1除了光刻機以外，在我國半導(dǎo)體龐大的產(chǎn)業(yè)鏈中，還有很多環(huán)節(jié)還處于發(fā)展的初期，比如半導(dǎo)體材料、半導(dǎo)體設(shè)備、EDA等方面，都是卡脖子的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

 

　　2半導(dǎo)體材料是芯片行業(yè)的根基。目前，國產(chǎn)半導(dǎo)體材料整體還相對薄弱，在品類豐富度和競爭力處于劣勢地位。

 

　　3半導(dǎo)體關(guān)鍵設(shè)備，目前全球市場基本被美日荷三國壟斷，這也是為什么這次美國拉攏日、荷來商討限制對中國出口先進芯片制造設(shè)備的協(xié)議的原因。

 

　　4自全球三大EDA巨頭大舉進入國內(nèi)，再加上美國對華限制政策，影響了國內(nèi)EDA的發(fā)展，EDA逐漸成為國內(nèi)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈中最為薄弱的環(huán)節(jié)之一。

 

　　“芯事重重”策劃是《新產(chǎn)研》欄目重點研究的方向之一，本期聚焦國產(chǎn)芯片，除光刻機之外的制造難題。

 

　　光刻機作為半導(dǎo)體設(shè)備三大件之一，被譽為“半導(dǎo)體工業(yè)王冠上的明珠”。2023年1月，隨著美國拉攏日本、荷蘭達成新的限制對中國出口先進芯片制造設(shè)備的協(xié)議，將圍堵“中國芯”的事件推向了一個高潮，也成為了全民關(guān)注的焦點話題。

 

　　根據(jù)國家統(tǒng)計局發(fā)布的《中華人民共和國2021年國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報》，2021年我國集成電路出口數(shù)量達3017億個，比上年增長19.6%，出口總額達9930億元，比上年增長23.4%；2021年集成電路進口數(shù)量為6355億個，比上年增長16.9%，進口總額為27935億元，比上年增長15.4%。作為對比，2021年原油進口總額約為1.66萬億元，芯片進口總額是原油的1.7倍。巨大的貿(mào)易逆差讓我國在國際貿(mào)易中處于不利的地位，所以芯片是我國亟待解決的問題之一。

 

　　基于該背景情況下，近期業(yè)內(nèi)有很多專家解讀了制造芯片的核心裝備——關(guān)于光刻機的重要性。其實，除了光刻機以外，在我國半導(dǎo)體龐大的產(chǎn)業(yè)鏈中，還有很多環(huán)節(jié)還處于發(fā)展的初期，國產(chǎn)芯片的崛起，任重而道遠，主要有三方面，需要我們關(guān)注：

 

　　第一，是作為芯片根基的材料，國內(nèi)公司的市占率極低。第二，半導(dǎo)體設(shè)備方面，芯片的產(chǎn)出任何一個環(huán)節(jié)，沒有半導(dǎo)體設(shè)備的支撐，都難以完成芯片的交付，但目前國產(chǎn)率在全球市場中的占比中較低。第三，被譽為“芯片之母”的EDA領(lǐng)域，國產(chǎn)方面仍然受制于人。本文將從這幾個方面，剖析國內(nèi)的現(xiàn)狀，進而為大家呈現(xiàn)一個清晰、立體的國產(chǎn)芯片產(chǎn)業(yè)格局。

 

　　01半導(dǎo)體材料：利潤不可觀，國產(chǎn)占有率低

 

　　有很多人都知道，芯片是由沙子制作的，但縱觀芯片制造的整個環(huán)節(jié)，所需要的材料不止于此，比如光刻膠、拋光液、靶材、特種氣體等不可或缺。后端封裝也需要各種材料的基板、中介層、引線框架、粘接材料等。如下圖是一個3D封裝芯片的示意圖：其中天藍色的是基板（PackageSubstrate），基板中存在引線（StandardPackageTrace）,灰色的是中介層（Siliconinterposer）,這些都芯片中必要的材料。

 

　　半導(dǎo)體材料是芯片行業(yè)的根基，芯片制造沒有原材料，就好比“巧婦難為無米之炊“。目前，國產(chǎn)半導(dǎo)體材料整體還相對薄弱，在品類豐富度和競爭力處于劣勢地位，2021年國內(nèi)半導(dǎo)體材料國產(chǎn)化率僅約10%左右。

 

　　回望國內(nèi)半導(dǎo)體材料發(fā)展的歷史，半導(dǎo)體是導(dǎo)電性介于導(dǎo)體和絕緣體中間的一類物質(zhì)。與導(dǎo)體和絕緣體相比，半導(dǎo)體材料的發(fā)現(xiàn)是最晚的，直到20世紀30年代，當材料的提純技術(shù)改進以后，半導(dǎo)體的存在才真正被學術(shù)界認可。半導(dǎo)體領(lǐng)域的先驅(qū)科學家在半導(dǎo)體材料方面做出了巨大的努力，才讓今天國內(nèi)在材料領(lǐng)域占有一小片天地。正如林蘭英院士所說：“如果不靠自己努力，也許很多材料我們現(xiàn)在都沒有”。

 

　　1955年6月，林蘭英在獲得賓夕法尼亞大學固體物理學博士學位，也是該校建校115周年以來第一位女博士。畢業(yè)之后，為了接近美國半導(dǎo)體材料研究的前沿，她在知名的希凡尼亞（英文稱“Sylvania”）半導(dǎo)體公司任高級工程師，并幫助公司解決了諸多技術(shù)難題，獲得了公司的器重。即使年薪豐厚，但他鄉(xiāng)再好也抵擋不住林蘭英報效祖國的決心，在掌握了固體材料研制方面的知識后，她便積極籌劃回國。

 

　　1957年，林蘭英以旅行為名領(lǐng)到一張簽證，沖破重重阻擾，毅然決然返回祖國。當時國內(nèi)在半導(dǎo)體材料方面幾乎處于空白的狀態(tài)，林蘭英立即開展研究，并于1957年拉制成功第一根鍺單晶，于1958年拉制成功第一根硅單晶，中國也成為世界上第三個生產(chǎn)出硅單晶的國家。隨后林蘭英又著手于砷化鎵材料的研究，并成為世界上最早在太空制成半導(dǎo)體材料砷化鎵單晶的科學家。林蘭英是我國半導(dǎo)體材料科學的領(lǐng)路人與開拓者，沒有她在半導(dǎo)體領(lǐng)域的成就，國內(nèi)在半導(dǎo)體領(lǐng)域會更加落后。

 

　　盡管相比光刻機，半導(dǎo)體材料所涉及的技術(shù)及高精尖儀器并不像光刻機那樣復(fù)雜。但因為國內(nèi)在半導(dǎo)體材料領(lǐng)域的研究持續(xù)投入不足，加之這個行業(yè)的利潤相比其他科技領(lǐng)域，利潤并不盡如人意，導(dǎo)致目前國內(nèi)的市占率較低。未來幾年，國家政策和基金開始向材料側(cè)傾斜，國產(chǎn)半導(dǎo)體材料廠商也迎來了機遇和挑戰(zhàn)。

 

　　02半導(dǎo)體設(shè)備：全球市場基本被美日荷三國壟斷

 

　　除了被“卡脖子”的光刻機，半導(dǎo)體領(lǐng)域還有很多關(guān)鍵設(shè)備。比如：自動測試設(shè)備、刻蝕機、離子注入機等，這些都是芯片產(chǎn)業(yè)鏈條里的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

 

　　首先說自動測試設(shè)備。在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈中，一顆芯片的生命周期開始于對市場需求的分析，跟隨著產(chǎn)品的定義、設(shè)計和制造，封裝完成以后交付到終端消費者手中，在整個流程中需要經(jīng)過多次測試。而芯片自動測試設(shè)備中集成了眾多精密的儀器，整體的造價也十分昂貴，一臺價格也高達千萬美元。目前，全球半導(dǎo)體測試機主要市場仍被美國的泰瑞達、日本的愛德萬兩大海外龍頭占據(jù)，國產(chǎn)化依然有著很大的增長空間。

 

　　刻蝕機也是非常重要的裝備。隨著半導(dǎo)體制程的微縮和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化，半導(dǎo)體刻蝕設(shè)備的種類和技術(shù)難度遞增。但目前刻蝕設(shè)備領(lǐng)域長期由海外龍頭壟斷。根據(jù)Gartner統(tǒng)計，全球刻蝕企業(yè)前三大分別是泛林半導(dǎo)體(中國臺灣）、東京電子（日本）、應(yīng)用材料（美國），全球市占率合計91%。國內(nèi)刻蝕設(shè)備生產(chǎn)廠商在全球刻蝕設(shè)備市場的市占率總計不足2%。不過，近些年來國內(nèi)刻蝕廠商依托資本和政策扶持，有了快速的提升。例如中微公司的介質(zhì)刻蝕已經(jīng)進入臺積電7nm/5nm產(chǎn)線，是目前唯一進入臺積電產(chǎn)線的國產(chǎn)刻蝕設(shè)備生產(chǎn)商。

 

　　另外，離子注入是晶圓制造摻雜核心工藝，技術(shù)壁壘僅次于光刻、刻蝕、薄膜沉積。目前，本土晶圓廠一般會將7%~10%的設(shè)備開支用于離子注入機。離子注入機則是為硅晶圓注入要摻雜的原子，從而芯片獲得特定的電性能，否則我們即使做出來芯片，也無法正常工作。除此之外，半導(dǎo)體設(shè)備還包括清洗機、用于后道的封裝光刻機、芯片分選機等。

 

　　我們需要關(guān)注的是：目前，半導(dǎo)體設(shè)備市場目前主要由美、日、荷三國企業(yè)基本壟斷。根據(jù)CINNOResearch的數(shù)據(jù)，2022年上半年十大半導(dǎo)體設(shè)備企業(yè)中，3家美國企業(yè)，5家日本企業(yè)，2家荷蘭企業(yè)，沒有一家中國企業(yè)。這也是為什么這次美國拉攏日、荷來商討限制對中國出口先進芯片制造設(shè)備的協(xié)議的原因。

 

　　除了集眾多高精尖技術(shù)的光刻機，其他半導(dǎo)體設(shè)備我國已經(jīng)開始加速國產(chǎn)替代化的進程，但形勢依然不容樂觀，目前國內(nèi)依然無法做到先進工藝的全流程國產(chǎn)化。在成熟工藝的市場上，我國半導(dǎo)體的自給率目前大約在20%左右，依然有巨大的替代空間。雖然中芯國際和華虹宏力能完成28納米工藝的量產(chǎn)，但尚未完成產(chǎn)業(yè)鏈的完全國產(chǎn)化，目前落后的環(huán)節(jié)主要還是在關(guān)鍵設(shè)備和材料上。

 

　　03EDA：國產(chǎn)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈最為薄弱的環(huán)節(jié)之一

 

　　EDA被譽為“芯片設(shè)計之母”，盡管整個EDA市場規(guī)模只有百億美元，去撬動著約5000億美元的半導(dǎo)體市場規(guī)模，其杠桿效應(yīng)顯著。在現(xiàn)代超大規(guī)模芯片設(shè)計中，EDA是不可或缺的一環(huán)。目前整個EDA產(chǎn)業(yè)大部分被三大EDA公司新思科技（Synopsys）、楷登電子（Cadence）、和西門子EDA所壟斷。

 

　　相比國外，我國的EDA起步并不算晚。1988年，國產(chǎn)EDA工具“熊貓系統(tǒng)”開始進入研發(fā)階段。20世紀90年代初，我國第一款具有自主知識產(chǎn)權(quán)的EDA工具——“熊貓ICCAD系統(tǒng)”上線，并獲得了1993年的國家科學技術(shù)進步一等獎。這款熊貓EDA上線不久，便在近20家設(shè)計公司投入使用，使用其完成了近200個芯片品種的設(shè)計，當時中國與世界領(lǐng)先水平的差距并沒有那么大。這不僅為國內(nèi)ICCAD產(chǎn)品開發(fā)打下了良好的基礎(chǔ)，更重要的是形成了一支研究開發(fā)和工程化的技術(shù)隊伍。

 

　　1994年3月31日，巴黎統(tǒng)籌委員會宣布正式解散，彼時的國內(nèi)EDA產(chǎn)業(yè)尚未形成規(guī)模，市場幾乎處于空白狀態(tài)。而與此同時，三大EDA巨頭大舉進入中國，并以價格低廉、技術(shù)成熟等優(yōu)勢迅速收割市場，導(dǎo)致此后的十幾年里，國內(nèi)EDA發(fā)展緩慢，再次進入沉寂期，被國外拉開差距。因此，EDA逐漸成為國內(nèi)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈中最為薄弱的環(huán)節(jié)之一。

 

　　國內(nèi)EDA發(fā)展的轉(zhuǎn)折點出現(xiàn)在2008年。這一年，國家核心電子器件、高端通用芯片及基礎(chǔ)軟件產(chǎn)品（核高基）等重大科技項目正式進入實施階段。在《國家中長期科學和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020年）》文件中，EDA被列為國家十六個科技重大專項之一。隨后，在國家政策的扶持下，華大九天于2009年成立，概倫電子于2010年成立。再加之部分國內(nèi)老牌EDA企業(yè)，如廣立微電子、國微集團等在國家的扶持下重獲新生，國內(nèi)EDA企業(yè)自此重整旗鼓再出發(fā)。

 

　　但是，從2018年開始，中興和華為接連受到美國制裁，為國內(nèi)還處于初步發(fā)展中的EDA產(chǎn)業(yè)敲響了警鐘。2022年8月15日，美國商務(wù)部宣布對設(shè)計GAA晶體管結(jié)構(gòu)集成電路所必需的EDA軟件實施出口管制。GAA晶體管結(jié)構(gòu)主要用于3納米及以下的先進工藝，盡管目前的斷供對中國絕大部分芯片公司幾乎沒有影響，但這也堵住了未來國內(nèi)高端芯片的設(shè)計之路，并且不排除未來美國在“EDA斷供”上繼續(xù)加碼的可能。

 

　　但我們也要看到，從2018年到2020年，國產(chǎn)EDA工具在國內(nèi)市場的銷售份額分別為6.2%、8.3%、11.5%。盡管規(guī)模依然很小，但市場占有率穩(wěn)中有升。EDA的發(fā)展周期長、難度大，雖然羅馬不是一日建成的，但如果假以時日，相信國產(chǎn)EDA一定會穩(wěn)定發(fā)展。

 

　　04國產(chǎn)芯片遭圍堵？三大招出擊

 

　　居安思危。我國并不是沒有準備，國家也正在出臺一系列的政策支持。后來者想居上，從來都不容易。國產(chǎn)芯片想要在三大巨頭的圍堵下突破重圍，勢必要打出一套強有力的組合拳，需要關(guān)注以下三個方面：

 

　　首先，是政策的扶持。事實上，我國在這方面已經(jīng)做得足夠好，并且初見成效。比如：早在2014年6月，國務(wù)院印發(fā)了《國家集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進綱要》，部署了集成電路產(chǎn)業(yè)2015年、2020年以及2030年的發(fā)展目標。2030年，產(chǎn)業(yè)鏈主要環(huán)節(jié)達到國際先進水平，實現(xiàn)跨越發(fā)展。明確提出開發(fā)光刻膠、大尺寸硅片等關(guān)鍵材料，加強集成電路制造企業(yè)和裝備、材料企業(yè)的協(xié)作，加快產(chǎn)業(yè)化進程，增強產(chǎn)業(yè)配套能力，

 

　　2015年國家出臺《中國制造2025》，提出要形成關(guān)鍵制造設(shè)備的供貨能力;2017年《集成電路產(chǎn)業(yè)“十三五”發(fā)展規(guī)劃建議》提出將關(guān)鍵設(shè)備和材料進入國際采購體系，基本建成技術(shù)先進、安全可靠的集成電路產(chǎn)業(yè)體系。2021年《“十四五”國家信息化規(guī)劃》提出加快集成電路設(shè)計工具等特色工藝的突破，加強集成電路等關(guān)鍵前沿領(lǐng)域的戰(zhàn)略研究布局和技術(shù)融通創(chuàng)新。

 

　　2020年國務(wù)院發(fā)布《新時期促進集成電路產(chǎn)業(yè)和軟件產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展若干政策》，對半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的稅收、投融資、研究開發(fā)政策等八個方面做出深化指引。當下，全球半導(dǎo)體行業(yè)政策已進入密集區(qū)，國內(nèi)產(chǎn)業(yè)政策有望隨著行業(yè)深化發(fā)展不斷演進，朝著產(chǎn)業(yè)自主可控的政策目標不斷前進。目前多省市也發(fā)布了和半導(dǎo)體材料相關(guān)的產(chǎn)業(yè)政策。

 

　　EDA方面，在《中國制造2025》中針對集成電路產(chǎn)業(yè)的市場規(guī)模、產(chǎn)能規(guī)模等提出了具體的量化目標,其中提出2025年包括EDA的集成電路設(shè)計業(yè)產(chǎn)值達到600億美元,全球占比達35%。

 

　　另外，各省市也陸續(xù)推出了關(guān)于EDA的若干政策。如深圳市于2022年6月發(fā)布政策《深圳市培育發(fā)展半導(dǎo)體與集成電路產(chǎn)業(yè)集群行動計劃（2022-2025年）》，旨在集聚一批EDA工具開發(fā)企業(yè)和專業(yè)團隊，加強EDA工具軟件核心技術(shù)攻關(guān)，推動EDA工具軟件實現(xiàn)全流程國產(chǎn)化；2021年12月，上海市發(fā)布《新時期促進上海市集成電路產(chǎn)業(yè)和軟件產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展若干政策》，宣布對于EDA重大項目新增投資可放寬到不低于5000萬元；2021年8月，北京市發(fā)布《北京市“十四五”時期高精尖產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》，聚力突破EDA工具的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化等。

 

　　其次，持續(xù)增加研發(fā)投入。據(jù)統(tǒng)計，中國研發(fā)費用率排名前50的科技公司中，上榜最多是計算機軟件與服務(wù)行業(yè)，一共15家公司上榜；其次是芯片半導(dǎo)體行業(yè)，有14家公司上榜。這一組數(shù)據(jù)表明了芯片公司重研發(fā)的屬性。另外，根據(jù)11家主要中國半導(dǎo)體設(shè)備公司（北方華創(chuàng)、中微公司、芯源微、華峰測控、至純科技、拓荊科技、盛美上海、華海清科、長川科技、精測電子、晶盛機電）的財務(wù)指標統(tǒng)計，2022Q1-Q3，研發(fā)費用合計同比增長了59%。

 

　　雖然國產(chǎn)研發(fā)投入在持續(xù)增長，但整體的研發(fā)投入和芯片巨頭仍有不小的差距。據(jù)行業(yè)分析機構(gòu)ICInsights的數(shù)據(jù)顯示，半導(dǎo)體巨頭的英特爾、臺積電、三星這三家公司加起來，就貢獻了全球45.3%的研發(fā)支出額度。國產(chǎn)芯片的研發(fā)投入還需不斷加碼。

 

　　第三，注重芯片領(lǐng)域相關(guān)人才的培養(yǎng)。當前國內(nèi)芯片人才總量不足，主要是高端芯片人才稀缺，半導(dǎo)體“搶人”氛圍充斥，企業(yè)招人困難。根據(jù)獵聘發(fā)布的《半導(dǎo)體行業(yè)：半導(dǎo)體/芯片人才趨勢》研究報告顯示，2020年中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)從業(yè)人數(shù)54.1萬，同比增長5.7%，預(yù)計到2023年前后人才需求達到76.6萬人左右，人才缺口將近23萬。

 

　　從具體崗位來看，創(chuàng)新型、研發(fā)型人才等高級研發(fā)人才的供需矛盾明顯。數(shù)據(jù)顯示，在設(shè)計端，模擬設(shè)計工程師、射頻設(shè)計工程師、CPU架構(gòu)師、信號完整性工程師等研發(fā)工程師最為緊缺，這部分人都是芯片研發(fā)端的主力。

 

　　我國的半導(dǎo)體行業(yè)已經(jīng)來到了十字路口，盡管面臨著多方面的壓力和困境，國產(chǎn)芯片自主化的發(fā)展道阻且長，但也難以抵擋我們前進的腳步。盡管這是一段漫長的旅途，也許需要10年，甚至20年，我們才能走出一條暢通的路，但芯片行業(yè)的發(fā)展沒有捷徑。最后，也期望每位讀者能了解芯片、認識芯片，或者更進一步的投身到這個行業(yè)中，實現(xiàn)自身價值，勇攀科技的珠峰。