中國半導體現狀及展望 (上)

半導體被最近一份美國供應鏈評論稱為“技術DNA，”拜登總統更主持召開了全球(無中國大陸) “半導體和供應鏈”峰會，認為半導體是“贏得21世紀的競爭”的核心。商務部長在九月接受CNBC采訪時稱，美國“必須與我們的歐洲盟友合作，不讓中國獲得最先進的技術，使他們無法在半導體等關鍵領域追趕上來。”一年進口3000億美元以上半導體芯片的中國大陸，由於在高端的芯片上有錢也“無芯”可買，正以舉國之力，耗巨資建立大陸國產半導體供應鏈。本博文分析大陸半導體行業目前在世界上所處地位，以及今後5-10年可能企及的發展前景。

設計(Fabless)美國擁有最大的芯片設計行業：美國芯片設計(“無晶圓廠”)和係統IC公司的市場份額(銷售額)為64%。其次是台灣芯片設計公司，如聯發科(MediaTek)和瑞昱(Realtek)，總市場份額為18%，然後是中國大陸公司，如海思(HiSilicon 下圖 es.gizchina)和紫光集團(Unigroup)，總市場份額為15%。

從2015年到2020年，大陸的IC設計公司數量幾乎翻了一番。但大多數大陸設計部門的產品在性能方麵仍處於全球市場的中低端。2019年，大陸約500家設計公司的總收入不到美國行業領先公司高通公司的70%。

當然，大陸政府促進支持芯片設計的政策，會讓大陸在芯片設計上投入巨資。如兆鑫(下圖 APCTV)，這家由上海政府和台灣的威盛電子有限公司(VIA Technologies, 獲許可使用英特爾x86指令集體係結構進行CPU設計的唯一非美國公司)建立的一家合資企業, 就合作開發出了一係列足夠好的CPU。百度、華為、阿裏巴巴和小米等巨頭開發了消費物聯網生態係統，推動了芯片設計的進步，阿裏巴巴在2020年發布了據稱是世界上最強大的基於RISC-V的處理器。在電動汽車方麵，中國占全球市場的40%以上，預計2021年中國國內電動汽車市場將增長50%。自動駕駛技術與電動汽車的發展息息相關，許多行業領袖正在中國投資於這一生態係統的擴張。芯片設計可能是中國大陸半導體企業在未來十年中，最有機會參與全球技術價值鏈前沿展開競爭的領域。

EDA(電子設計自動化軟件) EDA市場高度集中，三家美國公司新思科技(Synopsys)、楷登電子(Cadence)和明導國際公司(Mentor)(2017年被德國電子巨頭西門子收購)多年來占據了全球收入的70%左右。Cadence委托開展的一項研究顯示，2020年末，美國三大供應商占據了大陸EDA市場的90%，剩餘的10%的EDA市場份額，則由專注於某個細分領域的大陸公司獲得。迄今，隻有一家大陸公司(華大九天公司 下圖 EET)提供涵蓋完整設計流程的工具，且僅限於模擬芯片。

華大九天軟件有限公司(Huada Empyrean)估計，2018年在大陸從事EDA研發的1500人中，隻有300人在中國的研究機構和公司工作。其中華大九天占了三分之一，其餘的為三巨頭(即新思科技、楷登電子和明導國際公司)工作。為緩解美國出口管製擴大帶來的風險，2020年三巨頭成立了三家新的大陸EDA供應商，分別由Cadence和Synopsys(下圖 SOCIONEXT)的高管和工程師創建或聘請。這些公司得到了大陸政府和主要私人投資者的支持，包括Synopsys本身。

Cadence(下圖 ANANDTECH)委托開展的這項研究評估，如果美國供應商與大陸市場脫鉤，大陸EDA供應商完全有能力取代美國供應商，並指出這些大陸供應商的產品路線圖“旨在到2025年為先進節點的IC設計提供全流程產品。”如果美國擴大出口管製，大陸EDA供應商可能大幅增加在設計更簡單的芯片類別和為大陸客戶量身定製的解決方案方麵的市場份額。

即便如此，資金充裕的大陸EDA公司也不太可能在全球為芯片提供前沿技術解決方案。因為由國家，而非市場，主導的巨額資金及有保障的采購，有可能使大陸EDA公司專注於發展本地解決方案能力，而忽視全球市場競爭，從而脫離全球技術前沿。

IP(智慧產權)許多IP供應商都是美國公司。按收入計算，最大的IP供應商包括ARM有限公司(英國)、Synopsys(美國)、Cadence(美國)、Imagination Technologies(英國)、Ceva(美國)、矽存儲技術(美國)和芯原微電子(中國)(下圖 VeriSilicon)。芯原微電子通常被認為是唯一一家重要的大陸IP提供商。2019年，得到英特爾、三星和小米投資支持的芯原微電子在全球IP許可收入排名第七，正進行5nm工藝的研發。媒體報道表明，ARM架構(Arm architecture)子公司ARM China可能已轉向開發自己的IP，包括允許中國大陸製造的芯片運行大陸國家密碼管理局(State Cryptography Administration)構建的密碼算法的設計。據報道，ARM中國IP的客戶包括海思。ARM中國2019年聲稱將每年發布三份新的芯片設計藍圖。

大陸行業評論員承認，大陸國內企業在知識產權方麵仍然“遠遠落後”。但在RISC-V係列應用方麵有潛力，大陸的設計公司可能在某些領域取代ARM成為領先的指令集架構(instruction set architectures ISA)的潛力，可能和更大的國內生態係統創造跨越式的機會。由於RISC-V基金會 (下圖 LinuxReviews)總部設在瑞士，RISC-V IP與潛在的美國出口控製相對隔離，因而受到大陸芯片設計部門的相當大的關注。大陸在全球電子製造業中的核心作用和數字技術的快速發展,可以說為大陸提供了一個很好的機會，使其在定義RISC-V的最佳用例(應用程序)並將其商業化方麵成為第一。例如，阿裏巴巴在2020年發布了當時宣稱是世界上最強大的基於RISC-V的處理器。

但RISC-V隻是知識產權的一種類型，中國知識產權供應商幾乎不可能在未來10年內為所有或大部分類別提供具有國際競爭力的知識產權。

Fab(晶圓製造)，芯片設計被轉移到晶圓上，這一過程被稱為“晶圓製造”或“前端”。晶圓製造可包括1000多個工藝步驟，涉及約50種不同類型的製造設備和多達400種不同的化學品和材料。因此，晶圓廠在很大程度上依賴於大量設備、化學品和晶圓供應商，主要來自美國、日本、歐洲和台灣。晶圓廠由集成設備製造商(IDM)或鑄造廠運營。IDM自行設計、製造和銷售芯片,如英特爾(美國)、英飛淩(歐盟) (下圖 ETtoday)和SK Hynix(韓國)。一家代工廠根據合同為不擁有晶圓廠的芯片設計公司(Fabless)，如蘋果(美國）、華為(中國)和聯發科(TW)等製造晶圓。

英特爾近年的領先地位有減弱的趨勢，但計劃在7納米及以下的芯片上，正展開與領先的台積電和三星競爭。最先進工藝節點的客戶主要是美國芯片設計公司(超過預計容量的80%)，如AMD、蘋果、Nvidia和高通公司。三星和台積電計劃在未來三到五年內在美國大量投資晶圓廠。即使在三星和台積電在美國投資之後，全球最尖端的晶圓製造能力仍將大部分留在台灣和韓國。

生產10納米及以上的工藝節點晶圓製造的公司，除了台積電(台灣)和三星(韓國)外，聯華電子(台灣 下圖 sinaTech)、Globalfoundries(美國)、中芯國際(中國)和華虹(中國)也在14納米及以上運行流程節點。其中中芯國際是唯一一家采用14納米工藝的大陸公司，但中芯國際90%以上的收入來自40納米及以上的成熟節點。而華虹還不能生產低於28納米的晶圓。相比之下，全球領先的台積電從7納米和5納米節點獲得近一半的收入，該公司將於2021年開始其3納米節點的風險生產。

如果中芯國際無法進口深紫外(DUVL)光刻設備，其實現10納米以下大規模生產的能力將受到考驗。

有報道說華為正與上海集成電路設計中心(Shanghai IC Design Center) (下圖 iknow)合作，建立一個“非美國化”的晶圓廠，目標是在2021年底前生產28納米，2022年底前生產20納米。即使華為實現了這些目標，這樣一家晶圓廠是否能夠生產出具有商業競爭力的芯片，或者是否能夠廣泛使用大陸的國產半導體生產專用設備，也值得懷疑。一項分析聲稱2026年之前，完全使用大陸國產半導體生產設備的晶圓廠是不可能實現的。

盡管大陸在未來10年內幾乎不可能與尖端晶圓製造廠競爭，但大陸在次先進晶圓製造業中的份額幾乎肯定會繼續增加。大陸在先進內存芯片製造領域公司長江存儲(YMTC)和長鑫存儲(CXMT)的前景明顯更好。最後，大陸現在似乎專注於“後摩爾顛覆性技術”：使用非矽材料和新的製造模式來提高晶圓性能。

未完待續

參考資料

一夕清霜. (2021). 國產光刻機迎來重大突破，加速EUV的研製，將實現彎道超車. 網易. 鏈接 https://www.163.com/dy/article/GF45RVK105488TMS.html

豐牛財經. (2021). 中國造不出EUV光刻機？3大關鍵技術都已突破，距離成功僅剩一步. 網易. 鏈接 https://www.163.com/dy/article/GEG92EOF05527K01.html

半導體工藝與設備.(2021). 中國EUV光刻機傳來捷報，中科院果然言出必行！鏈接 https://www.eet-china.com/mp/a72867.html

Lee, J. and Kleinhans, J. (2021). Mapping China’s Place in the Global Semiconductor Industry. MERICS. 鏈接 https://merics.org/sites/default/files/2021-06/China%E2%80%99s%20Semiconductor%20Ecosystem_0.pdf

[國華P]

回複 'insoine2' 的評論 :

"回複 '國華P' 的評論 :哈哈。你說我不懂沒關係，隻要讀者懂就行。將非常欣賞如你願不吝賜教，將ABC的東西分享給大家。謝謝。
ABC的東西，還要看出處，算了，算我多嘴。

看來你不是半導體製造行業的，甚至對這行的了解恐怕也就是近來才開始。"

[insoine2]

回複 '國華P' 的評論 :

ABC的東西，還要看出處，算了，算我多嘴。

看來你不是半導體製造行業的，甚至對這行的了解恐怕也就是近來才開始。

[國華P]

回複 'insoine2' 的評論 : 就大陸14nm和28nm產量來說，估計她能夠生產14nm,但礙於生產設備等因素而不能大規模生產。咱原離大陸，隻能根據權威靠譜的出版物分析了解。如有不準確之處，感謝指正，但最好提供正確出處。至於台聯電的英文名稱，確是UMC。謝謝你指出。

"錯誤比較多， 比如，台灣的聯電，英文是UMC，不是sinatech； 另外，中國的中芯國際是能買到DUV光刻機的，估計你想說的是不能買到EUV。

至於中文媒體宣傳，中國半導體方麵從來就是好消息不斷，但就是不能合起來看，看合集就露餡。 還有，中芯的14nm,記得2019年底就說量產了，但至今財報營收還是把14nm和28nm合起來統計，估計14nm單獨拿出來的營收占比是目不忍睹。"

[國華P]

回複 '白釘' 的評論 : 或許吧。但矽穀努力的人還是不少，尤其是拿H1B簽證的。大學裏也不乏很拚的學者，不僅是身份，更因為tenure及證明自己的能力。

“美國工程師懶，朝九晚五。中間還要午餐休息。再爛的人隻要混進大公司就趕不走。時間問題。”

[國華P]

回複 'chinomango' 的評論 : 對印度不了解，但如果美國持續對大陸封禁，同時對印度扶持，中印在CPU上完全可能出現如你所說的變化。恕我孤陋寡聞，好像印度的硬件尚不成氣候。

"回複悄悄話高端的伺服器CPU，差距是不斷加大，有可能落後於印度。”

[insoine2]

錯誤比較多， 比如，台灣的聯電，英文是UMC，不是sinatech； 另外，中國的中芯國際是能買到DUV光刻機的，估計你想說的是不能買到EUV。

至於中文媒體宣傳，中國半導體方麵從來就是好消息不斷，但就是不能合起來看，看合集就露餡。 還有，中芯的14nm,記得2019年底就說量產了，但至今財報營收還是把14nm和28nm合起來統計，估計14nm單獨拿出來的營收占比是目不忍睹。

[白釘]

美國工程師懶，朝九晚五。中間還要午餐休息。再爛的人隻要混進大公司就趕不走。時間問題。

[chinomango]

高端的伺服器CPU，差距是不斷加大，有可能落後於印度

[國華P]

回複 'Zzyx' 的評論 : 理解你的心情。可欲速則不達。就像大陸要在芯片製造上趕超先進高端製程，得一步一步的踏實前進。開個玩笑。Smile:-)

“說了半天，到底能不能造出來?”

[國華P]

回複 '工人' 的評論 : 的確，按部就班的去趕超會很吃力。畢竟，你在趕超，別人也沒止步，甚至進步比你還快。因為起點更高，基礎更紮實。所以，彎道超車的可能性更大。

"彎道超車是唯一的機會。全部隔離比部分分離更好。至少低端芯片可以滿足需要。高端的，比如軍工航天有關的因為量不大，總是可以對付的。"

[工人]

彎道超車是唯一的機會。全部隔離比部分分離更好。至少低端芯片可以滿足需要。高端的，比如軍工航天有關的因為量不大，總是可以對付的。