；制造对资本投入要求高；封装产业对对人工成本最为敏感。因此，设计和制造的附加值最高，封测的利润附加值最低。

近3年中国半导体产业投融资情况

一级市场方面。 纵观2019-2022年，中国半导体投融资数量和投融资规模均处于持续增长之中，尤其是2020-2021年，数量和规模剧增（数量增长185%，规模244%）。不过，自2021 年底以来，全球经济情况恶化，通胀不断走高，下游需求开始萎靡，全球半导体厂商库存开始升高，全球半导体行业走入新一轮下行周期。据集微网统计，2022年“芯融资”融资事件超680起，规模超1170亿元，相比2021年超1100亿元的融资规模增速明显放缓，但整体热度仍在。

从产业链分布来看，一级市场投资重心转向大市场、大赛道和可预期商业落地的项目，设备/材料、CPU/GPU、汽车芯片等领域收获多个10亿级融资，以往备受追捧的芯片设计环节则意外“遇冷”，大项目扎堆的景象不再。如粤芯半导体和先导薄膜均以45亿元的融资规模并列2022年半导体一级市场投融资TOP榜榜首。而从轮次来看，A轮占比38%，B轮占比17%，市场越发偏向早期投资。

二级市场方面。 2022年成为半导体二级市场投资丰年，众多半导体企业开启IPO。其中，A股科创板迎来了124家公司，半导体企业就有40家。从市值看，市值超100亿的有广立微、有研硅、思特威、东微半导、唯捷创芯等26家企业，占比超50%；市值超300亿的有海光、华大九天、天岳、龙芯、纳芯微等5家公司。

投资机构动向来看。 对比几家专业半导体投资机构（依据集微网TOP20随机选取）的公开数据可以看到，相较于2021年，2022年半导体投融资市场，EDA/IP两大领域的投资力度较大，芯片设计公司无论是投资金额还是投资数量上，都是资本青睐的对象。究其原因在于在半导体产业链中，芯片设计公司投入成本较小，回报周期较短，而且市场空间大，在行业高速发展期天然的受资本欢迎。另一方面，半导体设备的关注度也在上。

PART 03

半导体产业发展趋势与投资思考

短期：下半年调整结束，或将迎来复苏

2022年，行业发展进入调整期。由于通货膨胀、地缘政治和经济下滑等因素，全球下游应用市场增长乏力，尤其是受消费电子产品需求下滑，致消费级应用芯片的库存较高，各大厂商进入主动降库存阶段。同时，下游去库存也带动了中游制造企业进行减产。数据显示，2022年第三季度全球半导体平均月数上升到4.16个月，国内厂商的平均库存月数上升到8.62个月，均超过常见的4个月库存水位线。

基于此，WSTS 预测，2023 年半导体市场规模将同比减少4.1％，降至5566亿美元。预计以中国为中心的亚太地区作为全球最大半导体市场，将出现7.5％的负增长。不过，系统性的去库存周期阻挡不了个别领域的需求热情，汽车半导体依然是备受关注的业务板块。

2023年，汽车芯片大概率仍将缺货涨价，车用 MCU市场将面临需求扩大局面。同时，伴随着人工智能的异军突起，GPU和光模块逐渐被市场关注。同时，考虑到数据中心的需求，存储器有望在2023年下半年恢复。

中期：AI、AR、AD等产业需求广大

尽管当前宏观经济局势不够乐观，但从科技史或经济史的角度来看，具备基础性、关键性的产业在经历了周期波动后，仍会进入一个新的繁荣期。因此，未来几年随着5G/6G通信、人工智能、智能穿戴设备和自动驾驶汽车等各类新兴领域的发展，半导体产业整体上仍将保持稳定增长。

信息领域。 人工智能、云计算和5G/6G通信。随着以GPT为代表的AI大模型的发展，新一轮人工智能浪潮再度来临，大模型的工作原理是在大规模无标注数据上进行训练，学习出一种特征和规则，然后做出一系列“决策”，因此，就其本质而言仍属于“大力出奇迹” （“大算力+强算法”）的结果，而这就需要大量的AI算力芯片。

另一方面，近年来，国内外互联网厂商为了满足日益增长的云业务以及随之产生的海量数据存储、运算等需求，都加大了对数据中心、服务器以及基础网络设施的投资。

能源领域。 纵观历史，每一次的能源革命，都为人类带来了翻天覆地的变化，可以说从文明到生命，每一个惊人的变化后面都有对能源的使用。以光伏技术为例，光伏逆变器需要能经受更高的工作电压、更大的工作电流、更高的功率密度以及更高的工作温度的材料，碳化硅和氮化镓为代表的第三代半导体器件性能优异，适配光伏逆变器。

空间领域。 伴随着人工智能和新能源车的发展，新能源汽车正在向着智能化和绿色化的方向演进，为此，低耗能、高能量密度的电池，AI芯片，中高压（SiC）功率器件均将受到拉升。例如，SiC 在中高端车上应用是大势所趋，多家国际碳化硅大厂公布接到碳化硅大单，英飞凌宣布获得 222 亿元碳化硅设计定点。

生命领域。 尽管全球已经走出疫情的阴霾，但疫情带来的“疤痕效应”是实实在在的，随着人们更加关注自身健康（心电、血氧、睡眠）的需求，将催生更加轻便、智能的可穿戴设备的发展，进而拉动如传感器、智能芯片的发展。

长期：材料、工艺和前沿技术并行

自 1965 年摩尔提出摩尔定律至今，在历经了60年的行业洗礼后，摩尔定律逐渐式微——晶体管尺寸越来越小时，“量子隧穿”效应显现，因而半导体产业受到了物理学的限制，“后摩尔时代”随之到来。在“后摩尔时代”，要想在芯片上继续进步，半导体产业的选择方向无非是两种：一是继续延续摩尔定律，如研发新的材料和采用新的设计/封装工艺；二是“另辟蹊径”，超越摩尔定律寻找新的技术，如光子技术、量子技术等。

首先， 先进制程仍是半导体产业趋势的重点之一。 技术端来看，先进制程可以大幅提升芯片性能，且属于稀缺资源，一旦先行研发成功将获得溢价和先发优势。当前，围绕先进制程的大战正愈演愈烈。市场端来看，未来将由5G和AI奏响市场主旋律，这也要求芯片制程的提高——从14nm走向5nm （3nm、2nm）。不过， 由于制程发展面临成本和物理瓶颈，大概率不会是将来发展的重中之重。

其次， 半导体材料是半导体产业底层基础，第三/四代半导体(碳化硅、氧化镓等)在高速、高频、大功率等应用场景相较于硅基半导体具有显著优势。 此外，新型器件中碳基器件 (石墨烯、碳纳米管等) 、柔性器件等也极有可能获得长足的发展。

最后，除了注重半导体制程和材料设备外，后摩尔时代也需要加强对前沿技术的投入。

首先，是 新型存储/存算一体。 当前主流的存储器技术中，DRAM虽然速度快，但功耗大、容量低、成本高，且断电无法保存数据，使用场景受限；NAND Flash读写速度低，存储密度明显受限于工艺制程。因此，为了突破DRAM、NAND Flash等传统存储器的局限，使存储单元提升算力，消除不必要的数据搬移延迟和功耗并降低成本，新型存储器技术逐渐进入大众视野。

新型存储技术可主要分为相变存储器 (PCM) 、磁变存储器（MRAM）、阻变存储器（ReRAM）以及铁电存储器（FRAM）。以亿铸科技推出基于ReRAM研发的“全数字存算一体”技术为例。通过阻值器件的存储记忆特性，利用基础物理定律和原理完成海量的AI计算；通过存算一体的架构，可以节省把数据从内存单元逐层搬迁到计算单元的环节，从而得以节省因为数据搬迁而产生的大量衍生成本，这此类方式也符合国家对于碳中和、碳达峰的技术发展路线，改变了传统AI运算数据量需要带来巨大能耗的现状。

再看磁变存储器 (MRAM) 领域，中科创星投资的 致真存储 深耕自旋存储芯片领域近十年，目前团队自主研发完成的国内首个先进制程下具备高隧穿磁阻效应的磁隧道结的MRAM核心器件，能够满足工业类、消费类、人工智能、高可靠芯片领域、以及车规电子等场景下的存储芯片应用需求。

再者，是 先进封装，典型如chiplet 。Chiplet又称“小芯片”或“芯粒”，它是一种功能电路块，就是将一个功能丰富且面积较大的芯片裸片拆分成多个芯粒，并将这些具有特定功能的芯粒通过先进封装的形式组合在一起，最终形成一个系统芯片。与传统的SoC方案相比，Chiplet模式具有设计灵活性、成本低、上市周期短三方面优势。

例如， 奇异摩尔 是国内首批专注于2.5D及3DIC Chiplet产品及设计服务的公司，基于面向下一代计算体系架构，提供全球领先的2.5D及3DIC Chiplet异构集成通用产品和全链路服务，其中包含高性能通用底座Base die、高速接口芯粒IO Die、Chiplet软件设计平台等产品，涵盖高算力芯片客户所需的高速通信接口、分布式近存、高效电源网络等功能在内，主要应用于下一代数据中心、自动驾驶、元宇宙等快速增长市场。

再比如， 原粒半导体 提供的高能效、低成本的通用AI Chiplet组件与工具链，允许客户根据实际业务需求灵活、快速配置出不同规格AI芯片，支持多芯片互联拓展算力以满足超大规模多模态模型的推理及边缘端训练微调需求，为多模态大模型部署提供了灵活的算力支持。

总之，通过Chiplet方案，我国不仅可以弥补先进制程技术落后的短板，还将为国内半导体产业寻找到“弯道超车”的新机遇。

最后，是 先进计算，包括光子计算和量子计算 。

光子计算，是指使用激光或二极管产生的光子进行计算，在此过程中，数据通常被表示为激光束的振幅或相位的变化，其突出优势表现在以下几个方面：

超低延迟：采用光作为传输信息媒质的新型计算技术，光子为玻色子，具有超低延迟和抗电磁干扰等特性。
高通量：光具有天然的并行处理能力以及成熟的波分复用技术，从而使数据处理能力和容量及带宽大幅度提升，单通道数据传输>1TB/s。
高能效比：无电热效应，光计算功耗低至0.01pJ运算，功耗是同算力电子芯片的1/100。换言之，相同功耗下，光子器件比电子器件快数百倍。

光计算可以分为模拟光计算和数字光计算：

模拟光计算最典型的一个例子就是傅立叶运算，在图像处理等领域需要运用傅立叶变换相关的计算，如卷积计算。对模拟光计算而言，基于光学神经网络的矩阵运算是中短期可实现规模产业化的技术路径，切实解决AI算力需求与摩尔定律失效之间的矛盾。
数字光计算是利用光和光学器件组合形成经典的逻辑门，构建类似传统数字电子计算原理的计算系统，通过复杂的逻辑门组合操作实现计算。

以 曦智科技 于2021年发布的光计算处理器PACE （Photonic Arithmetic Computing Engine，光计算引擎）为例。该系统在物理层面主要包括光芯片和电芯片，两块芯片由3D倒装堆叠的方式封装在一起；在功能层面主要包括信号输入、信号处理和信号输出三大部分。这种芯片可广泛应用于数据中心，能做人工智能或大数据相关的机器学习运算，应用场景包括自动驾驶、互联网、智慧城市、金融等各个方面。

另一项前沿计算便是量子计算，即将量子力学、线性代数和计算机理论结合，利用量子叠加、量子纠缠等特性进行计算，在传统计算无法解决的问题上实现突破。据 IDC 估计，预计到2027年仅量子计算即可达到164亿美元量子，医药、能源、化学、交通、银行和金融行业或可在十几年内采用量子计算。

结语

我们认为， 未来中美科技竞争将更趋激烈，科技管制等极端情况不可不重视，尤其是面向先进计算和半导体制造领域，中国大陆可能遭受 全面限制 。 在此背景下，我国需要加速提升半导体产业的自主、安全、可控能力，这也意味着半导体产业需要从基础研究到材料设备，再到前沿科技都需要强链补链。