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“缺芯”之痛與世界半導體江湖

日期:2021/9/23 10:35:51
摘要:2019年5月,美國商務部將華為列入實體清單,禁止美國企業向華為出口技術和零部件;2020年5月,美國進一步升級對華為貿易禁令,要求凡使用了美國技術或設計的半導體芯片出口華為時,必須得到美國政府的許可證,進一步切斷華為通過第三方獲取芯片或代工生產的渠道。

2019年5月,美國商務部將華為列入實體清單,禁止美國企業向華為出口技術和零部件;2020年5月,美國進一步升級對華為貿易禁令,要求凡使用了美國技術或設計的半導體芯片出口華為時,必須得到美國政府的許可證,進一步切斷華為通過第三方獲取芯片或代工生產的渠道。
此前,高通、英特爾和博通等美國公司都向華為提供芯片,用于華為智能手機和其他電信設備,華為手機使用谷歌的安卓操作系統。華為自研的麒麟高端手機芯片,也依賴臺積電代工。隨著美國芯片禁令實施,華為手機業務遭遇重創,消費者業務收入大幅下滑,海外市場拓展也受到影響。
美國憑借芯片技術優勢對中國企業“卡脖子”,使半導體產業陡然成為中美科技競爭的風暴眼。“缺芯”之痛,突顯了中國半導體產業的技術短板。它如一記振聾發聵的警鐘,驚醒國人看清國際科技競爭的殘酷現實。
半導體產業是科技創新的龍頭和先導,在信息科技和高端制造中占據核心地位。攻克半導體核心技術難題,解決高端芯片受制于人的現狀,成為中國高科技發展和產業升級的當務之急。
全球半導體版圖

半導體產業很典型地體現了供應鏈的全球化,各國在半導體產業鏈上分工協作,相互依賴。美國、韓國、日本、中國、歐洲等國家或地區發揮各自優勢,共同組成了緊密協作的全球半導體產業鏈。
根據美國半導體行業協會發布的最新數據,美國的半導體企業銷售額占據全球的47%,排名第二的是韓國,占比為19%,日本和歐盟半導體企業銷售額占比均為10%,并列第三。中國臺灣和中國大陸半導體企業銷售額占比分別為6%和5%。
具體來看,美國牢牢控制半導體產業鏈的頭部,包括最前端EDA/IP、芯片設計和關鍵設備等。具體而言,在全球產業鏈總增加值中,美國在EDA/IP上,占據74%份額;在邏輯芯片設計上,占據67%;在存儲芯片設計上,占據29%;在半導體制造設備上,占據41%。
日本在芯片設計、半導體制造設備、半導體材料等重要環節掌握核心技術;韓國在存儲芯片設計、半導體材料上發揮關鍵作用;歐洲在芯片設計、半導體制造設備和半導體材料上貢獻突出;中國則在晶圓制造上發揮重要作用。
中國大陸在全球晶圓制造(后道封裝、測試)增加值占比高達38%;中國臺灣在全球半導體材料、晶圓制造(前道制造、后道封裝、測試)增加值占比分別達到22%和47%。
以上國家和地區構成了全球半導體產業供應鏈的主體。
芯片是人類智慧的結晶,芯片制造是全球頂尖的高端制造產業之一,是典型的資本密集和技術密集行業。制造的過程之復雜、技術之尖端、對制造設備的苛刻要求,決定了芯片產業鏈的復雜性。半導體制造中的大部分設備,包含了數百家不同供應商提供的模塊、激光、機電組件、控制芯片、光學、電源等,均需依托高度專業化的復雜供應鏈。每一個單一制造鏈條都可能匯集了成千上萬的產品,凝聚著數十萬人多年研發的積累。
芯片技術也涉及廣泛的學科,需要長時期的基礎研究和應用技術創新的成果累積。舉例來說,一項半導體新技術方法從發布論文,到規模化量產,至少需要10-15年的時間。作為全球最先進的半導體光刻技術基礎的極紫外線EUV應用,從早期的概念演示到如今的商業化花費了將近40年的時間,而EUV生產所需要的光刻機設備的10萬個零部件來自全球5000多家供應商。
芯片制造的復雜性,創造了一個由無數細分專業方向組成的全球化產業鏈。在半導體市場中,專業的世界級公司通過幾十年有針對性的研發,在自己擅長的領域建立了牢固的市場地位。比如,荷蘭ASML壟斷著世界光刻機的生產;美國高通、英特爾、韓國三星、中國臺灣的臺積電等也都形成了各自的技術優勢。目前全世界最先進制程的高端芯片幾乎都由臺積電和三星生產。
中美芯片供應鏈各有軟肋

“缺芯”,不僅困擾著中國企業。
自去年下半年以來,受新冠疫情及美國貿易禁令干擾,芯片產能及供應不足,全球信息產業和智能制造都遭遇了嚴重的“芯片荒”。
隨著新一輪新冠疫情在東南亞蔓延,汽車行業芯片短缺進一步加劇,全球三家最大的汽車制造商裝配線均出現中斷。豐田稱 9 月全球減產 40%。美國車企也不能幸免,福特汽車旗下一家工廠暫停組裝 F-150 皮卡,通用汽車北美地區生產線停工時間也被迫延長。
蔓延全球的芯片荒,迫使各國對全球半導體供應鏈的安全性、可靠性進行重新審視和評估。中美兩個大國在半導體供應鏈上各有優勢,也各有軟肋。
中國芯片產業起步較晚,但近年來加速追趕。根據中國半導體行業協會統計,2020年中國集成電路產業銷售額為8848億元,同比增長17%,5年增長了超過一倍。其中,設計業銷售額為3778.4億元,同比增長23.3%;制造業銷售額為2560.1億元,同比增長19.1%;封裝測試業銷售額2509.5億元,同比增長6.8%。中國2020年出口集成電路2598億塊,出口金額1166億美元,同比增長14.8%。
中國芯片核心技術與美國有較大差距,主要突破在芯片設計領域,芯片設計水平位列全球第二。在制造的封測環節也不是我們的短板。中國芯片制造的短板主要在三方面:核心原材料不能自己自足、芯片制造工藝與國際領先水平有較大差距、關鍵制造設備依賴進口。
由于不能獨立完成先進制程芯片的生產制造,大量高端芯片依賴進口。2020年中國進口芯片5435億塊,進口金額3500.4億美元。
美國是世界芯片頭號強國,擁有世界領先的半導體公司,但其核心能力是主導芯片產業鏈的前端,包括設計、制造設備的關鍵技術等,但上游資源和制造能力也依賴國外。美國在全球半導體制造市場的市占率急速下降,從 1990 年 37%_滑落至目前 12%左右。
波士頓咨詢公司和美國半導體行業協會在今年4月聯合發布的《在不確定的時代加強全球半導體產業鏈》的報告顯示,若按設備制造/組裝所在地統計,2019年中國大陸半導體企業銷售額占比高達35%;美國則排名第二,銷售額占比為19%。
世界芯片的主要制造產能集中在亞洲, 2020 年中國臺灣半導體產能全球占比為 22%,其次是韓國 21%,日本和中國大陸皆為 15%。這意味著美國在芯片的制造和生產環節,也存在很大的脆弱性。這也是伴隨東南亞疫情爆發導致芯片產業鏈產能受限,美國同樣遭遇“芯片荒”的原因。
對半導體產業鏈脆弱性的擔憂,推動美國加大對半導體產業的投資和政策扶持。今年5月美國參議院通過一項兩黨一致同意的芯片投資法案,批準了520億美元的緊急撥款,用以支持美國半導體芯片的生產和研發,以提升美國國內半導體產業鏈的韌性和競爭力。今年2月24日,美國總統拜登簽署一項行政命令,推動美國加強與日本、韓國及中國臺灣等盟國/地區合作,加速建立不依賴中國大陸的半導體供應鏈。
除了產能問題,美國在全球半導體競爭中的另一個軟肋就是對中國市場的依賴。中國是全球最大的半導體需求市場,每年中國半導體的進口額都超過3000億美元,大多數美國半導體龍頭企業至少有25%的銷售額來自中國市場。可以說,中國是美國及全球主要半導體供應商的最大金主。如果失去中國這個最富活力、最具成長性的市場,那么依賴高資本投入的美國各主要芯片供應商的研發成本將難以支撐,影響其研發投入及未來競爭力。
這從另一方面說,恰是中國的優勢,中國龐大的市場需求和發展空間,足以支撐芯片產業鏈的高強度資本投入與技術研發,并推動技術和產品迭代。
“中國芯”提速

隨著中國推進《中國制造2025》,芯片制造一直是中國科技發展的優先事項。如今,美國在芯片供應和制造上進行霸凌式斷供,使中國構建自主可控、安全高效的半導體產業鏈的目標更加緊迫。
客觀上,半導體產業鏈需要各國協作,這從成本和技術進步角度,對各國都是互利共贏。但美國的斷供行為改變了傳統的商業與貿易邏輯。在大國競爭的背景下,對具有戰略意義的半導體和芯片產業鏈,安全、可靠成為主導的邏輯。
中國要成為制造強國,實現在全球產業鏈、價值鏈的躍升,擺脫關鍵技術受制于人的困境,芯片制造這道坎兒就必須跨過。
隨著越來越多的中國高科技企業被列入美國實體清單,迫使半導體產業鏈中的許多中國企業不得不“抱團取暖”,攜手合作,努力尋求供應鏈的“本土化”。“中國芯”突圍,成為中國科技界、產業界不得不面對的一場“新的長征”。中國半導體產業進入攻堅期,也由此迎來發展的重大戰略機遇期。
在國家“十四五”規劃和2035遠景目標綱要中,把科技自立自強作為創新驅動的戰略優先目標,致力打造“自主可控、安全高效”的產業鏈、供應鏈;國家將集中資金和優勢科技力量,打好關鍵核心技術攻堅戰,在卡脖子領域實現更多“由零到一”的突破。國家明確提出到2025年實現芯片自給率70%的目標。
2020年8月,國務院印發《新時期促進集成電路產業和軟件產業高質量發展的若干政策》,瞄準國產芯片受制于人的短板,在投融資、人才和市場落地等方面進一步加大政策支持,助力打通和拓展企業融資渠道,加快促進集成電路全產業鏈聯動,做大做強人才培養體系等。
全國多地制定半導體產業發展規劃和扶持政策,積極打造半導體產業鏈。長三角地區是我國半導體產業重點聚集區,深圳市則是珠三角地區集成電路產業的龍頭,京津冀及中西部地區的半導體產業也正在加快布局。
作為中國創新基地,上海市政府6月21日發布《戰略性新興產業和先導產業發展“十四五”規劃》,其中集成電路產業列為第一位的發展項目,提出產業規模年均增速達到20%左右,力爭在制造領域有兩家企業營收進入世界前列,并在芯片設計、制造設備和材料領域培育一批上市企業。
上海市的規劃中,對芯片制造也制定出具體目標和實施路徑:加快研制具有國際一流水平的刻蝕機、清洗機、離子注入機、量測設備等高端產品;開展核心裝備關鍵零部件研發;提升12英寸硅片、先進光刻膠研發和產業化能力。到2025年,基本建成具有全球影響力的集成電路產業創新高地,先進制造工藝進一步提升,芯片設計能力國際領先,核心裝備和關鍵材料國產化水平進一步提高,基本形成自主可控的產業體系。
上海聯合中科院和產業龍頭企業,投資5000億元,打造世界級芯片產業基地:東方芯港。目前東方芯港項目已引進40余家行業標桿企業,初步形成了覆蓋芯片設計、特色工藝制造、新型存儲、第三代半導體、封裝測試以及裝備、材料等環節的集成電路全產業鏈生態體系。
在國家政策指引和強勁市場的驅動下,國家、企業、科研機構、大學、社會資金等集體發力,中國芯片行業正展現出空前的發展動能和勢頭。
在外部倒逼和內部技術提升的共同作用下,中國芯片產業第一次迎來資金、技術、人才、設備、材料、工藝、設計、軟件等各發展要素和環節的整體爆發。國產芯片也在加速試錯、改造、提升,正在經歷從“不可用”到“基本可用”、再到“好用”的轉變。
中國終將重構全球半導體格局

中國芯片制造重大技術突破接踵而至:
中微半導體公司成功研制了5納米等離子蝕刻機。經過三年的發展,中微公司5納米蝕刻機的制造技術更加成熟。該設備已交付臺積電投入使用。 上海微電子已經成功研發出我國首款28納米光刻機設備,預計將在2021年交付使用,實現了光刻機技術從無到有的突破。 中芯國際成功推出N+1芯片工藝技術,依托該工藝,中芯國際芯片制程不斷向新的高度突破,同時成熟的28納米制程擴大產能。 7月29日,南大光電承擔的國家科技重大專項“極大規模集成電路制造裝備及成套工藝”之光刻膠項目通過了專家組驗收。 8月2日青島芯恩公司宣布8寸晶圓投片成功,良率達90%以上,12寸晶圓廠也將于8月15日開始投片。 2017年,合肥晶合集成電路12寸晶圓制造基地建成投產,至2021年合肥集成電路企業數量已發展到近280家。
中國半導體行業集中蓄勢發力,在關鍵技術和設備等瓶頸領域,從無到有,由易入難,積小成而大成,關鍵技術和工藝水平正在取得整體躍遷。
小成靠朋友,大成靠對手。某種意義上,我們應該感謝美國的遏制與封鎖,逼迫我們在芯片和半導體行業加速擺脫對外部的依賴。
回望新中國科技發展史,凡是西方封鎖和控制的領域,也是中國技術發展最快的領域:遠的如兩彈一星、核潛艇,近的如北斗導航系統以及登月、空間站、火星探測等航天工程。在外部壓力的逼迫下,中國科技與研發潛能將前所未有地爆發。
實際上,中國的整體科技實力與美國的差距正在迅速縮小。在一些尖端領域,比如高溫超導、納米材料、超級計算機、航天技術、量子通訊、5G技術、人工智能、古生物考古、生命科學等領域已經居于世界前沿水平。
英國世界大學新聞網站8月29日刊發分析文章,梳理了中國科技水平的顛覆性變化:
在創新領域,中國在全球研發支出排名第二,全球創新指數在中等收入國家中排名第一,正在從創新落伍者轉變為創新領導者。
人才方面,擁有龐大的高端理工人才庫,中國已是知識資本的重要創造者,美中科技關系從高度不對稱轉變為在能力和實力上更加對等。
技術轉讓方面,中國從單純的學習者和技術接收者,轉變為技術轉讓的來源和跨境技術標準的塑造者。
人才回流,中國正在扭轉人才流失問題,積極從世界各地招募科學和工程人才。
這些變化表明,中國科技整體實力已經從追趕轉變為能夠與國際前沿競爭,由全球科技中的邊緣角色轉變為具有重要影響力的國家之一。
中國的基礎研究水平也在突飛猛進。據《日經新聞》8月10日報道,在統計2017年至2019年間全球被引用次數排名前10%的論文時,中國首次超過美國,位居榜首位置。報道還著重指出中國在人工智能領域相關論文總數占據20.7%,美國為19.8%,顯示中國在人工智能領域的研究成果正在超越美國。
另有日本學者在研究2021QS世界大學排名后,發現世界排名前20的理工類大學中,中國有7所上榜,清華大學居于第一位,而美國有5所。如果進一步細分到“機械工程”、“電氣與電子工程”,中國大學在排名前20中的數量更是全面碾壓美國。
芯片技術反映了一個國家整體科技水平和綜合研發實力,中國的基礎研究、應用研究、人才實力具備了突破芯片核心技術的基礎和能力。
正如世界光刻機龍頭企業——荷蘭ASML總裁溫尼克今年4月接受采訪時所說:美國不能無限打壓中國,對中國實施出口管制,將逼迫中國尋求科技自主,現在不把光刻機賣給中國,估計3年后中國就會自己掌握這個技術。“一旦中國被逼急了,不出15年他們就會什么都能自己做。”
溫尼克的憂慮,正在一步步變成現實。全球半導體產業正進入重大變革期,中國在芯片制造領域的發憤圖強,正在改寫世界半導體產業的競爭格局。
中國的市場優勢加上國家政策優勢、資金優勢以及基礎研究的深入,打破美國在芯片制造領域的技術壟斷和封鎖,這一天不會太遙遠。

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