中美科技战中的国产半导体产业现状[一] 半导体的生产

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华为与5G

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华为与5G

9月15日，美国商务部对华为进行第二阶段禁运法案就将正式生效，包括台积电、三星和中芯国际在内的芯片制造商将无法为华为进行芯片代工供货。当然，这也是2018年中美贸易战开始以来国内外智库都能预料到的必然局面。毕竟新冠疫情下，被唤醒的历史记忆不只是黑死病、大流感等。从贸易战升级到科技战，懂王治下的美国已经完全不在乎什么法治和大国体面，对付中兴或者华为，或是最近的抖音微信，这种不惜破坏全球化贸易的行为也让我们明白，中国必须补齐产业短板才能保证国内经济和国际贸易发展。


                                                                            半导体材料成本占比


2019年中国购买进口芯片金额达到3000亿美元，我们衣食住行等方方面面的日常工作、生活中所有电器和数码产品都离不开芯片，国产化替代的市场需求和潜力巨大，且不说造不如买的理念已经无法被主流舆论所接受，何况现在还故意不让买。8月17日，美国还将华为旗下的38个公司加入实体清单，加大了制裁的范围，并进一步限制华为外购芯片的渠道。我们就以这次事件为契机，简略梳理一下目前国产半导体生产主要链条的发展概况。
作为目前人类最复杂的精细工业之一，半导体的产业链非常繁长，包括了最初的芯片和电路设计和仿真[EDA]、如何把原材料变成硅片[晶圆]的初级原材料、以及蚀刻、流片、封装测试等等。这些环节上国内企业普遍是有所投入的，但起步晚，市场份额小，研发进度不一，填补空白或者冲击高端领域还需要时间。

EDA

                                                                  LC模拟EDA设计软件   

                                                                   Robei数字EDA软件      

EDA电路设计软件也有多种类型，数字设计、模拟设计和仿真等，目前市场主流的是欧美的Synopsys、Cadence和Mentor Graphics三家。国产EDA市场份额少，华大九天相对知名度较高，提供了较为完整的全套商业化EDA方案。还有基于浏览器的LC EDA、可用于ASIC/FPGA芯片设计的Robei EDA等。因为EDA软件复杂，这类设计硬件的软件，市场需求通常十分有限，加上盗版猖獗。

硅片[晶圆]

国产芯片用晶圆在过去以4~6英寸规格为主，8英寸、12英寸等更大尺寸晶圆则主要依赖进口，如电脑DIY玩家比较熟悉的日本信越，以及胜高等。2019年12月，上海新昇宣布国产12英寸晶圆已经过长江存储的认证。目前中国已投产的12英寸晶圆产线超20条，未来产能可以满足部分国产14~40nm工艺的芯片需求。虽然12英寸晶圆是18年前的工艺水平，但目前占市场占比近70%，是最主流的晶圆尺寸规格。

                                                                 富士通生产的6英寸硅基氮化镓硅晶圆

除了集成芯片用晶圆外，功率放大器也是生活和生产中常用的半导体器件，如三极管、MOS场效应管等，常见的模拟和数字功率放大器，这类晶圆不需要达到纳米级别工艺，40微米已经算是非常领先的水平，在商用领域，英飞凌是目前行业领先的水平。工业化应用中国产水平相对较高，例如为国产高铁配套的IGBT[缘栅双极型晶体管]，湖南株洲的中车时代造出了全球第二条8英寸IGBT生产线，常年随着高铁宣传保持了较高的曝光率。IGBT在轨道交通、高压传输、新能源汽车等工业应用中都扮演着重要角色。另外，中国2020年全面停止生产非变频空调，2021年停止销售非变频空调，变频空调的核心组件也离不开IGBT技术，在生活电器中IBGT器件也会有很大的扩展空间。

                                                        英诺赛科展示的两款氮化镓充电器的内部电路

由于贸易战的缘故，国内的应用对于国产功率器件的接受度越来越高，国产化率也在稳步提升，例如基于最新硅基氮化镓[GaN]材料的充电头在近期大量上市，主要得益于珠海英诺赛科的8英寸GaN的成套流程[IDM]实现国产化批量生产。
光刻胶
光刻胶是半导体生产的耗材之一，无论是芯片、屏幕面板以及PCB电路板都需要消耗光刻胶，属于典型的材料化工行业。目前半导体生产所需的光刻胶材料以进口日本企业为主，如日本合成橡胶、住友、信越和美国罗门哈斯等。在PCB光刻胶领域，目前国内企业已经可以大批量生产满足使用，在面板领域，国产光刻胶主要是TN/STN等低端产品，只占约10%的市场份额。而芯片光刻胶门槛高，目前国内企业还在技术攻关阶段。
光刻机


                                                                  ASML光刻机
受到美国禁运政策的影响，ASML向中芯提供的EUV光刻机已被迫停止供货，主因是其内部的EUV[极紫外光]技术是来自美国企业。不过另一批相对落后一些的光刻机已经实现落地，ASML的7nm光刻机是目前最先进的光刻机工艺，但其组件本身自产率仅为10%。国产先进光刻机目前没有可以实现量产的办法，上海微电子攻关中的28nm光刻机项目虽然可以通过多次曝光实现14nm工艺，也属于相对落后的产品。不过上海微电子用于AMOLED的投影式光刻机已经完成试用供货，已经目前国产光刻机比较先进的水准。


                                                                        上海微电子的投影式光刻机
至于光刻机的内部组件，也来自世界各地不同的企业参与到供应链，全国产化更属于比较天方夜谭的奇想了。关于网上前段时间关于华为试图不计代价实现45nm工艺芯片纯国产化的风传，在技术层面基本属于无法实现的难度。


                                                                        中微半导体蚀刻机
除了光刻机外，半导体生产所需的蚀刻机、高能离子注入机国内行业都取得了一定突破，中微半导体的5nm蚀刻机已通过台积电的验收，即将用于5nm芯片的生产，是目前行业的先进水准。
流片


                                                                 中芯国际
除了知名度较高的中芯国际外，国内半导体代工厂商还有华虹等，覆盖14-90nm工艺，主流仍然是40nm以前的水准，当然许多芯片和器件并不需要很高端工艺就能实现工作，比如IoT相关的芯片、PWM电源控制和FPGA等，目前中国内地芯片生产份额已经排在全球第三，位于台湾省和韩国之后。三星、台积电和台联电等企业也在内地建立半导体生产企业。这个领域知名的国际企业除台积电、三星，还有英特尔、AMD分家出来的格罗方德和欧洲的ST意法半导体等。
封装


                                                     国内封装的AMD Ryzen 3600处理器
在封装和测试方面，国内企业技术和市场份额相对不错，例如中芯旗下的中芯长电就是一家实力较强的封装测试服务企业。如果是使用AMD锐龙处理器的DIY玩家，很可能会在金属导热片标识看到中国制造的英文，这是因为其封装测试是在国内完成的，不过和富士康的苹果手机类似，其内部的CPU、IF总线和IO等核心半导体仍是台积电、格罗方德、三星等企业的工艺。另外在BGA、3D堆叠等比较先进的封装技术上，国内企业也有一定的市场份额。
总结和展望
到目前为止，国产半导体产业链从设计到制造的能力并不算彻底从零开始，但多数处于国产化的进程或者摸索阶段，相比国际领先水平还有显著差距。不过贸易战和科技战，大众媒体一下子放大了往常不为人知的角落，在空前压力下，补足短板，做好进口替代的技术储备，减少关键环节被卡脖子的压力是我们的努力方向。另一方面我们是全球化贸易和大生产的受益者，不能因为懂王的逆全球化操作也让自己患上能否达到100%纯国产的强迫症，而被人带进不停在速胜论和投降论之间左右摇摆的节奏。在第二部分文章里，我们将在具体应用的芯片和系统等角度介绍产业链的国产化状况。

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            华为与5G

9月15日，美国商务部对华为进行第二阶段禁运法案就将正式生效，包括台积电、三星和中芯国际在内的芯片制造商将无法为华为进行芯片代工供货。当然，这也是2018年中美贸易战开始以来国内外智库都能预料到的必然局面。毕竟新冠疫情下，被唤醒的历史记忆不只是黑死病、大流感等。从贸易战升级到科技战，懂王治下的美国已经完全不在乎什么法治和大国体面，对付中兴或者华为，或是最近的抖音微信，这种不惜破坏全球化贸易的行为也让我们明白，中国必须补齐产业短板才能保证国内经济和国际贸易发展。

半导体材料成本占比


2019年中国购买进口芯片金额达到3000亿美元，我们衣食住行等方方面面的日常工作、生活中所有电器和数码产品都离不开芯片，国产化替代的市场需求和潜力巨大，且不说造不如买的理念已经无法被主流舆论所接受，何况现在还故意不让买。8月17日，美国还将华为旗下的38个公司加入实体清单，加大了制裁的范围，并进一步限制华为外购芯片的渠道。我们就以这次事件为契机，简略梳理一下目前国产半导体生产主要链条的发展概况。
作为目前人类最复杂的精细工业之一，半导体的产业链非常繁长，包括了最初的芯片和电路设计和仿真[EDA]、如何把原材料变成硅片[晶圆]的初级原材料、以及蚀刻、流片、封装测试等等。这些环节上国内企业普遍是有所投入的，但起步晚，市场份额小，研发进度不一，填补空白或者冲击高端领域还需要时间。

EDA

LC

模拟EDA设计软件




       Robei数字EDA软件

EDA电路设计软件也有多种类型，数字设计、模拟设计和仿真等，目前市场主流的是欧美的Synopsys、Cadence和Mentor Graphics三家。国产EDA市场份额少，华大九天相对知名度较高，提供了较为完整的全套商业化EDA方案。还有基于浏览器的LC EDA、可用于ASIC/FPGA芯片设计的Robei EDA等。因为EDA软件复杂，这类设计硬件的软件，市场需求通常十分有限，加上盗版猖獗。

硅片[晶圆]


硅晶圆

国产芯片用晶圆在过去以4~6英寸规格为主，8英寸、12英寸等更大尺寸晶圆则主要依赖进口，如电脑DIY玩家比较熟悉的日本信越，以及胜高等。2019年12月，上海新昇宣布国产12英寸晶圆已经过长江存储的认证。目前中国已投产的12英寸晶圆产线超20条，未来产能可以满足部分国产14~40nm工艺的芯片需求。虽然12英寸晶圆是18年前的工艺水平，但目前占市场占比近70%，是最主流的晶圆尺寸规格。

富士通生产的6英寸硅基氮化镓硅晶圆

除了集成芯片用晶圆外，功率放大器也是生活和生产中常用的半导体器件，如三极管、MOS场效应管等，常见的模拟和数字功率放大器，这类晶圆不需要达到纳米级别工艺，40微米已经算是非常领先的水平，在商用领域，英飞凌是目前行业领先的水平。工业化应用中国产水平相对较高，例如为国产高铁配套的IGBT[缘栅双极型晶体管]，湖南株洲的中车时代造出了全球第二条8英寸IGBT生产线，常年随着高铁宣传保持了较高的曝光率。IGBT在轨道交通、高压传输、新能源汽车等工业应用中都扮演着重要角色。另外，中国2020年全面停止生产非变频空调，2021年停止销售非变频空调，变频空调的核心组件也离不开IGBT技术，在生活电器中IBGT器件也会有很大的扩展空间。

英诺赛科展示的两款氮化镓充电器的内部电路


由于贸易战的缘故，国内的应用对于国产功率器件的接受度越来越高，国产化率也在稳步提升，例如基于最新硅基氮化镓[GaN]材料的充电头在近期大量上市，主要得益于珠海英诺赛科的8英寸GaN的成套流程[IDM]实现国产化批量生产。
光刻胶
光刻胶是半导体生产的耗材之一，无论是芯片、屏幕面板以及PCB电路板都需要消耗光刻胶，属于典型的材料化工行业。目前半导体生产所需的光刻胶材料以进口日本企业为主，如日本合成橡胶、住友、信越和美国罗门哈斯等。在PCB光刻胶领域，目前国内企业已经可以大批量生产满足使用，在面板领域，国产光刻胶主要是TN/STN等低端产品，只占约10%的市场份额。而芯片光刻胶门槛高，目前国内企业还在技术攻关阶段。

光刻机


           ASML光刻机

受到美国禁运政策的影响，ASML向中芯提供的EUV光刻机已被迫停止供货，主因是其内部的EUV[极紫外光]技术是来自美国企业。不过另一批相对落后一些的光刻机已经实现落地，ASML的7nm光刻机是目前最先进的光刻机工艺，但其组件本身自产率仅为10%。国产先进光刻机目前没有可以实现量产的办法，上海微电子攻关中的28nm光刻机项目虽然可以通过多次曝光实现14nm工艺，也属于相对落后的产品。不过上海微电子用于AMOLED的投影式光刻机已经完成试用供货，已经目前国产光刻机比较先进的水准。

上海微电子的投影式光刻机

至于光刻机的内部组件，也来自世界各地不同的企业参与到供应链，全国产化更属于比较天方夜谭的奇想了。关于网上前段时间关于华为试图不计代价实现45nm工艺芯片纯国产化的风传，在技术层面基本属于无法实现的难度。

中微半导体蚀刻机


除了光刻机外，半导体生产所需的蚀刻机、高能离子注入机国内行业都取得了一定突破，中微半导体的5nm蚀刻机已通过台积电的验收，即将用于5nm芯片的生产，是目前行业的先进水准。
流片


中芯国际


除了知名度较高的中芯国际外，国内半导体代工厂商还有华虹等，覆盖14-90nm工艺，主流仍然是40nm以前的水准，当然许多芯片和器件并不需要很高端工艺就能实现工作，比如IoT相关的芯片、PWM电源控制和FPGA等，目前中国内地芯片生产份额已经排在全球第三，位于台湾省和韩国之后。三星、台积电和台联电等企业也在内地建立半导体生产企业。这个领域知名的国际企业除台积电、三星，还有英特尔、AMD分家出来的格罗方德和欧洲的ST意法半导体等。
封装


国内封装的AMD Ryzen 3600处理器
在封装和测试方面，国内企业技术和市场份额相对不错，例如中芯旗下的中芯长电就是一家实力较强的封装测试服务企业。如果是使用AMD锐龙处理器的DIY玩家，很可能会在金属导热片标识看到中国制造的英文，这是因为其封装测试是在国内完成的，不过和富士康的苹果手机类似，其内部的CPU、IF总线和IO等核心半导体仍是台积电、格罗方德、三星等企业的工艺。另外在BGA、3D堆叠等比较先进的封装技术上，国内企业也有一定的市场份额。
总结和展望
到目前为止，国产半导体产业链从设计到制造的能力并不算彻底从零开始，但多数处于国产化的进程或者摸索阶段，相比国际领先水平还有显著差距。不过贸易战和科技战，大众媒体一下子放大了往常不为人知的角落，在空前压力下，补足短板，做好进口替代的技术储备，减少关键环节被卡脖子的压力是我们的努力方向。另一方面我们是全球化贸易和大生产的受益者，不能因为懂王的逆全球化操作也让自己患上能否达到100%纯国产的强迫症，而被人带进不停在速胜论和投降论之间左右摇摆的节奏。在第二部分文章里，我们将在具体应用的芯片和系统等角度介绍产业链的国产化状况。

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