基于演化博弈的產業生態鏈理論研究
——以半導體產業為例

蔡啟明，鄭衛冰，王 琦

（1.南京航空航天大學航空產業發展戰略研究中心，江蘇南京 211106；2.南京航空航天大學經濟與管理學院，江蘇南京 211106）

1 研究背景

半導體作為高新技術產業，在維護國家安全、促進經濟增長建設上發揮著重要作用。當下全球半導體行業面臨百年未有之大變局，半導體周期下行、不穩定的國際貿易關系對全球整個半導體產業產生重大沖擊，良好的全球化芯片生態系統正在被破壞。早在2021 年5 月，美國半導體聯盟（SIAC）成立，旨在強化美國半導體的研究和制造能力。之后，美國政府成立國家半導體技術中心（NSTC）、設立國家先進封裝制造計劃（NAPMP），保障美國芯片供應，以此提升保證其國家安全、經濟發展和關鍵產業的競爭力。與此同時，美國政府對華產品出口限制也愈發嚴苛。2022 年8 月，美國總統拜登簽署《2022年美國芯片與科學法案》，重點提出將在半導體產業采取的一系列舉措，包括提供巨額產業補貼、投資稅收優惠等，主要目的是對抗中國相關產業技術發展及控制半導體產業鏈，妄圖把包括中國在內的廣大發展中國家永遠壓制在產業鏈低端［1］。在此局勢下，歐洲議會于2023 年通過《歐洲芯片法案》，強調加強半導體生態系統建設、提高供應彈性和安全并減少外部依賴的緊迫性。為此，有必要探討如何激發中國半導體產業聯盟的協同積極性，以及各要素在產業發展中的相互關系，以培育國內具有競爭力的產業融合集群，推動中國半導體產業的良性發展和現代化產業體系的建設。

半導體產業技術密集程度高、研發活動強度大、創新鏈條長，對于上述相關問題的研究不能僅從行業視角展開，應當從更為廣闊的產業生態鏈視角展開。產業生態鏈由產業鏈上下游企業與高等院校、科研院所組成產學研協同創新聯盟，并依托配套服務企業和其他相關產業協同作用，形成跨地域的、動態的、循環可持續的現代化產業生態體系，如圖1 所示。產業生態鏈主要分為三大部分：主體、環境和機制。其中，主體是指構成產業生態鏈的成員，包括企業、高校及科研院所等；環境是主體賴以生存的載體，涉及政策、資金、載體、創新和服務等要素；機制是支撐主體與主體、主體與環境之間進行創新、經濟和知識流動的準則和原理，能夠引導、激勵、制約主體行為。因此，本研究以產業生態鏈理論為分析框架，研究中國半導體產業的發展規劃問題，從整體層面上解構半導體產業的產業結構與運行機制，更為深入地分析產業鏈龍頭企業、配套服務企業、高等院校和科研院所協同聯動、競合共生的生態發展格局。

圖1 基于產業生態鏈的現代化產業生態體系

2 文獻綜述

2.1 產業生態鏈理論研究

產業生態鏈理論和供應鏈、創新聯盟、產業集群等理論密切相關。2010 年之前，國內外關于產業生態鏈的研究主要側重于“環保”“循環”等概念，有學者認為各產業部門是基于一定經濟技術關聯形成了產業鏈［2］；Iansiti 等［3］提出，各產業部門是一個資源循環利用且具有完整生命的復雜網絡，最終以產業集群等形式出現。直到近十幾年才出現了不局限于生態環保理念的產業生態鏈相關概念，如Oh等［4］、Tsujimoto 等［5］分別提出了生態圈、創新生態等基于集群發展模式的多融合復雜系統；Ander［6］認為產業生態圈中包括了環境、政策、資金、人才等要素；余東華等［7］認為，上述要素與原供應鏈條上的核心企業、消費者、中介組織、風險承擔者等主體共同促進產業智能化，打造了以數字為平臺、產業為核心、創新為動力、環境為背景的一種新型產業組織形態；Yang 等［8］、顧江等［9］的研究則指出，這一產業組織形態提供了切實可行的規劃策略，能夠促進產業發展。

2.2 半導體產業發展研究

學者們從不同角度研究了影響半導體產業發展的各項要素，大多認為創新在產業發展中扮演著重要角色。其中，Nam 等［10］研究表明半導體產業的產學研創新合作對于實現經濟高質量發展具有重要意義；Rasiah 等［11］認為研發投入金額、高校及科研院所的支持是影響創新能力的重要因素；Hyunjung［12］、孟佳輝等［13］的研究發現，產業扶持政策、外部芯片聯盟以及國家戰略合作等方面對半導體產業發展也有著重要影響，但政府的作用并不總是有利于半導體產業的創新發展。為探究政策制定對半導體產業發展的影響，國外有學者在對歐洲半導體產業集群進行研究后，強調了開放式協同創新能力對產業競爭力提升的重要性［14］；而國內學者通過分析臺灣地區半導體產業在全球半導體供應鏈中的角色，認為采取半導體技術保護政策并不可取［15］；吳曉波等［16］則從多種角度提出促進半導體產業發展的突破路徑。此外，還有吳菲菲等［17］、曾繁華等［18］、Bahinipati 等［19］、Kapoor 等［20］、吳曉波等［16］學者分別從產業鏈、產業協同和商業創新模式等視角對半導體產業進行了研究，以促進半導體企業提高市場競爭力。

2.3 演化博弈理論研究

目前，演化博弈理論已經在不同領域得到了廣泛應用，例如，在能源領域，Zhang 等［21］、Wang 等［22］、Hao 等［23］、武建等［24］學者分別分析了節能減排、可持續能源和再生資源產業中利益相關者的博弈策略和共同演化機制，此外還被廣泛應用于房地產和醫療等領域，可見于Wang 等［25］、Diamant 等［26］的相關研究。就研究對象而言，演化博弈理論主要用于研究企業之間、企業和政府之間的博弈，如Wang等［27］、謝泓材等［28］學者在研究產業鏈上游企業與下游企業的不同利益動機及博弈行為中提出了符合主體經濟利益要求的合作方式，以及促進產業發展的不同路徑；此外，在考慮政府角色的演化博弈模型中，Wang等［29］、劉嘉琳等［30］主要探討政府參與對主體間協同作用的內在影響機制。

綜上所述，學者們在研究影響產業發展的要素中，大多認為創新在促進產業高質量發展中扮演了關鍵角色，且不斷將新理論、新方法應用于產業發展，但也存在以下不足：一是大多強調創新的作用，較少關注配套服務產業的作用，且將創新協同與產業協同相結合的更是鮮見；二是關于半導體產業的研究側重于促進產業發展的要素與對策，較少從完整的理論系統切入研究半導體產業生態；三是從博弈的角度對半導體產業鏈參與主體決策行為進行刻畫的研究也比較少。基于此，本研究以產業生態鏈理論為框架，分析產業鏈企業、配套服務企業、高校及科研院所在產業生態鏈協同發展中的演化博弈決策機制，探究影響產業生態鏈發展的關鍵要素，以期為促進中國半導體產業健康發展提供借鑒和理論支撐。

3 模型構建

3.1 關系刻畫

本研究構建的產業生態鏈博弈模型涉及到三方主體：生產方、學研方和服務方，即以半導體產業鏈（包括芯片設計、制造、封測、材料和設備研發等）上下游企業為主體組成的生產方，以高等院校、科研院所為主體組成的學研方，以及為半導體產業鏈提供生產配套服務、生活配套服務的企業為主體組成的服務方，各要素之間相互影響、相互制約。其行為框架如圖2 所示。

圖2 產業生態鏈博弈模型中各主體行為框架

3.2 模型假設

假設1：博弈主體。生產方、學研方和服務方均是有限理性，不考慮其他約束條件，各主體在博弈過程中調整策略以追求最優收益。生產方、學研方和服務方選擇（積極合作，消極合作）的概率分別為

假設2：創新協同。生產方與學研方合作進行產學研協同創新的總成本為C，研發成功獲得的創新收益為V，雙方遵循按勞分配原則，生產方的利益分配系數為，學研方利益分配系數為當其中一方消極合作時，積極合作方進行創新需要單獨付出成本C，而獲得的收益保持不變，消極合作方則不需要付出創新成本。此外，生產方積極合作時，能夠獲得社會的正面評價和政府的支持Q。

假設3：產業協同。生產方與學研方選擇積極合作時，會向服務方采購科技、物流、金融等服務，用以推動產學研創新、科研成果轉化和產品制造等活動，雙方付出的總費用為M，配套服務轉化為生產力所帶來的產業協同總收益為W，雙方遵循按勞分配原則，此時生產方的利益分配系數為，學研方利益分配系數為當其中一方消極合作時，積極合作方付出的成本與獲得的收益均保持不變。在此過程中，若服務方選擇積極合作，則需要付出服務成本，除了獲得生產方與學研方的采購費用βM與外，還能夠贏得社會的正面評價R；若服務方選擇消極合作，則不會提供服務。

假設4：消極協同。生產方、學研方或服務方選擇消極合作時會以“搭便車”方式獲取聯盟收益，竊取收益為其積極合作時的收益與竊取系數的乘積，而為此付出的成本為Ci(i=1,2,3)[31]

3.3 模型構建

根據以上假設，產業生態鏈博弈主體的混合策略博弈矩陣如表1 所示。

表1 產業生態鏈系統主體博弈支付矩陣

4 穩定性分析

4.1 生產方策略穩定性分析

其行為策略的復制動態方程和一階導數分別為：

圖3 產業生態鏈系統中生產方的演化策略

4.2 學研方策略穩定性分析

學研方選擇積極合作或消極合作的期望收益以及平均期望收益分別為

其行為策略的復制動態方程和一階導數分別為：

圖4 產業生態鏈系統中學研方演化策略

4.3 服務方策略穩定性分析

服務方選擇積極合作或消極合作的期望收益以及平均期望收益分別為

其行為策略的復制動態方程和一階導數分別為：

圖5 產業生態鏈系統中服務方演化策略

4.4 策略組合穩定性分析

表2 產業生態鏈系統均衡點及特征值

對于系統平衡點的分析，可從以下兩種情況進行討論：

（1）當A1-C＜0 且B1＜0 時，可以確定E1(0,0,0)為ESS。此時協同創新收益較低，而成本過高，生產方與學研方更傾向于消極合作；若服務方選擇積極合作則要付出額外成本，因此也會選擇消極合作。

（2）當A1+A2-A3＞0，B1+B2+B3+C2＞0 且D1＞0 時，可以確定E8(1,1,1)為ESS。此時生產方與學研方開展協同創新的收益高于消極合作時的各自收益，而服務方所獲得的服務費用M或消極合作成本C3較高，因此服務方從自身利益出發也會選擇積極合作，產業生態鏈運行進入最佳的理想均衡狀態。

5 仿真分析

5.1 參數設定

基于中國半導體上市企業2016—2021 年的面板數據選取參數。其中，財務數據來源于萬得（Wind）數據庫，其他基礎數據來源于相關企業年報公開數據、中商產業研究院、新浪財經等。鑒于某些企業2016 年之后上市，對未上市前年份的數據不再收錄。最終選取40 家上市公司近6 年共計232 組數據為研究樣本，可具體劃分為半導體產業鏈上游芯片設計公司14 家、中游制造企業7 家、下游封測企業6 家、設備研發企業5 家、材料研發企業8 家。樣本數據統計分析結果如表3 所示，其中“×”表示數值過大。

表3 樣本數據描述性統計結果

基于以上數據關系，對相應參數取值如下：C=50，C0=15，M=20，W=30，V=80，α=0.5，β=0.6，ε1=0.4，ε2=0.4，ε3=0.4，C1=3，C2=2，C3=2，Q=8，R=3。

5.2 創新協同的影響

為探討創新收益V變化對演化博弈過程和結果的影響，分別賦予V=80、100、120，仿真結果如圖6 所示。結果表明，當V值較小時，各方為追求自身利益，均會選擇消極合作，不利于半導體產業的發展；當V=100 時，演化結果與各方的初始意愿密切相關；當V值較大時，生產方與學研方直接獲得創新收益，先一步達到穩定狀態，而雙方選擇積極合作會向服務方進行業務采購，從而帶動了服務方收益的增加，使其向理想均衡狀態演化，這也解釋了為什么制造企業往往先于配套服務企業形成產業集聚的現象。

圖6 產業生態鏈系統中創新收益對演化結果的影響

圖7 為V=80 時不同創新成本C與服務成本C0狀態下的演化仿真結果，可見隨著協同成本的下降，產業生態鏈各方也能夠達到理想均衡狀態，且與收益相比，對成本的變化更敏感。這進一步說明若想要產業生態鏈參與主體開展積極合作，需要各方均能獲得較高的凈利潤，而這往往需要較長周期，對于中國快速形成產業競爭優勢極為不利，因此需要通過外力干預產業生態鏈主體的選擇策略，以推動產業快速發展。

圖7 產業生態鏈系統中創新成本與服務成本對演化結果的影響

5.3 分配系數的影響

為分析不同利益分配系數α、β對演化博弈過程和結果的影響，令V=120，分別賦予α=0.5、0.6、0.7，β=0.5、0.6、0.7，仿真結果如圖8 所示。結果表明，成本和收益分配機制對各方概率的選擇具有明顯作用，隨著產學研協同收益分配系數的增大，生產方選擇積極合作的概率逐漸上升，學研方與服務方選擇積極合作的概率逐漸下降；而隨著服務分配系數的增大，生產方選擇積極合作的概率逐漸下降，服務方與學研方選擇積極合作的概率逐漸上升；而當雙方均達到穩定狀態時，服務方才選擇積極合作，說明存在最優的收益分配系數使生產方與學研方采取協同策略的意愿最強。因此，在構建產業生態鏈時，建立合理的成本分擔及利益分配機制將有助于加快產業生態鏈進行協同運作的演化進程，加快產業發展速度，搶占產業“領頭羊”地位。

圖8 產業生態鏈系統中不同利益分配系數對演化結果的影響

5.4 產業協同的影響

令V=100，分別賦予產業協同收益與服務費用不同數值，仿真結果如圖9 所示。可見隨著W、M以及兩者之間的差值逐漸增大，之前服務方初始意愿較高但向消極合作方向演化的狀態點，開始向積極合作方向演化，但對于其他初始狀態演化結果的影響并不顯著，即便產業協同創造的收益大于創新協同收益，各方策略的選擇依舊與初始狀態有較大關系。主要原因是服務方的收益獲取形式與其余兩方存在較大差異，這致使當服務方積極合作意愿較低時會更傾向于消極合作，導致無法形成產業協同收益；另一方面，產業生態鏈主體間缺乏足夠的約束手段來限制對方的策略選擇，一旦生產方與學研方選擇消極合作，不再提供服務費用，也將使得服務方傾向于選擇消極合作。

圖9 產業生態鏈系統中服務效益與費用對演化結果的影響

5.5 消極合作成本的影響

鑒于產業生態鏈主體間缺乏嚴格的約束規則，分別令各方消極合作成本Ci=0、10、100，探究不同違約成本下各方策略的選擇，仿真結果如圖10 所示。結果表明，越高的消極合作懲罰對于各方的約束力度越強，當消極合作成本達到某一閾值時，無論各方初始意愿狀態為何值，均會向理想均衡狀態積極合作(1,1,1)方向演化。因此，在產業生態鏈內部建立起一套有效的約束機制，對各方違規行為進行監管，增加對消極合作方的懲罰力度，能夠促使各方策略選擇向積極合作方向演化，加快推進產業生態鏈發展。

圖10 產業生態鏈系統中消極合作成本對演化結果的影響

6 結論與討論

6.1 研究結論

本研究從半導體產業生態鏈系統中生產方、學研方和服務方三方博弈視角出發構建演化博弈模型，探究中國半導體產業的發展途徑，并得出以下結論：

（1）產業生態鏈的協同運作受系統中各主體不同策略行為的共同作用，與協同收益相比，各方對成本的變化更敏感，且生產方與學研方積極合作意愿對配套服務企業策略選擇的影響相對較大，即當生產方與學研方達到積極合作穩定狀態后，服務方會更傾向于向積極合作方向演化，從而達到產業生態鏈的理想均衡狀態。

（2）由于系統中各方對于產業生態鏈運作分擔的成本及收益的決策行為不同，使得不同的利益分配方式對各方協同概率的選擇具有明顯影響，收益較高的一方相對會更傾向于積極合作，付出成本較高的一方會更傾向于消極合作，且存在最優的收益分配系數使生產方與學研方采取協同策略的意愿最強。

（3）當系統中服務方積極合作意愿和能夠帶來的利潤較高時，能夠促進生產方與學研方向積極合作方向演化，但總體效果并不明顯。因此，應當將服務方視作產業生態鏈的重要參與者，作為提高產業生態鏈附加價值、促進半導體產業數字化、網絡化、智能化的重要途徑。

（4）當系統中各方的消極合作成本較低時，各方演化策略的選擇受初始意愿的影響較大；隨著消極合作成本的增加，對各方的約束力度逐漸變強，各方會更傾向于向理想均衡狀態演化。因此，應通過設立較高的懲罰成本約束各方行為策略，使得各方消極合作的成本高于“搭便車”收益。

6.2 管理啟示

基于上述研究結論，得到如下管理啟示：

（1）提高半導體產業主體創新效益、科研成果轉化率是促進產業協同的關鍵。創新收益是影響產業生態鏈系統各方積極合作的關鍵要素，因此一是要吸引、培養一批高水平的半導體創新人才，提高中國半導體產業創新能力；二是要建立完善的科研評價體系，激發科研人員的創新積極性，促進科研成果轉化效率與效益提升；三是注重配套服務企業在科技創新、成果轉化和知識產權保障等方面發揮積極作用，完善從科研研發、推廣到產業化的服務機制。

（2）建立健全產業生態鏈系統利益共享、風險共擔機制。科技創新具有高風險、高收益的特點，在半導體產業尤為明顯，因此促進產業生態鏈系統各方共同出資對半導體核心技術進行研發，不僅能通過各方要素聚集產生協同效益，進而提高研發成功率，也能夠降低一方由于單方面研發失敗所承擔的風險；此外，在以按勞分配為主體的同時，建立健全產業生態鏈系統利益分享機制，培養和扶持初創企業。

（3）扶持半導體配套服務企業，促進服務產業集聚，加快產業融合。通過搭建多形式、深層次的產業生態鏈服務平臺，充分發揮產業生態鏈服務體系在整合創新要素、提高創新能力和促進科研成果轉化等方面的作用。具體來講，在生產經營配套服務方面搭建產學研、金融、信息與物流網絡、中介服務等平臺，促進產業發展；在生活服務方面，完善產業周邊醫療、教育、住宿和休閑活動等設施，滿足產業工作者的物質文化需求。

（4）強化政府對于產業生態鏈健康發展的引導與支持，建立完善的監督機制。產業生態鏈發展離不開政府的組織領導，政府參與產業生態鏈發展建設，不僅能夠通過財政補貼、稅收優惠等方式扶持半導體企業發展，也能夠通過獎懲機制約束產業鏈系統內各主體的行為、提高主體違規成本，有利于促進各方積極合作，進而提高產業競爭力，加快中國半導體產業現代化生態體系建設。

6.3 研究局限

本研究尚存在如下不足：一是在產業鏈上下游企業中沒有劃分上游與下游企業，也沒有區分大企業與中小企業，而不同企業對于合作研發的動機不同，且中小企業往往對效益更加敏感；二是沒有區分不同服務企業，但生產性與生活性服務企業服務對象存在較大差異，服務方式也不盡相同；三是在博弈主體中沒有考慮政府的參與，雖然通過增加消極成本可在一定程度上代表政府的監督懲罰，但卻忽略了政府補貼對產業發展的促進作用。因此，后續可以就這些方面進一步拓展研究。