***作為半導體設備的三大組成部分之一，被譽為“半導體工業(yè)皇冠上的寶石”。2023年1月，隨著美國拉攏日本，荷蘭達成限制向中國出口先進芯片制造設備的新協(xié)議，將“中國核心”的遏制推向高潮，成為全民關注的焦點。 根據(jù)國家統(tǒng)計局發(fā)布的《2021年中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報》，2021年中國集成電路出口數(shù)量達到3017億顆，比上年增長19.6%，出口總額達到9930億元，比上年增長23.4%；2021年，進口集成電路6355億顆，比上年增長16.9%，進口總量27935億元，比上年增長15.4%。

相比之下，2021年原油進口總量約為1.66萬億元，芯片進口總量是原油的1.7倍。巨大的貿(mào)易逆差使中國在國際貿(mào)易中處于不利地位，芯片是中國亟待解決的問題之一。 基于這一背景，近年來許多業(yè)內(nèi)專家對制造芯片的核心設備***的重要性進行了解讀。事實上，在中國龐大的半導體產(chǎn)業(yè)鏈中，除了***，還有很多處于發(fā)展初期的重要環(huán)節(jié)。***的崛起還有很長的路要走。有三個主要方面需要我們注意： 首先，作為芯片的基礎材料，國內(nèi)公司的市場份額極低。第二，關于半導體設備。沒有半導體設備的支持，芯片制造的任何一個環(huán)節(jié)都難以完成芯片的交付，但目前國產(chǎn)化率在全球市場中所占的比例很低。第三，在被稱為“芯片之母”的EDA領域，國內(nèi)生產(chǎn)仍然受制于人。本文將從這些方面分析中國的現(xiàn)狀，然后為大家呈現(xiàn)一個清晰、立體的國內(nèi)芯片產(chǎn)業(yè)格局。

01 半導體材料：利潤不可觀，國產(chǎn)化率低

很多人都知道芯片是沙子做的，但是從芯片制造的整個過程來看，需要的材料不止這些。如光刻膠、拋光液、靶材、特種氣體等。后端封裝還需要基板、中間體、引線框、粘合材料等。下圖是一個3 D封裝芯片的示意圖：天藍色是封裝基板（Package Substrate），標準封裝跡線（Standard Package Trace）存在于基板中，灰色是硅內(nèi)中介層（Silicon interposer），都是芯片中必不可少的材料。

三維封裝芯片示意圖

半導體材料是芯片產(chǎn)業(yè)的基礎，沒有原材料的芯片制造就像“巧婦難為無米之炊”。目前，國內(nèi)半導體材料整體上還比較薄弱，在品種豐富度和競爭力上都處于劣勢。2021年，國產(chǎn)半導體材料國產(chǎn)化率僅為10%左右。 回顧我國半導體材料的發(fā)展歷史，半導體是一種電導率介于導體和絕緣體之間的材料。與導體和絕緣體相比，半導體材料是最晚發(fā)現(xiàn)的。直到20世紀30年代，隨著材料提純技術的提高，半導體的存在才真正被學術界所認識。半導體領域的前輩科學家在半導體材料方面做出了巨大努力，這使得中國在今天的材料領域占據(jù)了一小塊的空間。正如林蘭英院士所說，“如果我們不依靠自己的努力，我們現(xiàn)在可能沒有多少材料”。 1955年6月，林蘭英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周年以來的第一位女博士。畢業(yè)后，為了接近美國半導體材料研究的前沿，她在知名的Sylvania半導體公司擔任高級工程師，幫助公司解決了許多技術問題，贏得了公司的關注。即使她的年薪很豐厚，無論她鄉(xiāng)再怎么好，都無法阻擋林蘭英為祖國服務的決心。在掌握了固體材料開發(fā)的知識后，她積極計劃回國。 1957年，林蘭英以旅游的名義獲得簽證，沖破重重障礙，堅定地回到祖國。當時在中國，半導體材料幾乎是空白的。

林蘭英立即進行研究，并于1957年和1958年分別成功拉制了第一個鍺單晶和第一個硅單晶。中國也成為世界上第三個生產(chǎn)硅單晶的國家。后來，林開始研究砷化鎵材料，成為世界上第一個制造砷化鎵單晶作為半導體材料的科學家。林蘭英是中國半導體材料科學的領軍人物和先驅(qū)。沒有她在半導體領域的成就，中國在半導體領域?qū)⒏勇浜蟆?雖然與光刻技術相比，半導體材料所涉及的技術和精密儀器并不像光刻技術那樣復雜。但由于我國對半導體材料研究的投入持續(xù)不足，以及該行業(yè)相對于其他科技領域的利潤不盡如人意，目前國內(nèi)市場份額較低。未來幾年，國家政策和資金將開始向材料方面傾斜，國內(nèi)半導體材料制造商也將面臨機遇和挑戰(zhàn)。

02 半導體設備：全球市場基本被美國、日本和荷蘭壟斷

在半導體領域，除了被卡住脖子的***之外，還有許多關鍵設備。比如自動測試設備、蝕刻機、離子注入機等。這些都是芯片產(chǎn)業(yè)鏈中的關鍵環(huán)節(jié)。 先說自動測試設備。在半導體產(chǎn)業(yè)鏈中，一個芯片的生命周期從市場需求分析開始，遵循產(chǎn)品的定義、設計、制造，封裝后交付給終端消費者，全過程需要多次測試。芯片自動測試設備集成了許多精密儀器，整體成本也非常昂貴，一臺的價格高達數(shù)千萬美元。目前，世界半導體測試機的主要市場仍由美國的泰瑞達Terida和日本的愛德萬Edwan這兩個海外領頭羊占據(jù)，在本土化方面仍有很大的增長空間。 蝕刻機也是非常重要的設備。隨著半導體工藝的小型化和結構的復雜化，半導體刻蝕設備的種類和技術難度不斷增加。然而，蝕刻設備領域長期以來一直被海外公司壟斷。

根據(jù)高德納Gartner的統(tǒng)計，世界前三大蝕刻企業(yè)是泛林半導體（中國臺灣）、東京電子（日本）和應用材料（美國），全球占市場份額為91%。國內(nèi)大陸蝕刻設備廠商在全球蝕刻設備市場的市場份額不到2%。但近年來，國內(nèi)蝕刻廠商依靠資金和政策支持，取得了快速發(fā)展。比如中微公司的介質(zhì)刻蝕已經(jīng)進入臺積電TSMC的7 nm/5 nm生產(chǎn)線，是目前唯一進入TSMC生產(chǎn)線的國內(nèi)蝕刻設備廠商。 此外，離子注入是晶圓制造中摻雜的核心工藝，其技術壁壘僅次于光刻、蝕刻和薄膜沉積。目前，國內(nèi)晶圓廠一般將設備費用的7%~10%用于離子注入。離子注入器將要摻雜的原子注入硅片，使芯片獲得特定的電學性質(zhì)，否則， 芯片不能正常工作。此外，半導體設備還包括清洗機、后道封裝***、芯片分選機等。 我們需要注意的是，目前半導體設備市場主要由美國、日本和荷蘭的企業(yè)壟斷。根據(jù)CINNO Research的數(shù)據(jù)，2022年上半年十大半導體設備公司中，有3家美國公司，5家日本公司，2家荷蘭公司，沒有一家是中國公司。這就是為什么美國一直在爭取日本和荷蘭討論一項限制向中國出口先進芯片制造設備的協(xié)議。

除了許多高科技***和其他半導體設備，中國已經(jīng)開始加快國產(chǎn)替代的進程，但形勢依然不容樂觀。目前，我國還不能實現(xiàn)先進技術的全過程國產(chǎn)化。在成熟制程的市場上，目前我國半導體的自給率約為20%，替代空間巨大。中芯國際和華虹宏力雖然可以完成28納米工藝的量產(chǎn)，但尚未完成產(chǎn)業(yè)鏈的完全本地化。目前，落后環(huán)節(jié)主要集中在關鍵設備和材料上。

03 EDA：國內(nèi)半導體產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展的薄弱環(huán)節(jié)之一

EDA被稱為“芯片設計之母”，盡管整個EDA市場只有100億美元，卻是撬動著龐大的約為5000億美國的半導體市場規(guī)模，其杠桿效應顯著。EDA是現(xiàn)代超大規(guī)模芯片設計中不可缺少的一部分。目前，整個EDA行業(yè)的大部分被三大EDA公司壟斷，即新思科技Synopsys、楷登電子Cadence和西門子Siemens EDA。 與國外相比，中國的EDA起步還不算太晚。1988年，國內(nèi)EDA工具“熊貓系統(tǒng)”開始進入研發(fā)階段。90年代初，我國第一個具有自主知識產(chǎn)權的EDA工具“熊貓ICCAD系統(tǒng)”上線，并于1993年獲得國家科技進步一等獎。推出后不久，這款熊貓EDA就在近20家設計公司投入使用，用它設計了近200個芯片品種。當時，中國與世界領先水平的差距并不是很大。這不僅為國內(nèi)ICCAD產(chǎn)品開發(fā)奠定了良好的基礎，也形成了一支研發(fā)和工程技術團隊。 1994年3月31日，巴黎協(xié)調(diào)委員會宣布正式解散。

當時國內(nèi)EDA產(chǎn)業(yè)尚未形成規(guī)模，市場幾乎處于空白狀態(tài)。與此同時，三大EDA巨頭大舉進入中國，以價格低廉、技術成熟的優(yōu)勢迅速占領市場，導致國內(nèi)EDA在接下來的十年里發(fā)展緩慢，再次進入被國外拉開差距。因此，EDA逐漸成為國內(nèi)半導體產(chǎn)業(yè)鏈中最薄弱的環(huán)節(jié)之一。 2008年是我國EDA發(fā)展的轉(zhuǎn)折點。當年，國家核心電子器件、高端通用芯片、基礎軟件產(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發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020）》中，EDA被列為中國十六大科技攻關項目之一。隨后，在國家政策支持下，華大九天于2009年成立，格倫電子于2010年成立。此外，中國的一些老EDA企業(yè)，如廣立微電子和國微集團，在國家政策支持下，國內(nèi)EDA企業(yè)重組，重新開始新的發(fā)展階段。 然而，自2018年以來，中興和華為相繼受到美國的制裁，這為中國仍處于初步發(fā)展階段的EDA行業(yè)敲響了警鐘。2022年8月15日，美國商務部宣布對GAA晶體管結構集成電路設計所需的EDA軟件實施出口管制。GAA晶體管結構主要用于3 nm及以下的高級工藝。雖然目前的禁令對國內(nèi)大部分芯片公司影響不大，但也阻礙了未來國產(chǎn)高端芯片的設計，不排除美國未來繼續(xù)增持“EDA斷供”的可能性。 但我們也應該看到，2018-2020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%。雖然規(guī)模仍然很小，但市場份額穩(wěn)步增長。EDA的開發(fā)周期漫長而艱難。雖然羅馬不是一天建成的，但人們相信國內(nèi)的EDA會隨著時間的推移而穩(wěn)步發(fā)展。

04 ***被圍堵？三大攻勢出擊

居安思危，我國并非毫無準備，國家不斷出臺一系列政策支持。后來者想要活在這個世界上從來都不容易。***要想突破三巨頭圍堵下的嚴密包圍圈，必須打出強大的組合拳，需要注意以下三個方面： 首先是政策支持。事實上，中國在這方面已經(jīng)做得很好，取得了初步成效。例如，早在2014年6月，國務院就發(fā)布了《促進全國集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展綱要》，部署了2015年、2020年和2030年集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展目標。

2030年，產(chǎn)業(yè)鏈主要環(huán)節(jié)將達到國際先進水平，實現(xiàn)跨越式發(fā)展。明確提出光刻膠、大尺寸硅片等關鍵材料的發(fā)展，加強集成電路制造企業(yè)與裝備材料企業(yè)的合作，加快產(chǎn)業(yè)化進程，提升行業(yè)支撐能力。 2015年，國家發(fā)布《中國制造2025》，提出要形成關鍵制造設備供應能力。2020年中國國務院發(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》，對半導體產(chǎn)業(yè)稅收、投融資、研發(fā)政策等八個方面進行了深入指導。目前，全球半導體產(chǎn)業(yè)政策已進入密集區(qū)，國內(nèi)產(chǎn)業(yè)政策有望隨著產(chǎn)業(yè)發(fā)展的深化而演進，朝著產(chǎn)業(yè)自主可控的政策目標邁進。目前，許多省市也出臺了與半導體材料相關的產(chǎn)業(yè)政策。2021年，《“十四五”國家信息化規(guī)劃》提出加快突破集成電路設計工具等特色工藝，加強集成電路等重點前沿領域的戰(zhàn)略研究布局和技術集成創(chuàng)新。

在EDA方面，《中國制造2025》對集成電路行業(yè)的市場規(guī)模和產(chǎn)能規(guī)模提出了具體的量化目標，其中提出2025年包括EDA在內(nèi)的集成電路設計行業(yè)產(chǎn)值將達到600億美元，占全球總量的35%。此外，各省市相繼出臺了多項EDA政策。例如，2022年6月，深圳發(fā)布了《深圳培育發(fā)展半導體和集成電路產(chǎn)業(yè)集群行動計劃（2022-2025）》政策，旨在聚集一批EDA工具開發(fā)企業(yè)和專業(yè)團隊，加強EDA工具軟件核心技術研究，推廣EDA工具軟件。實現(xiàn)全過程的本土化；2021年12月，上海發(fā)布《新時期促進上海集成電路產(chǎn)業(yè)和軟件產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的若干政策》，宣布重大EDA項目新增投資可放寬至不低于5000萬元；2021年8月，北京市發(fā)布了《北京市十四五高新技術產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》，大力突破EDA工具的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化。 二是繼續(xù)加大研發(fā)投入。

據(jù)統(tǒng)計，在中國研發(fā)費用率排名前50的科技公司中，計算機軟件和服務業(yè)名列前茅，其次是芯片半導體行業(yè)，這表明芯片公司對研發(fā)的重視。此外，根據(jù)中國11家主要半導體設備公司（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）的財務指數(shù)統(tǒng)計，2022年第一季度至第三季度R研發(fā)費用總額同比增長59%。 盡管國內(nèi)研發(fā)投資持續(xù)增長，但總體研發(fā)投資與芯片巨頭之間仍存在較大差距。

根據(jù)行業(yè)分析師IC Insights的數(shù)據(jù)，半導體巨頭英特爾、TSMC和三星合計貢獻了全球研發(fā)支出的45.3%。國內(nèi)芯片的研發(fā)投資需要不斷增加。 三是注重芯片領域相關人才的培養(yǎng)。目前，中國芯片人才總數(shù)不足，主要原因是高端芯片人才稀缺，半導體行業(yè)“搶人”的氛圍，企業(yè)招人難。根據(jù)獵聘Hunting發(fā)布的《半導體行業(yè)：半導體/芯片人才趨勢》研究報告，2020年中國半導體行業(yè)員工人數(shù)將達到54.1萬人，同比增長5.7%。預計2023年左右人才需求將達到76.6萬左右，人才缺口近23萬。從具體崗位來看，創(chuàng)新型和研發(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，在設計方面，模擬設計工程師、RF射頻設計工程師、CPU架構師、信號完整性工程師等研發(fā)工程師最為稀缺，這些人是芯片研發(fā)的主力軍。 中國的半導體產(chǎn)業(yè)已經(jīng)走到了一個十字路口。盡管面臨著各種壓力和困難，國內(nèi)芯片自主的發(fā)展是漫長而艱難的，但卻難以阻擋我們的進步。雖然這是一個漫長的旅程，可能需要10年甚至20年才能走出一條平坦的道路，但芯片行業(yè)的發(fā)展沒有捷徑可走。最后，還期望每個讀者能夠理解芯片，了解芯片，或進一步投身于這個行業(yè)，實現(xiàn)自己的價值，勇敢攀登科技的珠穆朗瑪峰。

編輯：黃飛