光刻機作為半導體設備三大件之一，被譽(yù)為“半導體工業(yè)王冠上的明珠”。2023年3月，隨著(zhù)美國拉攏日本、荷蘭達成新的限制對中國出口先進(jìn)芯片制造設備的協(xié)議，將圍堵“中國芯”的事件推向了一個(gè)高潮，也成為了全民關(guān)注的焦點(diǎn)話(huà)題。
根據國家統計局發(fā)布的《中華人民共和國2021年國民經(jīng)濟和社會(huì )發(fā)展統計公報》，2021年我國集成電路出口數量達3017億個(gè)，比上年增長(cháng)19.6%，出口總額達9930億元，比上年增長(cháng)23.4%；2021年集成電路進(jìn)口數量為6355億個(gè)，比上年增長(cháng)16.9%，進(jìn)口總額為27935億元，比上年增長(cháng)15.4%。作為對比，2021年原油進(jìn)口總額約為1.66萬(wàn)億元，芯片進(jìn)口總額是原油的1.7倍。巨大的貿易逆差讓我國在國際貿易中處于不利的地位，所以芯片是我國亟待解決的問(wèn)題之一。基于該背景下，近期業(yè)內有很多專(zhuān)家解讀了制造芯片的核心裝備——光刻機的重要性。其實(shí)，除了光刻機以外，在我國半導體龐大的產(chǎn)業(yè)鏈中，還有很多重要環(huán)節處于發(fā)展初期。國產(chǎn)芯片的崛起，任重而道遠，
第一半導體材料：利潤不可觀(guān)，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(guān)芯片制造的整個(gè)環(huán)節，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(xiàn)框架、粘接材料等。如下圖是一個(gè)3D封裝芯片的示意圖：其中天藍色的是基板（Package Substrate），基板中存在引線(xiàn)（Standard Package Trace）, 灰色的是中介層（Silicon interposer）,這些都芯片中必要的材料。
半導體材料是芯片行業(yè)的根基，芯片制造沒(méi)有原材料，就好比“巧婦難為無(wú)米之炊“。目前，國產(chǎn)半導體材料整體還相對薄弱，在品類(lèi)豐富度和競爭力處于劣勢地位，2021年國內半導體材料國產(chǎn)化率僅約10%左右。
第二半導體設備：全球市場(chǎng)基本被美日荷三國壟斷
首先說(shuō)自動(dòng)測試設備。在半導體產(chǎn)業(yè)鏈中，一顆芯片的生命周期開(kāi)始于對市場(chǎng)需求的分析，跟隨著(zhù)產(chǎn)品的定義、設計和制造，封裝完成以后交付到終端消費者手中，在整個(gè)流程中需要經(jīng)過(guò)多次測試。
而芯片自動(dòng)測試設備中集成了眾多精密的儀器，整體的造價(jià)也十分昂貴，一臺價(jià)格也高達千萬(wàn)美元。目前，全球半導體測試機主要市場(chǎng)仍被美國的泰瑞達、日本的愛(ài)德萬(wàn)兩大海外龍頭占據，國產(chǎn)化依然有著(zhù)很大的增長(cháng)空間。
刻蝕機也是非常重要的裝備。隨著(zhù)半導體制程的微縮和結構的復雜化，半導體刻蝕設備的種類(lèi)和技術(shù)難度遞增。但目前刻蝕設備領(lǐng)域長(cháng)期由海外龍頭壟斷。
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(chǎng)一般會(huì )將7%~10%的設備開(kāi)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(lái)芯片，也無(wú)法正常工作。除此之外，半導體設備還包括清洗機、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，半導體設備市場(chǎng)目前主要由美、日、荷三國企業(yè)基本壟斷。根據CINNO Research的數據，2022年上半年十大半導體設備企業(yè)中，3家美國企業(yè)，5家日本企業(yè)，2家荷蘭企業(yè)，沒(méi)有一家中國企業(yè)。這也是為什么這次美國拉攏日、荷來(lái)商討限制對中國出口先進(jìn)芯片制造設備的協(xié)議的原因。
除了集眾多高精尖技術(shù)的光刻機，其他半導體設備我國已經(jīng)開(kāi)始加速?lài)a(chǎn)替代化的進(jìn)程，但形勢依然不容樂(lè )觀(guān)，目前國內依然無(wú)法做到先進(jìn)工藝的全流程國產(chǎn)化。在成熟工藝的市場(chǎng)上，我國半導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)節主要還是在關(guān)鍵設備和材料上。
第三EDA：國產(chǎn)半導體產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展薄弱的環(huán)節之一
EDA被譽(yù)為“芯片設計之母”，盡管整個(gè)EDA市場(chǎng)規模只有百億美元，去撬動(dòng)著(zhù)約5000億美元的半導體市場(chǎng)規模，其杠桿效應顯著(zhù)。在現代超大規模芯片設計中，EDA是不可或缺的一環(huán)。目前整個(gè)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(mén)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”開(kāi)始進(jìn)入研發(fā)階段。
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EDA企業(yè)自此重整旗鼓再出發(fā)。但是，從2018年開(kāi)始，中興和華為接連受到美國制裁，為國內還處于初步發(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)部宣布對設計GAA晶體管結構集成電路所必需的EDA軟件實(shí)施出口管制。GAA晶體管結構主要用于3納米及以下的先進(jìn)工藝，盡管目前的斷供對中國絕大部分芯片公司幾乎沒(méi)有影響，但這也堵住了未來(lái)國內高端芯片的設計之路，并且不排除未來(lái)美國在“EDA斷供”上繼續加碼的可能。但我們也要看到，從2018年到2020年，國產(chǎn) EDA 工具在國內市場(chǎng)的銷(xiāo)售份額分別為 6.2%、8.3%、11.5%。盡管規模依然很小，但市場(chǎng)占有率穩中有升。EDA的發(fā)展周期長(cháng)、難度大，雖然羅馬不是一日建成的，但如果假以時(shí)日，相信國產(chǎn)EDA一定會(huì )穩定發(fā)展。
最后，也期望每位讀者能了解芯片、認識芯片，或者更進(jìn)一步的投身到這個(gè)行業(yè)中，實(shí)現自身價(jià)值，勇攀科技的珠峰。
