劃重點：
1除了光刻機以外，在我國半導體龐大的產業鏈中，還有很多環節還處于發展的初期，比如半導體材料、半導體設備、EDA等方面，都是卡脖子的關鍵環節。
2半導體材料是芯片行業的根基。目前，國產半導體材料整體還相對薄弱，在品類豐富度和競爭力處于劣勢地位。
3半導體關鍵設備，目前全球市場基本被美日荷三國壟斷，這也是為什么這次美國拉攏日、荷來商討限制對中國出口先進芯片制造設備的協議的原因。
4自全球三大EDA巨頭大舉進入國內，再加上美國對華限制政策，影響了國內EDA的發展，EDA逐漸成為國內半導體產業鏈中最為薄弱的環節之一。
“芯事重重”策劃是《新產研》欄目重點研究的方向之一，本期聚焦國產芯片，除光刻機之外的制造難題。
光刻機作為半導體設備三大件之一，被譽為“半導體工業王冠上的明珠”。2023年1月，隨著美國拉攏日本、荷蘭達成新的限制對中國出口先進芯片制造設備的協議，將圍堵“中國芯”的事件推向了一個高潮，也成為了全民關注的焦點話題。
根據國家統計局發布的《中華人民共和國2021年國民經濟和社會發展統計公報》，2021年我國集成電路出口數量達3017億個，比上年增長19.6%，出口總額達9930億元，比上年增長23.4%；2021年集成電路進口數量為6355億個，比上年增長16.9%，進口總額為27935億元，比上年增長15.4%。作為對比，2021年原油進口總額約為1.66萬億元，芯片進口總額是原油的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題之一。
基于該背景情況下，近期業內有很多專家解讀了制造芯片的核心裝備——關于光刻機的重要性。其實，除了光刻機以外，在我國半導體龐大的產業鏈中，還有很多環節還處于發展的初期，國產芯片的崛起，任重而道遠，主要有三方面，需要我們關注：
第一，是作為芯片根基的材料，國內公司的市占率極低。第二，半導體設備方面，芯片的產出任何一個環節，沒有半導體設備的支撐，都難以完成芯片的交付，但目前國產率在全球市場中的占比中較低。第三，被譽為“芯片之母”的EDA領域，國產方面仍然受制于人。本文將從這幾個方面，剖析國內的現狀，進而為大家呈現一個清晰、立體的國產芯片產業格局。
01半導體材料：利潤不可觀，國產占有率低
有很多人都知道，芯片是由沙子制作的，但縱觀芯片制造的整個環節，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、引線框架、粘接材料等。如下圖是一個3D封裝芯片的示意圖：其中天藍色的是基板（PackageSubstrate），基板中存在引線（StandardPackageTrace）,灰色的是中介層（Siliconinterposer）,這些都芯片中必要的材料。
半導體材料是芯片行業的根基，芯片制造沒有原材料，就好比“巧婦難為無米之炊“。目前，國產半導體材料整體還相對薄弱，在品類豐富度和競爭力處于劣勢地位，2021年國內半導體材料國產化率僅約10%左右。
回望國內半導體材料發展的歷史，半導體是導電性介于導體和絕緣體中間的一類物質。與導體和絕緣體相比，半導體材料的發現是最晚的，直到20世紀30年代，當材料的提純技術改進以后，半導體的存在才真正被學術界認可。半導體領域的先驅科學家在半導體材料方面做出了巨大的努力，才讓今天國內在材料領域占有一小片天地。正如林蘭英院士所說：“如果不靠自己努力，也許很多材料我們現在都沒有”。
1955年6月，林蘭英在獲得賓夕法尼亞大學固體物理學博士學位，也是該校建校115周年以來第一位女博士。畢業之后，為了接近美國半導體材料研究的前沿，她在知名的希凡尼亞（英文稱“Sylvania”）半導體公司任高級工程師，并幫助公司解決了諸多技術難題，獲得了公司的器重。即使年薪豐厚，但他鄉再好也抵擋不住林蘭英報效祖國的決心，在掌握了固體材料研制方面的知識后，她便積極籌劃回國。
1957年，林蘭英以旅行為名領到一張簽證，沖破重重阻擾，毅然決然返回祖國。當時國內在半導體材料方面幾乎處于空白的狀態，林蘭英立即開展研究，并于1957年拉制成功第一根鍺單晶，于1958年拉制成功第一根硅單晶，中國也成為世界上第三個生產出硅單晶的國家。隨后林蘭英又著手于砷化鎵材料的研究，并成為世界上最早在太空制成半導體材料砷化鎵單晶的科學家。林蘭英是我國半導體材料科學的領路人與開拓者，沒有她在半導體領域的成就，國內在半導體領域會更加落后。
盡管相比光刻機，半導體材料所涉及的技術及高精尖儀器并不像光刻機那樣復雜。但因為國內在半導體材料領域的研究持續投入不足，加之這個行業的利潤相比其他科技領域，利潤并不盡如人意，導致目前國內的市占率較低。未來幾年，國家政策和基金開始向材料側傾斜，國產半導體材料廠商也迎來了機遇和挑戰。
02半導體設備：全球市場基本被美日荷三國壟斷
除了被“卡脖子”的光刻機，半導體領域還有很多關鍵設備。比如：自動測試設備、刻蝕機、離子注入機等，這些都是芯片產業鏈條里的關鍵環節。
首先說自動測試設備。在半導體產業鏈中，一顆芯片的生命周期開始于對市場需求的分析，跟隨著產品的定義、設計和制造，封裝完成以后交付到終端消費者手中，在整個流程中需要經過多次測試。而芯片自動測試設備中集成了眾多精密的儀器，整體的造價也十分昂貴，一臺價格也高達千萬美元。目前，全球半導體測試機主要市場仍被美國的泰瑞達、日本的愛德萬兩大海外龍頭占據，國產化依然有著很大的增長空間。
刻蝕機也是非常重要的裝備。隨著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和技術難度遞增。但目前刻蝕設備領域長期由海外龍頭壟斷。根據Gartner統計，全球刻蝕企業前三大分別是泛林半導體(中國臺灣）、東京電子（日本）、應用材料（美國），全球市占率合計91%。國內刻蝕設備生產廠商在全球刻蝕設備市場的市占率總計不足2%。不過，近些年來國內刻蝕廠商依托資本和政策扶持，有了快速的提升。例如中微公司的介質刻蝕已經進入臺積電7nm/5nm產線，是目前唯一進入臺積電產線的國產刻蝕設備生產商。
另外，離子注入是晶圓制造摻雜核心工藝，技術壁壘僅次于光刻、刻蝕、薄膜沉積。目前，本土晶圓廠一般會將7%~10%的設備開支用于離子注入機。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芯片，也無法正常工作。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。
我們需要關注的是：目前，半導體設備市場目前主要由美、日、荷三國企業基本壟斷。根據CINNOResearch的數據，2022年上半年十大半導體設備企業中，3家美國企業，5家日本企業，2家荷蘭企業，沒有一家中國企業。這也是為什么這次美國拉攏日、荷來商討限制對中國出口先進芯片制造設備的協議的原因。
除了集眾多高精尖技術的光刻機，其他半導體設備我國已經開始加速國產替代化的進程，但形勢依然不容樂觀，目前國內依然無法做到先進工藝的全流程國產化。在成熟工藝的市場上，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，但尚未完成產業鏈的完全國產化，目前落后的環節主要還是在關鍵設備和材料上。
03EDA：國產半導體產業鏈最為薄弱的環節之一
EDA被譽為“芯片設計之母”，盡管整個EDA市場規模只有百億美元，去撬動著約5000億美元的半導體市場規模，其杠桿效應顯著。在現代超大規模芯片設計中，EDA是不可或缺的一環。目前整個EDA產業大部分被三大EDA公司新思科技（Synopsys）、楷登電子（Cadence）、和西門子EDA所壟斷。
相比國外，我國的EDA起步并不算晚。1988年，國產EDA工具“熊貓系統”開始進入研發階段。20世紀90年代初，我國第一款具有自主知識產權的EDA工具——“熊貓ICCAD系統”上線，并獲得了1993年的國家科學技術進步一等獎。這款熊貓EDA上線不久，便在近20家設計公司投入使用，使用其完成了近200個芯片品種的設計，當時中國與世界領先水平的差距并沒有那么大。這不僅為國內ICCAD產品開發打下了良好的基礎，更重要的是形成了一支研究開發和工程化的技術隊伍。
1994年3月31日，巴黎統籌委員會宣布正式解散，彼時的國內EDA產業尚未形成規模，市場幾乎處于空白狀態。而與此同時，三大EDA巨頭大舉進入中國，并以價格低廉、技術成熟等優勢迅速收割市場，導致此后的十幾年里，國內EDA發展緩慢，再次進入沉寂期，被國外拉開差距。因此，EDA逐漸成為國內半導體產業鏈中最為薄弱的環節之一。
國內EDA發展的轉折點出現在2008年。這一年，國家核心電子器件、高端通用芯片及基礎軟件產品（核高基）等重大科技項目正式進入實施階段。在《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006-2020年）》文件中，EDA被列為國家十六個科技重大專項之一。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，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企業自此重整旗鼓再出發。
但是，從2018年開始，中興和華為接連受到美國制裁，為國內還處于初步發展中的EDA產業敲響了警鐘。2022年8月15日，美國商務部宣布對設計GAA晶體管結構集成電路所必需的EDA軟件實施出口管制。GAA晶體管結構主要用于3納米及以下的先進工藝，盡管目前的斷供對中國絕大部分芯片公司幾乎沒有影響，但這也堵住了未來國內高端芯片的設計之路，并且不排除未來美國在“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EDA工具在國內市場的銷售份額分別為6.2%、8.3%、11.5%。盡管規模依然很小，但市場占有率穩中有升。EDA的發展周期長、難度大，雖然羅馬不是一日建成的，但如果假以時日，相信國產EDA一定會穩定發展。
04國產芯片遭圍堵？三大招出擊
居安思危。我國并不是沒有準備，國家也正在出臺一系列的政策支持。后來者想居上，從來都不容易。國產芯片想要在三大巨頭的圍堵下突破重圍，勢必要打出一套強有力的組合拳，需要關注以下三個方面：
首先，是政策的扶持。事實上，我國在這方面已經做得足夠好，并且初見成效。比如：早在2014年6月，國務院印發了《國家集成電路產業發展推進綱要》，部署了集成電路產業2015年、2020年以及2030年的發展目標。2030年，產業鏈主要環節達到國際先進水平，實現跨越發展。明確提出開發光刻膠、大尺寸硅片等關鍵材料，加強集成電路制造企業和裝備、材料企業的協作，加快產業化進程，增強產業配套能力，
2015年國家出臺《中國制造2025》，提出要形成關鍵制造設備的供貨能力;2017年《集成電路產業“十三五”發展規劃建議》提出將關鍵設備和材料進入國際采購體系，基本建成技術先進、安全可靠的集成電路產業體系。2021年《“十四五”國家信息化規劃》提出加快集成電路設計工具等特色工藝的突破，加強集成電路等關鍵前沿領域的戰略研究布局和技術融通創新。
2020年國務院發布《新時期促進集成電路產業和軟件產業高質量發展若干政策》，對半導體產業的稅收、投融資、研究開發政策等八個方面做出深化指引。當下，全球半導體行業政策已進入密集區，國內產業政策有望隨著行業深化發展不斷演進，朝著產業自主可控的政策目標不斷前進。目前多省市也發布了和半導體材料相關的產業政策。
EDA方面，在《中國制造2025》中針對集成電路產業的市場規模、產能規模等提出了具體的量化目標,其中提出2025年包括EDA的集成電路設計業產值達到600億美元,全球占比達35%。
另外，各省市也陸續推出了關于EDA的若干政策。如深圳市于2022年6月發布政策《深圳市培育發展半導體與集成電路產業集群行動計劃（2022-2025年）》，旨在集聚一批EDA工具開發企業和專業團隊，加強EDA工具軟件核心技術攻關，推動EDA工具軟件實現全流程國產化；2021年12月，上海市發布《新時期促進上海市集成電路產業和軟件產業高質量發展若干政策》，宣布對于EDA重大項目新增投資可放寬到不低于5000萬元；2021年8月，北京市發布《北京市“十四五”時期高精尖產業發展規劃》，聚力突破EDA工具的研發和產業化等。
其次，持續增加研發投入。據統計，中國研發費用率排名前50的科技公司中，上榜最多是計算機軟件與服務行業，一共15家公司上榜；其次是芯片半導體行業，有14家公司上榜。這一組數據表明了芯片公司重研發的屬性。另外，根據11家主要中國半導體設備公司（北方華創、中微公司、芯源微、華峰測控、至純科技、拓荊科技、盛美上海、華海清科、長川科技、精測電子、晶盛機電）的財務指標統計，2022Q1-Q3，研發費用合計同比增長了59%。
雖然國產研發投入在持續增長，但整體的研發投入和芯片巨頭仍有不小的差距。據行業分析機構ICInsights的數據顯示，半導體巨頭的英特爾、臺積電、三星這三家公司加起來，就貢獻了全球45.3%的研發支出額度。國產芯片的研發投入還需不斷加碼。
第三，注重芯片領域相關人才的培養。當前國內芯片人才總量不足，主要是高端芯片人才稀缺，半導體“搶人”氛圍充斥，企業招人困難。根據獵聘發布的《半導體行業：半導體/芯片人才趨勢》研究報告顯示，2020年中國半導體產業從業人數54.1萬，同比增長5.7%，預計到2023年前后人才需求達到76.6萬人左右，人才缺口將近23萬。
從具體崗位來看，創新型、研發型人才等高級研發人才的供需矛盾明顯。數據顯示，在設計端，模擬設計工程師、射頻設計工程師、CPU架構師、信號完整性工程師等研發工程師最為緊缺，這部分人都是芯片研發端的主力。
我國的半導體行業已經來到了十字路口，盡管面臨著多方面的壓力和困境，國產芯片自主化的發展道阻且長，但也難以抵擋我們前進的腳步。盡管這是一段漫長的旅途，也許需要10年，甚至20年，我們才能走出一條暢通的路，但芯片行業的發展沒有捷徑。最后，也期望每位讀者能了解芯片、認識芯片，或者更進一步的投身到這個行業中，實現自身價值，勇攀科技的珠峰。
