中国半导体现状及展望 (上)

半导体被最近一份美国供应链评论称为“技术DNA，”拜登总统更主持召开了全球(无中国大陆) “半导体和供应链”峰会，认为半导体是“赢得21世纪的竞争”的核心。商务部长在九月接受CNBC采访时称，美国“必须与我们的欧洲盟友合作，不让中国获得最先进的技术，使他们无法在半导体等关键领域追赶上来。”一年进口3000亿美元以上半导体芯片的中国大陆，由于在高端的芯片上有钱也“无芯”可买，正以举国之力，耗巨资建立大陆国产半导体供应链。本博文分析大陆半导体行业目前在世界上所处地位，以及今后5-10年可能企及的发展前景。

设计(Fabless)美国拥有最大的芯片设计行业：美国芯片设计(“无晶圆厂”)和系统IC公司的市场份额(销售额)为64%。其次是台湾芯片设计公司，如联发科(MediaTek)和瑞昱(Realtek)，总市场份额为18%，然后是中国大陆公司，如海思(HiSilicon 下图 es.gizchina)和紫光集团(Unigroup)，总市场份额为15%。

从2015年到2020年，大陆的IC设计公司数量几乎翻了一番。但大多数大陆设计部门的产品在性能方面仍处于全球市场的中低端。2019年，大陆约500家设计公司的总收入不到美国行业领先公司高通公司的70%。

当然，大陆政府促进支持芯片设计的政策，会让大陆在芯片设计上投入巨资。如兆鑫(下图 APCTV)，这家由上海政府和台湾的威盛电子有限公司(VIA Technologies, 获许可使用英特尔x86指令集体系结构进行CPU设计的唯一非美国公司)建立的一家合资企业, 就合作开发出了一系列足够好的CPU。百度、华为、阿里巴巴和小米等巨头开发了消费物联网生态系统，推动了芯片设计的进步，阿里巴巴在2020年发布了据称是世界上最强大的基于RISC-V的处理器。在电动汽车方面，中国占全球市场的40%以上，预计2021年中国国内电动汽车市场将增长50%。自动驾驶技术与电动汽车的发展息息相关，许多行业领袖正在中国投资于这一生态系统的扩张。芯片设计可能是中国大陆半导体企业在未来十年中，最有机会参与全球技术价值链前沿展开竞争的领域。

EDA(电子设计自动化软件) EDA市场高度集中，三家美国公司新思科技(Synopsys)、楷登电子(Cadence)和明导国际公司(Mentor)(2017年被德国电子巨头西门子收购)多年来占据了全球收入的70%左右。Cadence委托开展的一项研究显示，2020年末，美国三大供应商占据了大陆EDA市场的90%，剩余的10%的EDA市场份额，则由专注于某个细分领域的大陆公司获得。迄今，只有一家大陆公司(华大九天公司 下图 EET)提供涵盖完整设计流程的工具，且仅限于模拟芯片。

华大九天软件有限公司(Huada Empyrean)估计，2018年在大陆从事EDA研发的1500人中，只有300人在中国的研究机构和公司工作。其中华大九天占了三分之一，其余的为三巨头(即新思科技、楷登电子和明导国际公司)工作。为缓解美国出口管制扩大带来的风险，2020年三巨头成立了三家新的大陆EDA供应商，分别由Cadence和Synopsys(下图 SOCIONEXT)的高管和工程师创建或聘请。这些公司得到了大陆政府和主要私人投资者的支持，包括Synopsys本身。

Cadence(下图 ANANDTECH)委托开展的这项研究评估，如果美国供应商与大陆市场脱钩，大陆EDA供应商完全有能力取代美国供应商，并指出这些大陆供应商的产品路线图“旨在到2025年为先进节点的IC设计提供全流程产品。”如果美国扩大出口管制，大陆EDA供应商可能大幅增加在设计更简单的芯片类别和为大陆客户量身定制的解决方案方面的市场份额。

即便如此，资金充裕的大陆EDA公司也不太可能在全球为芯片提供前沿技术解决方案。因为由国家，而非市场，主导的巨额资金及有保障的采购，有可能使大陆EDA公司专注于发展本地解决方案能力，而忽视全球市场竞争，从而脱离全球技术前沿。

IP(智慧产权)许多IP供应商都是美国公司。按收入计算，最大的IP供应商包括ARM有限公司(英国)、Synopsys(美国)、Cadence(美国)、Imagination Technologies(英国)、Ceva(美国)、硅存储技术(美国)和芯原微电子(中国)(下图 VeriSilicon)。芯原微电子通常被认为是唯一一家重要的大陆IP提供商。2019年，得到英特尔、三星和小米投资支持的芯原微电子在全球IP许可收入排名第七，正进行5nm工艺的研发。媒体报道表明，ARM架构(Arm architecture)子公司ARM China可能已转向开发自己的IP，包括允许中国大陆制造的芯片运行大陆国家密码管理局(State Cryptography Administration)构建的密码算法的设计。据报道，ARM中国IP的客户包括海思。ARM中国2019年声称将每年发布三份新的芯片设计蓝图。

大陆行业评论员承认，大陆国内企业在知识产权方面仍然“远远落后”。但在RISC-V系列应用方面有潜力，大陆的设计公司可能在某些领域取代ARM成为领先的指令集架构(instruction set architectures ISA)的潜力，可能和更大的国内生态系统创造跨越式的机会。由于RISC-V基金会 (下图 LinuxReviews)总部设在瑞士，RISC-V IP与潜在的美国出口控制相对隔离，因而受到大陆芯片设计部门的相当大的关注。大陆在全球电子制造业中的核心作用和数字技术的快速发展,可以说为大陆提供了一个很好的机会，使其在定义RISC-V的最佳用例(应用程序)并将其商业化方面成为第一。例如，阿里巴巴在2020年发布了当时宣称是世界上最强大的基于RISC-V的处理器。

但RISC-V只是知识产权的一种类型，中国知识产权供应商几乎不可能在未来10年内为所有或大部分类别提供具有国际竞争力的知识产权。

Fab(晶圆制造)，芯片设计被转移到晶圆上，这一过程被称为“晶圆制造”或“前端”。晶圆制造可包括1000多个工艺步骤，涉及约50种不同类型的制造设备和多达400种不同的化学品和材料。因此，晶圆厂在很大程度上依赖于大量设备、化学品和晶圆供应商，主要来自美国、日本、欧洲和台湾。晶圆厂由集成设备制造商(IDM)或铸造厂运营。IDM自行设计、制造和销售芯片,如英特尔(美国)、英飞凌(欧盟) (下图 ETtoday)和SK Hynix(韩国)。一家代工厂根据合同为不拥有晶圆厂的芯片设计公司(Fabless)，如苹果(美国）、华为(中国)和联发科(TW)等制造晶圆。

英特尔近年的领先地位有减弱的趋势，但计划在7纳米及以下的芯片上，正展开与领先的台积电和三星竞争。最先进工艺节点的客户主要是美国芯片设计公司(超过预计容量的80%)，如AMD、苹果、Nvidia和高通公司。三星和台积电计划在未来三到五年内在美国大量投资晶圆厂。即使在三星和台积电在美国投资之后，全球最尖端的晶圆制造能力仍将大部分留在台湾和韩国。

生产10纳米及以上的工艺节点晶圆制造的公司，除了台积电(台湾)和三星(韩国)外，联华电子(台湾 下图 sinaTech)、Globalfoundries(美国)、中芯国际(中国)和华虹(中国)也在14纳米及以上运行流程节点。其中中芯国际是唯一一家采用14纳米工艺的大陆公司，但中芯国际90%以上的收入来自40纳米及以上的成熟节点。而华虹还不能生产低于28纳米的晶圆。相比之下，全球领先的台积电从7纳米和5纳米节点获得近一半的收入，该公司将于2021年开始其3纳米节点的风险生产。

如果中芯国际无法进口深紫外(DUVL)光刻设备，其实现10纳米以下大规模生产的能力将受到考验。

有报道说华为正与上海集成电路设计中心(Shanghai IC Design Center) (下图 iknow)合作，建立一个“非美国化”的晶圆厂，目标是在2021年底前生产28纳米，2022年底前生产20纳米。即使华为实现了这些目标，这样一家晶圆厂是否能够生产出具有商业竞争力的芯片，或者是否能够广泛使用大陆的国产半导体生产专用设备，也值得怀疑。一项分析声称2026年之前，完全使用大陆国产半导体生产设备的晶圆厂是不可能实现的。

尽管大陆在未来10年内几乎不可能与尖端晶圆制造厂竞争，但大陆在次先进晶圆制造业中的份额几乎肯定会继续增加。大陆在先进内存芯片制造领域公司长江存储(YMTC)和长鑫存储(CXMT)的前景明显更好。最后，大陆现在似乎专注于“后摩尔颠覆性技术”：使用非硅材料和新的制造模式来提高晶圆性能。

未完待续

参考资料

一夕清霜. (2021). 国产光刻机迎来重大突破，加速EUV的研制，将实现弯道超车. 网易. 链接 https://www.163.com/dy/article/GF45RVK105488TMS.html

丰牛财经. (2021). 中国造不出EUV光刻机？3大关键技术都已突破，距离成功仅剩一步. 网易. 链接 https://www.163.com/dy/article/GEG92EOF05527K01.html

半导体工艺与设备.(2021). 中国EUV光刻机传来捷报，中科院果然言出必行！链接 https://www.eet-china.com/mp/a72867.html

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

[国华P]

回复 'insoine2' 的评论 :

"回复 '国华P' 的评论 :哈哈。你说我不懂没关系，只要读者懂就行。将非常欣赏如你愿不吝赐教，将ABC的东西分享给大家。谢谢。
ABC的东西，还要看出处，算了，算我多嘴。

看来你不是半导体制造行业的，甚至对这行的了解恐怕也就是近来才开始。"

[insoine2]

回复 '国华P' 的评论 :

ABC的东西，还要看出处，算了，算我多嘴。

看来你不是半导体制造行业的，甚至对这行的了解恐怕也就是近来才开始。

[国华P]

回复 'insoine2' 的评论 : 就大陆14nm和28nm产量来说，估计她能够生产14nm,但碍于生产设备等因素而不能大规模生产。咱原离大陆，只能根据权威靠谱的出版物分析了解。如有不准确之处，感谢指正，但最好提供正确出处。至于台联电的英文名称，确是UMC。谢谢你指出。

"错误比较多， 比如，台湾的联电，英文是UMC，不是sinatech； 另外，中国的中芯国际是能买到DUV光刻机的，估计你想说的是不能买到EUV。

至于中文媒体宣传，中国半导体方面从来就是好消息不断，但就是不能合起来看，看合集就露馅。 还有，中芯的14nm,记得2019年底就说量产了，但至今财报营收还是把14nm和28nm合起来统计，估计14nm单独拿出来的营收占比是目不忍睹。"

[国华P]

回复 '白钉' 的评论 : 或许吧。但硅谷努力的人还是不少，尤其是拿H1B签证的。大学里也不乏很拼的学者，不仅是身份，更因为tenure及证明自己的能力。

“美国工程师懒，朝九晚五。中间还要午餐休息。再烂的人只要混进大公司就赶不走。时间问题。”

[国华P]

回复 'chinomango' 的评论 : 对印度不了解，但如果美国持续对大陆封禁，同时对印度扶持，中印在CPU上完全可能出现如你所说的变化。恕我孤陋寡闻，好像印度的硬件尚不成气候。

"回复悄悄话高端的伺服器CPU，差距是不断加大，有可能落后于印度。”

[insoine2]

错误比较多， 比如，台湾的联电，英文是UMC，不是sinatech； 另外，中国的中芯国际是能买到DUV光刻机的，估计你想说的是不能买到EUV。

至于中文媒体宣传，中国半导体方面从来就是好消息不断，但就是不能合起来看，看合集就露馅。 还有，中芯的14nm,记得2019年底就说量产了，但至今财报营收还是把14nm和28nm合起来统计，估计14nm单独拿出来的营收占比是目不忍睹。

[白钉]

美国工程师懒，朝九晚五。中间还要午餐休息。再烂的人只要混进大公司就赶不走。时间问题。

[chinomango]

高端的伺服器CPU，差距是不断加大，有可能落后于印度

[国华P]

回复 'Zzyx' 的评论 : 理解你的心情。可欲速则不达。就像大陆要在芯片制造上赶超先进高端制程，得一步一步的踏实前进。开个玩笑。Smile:-)

“说了半天，到底能不能造出来?”

[国华P]

回复 '工人' 的评论 : 的确，按部就班的去赶超会很吃力。毕竟，你在赶超，别人也没止步，甚至进步比你还快。因为起点更高，基础更扎实。所以，弯道超车的可能性更大。

"弯道超车是唯一的机会。全部隔离比部分分离更好。至少低端芯片可以满足需要。高端的，比如军工航天有关的因为量不大，总是可以对付的。"

[工人]

弯道超车是唯一的机会。全部隔离比部分分离更好。至少低端芯片可以满足需要。高端的，比如军工航天有关的因为量不大，总是可以对付的。