***作為半導(dǎo)體設(shè)備的三大組成部分之一，被譽(yù)為“半導(dǎo)體工業(yè)皇冠上的寶石”。2023年1月，隨著美國(guó)拉攏日本，荷蘭達(dá)成限制向中國(guó)出口先進(jìn)芯片制造設(shè)備的新協(xié)議，將“中國(guó)核心”的遏制推向高潮，成為全民關(guān)注的焦點(diǎn)。 根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局發(fā)布的《2021年中華人民共和國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》，2021年中國(guó)集成電路出口數(shù)量達(dá)到3017億顆，比上年增長(zhǎng)19.6%，出口總額達(dá)到9930億元，比上年增長(zhǎng)23.4%；2021年，進(jìn)口集成電路6355億顆，比上年增長(zhǎng)16.9%，進(jìn)口總量27935億元，比上年增長(zhǎng)15.4%。

相比之下，2021年原油進(jìn)口總量約為1.66萬億元，芯片進(jìn)口總量是原油的1.7倍。巨大的貿(mào)易逆差使中國(guó)在國(guó)際貿(mào)易中處于不利地位，芯片是中國(guó)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(duì)制造芯片的核心設(shè)備***的重要性進(jìn)行了解讀。事實(shí)上，在中國(guó)龐大的半導(dǎo)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(zhǎng)的路要走。有三個(gè)主要方面需要我們注意： 首先，作為芯片的基礎(chǔ)材料，國(guó)內(nèi)公司的市場(chǎng)份額極低。第二，關(guān)于半導(dǎo)體設(shè)備。沒有半導(dǎo)體設(shè)備的支持，芯片制造的任何一個(gè)環(huán)節(jié)都難以完成芯片的交付，但目前國(guó)產(chǎn)化率在全球市場(chǎng)中所占的比例很低。第三，在被稱為“芯片之母”的EDA領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)仍然受制于人。本文將從這些方面分析中國(guó)的現(xiàn)狀，然后為大家呈現(xiàn)一個(gè)清晰、立體的國(guó)內(nèi)芯片產(chǎn)業(yè)格局。

01 半導(dǎo)體材料：利潤(rùn)不可觀，國(guó)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(gè)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(gè)3 D封裝芯片的示意圖：天藍(lán)色是封裝基板（Package Substrate），標(biāo)準(zhǔn)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(dǎo)體材料是芯片產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)，沒有原材料的芯片制造就像“巧婦難為無米之炊”。目前，國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體材料整體上還比較薄弱，在品種豐富度和競(jìng)爭(zhēng)力上都處于劣勢(shì)。2021年，國(guó)產(chǎn)半導(dǎo)體材料國(guó)產(chǎn)化率僅為10%左右。 回顧我國(guó)半導(dǎo)體材料的發(fā)展歷史，半導(dǎo)體是一種電導(dǎo)率介于導(dǎo)體和絕緣體之間的材料。與導(dǎo)體和絕緣體相比，半導(dǎo)體材料是最晚發(fā)現(xiàn)的。直到20世紀(jì)30年代，隨著材料提純技術(shù)的提高，半導(dǎo)體的存在才真正被學(xué)術(shù)界所認(rèn)識(shí)。半導(dǎo)體領(lǐng)域的前輩科學(xué)家在半導(dǎo)體材料方面做出了巨大努力，這使得中國(guó)在今天的材料領(lǐng)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(xué)固體物理學(xué)博士學(xué)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(guó)半導(dǎo)體材料研究的前沿，她在知名的Sylvania半導(dǎo)體公司擔(dān)任高級(jí)工程師，幫助公司解決了許多技術(shù)問題，贏得了公司的關(guān)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(guó)服務(wù)的決心。在掌握了固體材料開發(fā)的知識(shí)后，她積極計(jì)劃回國(guó)。 1957年，林蘭英以旅游的名義獲得簽證，沖破重重障礙，堅(jiān)定地回到祖國(guó)。當(dāng)時(shí)在中國(guó)，半導(dǎo)體材料幾乎是空白的。

林蘭英立即進(jìn)行研究，并于1957年和1958年分別成功拉制了第一個(gè)鍺單晶和第一個(gè)硅單晶。中國(guó)也成為世界上第三個(gè)生產(chǎn)硅單晶的國(guó)家。后來，林開始研究砷化鎵材料，成為世界上第一個(gè)制造砷化鎵單晶作為半導(dǎo)體材料的科學(xué)家。林蘭英是中國(guó)半導(dǎo)體材料科學(xué)的領(lǐng)軍人物和先驅(qū)。沒有她在半導(dǎo)體領(lǐng)域的成就，中國(guó)在半導(dǎo)體領(lǐng)域?qū)⒏勇浜蟆?雖然與光刻技術(shù)相比，半導(dǎo)體材料所涉及的技術(shù)和精密儀器并不像光刻技術(shù)那樣復(fù)雜。但由于我國(guó)對(duì)半導(dǎo)體材料研究的投入持續(xù)不足，以及該行業(yè)相對(duì)于其他科技領(lǐng)域的利潤(rùn)不盡如人意，目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)份額較低。未來幾年，國(guó)家政策和資金將開始向材料方面傾斜，國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體材料制造商也將面臨機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

02 半導(dǎo)體設(shè)備：全球市場(chǎng)基本被美國(guó)、日本和荷蘭壟斷

在半導(dǎo)體領(lǐng)域，除了被卡住脖子的***之外，還有許多關(guān)鍵設(shè)備。比如自動(dòng)測(cè)試設(shè)備、蝕刻機(jī)、離子注入機(jī)等。這些都是芯片產(chǎn)業(yè)鏈中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。 先說自動(dòng)測(cè)試設(shè)備。在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈中，一個(gè)芯片的生命周期從市場(chǎng)需求分析開始，遵循產(chǎn)品的定義、設(shè)計(jì)、制造，封裝后交付給終端消費(fèi)者，全過程需要多次測(cè)試。芯片自動(dòng)測(cè)試設(shè)備集成了許多精密儀器，整體成本也非常昂貴，一臺(tái)的價(jià)格高達(dá)數(shù)千萬美元。目前，世界半導(dǎo)體測(cè)試機(jī)的主要市場(chǎng)仍由美國(guó)的泰瑞達(dá)Terida和日本的愛德萬Edwan這兩個(gè)海外領(lǐng)頭羊占據(jù)，在本土化方面仍有很大的增長(zhǎng)空間。 蝕刻機(jī)也是非常重要的設(shè)備。隨著半導(dǎo)體工藝的小型化和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化，半導(dǎo)體刻蝕設(shè)備的種類和技術(shù)難度不斷增加。然而，蝕刻設(shè)備領(lǐng)域長(zhǎng)期以來一直被海外公司壟斷。

根據(jù)高德納Gartner的統(tǒng)計(jì)，世界前三大蝕刻企業(yè)是泛林半導(dǎo)體（中國(guó)臺(tái)灣）、東京電子（日本）和應(yīng)用材料（美國(guó)），全球占市場(chǎng)份額為91%。國(guó)內(nèi)大陸蝕刻設(shè)備廠商在全球蝕刻設(shè)備市場(chǎng)的市場(chǎng)份額不到2%。但近年來，國(guó)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(jìn)入臺(tái)積電TSMC的7 nm/5 nm生產(chǎn)線，是目前唯一進(jìn)入TSMC生產(chǎn)線的國(guó)內(nèi)蝕刻設(shè)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(shù)壁壘僅次于光刻、蝕刻和薄膜沉積。目前，國(guó)內(nèi)晶圓廠一般將設(shè)備費(fèi)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(xué)性質(zhì)，否則， 芯片不能正常工作。此外，半導(dǎo)體設(shè)備還包括清洗機(jī)、后道封裝***、芯片分選機(jī)等。 我們需要注意的是，目前半導(dǎo)體設(shè)備市場(chǎng)主要由美國(guó)、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(dǎo)體設(shè)備公司中，有3家美國(guó)公司，5家日本公司，2家荷蘭公司，沒有一家是中國(guó)公司。這就是為什么美國(guó)一直在爭(zhēng)取日本和荷蘭討論一項(xiàng)限制向中國(guó)出口先進(jìn)芯片制造設(shè)備的協(xié)議。

除了許多高科技***和其他半導(dǎo)體設(shè)備，中國(guó)已經(jīng)開始加快國(guó)產(chǎn)替代的進(jìn)程，但形勢(shì)依然不容樂觀。目前，我國(guó)還不能實(shí)現(xiàn)先進(jìn)技術(shù)的全過程國(guó)產(chǎn)化。在成熟制程的市場(chǎng)上，目前我國(guó)半導(dǎo)體的自給率約為20%，替代空間巨大。中芯國(guó)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(guān)鍵設(shè)備和材料上。

03 EDA：國(guó)內(nèi)半導(dǎo)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(shè)計(jì)之母”，盡管整個(gè)EDA市場(chǎng)只有100億美元，卻是撬動(dòng)著龐大的約為5000億美國(guó)的半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模，其杠桿效應(yīng)顯著。EDA是現(xiàn)代超大規(guī)模芯片設(shè)計(jì)中不可缺少的一部分。目前，整個(gè)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(guó)外相比，中國(guó)的EDA起步還不算太晚。1988年，國(guó)內(nèi)EDA工具“熊貓系統(tǒng)”開始進(jìn)入研發(fā)階段。90年代初，我國(guó)第一個(gè)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的EDA工具“熊貓ICCAD系統(tǒng)”上線，并于1993年獲得國(guó)家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。推出后不久，這款熊貓EDA就在近20家設(shè)計(jì)公司投入使用，用它設(shè)計(jì)了近200個(gè)芯片品種。當(dāng)時(shí)，中國(guó)與世界領(lǐng)先水平的差距并不是很大。這不僅為國(guó)內(nèi)ICCAD產(chǎn)品開發(fā)奠定了良好的基礎(chǔ)，也形成了一支研發(fā)和工程技術(shù)團(tuán)隊(duì)。 1994年3月31日，巴黎協(xié)調(diào)委員會(huì)宣布正式解散。

當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)EDA產(chǎn)業(yè)尚未形成規(guī)模，市場(chǎng)幾乎處于空白狀態(tài)。與此同時(shí)，三大EDA巨頭大舉進(jìn)入中國(guó)，以價(jià)格低廉、技術(shù)成熟的優(yōu)勢(shì)迅速占領(lǐng)市場(chǎng)，導(dǎo)致國(guó)內(nèi)EDA在接下來的十年里發(fā)展緩慢，再次進(jìn)入被國(guó)外拉開差距。因此，EDA逐漸成為國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈中最薄弱的環(huán)節(jié)之一。 2008年是我國(guó)EDA發(fā)展的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。當(dāng)年，國(guó)家核心電子器件、高端通用芯片、基礎(chǔ)軟件產(chǎn)品（核高基）等重大科技項(xiàng)目正式進(jìn)入實(shí)施階段。在《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020）》中，EDA被列為中國(guó)十六大科技攻關(guān)項(xiàng)目之一。隨后，在國(guó)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(guó)的一些老EDA企業(yè)，如廣立微電子和國(guó)微集團(tuán)，在國(guó)家政策支持下，國(guó)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(guó)的制裁，這為中國(guó)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(guó)商務(wù)部宣布對(duì)GAA晶體管結(jié)構(gòu)集成電路設(shè)計(jì)所需的EDA軟件實(shí)施出口管制。GAA晶體管結(jié)構(gòu)主要用于3 nm及以下的高級(jí)工藝。雖然目前的禁令對(duì)國(guó)內(nèi)大部分芯片公司影響不大，但也阻礙了未來國(guó)產(chǎn)高端芯片的設(shè)計(jì)，不排除美國(guó)未來繼續(xù)增持“EDA斷供”的可能性。 但我們也應(yīng)該看到，2018-2020年，國(guó)產(chǎn)EDA工具在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)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(chǎng)份額穩(wěn)步增長(zhǎng)。EDA的開發(fā)周期漫長(zhǎng)而艱難。雖然羅馬不是一天建成的，但人們相信國(guó)內(nèi)的EDA會(huì)隨著時(shí)間的推移而穩(wěn)步發(fā)展。

04 ***被圍堵？三大攻勢(shì)出擊

居安思危，我國(guó)并非毫無準(zhǔn)備，國(guó)家不斷出臺(tái)一系列政策支持。后來者想要活在這個(gè)世界上從來都不容易。***要想突破三巨頭圍堵下的嚴(yán)密包圍圈，必須打出強(qiáng)大的組合拳，需要注意以下三個(gè)方面： 首先是政策支持。事實(shí)上，中國(guó)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(guó)務(wù)院就發(fā)布了《促進(jìn)全國(guó)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(biāo)。

2030年，產(chǎn)業(yè)鏈主要環(huán)節(jié)將達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展。明確提出光刻膠、大尺寸硅片等關(guān)鍵材料的發(fā)展，加強(qiáng)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(jìn)程，提升行業(yè)支撐能力。 2015年，國(guó)家發(fā)布《中國(guó)制造2025》，提出要形成關(guān)鍵制造設(shè)備供應(yīng)能力。2020年中國(guó)國(guó)務(wù)院發(fā)布《新時(shí)期促進(jìn)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(duì)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)稅收、投融資、研發(fā)政策等八個(gè)方面進(jìn)行了深入指導(dǎo)。目前，全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)政策已進(jìn)入密集區(qū)，國(guó)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(jìn)，朝著產(chǎn)業(yè)自主可控的政策目標(biāo)邁進(jìn)。目前，許多省市也出臺(tái)了與半導(dǎo)體材料相關(guān)的產(chǎn)業(yè)政策。2021年，《“十四五”國(guó)家信息化規(guī)劃》提出加快突破集成電路設(shè)計(jì)工具等特色工藝，加強(qiáng)集成電路等重點(diǎn)前沿領(lǐng)域的戰(zhàn)略研究布局和技術(shù)集成創(chuàng)新。

在EDA方面，《中國(guó)制造2025》對(duì)集成電路行業(yè)的市場(chǎng)規(guī)模和產(chǎn)能規(guī)模提出了具體的量化目標(biāo)，其中提出2025年包括EDA在內(nèi)的集成電路設(shè)計(jì)行業(yè)產(chǎn)值將達(dá)到600億美元，占全球總量的35%。此外，各省市相繼出臺(tái)了多項(xiàng)EDA政策。例如，2022年6月，深圳發(fā)布了《深圳培育發(fā)展半導(dǎo)體和集成電路產(chǎn)業(yè)集群行動(dòng)計(jì)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(tuán)隊(duì)，加強(qiáng)EDA工具軟件核心技術(shù)研究，推廣EDA工具軟件。實(shí)現(xiàn)全過程的本土化；2021年12月，上海發(fā)布《新時(shí)期促進(jìn)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(xiàng)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(shù)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(jì)，在中國(guó)研發(fā)費(fèi)用率排名前50的科技公司中，計(jì)算機(jī)軟件和服務(wù)業(yè)名列前茅，其次是芯片半導(dǎo)體行業(yè)，這表明芯片公司對(duì)研發(fā)的重視。此外，根據(jù)中國(guó)11家主要半導(dǎo)體設(shè)備公司（北方華創(chuàng)、中微公司、芯源微、華峰測(cè)控、至純科技、拓荊科技、盛美上海、華海清科、長(zhǎng)川科技、精測(cè)電子、晶盛機(jī)電）的財(cái)務(wù)指數(shù)統(tǒng)計(jì)，2022年第一季度至第三季度R研發(fā)費(fèi)用總額同比增長(zhǎng)59%。 盡管國(guó)內(nèi)研發(fā)投資持續(xù)增長(zhǎng)，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(dǎo)體巨頭英特爾、TSMC和三星合計(jì)貢獻(xiàn)了全球研發(fā)支出的45.3%。國(guó)內(nèi)芯片的研發(fā)投資需要不斷增加。 三是注重芯片領(lǐng)域相關(guān)人才的培養(yǎng)。目前，中國(guó)芯片人才總數(shù)不足，主要原因是高端芯片人才稀缺，半導(dǎo)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(dǎo)體行業(yè)：半導(dǎo)體/芯片人才趨勢(shì)》研究報(bào)告，2020年中國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)員工人數(shù)將達(dá)到54.1萬人，同比增長(zhǎng)5.7%。預(yù)計(jì)2023年左右人才需求將達(dá)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(jí)研發(fā)人才的供需矛盾明顯。數(shù)據(jù)顯示，在設(shè)計(jì)方面，模擬設(shè)計(jì)工程師、RF射頻設(shè)計(jì)工程師、CPU架構(gòu)師、信號(hào)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(guó)的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)已經(jīng)走到了一個(gè)十字路口。盡管面臨著各種壓力和困難，國(guó)內(nèi)芯片自主的發(fā)展是漫長(zhǎng)而艱難的，但卻難以阻擋我們的進(jìn)步。雖然這是一個(gè)漫長(zhǎng)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(gè)讀者能夠理解芯片，了解芯片，或進(jìn)一步投身于這個(gè)行業(yè)，實(shí)現(xiàn)自己的價(jià)值，勇敢攀登科技的珠穆朗瑪峰。

編輯：黃飛