先進(jìn)的計(jì)算機(jī)芯片不僅推動(dòng)了能力的發(fā)展，也推動(dòng)了經(jīng)濟(jì)和科學(xué)的發(fā)展。這些芯片由復(fù)雜的供應(yīng)鏈生產(chǎn)，而這些供應(yīng)鏈的全球分布和相關(guān)能力在各國(guó)的分布對(duì)未來的技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)和國(guó)際安全具有重大影響。然而，供應(yīng)鏈的復(fù)雜性和不透明性使政策制定變得困難。要避免不可預(yù)測(cè)的危害，就需要詳細(xì)了解整個(gè)供應(yīng)鏈以及該供應(yīng)鏈各環(huán)節(jié)的國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)力。

為了幫助決策者了解全球半導(dǎo)體供應(yīng)鏈，我們將這些供應(yīng)鏈拆分開來看，并識(shí)別出與決策者最相關(guān)的特征，因?yàn)樗鼈円刺峁┝思夹g(shù)控制的潛在目標(biāo)，要么限制了可用的政策。CSET雜志的另一期簡(jiǎn)報(bào)題為“美國(guó)《半導(dǎo)體出口到中國(guó):當(dāng)前的政策和趨勢(shì)》概述了目前如何對(duì)半導(dǎo)體供應(yīng)鏈實(shí)施出口控制。CSET的配套政策簡(jiǎn)報(bào)題為“確保半導(dǎo)體供應(yīng)鏈”和“中國(guó)在半導(dǎo)體制造設(shè)備方面的進(jìn)步”，根據(jù)本文的分析提供了政策建議，以維持美國(guó)和盟國(guó)的優(yōu)勢(shì)。

美國(guó)及其盟友是全球半導(dǎo)體供應(yīng)鏈的，而中國(guó)大陸相對(duì)落后。美國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)貢獻(xiàn)了全球半導(dǎo)體供應(yīng)鏈總價(jià)值的39%。美國(guó)的盟國(guó)和地區(qū)——日本、歐洲(特別是荷蘭、英國(guó)和德國(guó))、中國(guó)臺(tái)灣和韓國(guó)——總共貢獻(xiàn)了53%。這些國(guó)家和地區(qū)在幾乎每個(gè)供應(yīng)鏈環(huán)節(jié)上都享有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。雖然中國(guó)大陸的貢獻(xiàn)僅為6%，但它正在許多領(lǐng)域迅速發(fā)展能力，并可能試圖重新配置有利于自己的供應(yīng)鏈，從而影響國(guó)家和國(guó)際安全。

在高層次上，半導(dǎo)體供應(yīng)鏈包括研發(fā)、生產(chǎn)、生產(chǎn)投入和最終使用的分銷。研發(fā)支撐著所有的生產(chǎn)及其投入。半導(dǎo)體生產(chǎn)包括三個(gè)部分:(1)設(shè)計(jì)，(2)制造，(3)封測(cè)(ATP)。生產(chǎn)依賴于供應(yīng)鏈的相關(guān)元素:半導(dǎo)體制造設(shè)備(SME)、材料(包括形成芯片的“晶片”)、設(shè)計(jì)軟件(稱為電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化，或EDA，軟件)和與芯片設(shè)計(jì)相關(guān)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)(稱為核心IP)。這一過程中價(jià)值、技術(shù)最復(fù)雜的部分是生產(chǎn)的設(shè)計(jì)和制造環(huán)節(jié)，以及供應(yīng)鏈中的SME部分。雖然是在供應(yīng)鏈中占據(jù)很小，但EDA和核心IP也很關(guān)鍵，這需要大量的專業(yè)知識(shí)。而ATP是一種勞動(dòng)密集型行業(yè)，進(jìn)入門檻。

美國(guó)及其盟友專注于不同的供應(yīng)鏈領(lǐng)域。美國(guó)在研發(fā)方面占據(jù)主導(dǎo)地位，在各個(gè)領(lǐng)域都擁有強(qiáng)大的能力。然而，它缺乏某些關(guān)鍵子部門的企業(yè)，特別是光刻工具(SME中最昂貴和最復(fù)雜的形式)和的芯片工廠(特別是為第三方制造芯片的“代工廠”)。韓國(guó)幾乎參與所有生產(chǎn)步驟，也生產(chǎn)大量的材料和一些半導(dǎo)體設(shè)備。臺(tái)灣在的制造和ATP方面占主導(dǎo)地位，并生產(chǎn)一些材料。相比之下，日本專注于半導(dǎo)體設(shè)備和材料，并生產(chǎn)許多較老的技術(shù)半導(dǎo)體。同時(shí)歐洲(特別是荷蘭、英國(guó)和德國(guó))，專門從事半導(dǎo)體設(shè)備(特別是光刻工具)、材料和核心IP。

中國(guó)大陸在一些領(lǐng)域取得了進(jìn)步，但在另一些領(lǐng)域仍存在困難。中國(guó)大陸在封測(cè)、組裝和封裝工具以及原材料方面大。在的支持下，其在設(shè)計(jì)和制造方面正在取得進(jìn)展。然而，中國(guó)在生產(chǎn)投入方面舉步維艱:半導(dǎo)體設(shè)備、EDA、核心IP和某些用于制造業(yè)的材料。

引言與概述

價(jià)值5000億美元的半導(dǎo)體供應(yīng)鏈?zhǔn)鞘澜缟献顝?fù)雜的供應(yīng)鏈之一。單個(gè)計(jì)算機(jī)芯片的生產(chǎn)通常需要1000多個(gè)步驟，通過國(guó)際邊界70次或更多次，才能到達(dá)最終客戶手中、為了避免不可預(yù)測(cè)的傷害，政策制定者必須了解各個(gè)行業(yè)的供應(yīng)鏈和國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)力。本報(bào)告旨在提供這樣的評(píng)估。雖然它描繪了所有關(guān)鍵國(guó)家和地區(qū)的國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)力，但它關(guān)注的是中國(guó)在各個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展。除特別說明外，本報(bào)告的數(shù)據(jù)是截至2019年的數(shù)據(jù)，國(guó)家和地區(qū)的市場(chǎng)份額是基于公司總部，而不是運(yùn)營(yíng)地點(diǎn)。然而，公司總部可能無法充分體現(xiàn)國(guó)家的競(jìng)爭(zhēng)力。例如，許多美國(guó)公司在中國(guó)和其他國(guó)家保留了大量業(yè)務(wù)。

總體來看，供應(yīng)鏈主要包括七個(gè)部分(圖1)。

圖1：半導(dǎo)體供應(yīng)鏈

*注:藍(lán)色:供應(yīng)鏈各個(gè)環(huán)節(jié);紫色:生產(chǎn)的商業(yè)模式

研發(fā)推動(dòng)了供應(yīng)鏈的各個(gè)環(huán)節(jié)。它包括基礎(chǔ)技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)前探索性研究和直接推進(jìn)半導(dǎo)體技術(shù)前沿的競(jìng)爭(zhēng)研究。

生產(chǎn)需要三個(gè)主要步驟:設(shè)計(jì)、制造、封測(cè)(ATP)。這些步驟要么發(fā)生在一個(gè)單獨(dú)的公司——銷售芯片的集成設(shè)備制造商(IDM)——要么發(fā)生在單獨(dú)的公司，沒有晶圓廠的公司設(shè)計(jì)和銷售芯片，交給代工公司來做，從外包的半導(dǎo)體組裝和測(cè)試(OSAT)公司購(gòu)買封測(cè)服務(wù)。生產(chǎn)需要幾個(gè)其他輔助:材料、半導(dǎo)體制造設(shè)備(SME)、電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化(EDA)和核心知識(shí)產(chǎn)權(quán)(IP)。下面是生產(chǎn)步驟的總結(jié)，以及它們?nèi)绾问褂眠@些輔助部分。

設(shè)計(jì)包括規(guī)范、邏輯設(shè)計(jì)、物理設(shè)計(jì)以及確認(rèn)和驗(yàn)證。規(guī)范決定了芯片應(yīng)該如何在使用它的系統(tǒng)中操作。邏輯設(shè)計(jì)創(chuàng)建一個(gè)相互連接的電子元件的原理圖模型。物理設(shè)計(jì)將這個(gè)模型轉(zhuǎn)化為電子組件和互連(連接組件的電線)的物理布局。確認(rèn)和驗(yàn)證確?；谠O(shè)計(jì)的芯片能夠按預(yù)期運(yùn)行。EDA是用來設(shè)計(jì)芯片的軟件。

直到20世紀(jì)70年代，芯片中幾乎沒有電子元件，工程師們都是手工繪制設(shè)計(jì)。今天，芯片包括數(shù)十億相互連接的晶體管和其他電子元件。為了解決這些復(fù)雜的元件，芯片設(shè)計(jì)者使用EDA軟件的自動(dòng)設(shè)計(jì)工具。核心IP由設(shè)計(jì)的可重用模塊化部分組成，允許設(shè)計(jì)公司授權(quán)并將其納入設(shè)計(jì)中。

制造依靠半導(dǎo)體設(shè)備和材料將設(shè)計(jì)變成芯片。首先，一個(gè)熔爐形成一個(gè)硅圓柱體(或其他半導(dǎo)體材料)，然后將其切割成圓盤狀晶圓片(圖2中的張圖像)。晶圓廠通過兩個(gè)步驟在這些晶圓片上制造芯片:在硅的材料層中形成晶體管和其他電子設(shè)備;以及在硅上面的絕緣層中形成電氣設(shè)備之間的金屬互連。電氣設(shè)備和互連線一起構(gòu)成電路。一個(gè)芯片可能總共包含幾十層。下面是一個(gè)如何形成一個(gè)單層的例子。

首先，“沉積”工具添加一層材料，將形成一個(gè)新的永久層的基礎(chǔ)。然后，一種叫做“光蝕刻”的過程在該層中繪制電路圖案，首先在沉積的材料上涂上一層“光刻膠”。一個(gè)光刻工具讓光通過一個(gè)“光掩膜”——一個(gè)帶有電路圖案的透明板——把圖案轉(zhuǎn)移到光刻膠上。(光罩本身是用光刻工具制作的。)光根據(jù)電路圖案溶解部分光刻膠。

“蝕刻”工具將光刻膠中新創(chuàng)建的圖案雕刻到光刻膠下面的永久層。隨后，光刻膠被移除，蝕刻材料從層中清除。(其他時(shí)候，不是蝕刻，而是用一種叫做“離子注入”的過程將原子嵌入到層中。)然后，完成的層被壓平(這個(gè)過程被稱為“化學(xué)機(jī)械壓平”)，允許添加新的層，然后這個(gè)過程又開始。在整個(gè)制造過程中，“制程控制”工具檢查晶圓及其層，以確保沒有錯(cuò)誤。

組裝、測(cè)試和封裝開始于切割一個(gè)成品晶圓(在制造后以網(wǎng)格模式包含數(shù)十個(gè)晶圓(圖2中的個(gè)圖像))到單獨(dú)的晶圓。每個(gè)芯片都安裝在一個(gè)有電線的框架上，該框架將芯片與外部設(shè)備連接起來，并封裝在一個(gè)保護(hù)外殼中。這將產(chǎn)生一個(gè)邊緣有金屬針的深灰色矩形的最終外觀(圖2中的第三個(gè)圖像)。該芯片還將進(jìn)行測(cè)試，以確保其按照預(yù)期運(yùn)行。ATP還需要各種材料。

上面的描述過度簡(jiǎn)化了技術(shù)流程，但是傳達(dá)了涉及的步驟。實(shí)際上，每一個(gè)單獨(dú)的步驟都是非常復(fù)雜的，需要幾個(gè)子步驟。而制造過程的原子精度要求潔凈室沒有可能干擾芯片制造的灰塵顆粒。

最終用途涉及分布集成到芯片的產(chǎn)品——智能手機(jī)、筆記本電腦、服務(wù)器、通信設(shè)備和汽車等。

圖2:芯片制造過程

總部位于六個(gè)國(guó)家和地區(qū)的公司幾乎控制了整個(gè)供應(yīng)鏈。表1給出了CSET對(duì)每個(gè)供應(yīng)鏈段半導(dǎo)體價(jià)值貢獻(xiàn)的估計(jì)(紫色部分)。這些值加起來等于100%。各供應(yīng)鏈環(huán)節(jié)的增加值計(jì)算見附錄A。它還展示了供應(yīng)鏈各環(huán)節(jié)的區(qū)域市場(chǎng)份額(綠色)。

表1還提供了每個(gè)地區(qū)對(duì)全球供應(yīng)鏈的總附加值(藍(lán)色部分)。每個(gè)值都是一個(gè)地區(qū)在所有供應(yīng)鏈領(lǐng)域的市場(chǎng)份額的加權(quán)平均值。權(quán)重是每個(gè)部門的增加值加權(quán)。由于缺乏數(shù)據(jù)，表1不包括晶圓以外的fab材料(增加值4.1%)和封裝材料(增加值3.5%)。前者通常由晶圓廠購(gòu)買;后者由ATP設(shè)施提供。

因此，非晶圓fab材料和封裝材料的價(jià)值分別被納入“fab”和“ATP”中。美國(guó)總體上是的，而韓國(guó)、日本、中國(guó)臺(tái)灣和歐洲(特別是荷蘭、英國(guó)和德國(guó))在其他先進(jìn)領(lǐng)域擁有的公司。

表1:按供應(yīng)鏈各部分和公司總部分列的半導(dǎo)體增加值和市場(chǎng)份額

資料來源:CSET計(jì)算，財(cái)務(wù)報(bào)表，WSTS, SIA, SEMI, IC Insights, Yole, VLSI研究

*注:色彩強(qiáng)度與值的大小有關(guān)。

美國(guó)在大多數(shù)領(lǐng)域都很強(qiáng)大(表2)。但是值得注意的例外是如一些fab工具的生產(chǎn)，如光刻設(shè)備和晶圓材料等。美國(guó)也缺乏尖端的純邏輯芯片代工廠。(代工是指為第三方客戶生產(chǎn)芯片的工廠，這與總部位于美國(guó)的英特爾不同，后者的尖端邏輯芯片廠根據(jù)英特爾自己設(shè)計(jì)的芯片生產(chǎn)芯片。)然而，這些能力都是由美國(guó)的盟友主導(dǎo)的?？偠灾?，美國(guó)及其盟友在供應(yīng)鏈的每一個(gè)環(huán)節(jié)都具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力——簡(jiǎn)而言之，如果加上盟友，表2將變成綠色。

*注:綠色:高能力(具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力);黃色:溫和的能力;

橙色:低功能;紅色:限度或沒有能力;粗體:類別;

未加粗的:在類別內(nèi)并列在下面的項(xiàng)目。根據(jù)作者的分析，如下節(jié)所總結(jié)的。

中國(guó)總體上落后，但在某些領(lǐng)域正在進(jìn)步(表3)。中國(guó)在ATP、組裝和封裝工具以及原材料方面表現(xiàn)突出。它在設(shè)計(jì)、制造、CMP工具和一些蝕刻和清潔工具方面有適度和不斷增長(zhǎng)的能力。中國(guó)在其它領(lǐng)域也面臨挑戰(zhàn)，包括多數(shù)半導(dǎo)體設(shè)備業(yè)。它的弱點(diǎn)是EDA，核心IP，一些芯片材料(特別是光刻膠)，領(lǐng)先的邏輯芯片能力，和某些SME。這些SME包括光刻工具(最重要的是，極端紫外線掃描儀和氬氣氟化物浸泡掃描儀)，制程控制工具，測(cè)試工具，原子層蝕刻，晶圓和掩模處理工具，先進(jìn)沉積工具，和一些離子注入器。這些弱點(diǎn)——根據(jù)表3，中國(guó)的能力較低、最小或根本沒有能力——是“瓶頸”。“它們涉及美國(guó)及其盟國(guó)專門生產(chǎn)的先進(jìn)芯片生產(chǎn)所必需的產(chǎn)品。

表3:中國(guó)供應(yīng)鏈各環(huán)節(jié)的競(jìng)爭(zhēng)力

*注:綠色:高能力(具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力);黃色:溫和的能力;橙色:低功能;紅色:限度或沒有能力;粗體:類別;未加粗的:在類別內(nèi)并列在下面的項(xiàng)目。根據(jù)作者的分析進(jìn)行評(píng)級(jí)，如下節(jié)所總結(jié)。

以下每一節(jié)詳細(xì)介紹了每個(gè)國(guó)家和地區(qū)的國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)力(特別是中國(guó))，包括研發(fā)、生產(chǎn)(設(shè)計(jì)、制造和ATP)、SME、EDA、核心IP和材料。(本報(bào)告沒有進(jìn)一步討論半導(dǎo)體的分銷和最終用途。)雖然可以按順序閱讀下面的章節(jié)，但讀者可以分別查看每個(gè)章節(jié)以獲得該部分的概述。

在半導(dǎo)體研發(fā)方面，相比其他國(guó)家，美國(guó)處于決定性的領(lǐng)先地位，并將其輸送到所有其他供應(yīng)鏈部門。半導(dǎo)體研發(fā)工作大部分是由私營(yíng)企業(yè)完成的。

圖3按公司總部分列的半導(dǎo)體行業(yè)研發(fā)情況。從全球來看，半導(dǎo)體行業(yè)在2013年至2018年以每年3.6%的復(fù)合年增長(zhǎng)率增長(zhǎng)，2018年的研發(fā)支出為646億美元。2019年，美國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)以398億美元的研發(fā)支出遙遙領(lǐng)先，2018年研發(fā)支出排名前10位的半導(dǎo)體公司中有5家是美國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)。相比之下，2018年中國(guó)半導(dǎo)體企業(yè)在半導(dǎo)體研發(fā)上的支出僅為26億美元。圖3中不包括的國(guó)家在半導(dǎo)體行業(yè)研發(fā)中所占的比例很小。行業(yè)研發(fā)主要是私有的，但許多半導(dǎo)體公司與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手合作進(jìn)行研發(fā)。一項(xiàng)針對(duì)12家主要半導(dǎo)體公司的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，有近200個(gè)研究合作項(xiàng)目。

圖3：2018年美國(guó)企業(yè)半導(dǎo)體行業(yè)研發(fā)

數(shù)據(jù)來源：SIA，SemiWiki

美國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)的研發(fā)支出占半導(dǎo)體銷售額的比例，為16.4%，中國(guó)為8.3%（圖4）。

圖4：2019年，美國(guó)半導(dǎo)體企業(yè)的研發(fā)投入高于同行

數(shù)據(jù)來源：SIA

美國(guó)、韓國(guó)、日本、中國(guó)臺(tái)灣和荷蘭當(dāng)局在半導(dǎo)體研發(fā)方面只扮演了次要角色。2019年，美國(guó)在半導(dǎo)體研發(fā)上投入了60億美元。其中17億美元直接用于半導(dǎo)體行業(yè)，43億美元用于相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域（如工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)、數(shù)學(xué)和物理科學(xué)）。除了直接的研發(fā)資金，許多還通過研發(fā)稅收減免或其他資金來補(bǔ)貼半導(dǎo)體公司——低于市場(chǎng)的融資和資本投資和企業(yè)收入的稅收減免——企業(yè)可以將其轉(zhuǎn)向研發(fā)。

相比之下，中國(guó)每年對(duì)半導(dǎo)體行業(yè)的補(bǔ)貼約為150億美元。這些補(bǔ)貼在接受補(bǔ)貼的公司收入中所占的比例是遠(yuǎn)高于其他國(guó)家的。然而，中國(guó)的補(bǔ)貼在絕對(duì)值上與許多其他國(guó)家的提供的補(bǔ)貼幾乎相當(dāng)，因?yàn)槿蝾I(lǐng)先的半導(dǎo)體公司比中國(guó)的半導(dǎo)體公司產(chǎn)生的收入要多得多。此外，中國(guó)的研發(fā)稅收減免只是其總補(bǔ)貼的一小部分，從絕對(duì)值上看，比美國(guó)的研發(fā)稅收減免要小得多。

半導(dǎo)體產(chǎn)品

美國(guó)、韓國(guó)、歐洲、日本、中國(guó)臺(tái)灣和中國(guó)大陸是半導(dǎo)體設(shè)計(jì)、制造、裝配、測(cè)試和封裝的重點(diǎn)國(guó)家和地區(qū)。2019年，半導(dǎo)體擁有4123億美元的銷售額，其中數(shù)字和內(nèi)存芯片占了的份額(圖5)。

圖5:2019年半導(dǎo)體市場(chǎng)

來源: WSTS

*注:數(shù)字芯片包括微處理器和微控制器。

半導(dǎo)體生產(chǎn)有兩種商業(yè)模式。在“集成器件制造”（IDM）模型中，同一家公司執(zhí)行所有生產(chǎn)步驟。在“無晶圓廠+代工”（fabless+foundry）模式中，不同的公司執(zhí)行不同的步驟。fabless公司設(shè)計(jì)和銷售芯片，但從代工廠購(gòu)買制造服務(wù)，從外包的半導(dǎo)體組裝和測(cè)試(OSAT)公司購(gòu)買組裝、測(cè)試和封裝服務(wù)。IDM通常生產(chǎn)內(nèi)存芯片、模擬芯片、光電子器件、傳感器和分立器件(OSD)。這兩種模式的公司都會(huì)生產(chǎn)邏輯數(shù)字芯片。圖6和圖7顯示了按業(yè)務(wù)模式劃分的芯片銷售和國(guó)家/地區(qū)份額。

來源：SIA, IC Insights, Yole, CSET estimates

以下各小節(jié)分為：設(shè)計(jì)、制造和ATP的區(qū)域競(jìng)爭(zhēng)力。每個(gè)章節(jié)合并了IDM和在fabless+foundry 模式下運(yùn)營(yíng)的公司的數(shù)據(jù)。

設(shè)計(jì)

美國(guó)、韓國(guó)、歐洲、日本、中國(guó)臺(tái)灣和中國(guó)大陸幾乎承擔(dān)了世界上所有的半導(dǎo)體設(shè)計(jì)。美國(guó)在數(shù)字和模擬芯片方面領(lǐng)先，韓國(guó)在存儲(chǔ)芯片方面領(lǐng)先，歐洲在分立器件方面領(lǐng)先。中國(guó)設(shè)計(jì)了許多數(shù)字芯片——盡管大多數(shù)芯片無法與的美國(guó)芯片競(jìng)爭(zhēng)——以及一些分立器件，同時(shí)也開始設(shè)計(jì)內(nèi)存芯片(圖8和表4)(市場(chǎng)份額和規(guī)模是為半導(dǎo)體銷售，其中包括從設(shè)計(jì)以外的步驟增加的價(jià)值。然而，由于同一家公司通常設(shè)計(jì)和銷售一種半導(dǎo)體——即使它經(jīng)常外包制造和ATP——這些市場(chǎng)份額與設(shè)計(jì)活動(dòng)的份額密切相關(guān)。)本節(jié)重點(diǎn)介紹某些高端數(shù)字芯片和最常見的內(nèi)存芯片。

圖8：2019年IC設(shè)計(jì)市場(chǎng)份額（按照類型和地區(qū)劃分）

資料來源：SIA、 IC Insights、TrendForce以及財(cái)務(wù)報(bào)表

*注:中國(guó)在 CPUs、GPUs和FPGA上的份額很小(<1%)

表4：2019年芯片設(shè)計(jì)市場(chǎng)情況及中國(guó)競(jìng)爭(zhēng)力

數(shù)字芯片

數(shù)字芯片對(duì)數(shù)據(jù)(0和1)執(zhí)行計(jì)算以產(chǎn)生輸出。它們包括微處理器(例如中央處理單元(CPU))、微控制器、數(shù)字信號(hào)處理器、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)、圖形處理單元(GPU)和其他芯片。世界上大部分?jǐn)?shù)字芯片都是美國(guó)設(shè)計(jì)的，韓國(guó)、歐洲、日本、中國(guó)臺(tái)灣和中國(guó)大陸各占一小部分。

中國(guó)的設(shè)計(jì)行業(yè)主要由為國(guó)防、電信和金融等行業(yè)設(shè)計(jì)數(shù)字芯片的無晶圓廠公司組成。華為的子公司海思和清華紫光的子公司紫光展銳主導(dǎo)了中國(guó)的無晶圓廠領(lǐng)域。這些公司生產(chǎn)智能手機(jī)處理器和其他芯片。在全球收入排名前10位的無晶圓廠企業(yè)榜單中，海思半導(dǎo)體是全球十大半導(dǎo)體供應(yīng)商之一。然而，海思和紫光展銳從總部位于英國(guó)的Arm公司獲得核心IP。

下面將集中討論四個(gè)高價(jià)值數(shù)字芯片類別：高端CPU、GPU、FPGA和AI ASIC

高端CPU。CPU是占主導(dǎo)地位的通用數(shù)字芯片。英特爾和AMD這兩家美國(guó)公司長(zhǎng)期壟斷筆記本電腦、臺(tái)式機(jī)和服務(wù)器的CPU市場(chǎng)。中國(guó)雖有幾家合資企業(yè)，但沒有一家能與美國(guó)公司競(jìng)爭(zhēng)。龍芯已經(jīng)開發(fā)了一款擁有自主IP的12納米CPU，客戶包括個(gè)人電腦制造商聯(lián)想和中國(guó)超級(jí)計(jì)算機(jī)制造商中科曙光。中科曙光通過AMD的x86 IP授權(quán)來開發(fā)自己的CPU，不過這些CPU的能力尚不清楚。中國(guó)科學(xué)院還為太湖之光超級(jí)計(jì)算機(jī)開發(fā)了“神威”芯片。此外，兆芯正在開發(fā)用于臺(tái)積電16nm節(jié)點(diǎn)的x86 CPU。一個(gè)“節(jié)點(diǎn)”代表一個(gè)技術(shù)世代;一個(gè)新節(jié)點(diǎn)(如2020年發(fā)布的“5納米”)的芯片內(nèi)含的晶體管密度大約是上一代節(jié)點(diǎn)(如2018年發(fā)布的“7納米”)的兩倍，而且更能耗更低。最后，飛騰基于Arm的超級(jí)計(jì)算機(jī)架構(gòu)是28納米CPU。

中國(guó)的CPU很少有民用客戶，這反映了它們?cè)陂_放市場(chǎng)上缺乏競(jìng)爭(zhēng)力。中國(guó)大型企業(yè)使用的CPU中95%依賴進(jìn)口。在x86架構(gòu)的CPU上，中國(guó)的表現(xiàn)尤其弱，而美國(guó)公司在這方面有一個(gè)專屬的客戶群。

獨(dú)立GPU。GPU長(zhǎng)期以來一直被用于圖形處理，在過去的十年里，它已經(jīng)成為訓(xùn)練人工智能算法最常用的芯片。美國(guó)壟斷了GPU的設(shè)計(jì)市場(chǎng)，包括獨(dú)立的GPU芯片。英偉達(dá)和AMD這兩家美國(guó)公司主導(dǎo)著獨(dú)立的GPU市場(chǎng)?？偛课挥诿绹?guó)的英特爾也在開發(fā)一種獨(dú)立的GPU。

現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）。與其他芯片不同，F(xiàn)PGA在部署后可以重新編程，以適應(yīng)特定的計(jì)算，如執(zhí)行人工智能算法(也稱為“推理”)。美國(guó)公司幾乎占領(lǐng)了整個(gè)FPGA設(shè)計(jì)市場(chǎng)。中國(guó)的三家FPGA制造商主要處在非常舊的節(jié)點(diǎn)上生產(chǎn)，在40到55納米之間。一個(gè)例外是Efinix開發(fā)的10 nm“eFPGA”，這是一種FPGA的精簡(jiǎn)版，其設(shè)計(jì)可以整合到其他芯片上?？偟膩碚f，中國(guó)的FPGA并不具備與美國(guó)同行的競(jìng)爭(zhēng)力。

用于人工智能的專用集成電路（AI ASIC）。AI ASIC通常比GPU和FPGA實(shí)現(xiàn)更快的速度和效率，但僅適用于特定的人工智能算法。2017年至2019年，對(duì)無晶圓廠企業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)投資大部分流向了人工智能芯片設(shè)計(jì)初創(chuàng)企業(yè)。越來越多的公司在開發(fā)這些芯片，而中國(guó)是的，因?yàn)锳SIC比CPU、GPU和FPGA更容易設(shè)計(jì)。

然而，很少有高度專業(yè)化的ASIC被廣泛商業(yè)化，因?yàn)樗鼈兊氖袌?chǎng)往往太小，無法收回固定的開發(fā)成本。中國(guó)在人工智能推理專用芯片方面做得，盡管中國(guó)公司也在開發(fā)人工智能訓(xùn)練專用芯片。后者的一個(gè)顯著例子是華為Ascend 910，它是在臺(tái)積電的7納米節(jié)點(diǎn)上制造的，與領(lǐng)先廠商競(jìng)爭(zhēng)。不過，華為的芯片設(shè)計(jì)是通過Arm IP授權(quán)開發(fā)。

存儲(chǔ)芯片。存儲(chǔ)芯片用于存儲(chǔ)邏輯設(shè)備執(zhí)行計(jì)算的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。DRAM在計(jì)算機(jī)運(yùn)行時(shí)提供“易失性”的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，但當(dāng)計(jì)算機(jī)斷電時(shí)就會(huì)丟失數(shù)據(jù)。相比之下，NAND閃存是“非易失性”的，永久存儲(chǔ)內(nèi)存。韓國(guó)、美國(guó)和臺(tái)灣控制著DRAM設(shè)計(jì)市場(chǎng)，而韓國(guó)、美國(guó)和日本控制著NAND閃存市場(chǎng)。

中國(guó)也在嘗試生產(chǎn)DRAM和NAND芯片。這些芯片占內(nèi)存芯片市場(chǎng)的98%。雖然中國(guó)公司目前只占內(nèi)存芯片產(chǎn)量的一小部分，但長(zhǎng)鑫的產(chǎn)能將占全球DRAM產(chǎn)量的3%，而YMTC（長(zhǎng)江存儲(chǔ)）將占全球NAND閃存產(chǎn)量的5%。

與數(shù)字芯片相比，存儲(chǔ)芯片更加商品化，也更容易生產(chǎn)，而且生產(chǎn)商大多通過價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)——中國(guó)企業(yè)在這一策略上很有優(yōu)勢(shì)。一個(gè)更大的障礙是獲得行業(yè)領(lǐng)先者的專利許可，中國(guó)的存儲(chǔ)芯片供應(yīng)商正在收購(gòu)這些專利。因此，內(nèi)存芯片設(shè)計(jì)不太可能繼續(xù)成為中國(guó)的主要瓶頸。

制造

總部位于美國(guó)、中國(guó)臺(tái)灣、韓國(guó)、日本和中國(guó)大陸的公司控制了世界上絕大多數(shù)Fab市場(chǎng)份額(圖9)和Fab產(chǎn)能(圖10和表5)——其中大部分也位于這些國(guó)家/地區(qū)(圖11)。芯片廠有兩種商業(yè)模式:(1)IDM旗下的芯片廠，根據(jù)自己的設(shè)計(jì)制造芯片;(2)晶圓廠，即獨(dú)立運(yùn)營(yíng)，為第三方客戶生產(chǎn)芯片的晶圓廠。中國(guó)大陸的產(chǎn)能建設(shè)十分強(qiáng)勁，市場(chǎng)份額也頗為樂觀，但產(chǎn)量和利用率較低，而且是在較老的節(jié)點(diǎn)上。其中許多晶圓廠在支持下繼續(xù)運(yùn)營(yíng)，獲得的補(bǔ)貼占收入的比例遠(yuǎn)高于任何領(lǐng)先晶圓廠。外國(guó)芯片制造商在中國(guó)運(yùn)營(yíng)著、最可靠的晶圓廠，創(chuàng)造的收入超過了中國(guó)的芯片制造商。

先進(jìn)的邏輯節(jié)點(diǎn)制造能力是中國(guó)晶圓廠的弱點(diǎn)，盡管中國(guó)正試圖建設(shè)這樣的能力。此外，邏輯芯片(如CPU、GPU、FPGA和AI ASIC)對(duì)與國(guó)家和國(guó)際安全相關(guān)的應(yīng)用尤其重要。因此，本節(jié)剩下的部分將重點(diǎn)放在邏輯fab產(chǎn)能上。

圖9:2019年Fab市場(chǎng)占有率情況（按地區(qū)劃分）

來源：CSET calculations, IC Insights, SIA, SEMI, WSTS

圖10顯示了相關(guān)產(chǎn)品類別下，不同地區(qū)（公司總部所在地）的Fab產(chǎn)能占比。這些類別包括整個(gè)半導(dǎo)體、邏輯芯片(包括代工廠和IDM持有的產(chǎn)能)、存儲(chǔ)芯片、模擬芯片、光電子器件、傳感器和分立器件的產(chǎn)能。對(duì)邏輯芯片提供了更詳細(xì)的分解。具體來說，圖10包括了IDM和代工廠所持有的邏輯芯片容量，以及45nm節(jié)點(diǎn)或以下的邏輯芯片容量(代工廠和IDM所持有的)。

圖10：根據(jù)Fab產(chǎn)品種類和地區(qū)劃分下的2020年晶圓廠產(chǎn)能

資料來源：“World Fab Forecast,” SEMI, November 2020 edition

圖11展示了按照晶圓廠所在地劃分的晶圓產(chǎn)能占比情況，具體分類與圖10一樣。

圖11:2020年晶圓廠產(chǎn)能占比（按照晶圓廠所在地劃分）

資料來源：“World Fab Forecast,” SEMI, November 2020 edition

表5:2019年晶圓廠市場(chǎng)情況及中國(guó)大陸競(jìng)爭(zhēng)力

總部位于美國(guó)、中國(guó)臺(tái)灣、韓國(guó)、日本和中國(guó)大陸的公司控制著世界上大部分的邏輯芯片制造能力，而且大部分的邏輯芯片制造能力都在地區(qū)所在地。晶圓廠廠控制超過80%的世界的邏輯工廠產(chǎn)能(表5)。三家公司——總部設(shè)在美國(guó)(英特爾),中國(guó)臺(tái)灣(臺(tái)積電)和韓國(guó)(三星)——工廠控制幾乎所有世界上先進(jìn)的邏輯節(jié)點(diǎn)能力(≤10nm)，盡管美國(guó)的英特爾在和愛爾蘭等都有產(chǎn)能建設(shè)。

贏家通吃的格局給邏輯代工行業(yè)的后繼競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手帶來了挑戰(zhàn)。市場(chǎng)領(lǐng)先者臺(tái)積電占有全球邏輯代工市場(chǎng)54%的份額，在領(lǐng)先的邏輯代工市場(chǎng)上占有更大的份額?，F(xiàn)在，它生產(chǎn)的5納米節(jié)點(diǎn)芯片，每個(gè)晶圓的收入快速增長(zhǎng)，而其他運(yùn)營(yíng)晶圓的芯片制造商——包括美國(guó)的GlobalFoundries、中國(guó)臺(tái)灣的聯(lián)華電子和中國(guó)大陸的芯片制造商中芯國(guó)際——的收入都在下降。

三星也在引進(jìn)5納米邏輯芯片的生產(chǎn)能力，而英特爾正在生產(chǎn)10納米邏輯芯片，其規(guī)格可與臺(tái)積電的7納米節(jié)點(diǎn)芯片競(jìng)爭(zhēng)。美國(guó)擁有強(qiáng)大的能力，盡管其由GlobalFoundries持有的的邏輯芯片廠只有12納米。總部位于美國(guó)的英特爾仍計(jì)劃推出7納米節(jié)點(diǎn)芯片，其規(guī)格可與臺(tái)積電的5納米節(jié)點(diǎn)芯片競(jìng)爭(zhēng)，但英特爾落后了，計(jì)劃在2022年或2023年初推出。

由于先進(jìn)的生產(chǎn)能力極低且質(zhì)量低下，中國(guó)代工廠面臨吸引外國(guó)無晶圓廠客戶的困難。中芯國(guó)際已達(dá)到14納米，但每月產(chǎn)能僅為6,000片晶圓（占全球≤16納米邏輯晶圓廠產(chǎn)能的0.2％），計(jì)劃增加到35,000（1％）。中國(guó)芯片制造商華虹也在嘗試開發(fā)14 nm產(chǎn)能。為了與臺(tái)積電競(jìng)爭(zhēng)，中國(guó)代工廠商必須克服專有技術(shù)的不足，并依靠補(bǔ)貼來投資領(lǐng)先的產(chǎn)能—成本從一個(gè)節(jié)點(diǎn)迅速上升到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)。如果實(shí)施的話，美國(guó)、日本和荷蘭未來對(duì)中小企業(yè)和原材料的出口管制可能會(huì)阻止中國(guó)的代工廠建設(shè)先進(jìn)的產(chǎn)能。荷蘭目前禁止向中國(guó)出口EUV光刻機(jī)，這已經(jīng)阻礙了它建設(shè)超過7納米的能力。

ATP的組裝、測(cè)試和封裝有兩種商業(yè)模式:(1)作為內(nèi)部的ATP服務(wù)，由集成設(shè)備制造商(IDM)和制造后的代工廠執(zhí)行;(2)外包的半導(dǎo)體組裝和測(cè)試(OSAT)公司，為第三方客戶提供ATP服務(wù)。ATP是勞動(dòng)密集型的，比設(shè)計(jì)和制造的價(jià)值低，并且在這兩個(gè)部分不發(fā)展技能。因此，企業(yè)歷來都在發(fā)展中國(guó)家設(shè)立ATP設(shè)施。

總部位于中國(guó)臺(tái)灣、美國(guó)、中國(guó)大陸和韓國(guó)的公司是ATP服務(wù)的主要提供者(圖12和表6)。中國(guó)大陸受益于外包，發(fā)展了強(qiáng)大的ATP產(chǎn)業(yè)——其OSAT產(chǎn)業(yè)是僅次于中國(guó)臺(tái)灣的世界大產(chǎn)業(yè)。此外，非中國(guó)的IDM在中國(guó)保留了許多ATP設(shè)施。雖然在中國(guó)排名前三的ATP公司都是中國(guó)的OSAT，但其余的前10名都是非中國(guó)的IDM(6家美國(guó)公司)。因此，ATP可以說是美國(guó)供應(yīng)鏈的一個(gè)弱點(diǎn)。

總的來說，世界上22%的ATP設(shè)施在中國(guó)。雖然ATP的歷史價(jià)值很低，但封裝越來越成為芯片性能的瓶頸。邏輯電路中晶體管的密度和芯片中存儲(chǔ)單元的密度繼續(xù)呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，但是邏輯電路和存儲(chǔ)器之間互連的密度(由封裝控制)增長(zhǎng)速度慢得多，這導(dǎo)致了芯片之間的通信瓶頸。此外，邏輯和內(nèi)存密度的增長(zhǎng)速度可能會(huì)放緩，為封裝提供了相對(duì)更多的創(chuàng)新機(jī)會(huì)。

圖12：按公司總部分列的國(guó)家市場(chǎng)份額

來源：Yole、SIA、SEMI、IC Insights、WSTS、CSET計(jì)算

表6:ATP市場(chǎng)與中國(guó)競(jìng)爭(zhēng)力

半導(dǎo)體制造設(shè)備

美國(guó)、日本和荷蘭主導(dǎo)著中小企業(yè)的生產(chǎn)，是中國(guó)芯片供應(yīng)鏈中最嚴(yán)重的瓶頸。有幾十個(gè)類別的中小企業(yè)(圖13和14顯示2019年中小企業(yè)市場(chǎng)規(guī)模和各部門國(guó)家份額)?！胺?wù)”包括中小型企業(yè)所提供的支援服務(wù)，以協(xié)助中小型企業(yè)的成立、故障排除及維修。大多數(shù)SME用于制造芯片或芯片輸入。這些工具包括晶圓制造、晶圓和光掩模處理、晶圓標(biāo)記、離子注入、光刻、沉積、蝕刻、清潔、化學(xué)機(jī)械平面化和過程控制。專門的工具也用于裝配、測(cè)試和封裝。

除了組裝和封裝工具，中國(guó)在所有主要細(xì)分市場(chǎng)都幾乎沒有市場(chǎng)份額。中國(guó)最關(guān)鍵的瓶頸是光刻工具——特別是極紫外(EUV)光刻和深紫外(DUV)光刻，但也包括壓印光刻、電子束光刻、激光光刻、抗蝕劑加工設(shè)備以及掩模檢查和修復(fù)工具。

其他工具也是阻塞點(diǎn)，特別是那些用于離子注入、原子層蝕刻、化學(xué)氣相沉積、晶圓和掩模處理、晶圓和掩模檢查，以及測(cè)試邏輯芯片的工具。CSET的相關(guān)政策簡(jiǎn)報(bào)題為《確保半導(dǎo)體供應(yīng)鏈安全》和《中國(guó)在半導(dǎo)體制造設(shè)備方面的進(jìn)展》，對(duì)影響中小企業(yè)的出口控制和其他政策提出了建議，這些政策可能會(huì)減緩中國(guó)在中小企業(yè)和領(lǐng)先芯片制造能力國(guó)產(chǎn)化方面的發(fā)展。

圖13:2019年中小企業(yè)市場(chǎng)分類

來源:VLSI研究

圖14:2019年按公司總部劃分的中小企業(yè)國(guó)家份額

來源：VLSI研究

晶圓制造、晶圓標(biāo)記和處理

日本、美國(guó)和奧地利是晶圓制造、處理和標(biāo)記設(shè)備的主要生產(chǎn)國(guó)。（圖15和表7）。中國(guó)生產(chǎn)商的能力和市場(chǎng)份額微乎其微。鑒于其較高的價(jià)值，晶圓制造設(shè)備和處理系統(tǒng)是中國(guó)的瓶頸。

圖15：按公司總部劃分的2019年晶圓制造，晶圓標(biāo)記和處理國(guó)家/地區(qū)份額

來源：VLSI研究

表7：2019年晶圓制造，晶圓標(biāo)記和處理市場(chǎng)以及中國(guó)競(jìng)爭(zhēng)力

晶體生長(zhǎng)爐和加工工具：這對(duì)于生產(chǎn)所有晶圓都是必不可少的，晶圓是用于生產(chǎn)芯片的薄盤狀材料工廠。9其他中小型企業(yè)相比，這些工具的價(jià)值和復(fù)雜性相對(duì)較低。日本，德國(guó)和瑞士是主要生產(chǎn)國(guó)，而中國(guó)的生產(chǎn)商很少，主要依靠進(jìn)口。

晶圓鍵合機(jī)和對(duì)準(zhǔn)器：這通常在硅片制程硅片的過程中被需要，奧地利，德國(guó)和美國(guó)生產(chǎn)這種設(shè)備，而中國(guó)大陸則沒有。上海微電子設(shè)備（SMEE）銷售這些工具，但銷售量和功能不甚理想。

晶圓和光掩模處理：這些產(chǎn)品在晶圓廠中存儲(chǔ)和運(yùn)輸晶圓和光掩模。光掩模是包含電路圖案的透明板，光刻工具可使光通過該電路圖案以將圖案轉(zhuǎn)移到芯片上。日本，韓國(guó)，中國(guó)臺(tái)灣和法國(guó)生產(chǎn)晶圓和光掩模處理機(jī)，而中國(guó)大陸則不生產(chǎn)。目前尚不清楚這對(duì)中國(guó)大陸而言，是否是重要的瓶頸，因?yàn)檫@些工具并不像其他那么復(fù)雜；因此，中國(guó)最終可能會(huì)生產(chǎn)它們。

晶圓標(biāo)記系統(tǒng)：是指使用激光識(shí)別器標(biāo)記晶圓或晶圓中制造的芯片。美國(guó)僅生產(chǎn)此設(shè)備。但是，由于它的復(fù)雜性和成本較低，其他國(guó)家（包括中國(guó)）也可以輕松開發(fā)該技術(shù)。

離子注入機(jī)

離子注入機(jī)將摻雜劑嵌入到硅片中，以使硅片的不同部分具有不同水平的半導(dǎo)電性，從而在芯片中制造功能晶體管。不同的用例需要四個(gè)類別。低電流至中電流離子注入機(jī)和大電流離子注入機(jī)最多，他們通常與大電流離子注入機(jī)一起使用，能夠提供更高的通量。高壓離子注入機(jī)可以將離子深深注入硅片中。超高劑量摻雜注入機(jī)可以實(shí)現(xiàn)比其他工具更高的摻雜劑密度。

美國(guó)是離子注入機(jī)的主要生產(chǎn)國(guó)，日本和中國(guó)臺(tái)灣占據(jù)了全球大部分市場(chǎng)份額（圖16和表8）。中國(guó)生產(chǎn)少量專門用于先進(jìn)技術(shù)的離子注入機(jī)，但不生產(chǎn)用于前沿邏輯芯片的離子注入機(jī)，這使其成為一個(gè)中等的瓶頸。

圖16：按地區(qū)分布的例子注入機(jī)份額

表8：2019年的例子注入機(jī)市場(chǎng)，以及中國(guó)在這方面的競(jìng)爭(zhēng)力

光刻

荷蘭，日本和其他少數(shù)國(guó)家是光刻設(shè)備的主要生產(chǎn)國(guó)，這對(duì)芯片和光掩模的生產(chǎn)至關(guān)重要（圖17和表9）。中國(guó)無法生產(chǎn)任何先進(jìn)的光刻設(shè)備。最重要的是，荷蘭和日本是光刻設(shè)備的獨(dú)家供應(yīng)商，特別是極紫外（EUV）掃描儀和氟化氬（ArF）浸沒式掃描儀，這些設(shè)備是大規(guī)模生產(chǎn)先進(jìn)芯片所必需的，這是中國(guó)半導(dǎo)體的主要瓶頸。

圖 17：2019年光刻機(jī)的份額分布（按國(guó)家）

表9：2019年的光刻份額以及中國(guó)的競(jìng)爭(zhēng)力

表10總結(jié)了光刻工具的能力。(不包括作為光刻設(shè)備補(bǔ)充的抗蝕劑加工設(shè)備。)光蝕刻工具用于大批量芯片生產(chǎn)，目前由支持節(jié)點(diǎn)從到最不先進(jìn)分為6個(gè)等級(jí):EUV、深紫外線(DUV)——其中包括ArF浸泡(也稱為濕ArF或ArFi)、ArF(也稱為干ArF)、氪氟化物(KrF) -i-line和掩模定位器。更老一些的g-line已經(jīng)不再使用了。其他類型的光刻設(shè)備用于特定的、低體積的芯片或光掩模(ebeam和laser)，或者是未來大規(guī)模芯片生產(chǎn)(印模)的新興發(fā)展領(lǐng)域。

表10：光刻類型

光刻：掃描儀和步進(jìn)器

荷蘭和日本主導(dǎo)著掃描儀和步進(jìn)器的生產(chǎn)，而掃描儀和步進(jìn)器是批量生產(chǎn)芯片所需的光刻設(shè)備。美國(guó)和中國(guó)在較不先進(jìn)的步進(jìn)機(jī)上占有較小的市場(chǎng)份額。荷蘭的ASML專門生產(chǎn)EUV掃描儀，這是的光刻設(shè)備。

ASML和總部位于日本的尼康獨(dú)家生產(chǎn)先進(jìn)的ArF浸沒式掃描儀。掃描儀和步進(jìn)器產(chǎn)生的光穿過光掩模，以將先前在光掩模中創(chuàng)建的電路圖案轉(zhuǎn)移到多個(gè)晶圓上。

由于其技術(shù)復(fù)雜性和費(fèi)用，該設(shè)備是中國(guó)的主要瓶頸。

首先，掃描儀是結(jié)合了高精度（通過產(chǎn)生小波長(zhǎng)的光）和高吞吐量（通過使用光掩模，如下面的“無掩膜光刻”小節(jié)中所述）的工具。EUV掃描儀是批量生產(chǎn)5 nm節(jié)點(diǎn)芯片所必需的，而EUV和ArF浸沒式掃描儀一起是能夠批量生產(chǎn)28至7 nm節(jié)點(diǎn)范圍的芯片的光刻工具，其中ArF浸入主要用于45 nm（表10）。

其次，EUV和ArF浸沒式掃描儀是芯片制造中使用的最昂貴的工具，在芯片制造成本中所占的份額越來越大。EUV掃描儀具有“100,000個(gè)零件，3,000條電路，40,000個(gè)螺栓和2公里的軟管長(zhǎng)度”，比任何SME和擁有成千上萬個(gè)零件的典型汽車都要復(fù)雜。與其他高價(jià)值中小企業(yè)相比，這些趨勢(shì)也使光刻市場(chǎng)比其他高價(jià)值的SME更加穩(wěn)固和有利可圖。

第三，它們需要的精度，負(fù)責(zé)繪制芯片中的納米級(jí)電路圖案。第四，EUV掃描儀簡(jiǎn)化和減少了非光刻制作步驟的需要，進(jìn)一步增加了光刻相對(duì)于其他SME的重要性。由于這些原因，光刻技術(shù)的改進(jìn)也限制了晶體管密度的摩爾定律的改進(jìn)，促使領(lǐng)先的芯片制造商英特爾、三星和臺(tái)積電優(yōu)先投資ASML以支持其EUV研發(fā)。

中國(guó)正在開發(fā)掃描儀和步進(jìn)曝光機(jī)(steppers)。據(jù)稱，上海微電子設(shè)備有限公司（SMEE）已開發(fā)出一種90nm ArF的工具，并計(jì)劃在2021年或2022年之前推出一種28nm浸沒式ArF工具。盡管如此，即使這些報(bào)告是真實(shí)的，而且工具可以工作，但在最初的原型設(shè)計(jì)之后，構(gòu)建一個(gè)低成本、低制造錯(cuò)誤率和高吞吐量的可大規(guī)模生產(chǎn)的工具仍可能需要數(shù)年時(shí)間。

中國(guó)的晶圓廠也尚未使用SMEE的90 nm步進(jìn)曝光機(jī)進(jìn)行大規(guī)模芯片生產(chǎn)。SMEE的光刻工具更多的則是被用于芯片封裝（而不是制造）中難度較小的步驟，并且大多不用于先進(jìn)封裝技術(shù)。

除SMEE之外，2018年，中國(guó)官方媒體報(bào)道稱，中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所開發(fā)了具有365 nm i-line光源的實(shí)驗(yàn)性光刻工具，可達(dá)到22 nm的分辨率，將來可能達(dá)到10nm。此分辨率與已知的i-line技術(shù)不一致，因此該報(bào)告不具有參考意義。

最后，據(jù)報(bào)道，一些中國(guó)研究機(jī)構(gòu)正在嘗試開發(fā)EUV組件，但尚不清楚他們是否會(huì)成功。

光刻：掩模對(duì)準(zhǔn)器：在這方面，僅德國(guó)，日本和奧地利生產(chǎn)掩模對(duì)準(zhǔn)器。掩模對(duì)準(zhǔn)器是光刻的另一種形式，其中與掃描儀和步進(jìn)曝光機(jī)不同，晶片和光掩模保持固定的相對(duì)位置，無論是直接物理接觸還是緊密接觸 但是，這種形式的光刻技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)與掃描儀和步進(jìn)曝光機(jī)在小尺寸上進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)。因此，掩模對(duì)準(zhǔn)器僅具有特殊的用例，價(jià)值低，并且缺乏戰(zhàn)略重要性。

無掩模光刻：電子束、激光和離子束，在這個(gè)領(lǐng)域，只有日本、德國(guó)、美國(guó)和瑞典生產(chǎn)電子束(e-beam)和激光光刻工具，這也是中國(guó)光掩模生產(chǎn)的一個(gè)瓶頸。這些國(guó)家和其他國(guó)家也生產(chǎn)可以用于光掩模生產(chǎn)的離子束光刻工具(但很少)。激光光刻工具(如光刻工具)用光束繪制圖案。

相比之下，電子束和離子束光刻工具分別用電子和離子繪制圖形。這些工具可以達(dá)到與光刻工具類似的分辨率。關(guān)鍵的區(qū)別是電子束、激光和離子束光刻工具不使用掩模。優(yōu)點(diǎn)是，這些工具可以快速和便宜地制作新的模式，而不需要新的遮罩。缺點(diǎn)是在沒有遮罩的情況下繪制圖案很慢。

因此，電子束、激光和離子束光刻工具可以經(jīng)濟(jì)有效地生產(chǎn)與光刻工具一起使用的光掩模等小批量產(chǎn)品。(需要的光掩模比芯片少得多，因?yàn)樵诠饪踢^程中，少量的光掩模被用來生產(chǎn)大量的芯片。)但由于這些工具的低吞吐量，它們不適合大規(guī)模芯片生產(chǎn)。

電子束光刻工具是光掩模生產(chǎn)的主要工具，激光光刻工具遠(yuǎn)遠(yuǎn)排在位，離子束光刻工具很少使用。除了光掩模外，電子束工具市場(chǎng)約有4%用于小批量芯片生產(chǎn)(表9)，而激光光刻工具通常不用于芯片生產(chǎn)。

壓印光刻（Imprint lithography）。如今，奧地利是半導(dǎo)體應(yīng)用的主要銷售國(guó)，而日本，美國(guó)和德國(guó)則在銷售或開發(fā)用于其他各種應(yīng)用的產(chǎn)品。壓印光刻技術(shù)對(duì)中國(guó)來說是一個(gè)潛在的重要瓶頸，因?yàn)樗赡茉诖笠?guī)模芯片生產(chǎn)方面與光刻技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)。壓印光刻技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)領(lǐng)先的納米級(jí)分辨率，因此通常被稱為納米壓印光刻技術(shù)。它還使用了模板，其作用與光刻中的光掩模類似。

模板中包含的圖案會(huì)轉(zhuǎn)移到通過使用模板，壓印光刻理論上可以實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)。但是，其產(chǎn)量低且產(chǎn)生的缺陷太多，無法與光刻競(jìng)爭(zhēng)。目前，主要的半導(dǎo)體銷售商EV Group的銷量很小，而且都是針對(duì)特定的用例。東芝計(jì)劃使用佳能的nanoimprint技術(shù)生產(chǎn)3D NAND存儲(chǔ)芯片。SUSS MicroTec、Nanonex和Obducat也是生產(chǎn)商。

抗蝕劑加工：日本是抗蝕劑加工工具（也稱為“tracks”）的主要生產(chǎn)國(guó)。德國(guó)，韓國(guó)，美國(guó)和中國(guó)的市場(chǎng)份額均很小。但是，只有日本是 tracks的主要生產(chǎn)國(guó)，其產(chǎn)品適用于EUV和ArF浸沒式光刻術(shù)。光刻膠是沉積在晶片上的化學(xué)物質(zhì)，當(dāng)暴露于通過光掩模的圖案化光中時(shí)，有選擇地溶解以形成電路圖案。然后在光刻膠溶解并轉(zhuǎn)移的地方進(jìn)行蝕刻抗蝕劑處理工具將光刻膠涂覆在晶片上（通常通過旋涂將晶片旋轉(zhuǎn)以擴(kuò)散沉積的光刻膠），顯影（溶解被光照射的部分），然后烘烤（硬化未溶解的光刻膠，使其固化到晶片上）。

Kingsemi是中國(guó)生產(chǎn)這類產(chǎn)品的企業(yè)，其產(chǎn)品可用于ArF，KrF和i-line光刻的tracks，公司稱他們將在2022年前開發(fā)EUV和ArF浸沒tracks。Kingsemi還據(jù)稱支持≥28nm節(jié)點(diǎn)，通常在ArF浸沒范圍內(nèi)。由于中國(guó)目前不生產(chǎn)用于EUV或更先進(jìn)的ArF浸沒光刻tracks，因此這些 tracks對(duì)于中國(guó)而言是一個(gè)瓶頸。

沉積

美國(guó)，日本，荷蘭和韓國(guó)是沉積工具的主要提供者，而中國(guó)在某些沉積市場(chǎng)子行業(yè)中所占份額卻很小，但仍在增長(zhǎng)（圖18和表11）。例如快速熱處理工具。沉積工具用于在硅晶片上沉積材料薄膜。在光刻和蝕刻后，這些薄膜變成了不同的芯片層，包括晶體管，互連（導(dǎo)線）和其他元件。絕大多數(shù)的沉積工具是用于芯片生產(chǎn)的，因此本節(jié)中的技術(shù)分類都是特定于芯片生產(chǎn)的，最后一個(gè)類別除外。

圖18：2019年的沉積設(shè)備市場(chǎng)（按地區(qū)分布）

Source:VLSI Research

表11：2019年的沉積市場(chǎng) 份額分布以及中國(guó)的競(jìng)爭(zhēng)力

化學(xué)氣相沉積（CVD）：美國(guó)，荷蘭，日本和韓國(guó)是CVD工具的主要生產(chǎn)國(guó)，而中國(guó)正在向該領(lǐng)域進(jìn)行擴(kuò)展。CVD包括四種類型：等離子體CVD，低壓CVD（LPCVD），高溫CVD（HTCVD） ）和原子層沉積（ALD）.CVD工具會(huì)產(chǎn)生化學(xué)蒸氣，將化學(xué)物質(zhì)逐個(gè)原子或逐個(gè)分子沉積在晶片上.CVD是芯片制造中使用最廣泛的沉積技術(shù)。沉積大多數(shù)電介質(zhì)（一種絕緣體），硅和一些金屬。ALD能夠沉積單個(gè)原子的厚度，對(duì)于前沿節(jié)點(diǎn)必不可少。中國(guó)的Piotech生產(chǎn)等離子CVD工具，據(jù)稱用于沉積5 nm節(jié)點(diǎn)的電介質(zhì)，而SKY Technology Development則將其用于小批量的研發(fā)應(yīng)用。中國(guó)的NAURA生產(chǎn)用于多種應(yīng)用的LPCVD工具。Piotech和NAURA都在14 nm節(jié)點(diǎn)甚至更的產(chǎn)品上銷售ALD工具。中國(guó)的能力適中，不足以完全實(shí)現(xiàn)沉積物的局部化，但仍在增長(zhǎng)。CVD的某些領(lǐng)域是中國(guó)的瓶頸，但目前尚不清楚要持續(xù)多久。

物相沉積（PVD）：美國(guó)控制著PVD設(shè)備市場(chǎng)，日本占據(jù)了其余大部分。中國(guó)和瑞士都占有很小的份額.PVD蒸發(fā)固體或液體物質(zhì)，然后凝結(jié)在基材上，主要有兩種形式：“蒸發(fā)”（在半導(dǎo)體制造中很少使用）和“濺射”（現(xiàn)在是主要的PVD方法）。濺射是沉積導(dǎo)體（如金屬）的主要方法，但有時(shí)也用于電介質(zhì)。中國(guó)的NAURA開發(fā)了用于關(guān)鍵技術(shù)的濺射工具 ≥28nm節(jié)點(diǎn)的材料。SKY Technology Development還生產(chǎn)PVD工具。

快速熱處理：美國(guó)，日本和韓國(guó)僅生產(chǎn)RTP工具，這是中國(guó)的瓶頸。RTP工具包括燈，激光或其他可快速提高芯片溫度以改變其特性的機(jī)制。對(duì)于芯片制造的幾個(gè)步驟至關(guān)重要。RTP工具包括兩個(gè)子市場(chǎng)：常規(guī)工具提供長(zhǎng)達(dá)數(shù)秒的加熱時(shí)間（僅由美國(guó)和韓國(guó)生產(chǎn)）；其他工具僅提供毫秒的熱量（僅由美國(guó)和日本生產(chǎn)）。

Tube-based diffusion and deposition：日本、荷蘭、韓國(guó)、中國(guó)和美國(guó)生產(chǎn) tube diffusion工具，只有日本和荷蘭生產(chǎn)tube deposition 工具。這些系統(tǒng)是基于“tube”的，因?yàn)橐r底加載在圓柱形腔室中進(jìn)行處理，這導(dǎo)致?lián)诫s劑在tube diffusion系統(tǒng)中擴(kuò)散到芯片中，并在tube deposition系統(tǒng)中沉積某些應(yīng)用材料。中國(guó)的北方華創(chuàng)制造了多臺(tái)≥28 nm節(jié)點(diǎn)的tube diffusion爐，但中國(guó)不生產(chǎn)tube deposition 工具。

旋涂：日本是芯片生產(chǎn)中旋涂系統(tǒng)的主要生產(chǎn)國(guó)。這些工具旋轉(zhuǎn)晶圓片，使沉積在晶圓片上的液體物質(zhì)通過晶圓片擴(kuò)散。旋涂在光刻膠涂層中應(yīng)用廣泛，但在芯片生產(chǎn)中應(yīng)用范圍較窄。中國(guó)的Kingsemi銷售用于光刻膠沉積的低端旋涂工具(見“光刻”部分中的“光刻膠處理”)，以及其他一些在芯片制造中的應(yīng)用?？紤]到spin- coating在芯片制造中的特殊用途，并且中國(guó)至少有一些專業(yè)知識(shí)，spin- coating并不是中國(guó)在光刻膠沉積以外的芯片制造中的一個(gè)主要的、長(zhǎng)期的瓶頸。電化學(xué)涂層。只有美國(guó)和臺(tái)灣生產(chǎn)電化學(xué)涂覆工具。通常的應(yīng)用是在晶圓片上沉積銅(用于芯片布線)。然而，其他技術(shù)，如CVD，也可以沉積銅用于某些應(yīng)用。只有在中國(guó)找不到替代工具執(zhí)行相同任務(wù)時(shí)，涂層工具才對(duì)中國(guó)很重要。

沉積（非IC）。美國(guó)和日本是沉積工具的生產(chǎn)國(guó)，用于生產(chǎn)微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS），磁盤驅(qū)動(dòng)器，復(fù)合半導(dǎo)體，先進(jìn)封裝以及除芯片以外的其他產(chǎn)品。中國(guó)擁有強(qiáng)大的市場(chǎng)份額 相比之下，該部門的市場(chǎng)份額為1.3.2％，而其在整個(gè)沉積市場(chǎng)的份額為1.8％。AMEC和ASM Pacific是該領(lǐng)域的主要中國(guó)生產(chǎn)商。

蝕刻和清洗

美國(guó)和日本是蝕刻和清洗設(shè)備的主要生產(chǎn)國(guó)，韓國(guó)和中國(guó)是其他重要生產(chǎn)國(guó)(圖19和表12)。與其他主要設(shè)備相比，中國(guó)在蝕刻工具的研制方面取得了較大的進(jìn)展。因此，只有的蝕刻工具——原子層蝕刻工具才是中國(guó)的瓶頸。

圖19：2019面的蝕刻和清洗市場(chǎng)份額 （按地區(qū)分布）

表12：2019年的蝕刻和清洗市場(chǎng)表現(xiàn)以及中國(guó)的競(jìng)爭(zhēng)力

蝕刻工具負(fù)責(zé)在芯片中創(chuàng)建永久性圖案：光刻法以精確的圖案去除沉積在晶圓上的光刻膠的部分后，蝕刻工具將該圖案蝕刻到下方的永久襯底中，然后使用清洗工具去除蝕刻的材料。干蝕刻和濕蝕刻是兩種主要的類型。干蝕刻工具（使用氣體蝕刻基板）是最常用的工具，對(duì)于節(jié)點(diǎn)的電路功能尤其必要。濕蝕刻工具使用的液體較少使用，并且主要用于清洗晶圓。

干蝕刻和清洗：美國(guó)和日本是干蝕刻和清洗工具的主要生產(chǎn)國(guó)，韓國(guó)，中國(guó)和其他國(guó)家也生產(chǎn)。干蝕刻工具的主要類型用于蝕刻導(dǎo)體或電介質(zhì)。蝕刻工具比濕工具具有優(yōu)勢(shì)：它們速度快，并且可以根據(jù)蝕刻方向進(jìn)行不同的蝕刻，從而可以實(shí)現(xiàn)具有復(fù)雜形狀的細(xì)粒度特征。其他類型的干蝕刻工具適用于特定的，不太關(guān)鍵的用途：ion milling刻蝕工具晶圓上的某些功能，而干法剝離工具可去除光致抗蝕劑（盡管可以使用其他工具執(zhí)行這些功能）。

的干法蝕刻工具稱為原子層蝕刻（ALE）工具。這些工具對(duì)于導(dǎo)體的蝕刻和電介質(zhì)蝕刻都非常重要<10 nm節(jié)點(diǎn)中最小的特征，由美國(guó)，日本和英國(guó)的領(lǐng)先企業(yè)生產(chǎn)。盡管ALE的市場(chǎng)目前僅在數(shù)億美元的范圍內(nèi)，但它有可能被用于制造下一代晶體管結(jié)構(gòu)。

中國(guó)的AMEC生產(chǎn)的干法蝕刻工具可能是任何中國(guó)公司出售的的SME工具，它們被用于領(lǐng)先的臺(tái)灣芯片制造商臺(tái)積電的7和5 nm節(jié)點(diǎn)，盡管不是用于復(fù)雜的晶體管結(jié)構(gòu)等功能。SME通常僅由中芯國(guó)際等國(guó)內(nèi)工廠使用。

中國(guó)的NAURA還生產(chǎn)用于電介質(zhì)，導(dǎo)體和硅的干法蝕刻工具。美國(guó)認(rèn)識(shí)到中國(guó)在干法蝕刻工具方面的競(jìng)爭(zhēng)力后，于2016年將其從《商務(wù)控制清單》中刪除。中國(guó)沒有制造ion millingdry stripping和 dry cleaning 等工具，但這些工具的價(jià)值較低且先進(jìn)程度較低。尚待開發(fā)的ALE工具。但是，鑒于其在干蝕刻工具方面的專業(yè)知識(shí)，AMEC可能會(huì)嘗試開發(fā)ALE工具。

濕法刻蝕和清洗：日本和美國(guó)是濕法刻蝕和清洗工具的主要生產(chǎn)國(guó)，與其他幾個(gè)國(guó)家（包括中國(guó)）也占有一定的市場(chǎng)份額。濕法刻蝕比干法刻蝕具有優(yōu)勢(shì)-便宜，風(fēng)險(xiǎn)少。對(duì)基板的選擇性更高，即它可以蝕刻特定的材料而不會(huì)無意地蝕刻附近的材料。但是，它速度較慢，并且通常無法根據(jù)蝕刻方向進(jìn)行不同的蝕刻，因此很難形成復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。因此，濕 蝕刻通常不用于蝕刻先進(jìn)芯片中最小的特征。中國(guó)的Kingsemi生產(chǎn)濕法蝕刻和清洗工具，而中國(guó)的NAURA銷售≥28nm節(jié)點(diǎn)的濕法清洗工具。

化學(xué)機(jī)械平面化（CMP）

美國(guó)和日本是化學(xué)機(jī)械平面化工具的主要生產(chǎn)國(guó)，而中國(guó)和韓國(guó)占據(jù)了剩余的市場(chǎng)份額（圖20和表13）。經(jīng)過蝕刻和清洗等其他步驟之后，CMP工具使晶片表面變平。CMP工具對(duì)于芯片制造至關(guān)重要，但不像光刻和沉積工具等其他工具那么復(fù)雜。Hawtsing的CMP工具可以處理300 mm晶圓，并且據(jù)稱適用于≥14nm節(jié)點(diǎn) 。因此，除領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)外，CMP工具對(duì)于中國(guó)而言并不是關(guān)鍵的瓶頸。

圖20：2019年的CMP市場(chǎng)份額（按地區(qū)分）

Source:VLSI Research

制程控制

美國(guó)和日本是process control 工具的主要生產(chǎn)國(guó)，與其他多個(gè)國(guó)家（包括中國(guó)）相比，其占有較小的市場(chǎng)份額（圖21和表14）。該細(xì)分市場(chǎng)包括中國(guó)的瓶頸，特別是在計(jì)量和檢測(cè)設(shè)備領(lǐng)域。控制工具監(jiān)視晶片，光掩模和整個(gè)芯片制造過程，以確保一致性和低制造錯(cuò)誤率。因此，它們是繼光刻工具之后最重要，最有價(jià)值的工具之一。

圖21：2019年的制程控制市場(chǎng)份額 （按地區(qū)分布）

表14：2019年的制程控制和中國(guó)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力

硅片檢測(cè)：美國(guó)和日本在硅片工具方面占有主導(dǎo)地位，而中國(guó)只生產(chǎn)芯片制造所需的硅片檢驗(yàn)工具。關(guān)鍵產(chǎn)品包括電氣儀表、薄膜和晶片測(cè)量工具、關(guān)鍵尺寸測(cè)量、缺陷檢查、普通顯微鏡、 以及結(jié)構(gòu)檢查。中國(guó)的RSIC生產(chǎn)光學(xué)薄膜測(cè)量工具，用于測(cè)量沉積、光刻、蝕刻和CMP過程中的300毫米硅片，和在 300mm硅片中的先進(jìn)，復(fù)雜的光學(xué)臨界尺寸測(cè)量工具功能。1RSIC還達(dá)到了14納米的先進(jìn)性能。中國(guó)的GrandTec和SMEE也銷售硅片檢查工具。總的來說，硅片檢測(cè)工具是中國(guó)的一個(gè)瓶頸。

光罩檢查和維護(hù)：日本、德國(guó)和美國(guó)生產(chǎn)幾乎所有的光罩檢查和維護(hù)工具。這些工具類似于硅片檢查中使用的工具，如顯微鏡。中國(guó)不生產(chǎn)這些工具，因此是一個(gè)瓶頸。

晶圓級(jí)封裝檢驗(yàn)：美國(guó)和主要出售這些工具，在這些硅片被“切成”（即切割)成多個(gè)芯片之前，檢查封裝制造芯片(dies）的硅片部分。與其他檢查工具一樣，晶圓級(jí)封裝檢查工具是中國(guó)的一個(gè)瓶頸。

制程監(jiān)控和曲線跟蹤器：只有美國(guó)和韓國(guó)生產(chǎn)這些工具。它們測(cè)量在制造過程中在硅片中制造器件的性能，以確保正常運(yùn)行。因?yàn)樗麄儞碛邢鄬?duì)較低的價(jià)值，所以它們不太可能會(huì)是中國(guó)的重大瓶頸。

裝配和封裝

日本、中國(guó)、新加坡、美國(guó)和其他一些國(guó)家生產(chǎn)組裝和封裝工具（圖22和表15），取一個(gè)帶有已完成、未分離芯片的硅片，并將其轉(zhuǎn)化為單獨(dú)的封裝芯片。這些工具包括裝配檢驗(yàn)工具、切割工具、打線工具，封裝工具和集成裝配工具。裝配和封裝工具代表了中國(guó)競(jìng)爭(zhēng)力的中小企業(yè)部分，其中大多數(shù)部門的市場(chǎng)份額很大，特別是香港的ASM Pacific。

測(cè)試

日本、美國(guó)和南韓生產(chǎn)了絕大部分的測(cè)試工具，中國(guó)企業(yè)在這個(gè)市場(chǎng)的表現(xiàn)幾乎不值一提（如圖23和 表16）。這些測(cè)試工具被應(yīng)用在存儲(chǔ)芯片、SoC等領(lǐng)域。中國(guó)公司在這個(gè)市場(chǎng)的產(chǎn)品主要在低端細(xì)分市場(chǎng)，尤其是用于測(cè)試低端線性和分立設(shè)備。他們?cè)诋a(chǎn)品中沒有很大的影響力，尤其是邏輯和存儲(chǔ)芯片測(cè)試工具更是一個(gè)明顯的瓶頸。但是，有些美國(guó)公司在中國(guó)有重要業(yè)務(wù)，中國(guó)公司也有在收購(gòu)一些國(guó)外測(cè)試工具公司。因此，中國(guó)有機(jī)會(huì)在這個(gè)市場(chǎng)變得更有競(jìng)爭(zhēng)力。

電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化和關(guān)鍵IP

美國(guó)是電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化工具的絕對(duì)壟斷者，美國(guó)和英國(guó)則在芯片的核心IP方面擁有巨大 的市場(chǎng)號(hào)召力，這兩個(gè)關(guān)鍵方面都是中國(guó)的瓶頸所在（如24和表17）。

EDA軟件

美國(guó)公司是EDA軟件的壟斷性提供商，他們無晶圓廠公司和IDM工程師設(shè)計(jì)先進(jìn)芯片所需的全流程工具。美國(guó)公司還主導(dǎo)了與AI芯片設(shè)計(jì)相關(guān)的功能，例如ASIC布局。新興公司經(jīng)常進(jìn)入EDA領(lǐng)域。但是，他們很難與通常收購(gòu)它們的EDA公司競(jìng)爭(zhēng)，以將初創(chuàng)公司的利基功能整合到其全流程功能中。

中國(guó)的EDA行業(yè)很小，工程師也相對(duì)較少，但國(guó)外企業(yè)卻擁有多的多的工程師。成立于2009年的華大九天 是中國(guó)領(lǐng)先的EDA公司。據(jù)稱他們是一家可以提供全流程EDA工具的中國(guó)公司。他們的工具可以完全設(shè)計(jì)某些模擬和混合信號(hào)（模擬和數(shù)字的組合）芯片。該公司在平板顯示器設(shè)計(jì)方面具有的優(yōu)勢(shì)?？蛻舭℉iSilicon等中國(guó)芯片設(shè)計(jì)公司以及三星等國(guó)外客戶。。

除了Empyrean的利基產(chǎn)品外，中國(guó)芯片設(shè)計(jì)師還依賴美國(guó)的EDA工具，中國(guó)的EDA工具的其余部分僅支持芯片設(shè)計(jì)的一小部分，且這些工具很大程度上不支持前沿制造工藝（例如≤14nm）。

類似英特爾，三星和臺(tái)積電等芯片制造商在新制造工藝的開發(fā)過程中給美國(guó)EDA公司提供了優(yōu)先訪問工藝IP的機(jī)會(huì)。每個(gè)芯片制造商的制造流程 都地限制了芯片設(shè)計(jì)人員可以使用的芯片設(shè)計(jì)選項(xiàng)。

然而中國(guó)的EDA公司可能會(huì)訪問不完整的制程IP或沒有獲得足夠的支持。只要這種情況繼續(xù)，中國(guó)的EDA公司就將無法支持領(lǐng)先節(jié)點(diǎn)的芯片設(shè)計(jì)，也無法與美國(guó)EDA公司競(jìng)爭(zhēng)。

但是，這種情況正在改變。幾家中國(guó)EDA初創(chuàng)公司吸引了來自美國(guó)領(lǐng)導(dǎo)人的高管和技術(shù)人員。此外，DARPA計(jì)劃正在開發(fā)開源EDA工具，該工具可以為某些應(yīng)用程序運(yùn)行完整的設(shè)計(jì)流程，全球的芯片設(shè)計(jì)人員都可以使用。

核心IP

芯片設(shè)計(jì)公司許可核心IP，該IP由可重復(fù)使用的設(shè)計(jì)模塊組成，并將納入最終的芯片設(shè)計(jì)中。美國(guó)和英國(guó)的供應(yīng)商主導(dǎo)了這個(gè)市場(chǎng)。一些公司專門專注于核心IP，例如位于英國(guó)而被日本擁有，現(xiàn)在正在出售給英偉達(dá)的ARM，而其他公司則將其產(chǎn)品與EDA工具結(jié)合在一起。

ARM是提供指令集體系結(jié)構(gòu)（ISA）以及相關(guān)的核心IP的供應(yīng)商，他們的產(chǎn)品是世界上大多數(shù)智能手機(jī)處理器的基礎(chǔ)。去年年底，總部位于美國(guó)的Nvidia提出收購(gòu)ARM。如果該交易通過監(jiān)管機(jī)構(gòu)的，將擴(kuò)大美國(guó)對(duì)ARM的管轄權(quán)，并使總部位于美國(guó)的公司在核心IP上擁有超過90％的市場(chǎng)份額。

中國(guó)在核心IP開發(fā)方面實(shí)力較弱，但并購(gòu)，合資和開源的RISC-V為中國(guó)提供了機(jī)會(huì)。

2017年，一家中國(guó)國(guó)有收購(gòu)了英國(guó)的Imagination，他們?yōu)槎喾N類型的芯片開發(fā)用于移動(dòng)設(shè)備的核心IP的技術(shù)。而Arm中國(guó)則是另一個(gè)典型領(lǐng)子。此外，中國(guó)芯片設(shè)計(jì)人員可以基于RISC-V和MIPS的開放源代碼體系結(jié)構(gòu)來打造IP。但他們想要在這些領(lǐng)域取得成功可能需要數(shù)年時(shí)間。

就目前而言，中國(guó)芯片設(shè)計(jì)人員嚴(yán)重依賴非中國(guó)核心IP。95％的中國(guó)芯片采用了ARM許可的IP。

材料

中國(guó)企業(yè)是原材料的主要供應(yīng)商，但面臨多重挑戰(zhàn)，其中制造材料生產(chǎn)中的關(guān)鍵點(diǎn)（這需要很多材料作為輸入）用于半導(dǎo)體制造。關(guān)鍵的方面包括先進(jìn)的300毫米晶圓，光掩模和光刻膠。

同時(shí)，美國(guó)的國(guó)內(nèi)生產(chǎn)能力較小，原材料嚴(yán)重依賴進(jìn)口，但確實(shí)有有意義的市場(chǎng)。美國(guó)和他的盟友控制著全球很大一部分的原材料和某些半導(dǎo)體的專有材料。

以下小節(jié)首先介紹原材料，然后介紹圖25中強(qiáng)調(diào)的細(xì)分市場(chǎng)，圖中按半導(dǎo)體生產(chǎn)階段拆解了2019年半導(dǎo)體材料市場(chǎng)。每個(gè)半導(dǎo)體材料部門均以原材料為輸入。生產(chǎn)階段包括用于生產(chǎn)硅片（主要是硅晶片）的材料，用于制造芯片的材料（包括用于形成芯片特征的材料和SME使用的易損件）以及封裝材料。

數(shù)據(jù)顯示，2019年，半導(dǎo)體生產(chǎn)中所使用的材料市場(chǎng)為468億美元.。圖26顯示了半導(dǎo)體材料的國(guó)家市場(chǎng)份額。

原料

中國(guó)是世界上最重要的原材料基地，而美國(guó)及其盟國(guó)也生產(chǎn)了幾乎所有材料?？紤]到半導(dǎo)體制造的復(fù)雜性，進(jìn)入這些部分的原材料占據(jù)了元素周期表的很大一部分。圖27顯示了美國(guó)，中國(guó)以及世界其他地區(qū)在原材料方面的主要生產(chǎn)份額。該數(shù)字主要涵蓋了最關(guān)鍵的非氣態(tài)材料，但并非詳盡無遺?！爸饕鄙a(chǎn)是指在加工成材料或復(fù)合形式之前開采材料，尤其是低品位材料。

美國(guó)及其盟國(guó)在所有材料中的生產(chǎn)份額都很大，美國(guó)生產(chǎn)大多數(shù)材料，但每種的量較少，不生產(chǎn)銻、砷、碳、氟、鎵、銦、鉭、碲、錫或鎢。中國(guó)大陸在大多數(shù)材料中所占的份額都是的（鈷（1.4%)和鉑(0%)除外），中國(guó)在生產(chǎn)初級(jí)鎵方面的市場(chǎng)份額為95.7%，鎢為83.6%，鎂為82.0%。

中國(guó)大陸在全球硅生產(chǎn)市場(chǎng)的份額達(dá)到64.0%，硅是應(yīng)用最為廣泛的半導(dǎo)體材料，但美國(guó)及其盟國(guó)擁有大量的儲(chǔ)備。雖然中國(guó)大陸不再壟斷稀土開采，但它仍然主導(dǎo)著稀土加工。圖28給出了所有這些材料的未加權(quán)平均生產(chǎn)份額，并顯示了區(qū)域生產(chǎn)份額。

圖27：2019年按國(guó)家/地區(qū)劃分的原材料生產(chǎn)情況

資料來源：USGS

圖28：2019年按國(guó)家/地區(qū)劃分的材料生產(chǎn)份額（未加權(quán)平均）

資料來源：USGS，CSET

晶圓廠材料

日本、美國(guó)、中國(guó)臺(tái)灣、韓國(guó)和德國(guó)是晶圓廠（FAB）材料的主要生產(chǎn)地。中國(guó)大陸不能生產(chǎn)高精尖的光掩模和光刻膠，生產(chǎn)300毫米硅片的能力有限。它在生產(chǎn)其他FAB材料方面的能力處于中等水平，如CMP材料、沉積材料、電子氣體和濕化學(xué)品。表18總結(jié)了這些材料的生產(chǎn)情況。

表18：晶圓廠材料市場(chǎng)

硅片：總部設(shè)在日本、中國(guó)臺(tái)灣、德國(guó)和韓國(guó)的幾家巨頭公司是硅片的生產(chǎn)商（見圖29），特別是300毫米硅片，中國(guó)大陸只生產(chǎn)小尺寸的硅片。中國(guó)大陸的晶圓制造設(shè)備主要靠進(jìn)口，因此，300毫米硅片及其相關(guān)設(shè)備是中國(guó)大陸一個(gè)產(chǎn)業(yè)瓶頸。沒有總部設(shè)在美國(guó)的硅片生產(chǎn)商，但有一些非美國(guó)公司在美國(guó)生產(chǎn)硅片。

硅片是一種薄的圓盤狀材料，在上面制造芯片，它需要專用的硅片制造設(shè)備。硅片可以由不同的半導(dǎo)體材料制成，這些材料包括硅或者其他各種材料。大多數(shù)硅片完全由硅或其他材料制成，但另一些硅片的結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，需要摻雜劑，以使它們具有適合芯片晶體管正確工作的半導(dǎo)體性能水平。

圖29：按總部所在國(guó)家劃分的硅片生產(chǎn)商市場(chǎng)份額

總部設(shè)在日本、中國(guó)臺(tái)灣、德國(guó)和韓國(guó)的硅片廠商可以生產(chǎn)的直徑為300毫米的硅片。世界上99.7%的300毫米硅片工廠產(chǎn)能能夠制造制程節(jié)點(diǎn)≤45nm的芯片，而制造最平滑、高純度的300毫米硅片是支持芯片特征尺寸所必需的-需要相當(dāng)多的隱性知識(shí)。

傳統(tǒng)的硅片尺寸包括150毫米和200毫米，用于制造具有較大制程節(jié)點(diǎn)的芯片。相比之下，中國(guó)大陸硅片生產(chǎn)商的收入很少，其中，截至2018年，JRH、中環(huán)、Gritek、Simgui和ZingSEMI正在生產(chǎn)或計(jì)劃生產(chǎn)300毫米硅片。圖30所示為全球100-200毫米、300毫米硅片廠商的產(chǎn)量，以及中國(guó)大陸廠商的市場(chǎng)份額。

中國(guó)大陸硅片生產(chǎn)商中，100- 200毫米硅片廠和300毫米硅片廠的市場(chǎng)份額分別為18%和12。因此，中國(guó)大陸300毫米硅片對(duì)進(jìn)口依賴度很高。

圖30：中國(guó)大陸硅片生產(chǎn)供應(yīng)與需求

光掩模板：日本、美國(guó)、中國(guó)臺(tái)灣和韓國(guó)在生產(chǎn)尖端光罩方面處于領(lǐng)先地位（例如，≤16納米），中國(guó)大陸不具備生產(chǎn)能力，必須進(jìn)口光掩模板（光罩）和掩模制造設(shè)備（電子束光刻和激光光刻工具），這是該市場(chǎng)的主要瓶頸。光掩模板是透明板，包含要在芯片中制造的電路圖案。光刻設(shè)備產(chǎn)生的光將光掩模板上的電路圖案轉(zhuǎn)為芯片。每個(gè)光掩模都是特定用于一個(gè)芯片設(shè)計(jì)（本身特定用于一個(gè)制程節(jié)點(diǎn)）。光罩是由captive mask shops（大型半導(dǎo)體制造公司）或merchant mask shops生產(chǎn)制造。在2017年，captive mask shops占據(jù)了65%的市場(chǎng)份額，主要廠商包括英特爾（美國(guó))、三星(韓國(guó))、臺(tái)積電(中國(guó)臺(tái)灣)、GlobalFoundries (美國(guó)）和中國(guó)大陸的中芯國(guó)際。這使得掩模適合于≥28nm節(jié)點(diǎn)的芯片，但這種晶體管的尺寸比目前的技術(shù)落后了近十年。日本、美國(guó)和中國(guó)臺(tái)灣公司控制著merchant mask shop市場(chǎng)（見圖31）。中國(guó)大陸merchant

mask shop深圳Newway具備一定的生產(chǎn)能力，但與國(guó)際領(lǐng)先產(chǎn)商相比，差距很大。

圖31：Merchant mask shop在不同國(guó)家的分布情況

光刻膠：日本以90%的市場(chǎng)份額主導(dǎo)全球半導(dǎo)體光刻膠的生產(chǎn)，其余的大部分由美國(guó)和韓國(guó)公司持有。中國(guó)大陸不能生產(chǎn)的光刻膠。

光刻膠是沉積在硅片上的化學(xué)物質(zhì)，當(dāng)暴露在通過光罩的圖案化光中時(shí)， 選擇性地溶解以形成電路圖案，然后在光刻膠溶解的地方進(jìn)行蝕刻，將電路圖案永久地轉(zhuǎn)移到硅片上。光刻膠有特定的光刻工藝，如EUV，ArF浸沒，ArF，KrF和i線。中國(guó)大陸的瑞紅銷售適合≥350nm制程節(jié)點(diǎn)的i 線光刻膠。瑞紅2017年?duì)I收2100萬美元，占光刻膠市場(chǎng)的不到1%。Kempur則引進(jìn)了適合≥150nm節(jié)點(diǎn)的KrF光刻膠。中國(guó)公司，特別是Nata，也在開發(fā)適合于28nm以上節(jié)點(diǎn)的干ArF和ArF浸沒光刻膠。由于中國(guó)企業(yè)缺乏經(jīng)驗(yàn)和生產(chǎn)技術(shù)，且獲得某些原材料的機(jī)會(huì)有限，因此，光刻膠主要依賴進(jìn)口。

CMP材料：美國(guó)、日本、法國(guó)和中國(guó)大陸是CMP（Chemical mechanical planarization）材料的主要產(chǎn)地。CMP是一種使在制作過程中產(chǎn)生的圖層變平的過程，因此光刻可以成功地在它們上進(jìn)行。在CMP中使用的價(jià)值材料是化學(xué)漿料和拋光墊。在制造過程中，硅片與漿料一起放置在襯底上，拋光頭壓在硅片上并旋轉(zhuǎn)以使硅片平坦化。

CMP漿料市場(chǎng)規(guī)模為7.9億美元。美國(guó)的杜邦和卡博特微電子公司控制著CMP漿料市場(chǎng)份額的56%，另外34%由其他美國(guó)、日本和法國(guó)公司控制，剩下的10%由其它小公司分食，包括中國(guó)大陸的安集微電子，它在2017年的收入約為3100萬美元。

高端漿料，CMP墊市場(chǎng)規(guī)模為17億美元。截至2014年，杜邦（美國(guó))的市場(chǎng)份額為78%，F(xiàn)ujibo (日本)和卡博特(美國(guó)）各占4%~6%。中國(guó)大陸公司湖北鼎龍現(xiàn)在也開始生產(chǎn)CMP墊。

沉積材料：美國(guó)和日本是沉積材料的主要生產(chǎn)國(guó)，中國(guó)大陸也有能力生產(chǎn)其中許多材料。化學(xué)氣相沉積(CVD)是最常見的沉積方法，物相沉積(PVD)是另一種。通過濺射的形式在靶上發(fā)射氬離子，其原子被剝離并作為薄膜沉積在硅片上。截至2014年，日本JX Nippon在濺射靶材生產(chǎn)市場(chǎng)占有55%的份額，其他主要供應(yīng)商包括霍尼韋爾電子材料(美國(guó)）、TosohSMD（日本）和Praxair（美國(guó)）。

多年來，中國(guó)公司KFMI和Grikin一直在獲得市場(chǎng)份額，特別是以Tosoh和Praxair為代價(jià)。2017年，KFMI的收入為7800萬美元，Grikin的收入為3400萬美元。許多用于沉積的材料也是中國(guó)大陸大量開采的原材料的簡(jiǎn)單純化版本。

電子氣體：美國(guó)、法國(guó)、日本、德國(guó)和中國(guó)大陸都生產(chǎn)電子氣體，Merck（德國(guó))、Air Products (美國(guó))和Air Liquide(法國(guó)）在該市場(chǎng)處于領(lǐng)先地位。中國(guó)大陸的Nata光電材料在2017年的半導(dǎo)體材料收入為500萬美元，主要來源于電子氣體，包括化學(xué)氣相沉積和原子層沉積的前體。中國(guó)的Haute Gas制造各種氣體，2017年收入1.3億美元，其中包括電子氣體。其他中國(guó)大陸電子氣體生產(chǎn)商還包括金宏氣體公司和PERIC。

濕化學(xué)品：美國(guó)、德國(guó)和日本是的濕化學(xué)品生產(chǎn)國(guó)，該種材料廣泛用于半導(dǎo)體制造。超過60%的市場(chǎng)份額由KMG化學(xué)公司（美國(guó))、巴斯夫(德國(guó))、阿萬托(美國(guó))、霍尼韋爾(美國(guó))和關(guān)東化學(xué)公司(日本)占有。中國(guó)大陸也有許多生產(chǎn)廠商，如Runma銷售氟化氫、硝酸和其它化學(xué)品。JHM銷售某些高純度化學(xué)品，2017年的收入為5000萬美元。江陰化工試劑還銷售各種高純度化學(xué)品，Sinophorus出售磷酸和蝕刻液體，新陽銷售化學(xué)品和蝕刻液等，該公司2017年收入為3000萬美元。

封裝材料

日本主導(dǎo)封裝材料的生產(chǎn)，而包括美國(guó)和中國(guó)大陸在內(nèi)的其它國(guó)家也擁有一定的市場(chǎng)份額（見表19）。封裝涉及幾個(gè)步驟，例如，鍵合線將芯片連接到引線框架上，引線幀在芯片和外部器件之間傳輸數(shù)據(jù)，保護(hù)陶瓷封裝、塑料基板或封裝樹脂也可以與芯片結(jié)合。Die連接材料，包括聚合物和共晶合金，用于將芯片連接到封裝或基板上。

表19：封裝材料市場(chǎng)

結(jié)論

幾十年來，復(fù)雜和全球化的供應(yīng)鏈推動(dòng)半導(dǎo)體行業(yè)快速發(fā)展（由摩爾定律控制）。今天，半導(dǎo)體對(duì)美國(guó)來說是一項(xiàng)關(guān)鍵力量，美國(guó)仍然是供應(yīng)鏈關(guān)鍵環(huán)節(jié)的全球。美國(guó)及其盟友，特別是日本、荷蘭、中國(guó)臺(tái)灣、韓國(guó)、英國(guó)和德國(guó)，幾乎在半導(dǎo)體供應(yīng)鏈的每一環(huán)節(jié)都是技術(shù)和市場(chǎng)的。

盡管仍然落后，但中國(guó)大陸在多個(gè)領(lǐng)域日益挑戰(zhàn)這一領(lǐng)導(dǎo)力，特別是：中國(guó)正在迅速擴(kuò)大芯片設(shè)計(jì)和制造的市場(chǎng)份額，并計(jì)劃提高生產(chǎn)投入的能力，如果成功，中國(guó)可以重組全球供應(yīng)鏈，對(duì)美國(guó)產(chǎn)生重大影響。CSET題為“確保半導(dǎo)體供應(yīng)鏈”和“中國(guó)在半導(dǎo)體制造設(shè)備方面的進(jìn)展”的政策簡(jiǎn)報(bào)提供了支持美國(guó)發(fā)展的建議，以及盟國(guó)聯(lián)合優(yōu)勢(shì)。如果不采取一致行動(dòng)，這些優(yōu)勢(shì)將面臨風(fēng)險(xiǎn)。