全球半导体供应链评估:中国什么水平?

半导体行业观察 · 半导体行业观察·2021-02-17 10:53

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来源:内容由半导体行业观察(ID:icbank)编译自CSET,谢谢。


概 要

先进的计算机芯片不仅推动了军事能力的发展,也推动了经济和科学的发展。这些芯片由复杂的供应链生产,而这些供应链的全球分布和相关能力在各国的分布对未来的技术竞争和国际安全具有重大影响。然而,供应链的复杂性和不透明性使政策制定变得困难。要避免不可预测的危害,就需要详细了解整个供应链以及该供应链各环节的国家竞争力。


为了帮助决策者了解全球半导体供应链,我们将这些供应链拆分开来看,并识别出与决策者最相关的特征,因为它们要么提供了技术控制的潜在目标,要么限制了可用的政策。CSET杂志的另一期简报题为“美国《半导体出口到中国:当前的政策和趋势》概述了目前如何对半导体供应链实施出口控制。CSET的配套政策简报题为“确保半导体供应链”和“中国在半导体制造设备方面的进步”,根据本文的分析提供了政策建议,以维持美国和盟国的优势。


美国及其盟友是全球半导体供应链的领导者,而中国大陆相对落后。美国半导体产业贡献了全球半导体供应链总价值的39%。美国的盟国和地区——日本、欧洲(特别是荷兰、英国和德国)、中国台湾和韩国——总共贡献了53%。这些国家和地区在几乎每个供应链环节上都享有竞争优势。虽然中国大陆的贡献仅为6%,但它正在许多领域迅速发展能力,并可能试图重新配置有利于自己的供应链,从而影响国家和国际安全。


在高层次上,半导体供应链包括研发、生产、生产投入和最终使用的分销。研发支撑着所有的生产及其投入。半导体生产包括三个部分:(1)设计,(2)制造,(3)封测(ATP)。生产依赖于供应链的相关元素:半导体制造设备(SME)、材料(包括形成芯片的“晶片”)、设计软件(称为电子设计自动化,或EDA,软件)和与芯片设计相关的知识产权(称为核心IP)。这一过程中价值最高、技术最复杂的部分是生产的设计和制造环节,以及供应链中的SME部分。虽然是在供应链中占据很小,但EDA和核心IP也很关键,这需要大量的专业知识。而ATP是一种劳动密集型行业,进入门槛最低。


美国及其盟友专注于不同的供应链领域。美国在研发方面占据主导地位,在各个领域都拥有强大的能力。然而,它缺乏某些关键子部门的企业,特别是光刻工具(SME中最昂贵和最复杂的形式)和最先进的芯片工厂(特别是为第三方制造芯片的“代工厂”)。韩国几乎参与所有生产步骤,也生产大量的材料和一些半导体设备。台湾在最先进的制造和ATP方面占主导地位,并生产一些材料。相比之下,日本专注于半导体设备和材料,并生产许多较老的技术半导体。同时欧洲(特别是荷兰、英国和德国),专门从事半导体设备(特别是光刻工具)、材料和核心IP。


中国大陆在一些领域取得了进步,但在另一些领域仍存在困难。中国大陆在封测、组装和封装工具以及原材料方面最强大。在政府的支持下,其在设计和制造方面正在取得进展。然而,中国在生产投入方面举步维艰:半导体设备、EDA、核心IP和某些用于制造业的材料。


言与概述


价值5000亿美元的半导体供应链是世界上最复杂的供应链之一。单个计算机芯片的生产通常需要1000多个步骤,通过国际边界70次或更多次,才能到达最终客户手中、为了避免不可预测的伤害,政策制定者必须了解各个行业的供应链和国家竞争力。本报告旨在提供这样的评估。虽然它描绘了所有关键国家和地区的国家竞争力,但它关注的是中国在各个领域的发展。除特别说明外,本报告的数据是截至2019年的数据,国家和地区的市场份额是基于公司总部,而不是运营地点。然而,公司总部可能无法充分体现国家的竞争力。例如,许多美国公司在中国和其他国家保留了大量业务。

总体来看,供应链主要包括七个部分(图1)。

图1:半导体供应链
*注:蓝色:供应链各个环节;紫色:生产的商业模式

研发推动了供应链的各个环节。它包括基础技术的竞争前探索性研究和直接推进半导体技术前沿的竞争研究。

生产需要三个主要步骤:设计、制造、封测(ATP)。这些步骤要么发生在一个单独的公司——销售芯片的集成设备制造商(IDM)——要么发生在单独的公司,没有晶圆厂的公司设计和销售芯片,交给代工公司来做,从外包的半导体组装和测试(OSAT)公司购买封测服务。生产需要几个其他辅助:材料、半导体制造设备(SME)、电子设计自动化(EDA)和核心知识产权(IP)。下面是生产步骤的总结,以及它们如何使用这些辅助部分。

设计包括规范、逻辑设计、物理设计以及确认和验证。规范决定了芯片应该如何在使用它的系统中操作。逻辑设计创建一个相互连接的电子元件的原理图模型。 物理设计将这个模型转化为电子组件和互连(连接组件的电线)的物理布局。确认和验证确保基于设计的芯片能够按预期运行。EDA是用来设计芯片的软件。

直到20世纪70年代,芯片中几乎没有电子元件,工程师们都是手工绘制设计。今天,芯片包括数十亿相互连接的晶体管和其他电子元件。为了解决这些复杂的元件,芯片设计者使用EDA软件的自动设计工具。核心IP由设计的可重用模块化部分组成,允许设计公司授权并将其纳入设计中。

制造依靠半导体设备和材料将设计变成芯片。首先,一个熔炉形成一个硅圆柱体(或其他半导体材料),然后将其切割成圆盘状晶圆片(图2中的第一张图像)。晶圆厂通过两个步骤在这些晶圆片上制造芯片:在硅的材料层中形成晶体管和其他电子设备;以及在硅上面的绝缘层中形成电气设备之间的金属互连。电气设备和互连线一起构成电路。一个芯片可能总共包含几十层。下面是一个如何形成一个单层的例子。

首先,“沉积”工具添加一层材料,将形成一个新的永久层的基础。然后,一种叫做“光蚀刻”的过程在该层中绘制电路图案,首先在沉积的材料上涂上一层“光刻胶”。一个光刻工具让光通过一个“光掩膜”——一个带有电路图案的透明板——把图案转移到光刻胶上。(光罩本身是用光刻工具制作的。)光根据电路图案溶解部分光刻胶。

“蚀刻”工具将光刻胶中新创建的图案雕刻到光刻胶下面的永久层。随后,光刻胶被移除,蚀刻材料从层中清除。(其他时候,不是蚀刻,而是用一种叫做“离子注入”的过程将原子嵌入到层中。)然后,完成的层被压平(这个过程被称为“化学机械压平”),允许添加新的层,然后这个过程又开始。在整个制造过程中,“制程控制”工具检查晶圆及其层,以确保没有错误。

组装、测试和封装开始于切割一个成品晶圆(在制造后以网格模式包含数十个晶圆(图2中的第二个图像))到单独的晶圆。每个芯片都安装在一个有电线的框架上,该框架将芯片与外部设备连接起来,并封装在一个保护外壳中。这将产生一个边缘有金属针的深灰色矩形的最终外观(图2中的第三个图像)。该芯片还将进行测试,以确保其按照预期运行。ATP还需要各种材料。

上面的描述过度简化了技术流程,但是传达了涉及的高级步骤。实际上,每一个单独的步骤都是非常复杂的,需要几个子步骤。而制造过程的原子精度要求洁净室没有可能干扰芯片制造的灰尘颗粒。

最终用途涉及分布集成到芯片的产品——智能手机、笔记本电脑、服务器、通信设备和汽车等。

图2:芯片制造过程

总部位于六个国家和地区的公司几乎控制了整个供应链。表1给出了CSET对每个供应链段半导体价值贡献的估计(紫色部分)。这些值加起来等于100%。各供应链环节的增加值计算见附录A。它还展示了供应链各环节的区域市场份额(绿色)。

表1还提供了每个地区对全球供应链的总附加值(蓝色部分)。每个值都是一个地区在所有供应链领域的市场份额的加权平均值。权重是每个部门的增加值加权。由于缺乏数据,表1不包括晶圆以外的fab材料(增加值4.1%)和封装材料(增加值3.5%)。前者通常由晶圆厂购买;后者由ATP设施提供。

因此,非晶圆fab材料和封装材料的价值分别被纳入“fab”和“ATP”中。美国总体上是世界领先的,而韩国、日本、中国台湾和欧洲(特别是荷兰、英国和德国)在其他先进领域拥有世界领先的公司。

表1:按供应链各部分和公司总部分列的半导体增加值和市场份额
资料来源:CSET计算,财务报表,WSTS, SIA, SEMI, IC Insights, Yole, VLSI研究
*注:色彩强度与值的大小有关。

美国在大多数领域都很强大(表2)。但是值得注意的例外是如一些fab工具的生产,如光刻设备和晶圆材料等。美国也缺乏尖端的纯逻辑芯片代工厂。(代工是指为第三方客户生产芯片的工厂,这与总部位于美国的英特尔不同,后者的尖端逻辑芯片厂根据英特尔自己设计的芯片生产芯片。)然而,这些能力都是由美国的盟友主导的。总而言之,美国及其盟友在供应链的每一个环节都具有国际竞争力——简而言之,如果加上盟友,表2将变成绿色。

* 注:绿色:高能力(具有国际竞争力);黄色:温和的能力;
橙色:低功能;红色:最低限度或没有能力;粗体:高级类别;
未加粗的:在高级类别内并列在下面的项目。根据作者的分析,如下节所总结的。

中国总体上落后,但在某些领域正在进步(表3)。中国在ATP、组装和封装工具以及原材料方面表现突出。它在设计、制造、CMP工具和一些蚀刻和清洁工具方面有适度和不断增长的能力。中国在其它领域也面临挑战,包括多数半导体设备业。它最大的弱点是EDA,核心IP,一些芯片材料(特别是光刻胶),领先的逻辑芯片能力,和某些SME。这些SME包括光刻工具(最重要的是,极端紫外线扫描仪和氩气氟化物浸泡扫描仪),制程控制工具,测试工具,原子层蚀刻,晶圆和掩模处理工具,先进沉积工具,和一些离子注入器。这些弱点——根据表3,中国的能力较低、最小或根本没有能力——是“瓶颈”。“它们涉及美国及其盟国专门生产的先进芯片生产所必需的产品。

表3:中国供应链各环节的竞争力
* 注:绿色:高能力(具有国际竞争力);黄色:温和的能力;橙色:低功能;红色:最低限度或没有能力;粗体:高级类别;未加粗的:在高级类别内并列在下面的项目。根据作者的分析进行评级,如下节所总结。

以下每一节详细介绍了每个国家和地区的国家竞争力(特别是中国),包括研发、生产(设计、制造和ATP)、SME、EDA、核心IP和材料。(本报告没有进一步讨论半导体的分销和最终用途。)虽然可以按顺序阅读下面的章节,但读者可以分别查看每个章节以获得该部分的概述。

在半导体研发方面,相比其他国家,美国处于决定性的领先地位,并将其输送到所有其他供应链部门。半导体研发工作大部分是由私营企业完成的。

图3按公司总部分列的半导体行业研发情况。从全球来看,半导体行业在2013年至2018年以每年3.6%的复合年增长率增长,2018年的研发支出为646亿美元。2019年,美国半导体行业以398亿美元的研发支出遥遥领先,2018年研发支出排名前10位的半导体公司中有5家是美国半导体行业。相比之下,2018年中国半导体企业在半导体研发上的支出仅为26亿美元。图3中不包括的国家在半导体行业研发中所占的比例很小。行业研发主要是私有的,但许多半导体公司与竞争对手合作进行研发。一项针对12家主要半导体公司的调查发现,有近200个研究合作项目。

图3:2018年美国企业引领半导体行业研发
数据来源:SIA,SemiWiki

美国半导体行业的研发支出占半导体销售额的比例最高,为16.4%,中国为8.3%(图4)。

图4:2019年,美国半导体企业的研发投入高于同行
数据来源:SIA

美国、韩国、日本、中国台湾和荷兰当局在半导体研发方面只扮演了次要角色。2019年,美国政府在半导体研发上投入了60亿美元。其中17亿美元直接用于半导体行业,43亿美元用于相关技术领域(如工程、计算机科学、数学和物理科学)。除了直接的研发资金,许多政府还通过研发税收减免或其他资金来补贴半导体公司——低于市场的融资和资本投资和企业收入的税收减免——企业可以将其转向研发。

相比之下,中国政府每年对半导体行业的补贴约为150亿美元。这些补贴在接受补贴的公司收入中所占的比例是远高于其他国家的。然而,中国的补贴在绝对值上与许多其他国家的政府提供的补贴几乎相当,因为全球领先的半导体公司比中国的半导体公司产生的收入要多得多。此外,中国的研发税收减免只是其总补贴的一小部分,从绝对值上看,比美国的研发税收减免要小得多。

半导体产品


美国、韩国、欧洲、日本、中国台湾和中国大陆是半导体设计、制造、装配、测试和封装的重点国家和地区。2019年,半导体拥有4123亿美元的销售额,其中数字和内存芯片占了最大的份额(图5)。

图5:2019年半导体市场
来源: WSTS
* 注:数字芯片包括微处理器和微控制器。

半导体生产有两种商业模式。在“集成器件制造”(IDM)模型中,同一家公司执行所有生产步骤。在“无晶圆厂+代工”(fabless+foundry)模式中,不同的公司执行不同的步骤。fabless公司设计和销售芯片,但从代工厂购买制造服务,从外包的半导体组装和测试(OSAT)公司购买组装、测试和封装服务。IDM通常生产内存芯片、模拟芯片、光电子器件、传感器和分立器件(OSD)。这两种模式的公司都会生产逻辑数字芯片。图6和图7显示了按业务模式划分的芯片销售和国家/地区份额。

来源:SIA, IC Insights, Yole, CSET estimates

以下各小节分为:设计、制造和ATP的区域竞争力。每个章节合并了IDM和在fabless+foundry 模式下运营的公司的数据。

设计


美国、韩国、欧洲、日本、中国台湾和中国大陆几乎承担了世界上所有的半导体设计。美国在数字和模拟芯片方面领先,韩国在存储芯片方面领先,欧洲在分立器件方面领先。中国设计了许多数字芯片——尽管大多数芯片无法与最先进的美国芯片竞争——以及一些分立器件,同时也开始设计内存芯片(图8和表4)(市场份额和规模是为半导体销售,其中包括从设计以外的步骤增加的价值。然而,由于同一家公司通常设计和销售一种半导体——即使它经常外包制造和ATP——这些市场份额与设计活动的份额密切相关。)本节重点介绍某些高端数字芯片和最常见的内存芯片。

图8:2019年IC设计市场份额(按照类型和地区划分)
资料来源:SIA、 IC Insights、TrendForce以及财务报表
* 注:中国在 CPUs、GPUs和FPGA上的份额很小(<1%)

表4:2019年芯片设计市场情况及中国竞争力

数字芯片


数字芯片对数据(0和1)执行计算以产生输出。它们包括微处理器(例如中央处理单元(CPU))、微控制器、数字信号处理器、现场可编程门阵列(FPGA)、图形处理单元(GPU)和其他芯片。世界上大部分数字芯片都是美国设计的,韩国、欧洲、日本、中国台湾和中国大陆各占一小部分。

中国的设计行业主要由为国防、电信和金融等行业设计数字芯片的无晶圆厂公司组成。华为的子公司海思和清华紫光的子公司紫光展锐主导了中国的无晶圆厂领域。这些公司生产智能手机处理器和其他芯片。在全球收入排名前10位的无晶圆厂企业榜单中,海思半导体是全球十大半导体供应商之一。然而,海思和紫光展锐从总部位于英国的Arm公司获得核心IP。

下面将集中讨论四个高价值数字芯片类别:高端CPU、GPU、FPGA和AI ASIC

高端CPU。 CPU是占主导地位的通用数字芯片。英特尔和AMD这两家美国公司长期垄断笔记本电脑、台式机和服务器的CPU市场。中国虽有几家合资企业,但没有一家能与美国公司竞争。龙芯已经开发了一款拥有自主IP的12纳米CPU,客户包括个人电脑制造商联想和中国超级计算机制造商中科曙光。中科曙光通过AMD的x86 IP授权来开发自己的CPU,不过这些CPU的能力尚不清楚。中国科学院还为太湖之光超级计算机开发了“神威”芯片。此外,兆芯正在开发用于台积电16nm节点的x86 CPU。一个“节点”代表一个技术世代;一个新节点(如2020年发布的“5纳米”)的芯片内含的晶体管密度大约是上一代节点(如2018年发布的“7纳米”)的两倍,而且更能耗更低。最后,飞腾基于Arm的超级计算机架构是28纳米CPU。

中国的CPU很少有民用客户,这反映了它们在开放市场上缺乏竞争力。中国大型企业使用的CPU中95%依赖进口。在x86架构的CPU上,中国的表现尤其弱,而美国公司在这方面有一个专属的客户群。

独立GPU。 GPU长期以来一直被用于图形处理,在过去的十年里,它已经成为训练人工智能算法最常用的芯片。美国垄断了GPU的设计市场,包括独立的GPU芯片。英伟达和AMD这两家美国公司主导着独立的GPU市场。总部位于美国的英特尔也在开发一种独立的GPU。

现场可编程门阵列(FPGA)。 与其他芯片不同,FPGA在部署后可以重新编程,以适应特定的计算,如执行人工智能算法(也称为“推理”)。美国公司几乎占领了整个FPGA设计市场。中国的三家FPGA制造商主要处在非常旧的节点上生产,在40到55纳米之间。一个例外是Efinix开发的10 nm“eFPGA”,这是一种FPGA的精简版,其设计可以整合到其他芯片上。总的来说,中国的FPGA并不具备与美国同行的竞争力。

用于人工智能的专用集成电路(AI ASIC)。AI ASIC通常比GPU和FPGA实现更快的速度和效率,但仅适用于特定的人工智能算法。2017年至2019年,对无晶圆厂企业的风险投资大部分流向了人工智能芯片设计初创企业。越来越多的公司在开发这些芯片,而中国是最先进的,因为ASIC比CPU、GPU和FPGA更容易设计。

然而,很少有高度专业化的ASIC被广泛商业化,因为它们的市场往往太小,无法收回固定的开发成本。中国在人工智能推理专用芯片方面做得最好,尽管中国公司也在开发人工智能训练专用芯片。后者的一个显著例子是华为Ascend 910,它是在台积电的7纳米节点上制造的,与领先厂商竞争。不过,华为的芯片设计是通过Arm IP授权开发。

存储芯片。 存储芯片用于存储逻辑设备执行计算的数字数据。DRAM在计算机运行时提供“易失性”的数据存储,但当计算机断电时就会丢失数据。相比之下,NAND闪存是“非易失性”的,永久存储内存。韩国、美国和台湾控制着DRAM设计市场,而韩国、美国和日本控制着NAND闪存市场。

中国也在尝试生产DRAM和NAND芯片。这些芯片占内存芯片市场的98%。虽然中国公司目前只占内存芯片产量的一小部分,但长鑫的产能将占全球DRAM产量的3%,而YMTC(长江存储)将占全球NAND闪存产量的5%。

与数字芯片相比,存储芯片更加商品化,也更容易生产,而且生产商大多通过价格竞争——中国企业在这一策略上很有优势。一个更大的障碍是获得行业领先者的专利许可,中国的存储芯片供应商正在收购这些专利。因此,内存芯片设计不太可能继续成为中国的主要瓶颈。

制造


总部位于美国、中国台湾、韩国、日本和中国大陆的公司控制了世界上绝大多数Fab市场份额(图9)和Fab产能(图10和表5)——其中大部分也位于这些国家/地区(图11)。芯片厂有两种商业模式:(1)IDM旗下的芯片厂,根据自己的设计制造芯片;(2)晶圆厂,即独立运营,为第三方客户生产芯片的晶圆厂。中国大陆的产能建设十分强劲,市场份额也颇为乐观,但产量和利用率较低,而且是在较老的节点上。其中许多晶圆厂在政府支持下继续运营,获得的补贴占收入的比例远高于任何领先晶圆厂。外国芯片制造商在中国运营着最先进、最可靠的晶圆厂,创造的收入超过了中国的芯片制造商。


先进的逻辑节点制造能力是中国晶圆厂最大的弱点,尽管中国正试图建设这样的能力。此外,逻辑芯片(如CPU、GPU、FPGA和AI ASIC)对与国家和国际安全相关的应用尤其重要。因此,本节剩下的部分将重点放在逻辑fab产能上。

图9:2019年Fab市场占有率情况(按地区划分)
来源:CSET calculations, IC Insights, SIA, SEMI, WSTS

图10显示了相关产品类别下,不同地区(公司总部所在地)的Fab产能占比。这些类别包括整个半导体、逻辑芯片(包括代工厂和IDM持有的产能)、存储芯片、模拟芯片、光电子器件、传感器和分立器件的产能。对逻辑芯片提供了更详细的分解。具体来说,图10包括了IDM和代工厂所持有的逻辑芯片容量,以及45nm节点或以下的逻辑芯片容量(代工厂和IDM所持有的)。

图10:根据Fab产品种类和地区划分下的2020年晶圆厂产能
资料来源:“World Fab Forecast,” SEMI, November 2020 edition

图11展示了按照晶圆厂所在地划分的晶圆产能占比情况,具体分类与图10一样。

图11:2020年晶圆厂产能占比(按照晶圆厂所在地划分)
资料来源:“World Fab Forecast,” SEMI, November 2020 edition

表5:2019年晶圆厂市场情况及中国大陆竞争力

总部位于美国、中国台湾、韩国、日本和中国大陆的公司控制着世界上大部分的逻辑芯片制造能力,而且大部分的逻辑芯片制造能力都在地区所在地。晶圆厂厂控制超过80%的世界的逻辑工厂产能(表5)。三家公司——总部设在美国(英特尔),中国台湾(台积电)和韩国(三星)——工厂控制几乎所有世界上先进的逻辑节点能力(≤10nm),尽管美国的英特尔在以色列和爱尔兰等都有产能建设。

赢家通吃的格局给逻辑代工行业的后继竞争对手带来了挑战。市场领先者台积电占有全球逻辑代工市场54%的份额,在领先的逻辑代工市场上占有更大的份额。现在,它生产最先进的5纳米节点芯片,每个晶圆的收入快速增长,而其他运营晶圆的芯片制造商——包括美国的GlobalFoundries、中国台湾的联华电子和中国大陆最先进的芯片制造商中芯国际——的收入都在下降。

三星也在引进5纳米逻辑芯片的生产能力,而英特尔正在生产10纳米逻辑芯片,其规格可与台积电的7纳米节点芯片竞争。美国拥有强大的能力,尽管其由GlobalFoundries持有的最先进的逻辑芯片厂只有12纳米。总部位于美国的英特尔仍计划推出7纳米节点芯片,其规格可与台积电的5纳米节点芯片竞争,但英特尔落后了,计划在2022年或2023年初推出。

由于先进的生产能力极低且质量低下,中国代工厂面临吸引外国无晶圆厂客户的困难。中芯国际已达到14纳米,但每月产能仅为6,000片晶圆(占全球≤16纳米逻辑晶圆厂产能的0.2%),计划增加到35,000(1%)。中国芯片制造商华虹也在尝试开发14 nm产能。为了与台积电竞争,中国代工厂商必须克服专有技术的不足,并依靠补贴来投资领先的产能—成本从一个节点迅速上升到另一个节点。如果实施的话,美国、日本和荷兰未来对中小企业和原材料的出口管制可能会阻止中国的代工厂建设先进的产能。荷兰目前禁止向中国出口EUV光刻机,这已经阻碍了它建设超过7纳米的能力。

ATP的组装、测试和封装有两种商业模式:(1)作为内部的ATP服务,由集成设备制造商(IDM)和制造后的代工厂执行;(2)外包的半导体组装和测试(OSAT)公司,为第三方客户提供ATP服务。ATP是劳动密集型的,比设计和制造的价值低,并且在这两个部分不发展技能。因此,企业历来都在发展中国家设立ATP设施。

总部位于中国台湾、美国、中国大陆和韩国的公司是ATP服务的主要提供者(图12和表6)。中国大陆受益于外包,发展了强大的ATP产业——其OSAT产业是仅次于中国台湾的世界第二大产业。此外,非中国的IDM在中国保留了许多ATP设施。虽然在中国排名前三的ATP公司都是中国的OSAT,但其余的前10名都是非中国的IDM(6家美国公司)。因此,ATP可以说是美国供应链的一个弱点。

总的来说,世界上22%的ATP设施在中国。虽然ATP的历史价值很低,但封装越来越成为芯片性能的瓶颈。逻辑电路中晶体管的密度和芯片中存储单元的密度继续呈指数级增长,但是逻辑电路和存储器之间互连的密度(由封装控制)增长速度慢得多,这导致了芯片之间的通信瓶颈。此外,逻辑和内存密度的增长速度可能会放缓,为高级封装提供了相对更多的创新机会。

图12:按公司总部分列的国家市场份额
来源:Yole、SIA、SEMI、IC Insights、WSTS、CSET计算

表6:ATP市场与中国竞争力

半导体制造设备


美国、日本和荷兰主导着中小企业的生产,是中国芯片供应链中最严重的瓶颈。有几十个类别的中小企业(图13和14显示2019年中小企业市场规模和各部门国家份额)。“服务”包括中小型企业所提供的支援服务,以协助中小型企业的成立、故障排除及维修。大多数SME用于制造芯片或芯片输入。这些工具包括晶圆制造、晶圆和光掩模处理、晶圆标记、离子注入、光刻、沉积、蚀刻、清洁、化学机械平面化和过程控制。专门的工具也用于装配、测试和封装。

除了组装和封装工具,中国在所有主要细分市场都几乎没有市场份额。中国最关键的瓶颈是光刻工具——特别是极紫外(EUV)光刻和深紫外(DUV)光刻,但也包括压印光刻、电子束光刻、激光光刻、抗蚀剂加工设备以及掩模检查和修复工具。

其他工具也是阻塞点,特别是那些用于高级离子注入、原子层蚀刻、高级化学气相沉积、晶圆和掩模处理、晶圆和掩模检查,以及测试高级逻辑芯片的工具。CSET的相关政策简报题为《确保半导体供应链安全》和《中国在半导体制造设备方面的进展》,对影响中小企业的出口控制和其他政策提出了建议,这些政策可能会减缓中国在中小企业和领先芯片制造能力国产化方面的发展。

图13:2019年中小企业市场分类
来源:VLSI研究
图14:2019年按公司总部划分的中小企业国家份额
来源:VLSI研究

晶圆制造、晶圆标记和处理


日本、美国和奥地利是晶圆制造、处理和标记设备的主要生产国。(图15和表7)。中国生产商的能力和市场份额微乎其微。鉴于其较高的价值,晶圆制造设备和处理系统是中国的瓶颈。

图15:按公司总部划分的2019年晶圆制造,晶圆标记和处理国家/地区份额
来源:VLSI研究

表7:2019年晶圆制造,晶圆标记和处理市场以及中国竞争力

晶体生长炉和加工工具: 这对于生产所有晶圆都是必不可少的,晶圆是用于生产芯片的薄盘状材料工厂。9其他中小型企业相比,这些工具的价值和复杂性相对较低。日本,德国和瑞士是主要生产国,而中国的生产商很少,主要依靠进口。

晶圆键合机和对准器: 这通常在硅片制程硅片的过程中被需要,奥地利,德国和美国生产这种设备,而中国大陆则没有。上海微电子设备(SMEE)销售这些工具,但销售量和功能不甚理想。

晶圆和光掩模处理: 这些产品在晶圆厂中存储和运输晶圆和光掩模。光掩模是包含电路图案的透明板,光刻工具可使光通过该电路图案以将图案转移到芯片上。日本,韩国,中国台湾和法国生产晶圆和光掩模处理机,而中国大陆则不生产。目前尚不清楚这对中国大陆而言,是否是重要的瓶颈,因为这些工具并不像其他那么复杂;因此,中国最终可能会生产它们。

晶圆标记系统: 是指使用激光识别器标记晶圆或晶圆中制造的芯片。美国仅生产此设备。但是,由于它的复杂性和成本较低,其他国家(包括中国)也可以轻松开发该技术。

离子注入机


离子注入机将掺杂剂嵌入到硅片中,以使硅片的不同部分具有不同水平的半导电性,从而在芯片中制造功能晶体管。不同的用例需要四个类别。低电流至中电流离子注入机和大电流离子注入机最多,他们通常与大电流离子注入机一起使用,能够提供更高的通量。高压离子注入机可以将离子深深注入硅片中。超高剂量掺杂注入机可以实现比其他工具更高的掺杂剂密度。

美国是离子注入机的主要生产国,日本和中国台湾占据了全球大部分市场份额(图16和表8)。中国生产少量专门用于先进技术的离子注入机,但不生产用于前沿逻辑芯片的离子注入机,这使其成为一个中等的瓶颈。

图16:按地区分布的例子注入机份额

表8:2019年的例子注入机市场,以及中国在这方面的竞争力

光刻


荷兰,日本和其他少数国家是光刻设备的主要生产国,这对芯片和光掩模的生产至关重要(图17和表9)。中国无法生产任何先进的光刻设备。最重要的是,荷兰和日本是高级光刻设备的独家供应商,特别是极紫外(EUV)扫描仪和氟化氩(ArF)浸没式扫描仪,这些设备是大规模生产先进芯片所必需的,这是中国半导体的主要瓶颈。

图 17:2019年光刻机的份额分布(按国家)

表9:2019年的光刻份额以及中国的竞争力

表10总结了光刻工具的能力。(不包括作为光刻设备补充的抗蚀剂加工设备。)光蚀刻工具用于大批量芯片生产,目前由支持节点从最先进到最不先进分为6个等级:EUV、深紫外线(DUV)——其中包括ArF浸泡(也称为湿ArF或ArFi)、ArF(也称为干ArF)、氪氟化物(KrF) -i-line和掩模定位器。更老一些的g-line已经不再使用了。其他类型的光刻设备用于特定的、低体积的芯片或光掩模(ebeam和laser),或者是未来大规模芯片生产(印模)的新兴发展领域。

表10:光刻类型

光刻:扫描仪和步进器


荷兰和日本主导着扫描仪和步进器的生产,而扫描仪和步进器是批量生产芯片所需的光刻设备。美国和中国在较不先进的步进机上占有较小的市场份额。荷兰的ASML专门生产EUV扫描仪,这是最先进的光刻设备。

ASML和总部位于日本的尼康独家生产第二先进的ArF浸没式扫描仪。扫描仪和步进器产生的光穿过光掩模,以将先前在光掩模中创建的电路图案转移到多个晶圆上。

由于其技术复杂性和费用,该设备是中国的主要瓶颈。

首先,扫描仪是结合了高精度(通过产生小波长的光)和高吞吐量(通过使用光掩模,如下面的“无掩膜光刻”小节中所述)的唯一工具。EUV扫描仪是批量生产5 nm节点芯片所必需的,而EUV和ArF浸没式扫描仪一起是唯一能够批量生产28至7 nm节点范围的芯片的光刻工具,其中ArF浸入主要用于45 nm(表10)。

其次,EUV和ArF浸没式扫描仪是芯片制造中使用的最昂贵的工具,在芯片制造成本中所占的份额越来越大。EUV扫描仪具有“100,000个零件,3,000条电路,40,000个螺栓和2公里的软管长度”,比任何SME和拥有成千上万个零件的典型汽车都要复杂。与其他高价值中小企业相比,这些趋势也使光刻市场比其他高价值的SME更加稳固和有利可图。

第三,它们需要最高的精度,负责绘制芯片中的纳米级电路图案。第四,EUV扫描仪简化和减少了非光刻制作步骤的需要,进一步增加了光刻相对于其他SME的重要性。由于这些原因,光刻技术的改进也限制了晶体管密度的摩尔定律的改进,促使领先的芯片制造商英特尔、三星和台积电优先投资ASML以支持其EUV研发。

中国正在开发扫描仪和步进曝光机(steppers)。据称,上海微电子设备有限公司(SMEE)已开发出一种90nm ArF的工具,并计划在2021年或2022年之前推出一种28nm浸没式ArF工具。尽管如此,即使这些报告是真实的,而且工具可以工作,但在最初的原型设计之后,构建一个低成本、低制造错误率和高吞吐量的可大规模生产的工具仍可能需要数年时间。

中国的晶圆厂也尚未使用SMEE的90 nm步进曝光机进行大规模芯片生产。SMEE的光刻工具更多的则是被用于芯片封装(而不是制造)中难度较小的步骤,并且大多不用于先进封装技术。

除SMEE之外,2018年,中国官方媒体报道称,中国科学院光电技术研究所开发了具有365 nm i-line光源的实验性光刻工具,可达到22 nm的分辨率,将来可能达到10nm。此分辨率与已知的i-line技术不一致,因此该报告不具有参考意义。

最后,据报道,一些中国研究机构正在尝试开发EUV组件,但尚不清楚他们是否会成功。

光刻:掩模对准器: 在这方面,仅德国,日本和奥地利生产掩模对准器。掩模对准器是光刻的另一种形式,其中与扫描仪和步进曝光机不同,晶片和光掩模保持固定的相对位置,无论是直接物理接触还是紧密接触 但是,这种形式的光刻技术无法实现与扫描仪和步进曝光机在小尺寸上进行竞争。因此,掩模对准器仅具有特殊的用例,价值低,并且缺乏战略重要性。

无掩模光刻 电子束、激光和离子束,在这个领域,只有日本、德国、美国和瑞典生产电子束(e-beam)和激光光刻工具,这也是中国光掩模生产的一个瓶颈。这些国家和其他国家也生产可以用于光掩模生产的离子束光刻工具(但很少)。激光光刻工具(如光刻工具)用光束绘制图案。

相比之下,电子束和离子束光刻工具分别用电子和离子绘制图形。这些工具可以达到与高级光刻工具类似的分辨率。关键的区别是电子束、激光和离子束光刻工具不使用掩模。优点是,这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。缺点是在没有遮罩的情况下绘制图案很慢。

因此,电子束、激光和离子束光刻工具可以经济有效地生产与光刻工具一起使用的光掩模等小批量产品。(需要的光掩模比芯片少得多,因为在光刻过程中,少量的光掩模被用来生产大量的芯片。)但由于这些工具的低吞吐量,它们不适合大规模芯片生产。

电子束光刻工具是光掩模生产的主要工具,激光光刻工具远远排在第二位,离子束光刻工具很少使用。除了光掩模外,电子束工具市场约有4%用于小批量芯片生产(表9),而激光光刻工具通常不用于芯片生产。

压印光刻(Imprint lithography)。如今,奥地利是半导体应用的主要销售国,而日本,美国和德国则在销售或开发用于其他各种应用的产品。压印光刻技术对中国来说是一个潜在的重要瓶颈,因为它可能在大规模芯片生产方面与光刻技术竞争。压印光刻技术可以实现领先的纳米级分辨率,因此通常被称为纳米压印光刻技术。它还使用了模板,其作用与光刻中的光掩模类似。

模板中包含的图案会转移到通过使用模板,压印光刻理论上可以实现大批量生产。但是,其产量低且产生的缺陷太多,无法与光刻竞争。目前,主要的半导体销售商EV Group的销量很小,而且都是针对特定的用例。东芝计划使用佳能的nanoimprint技术生产3D NAND存储芯片。SUSS MicroTec、Nanonex和Obducat也是生产商。

抗蚀剂加工: 日本是抗蚀剂加工工具(也称为“tracks”)的主要生产国。德国,韩国,美国和中国的市场份额均很小。但是,只有日本是最先进 tracks的主要生产国,其产品适用于EUV和ArF浸没式光刻术。光刻胶是沉积在晶片上的化学物质,当暴露于通过光掩模的图案化光中时,有选择地溶解以形成电路图案。然后在光刻胶溶解并转移的地方进行蚀刻抗蚀剂处理工具将光刻胶涂覆在晶片上(通常通过旋涂将晶片旋转以扩散沉积的光刻胶),显影(溶解被光照射的部分),然后烘烤(硬化未溶解的光刻胶,使其固化到晶片上)。

Kingsemi是中国唯一生产这类产品的企业,其产品可用于ArF,KrF和i-line光刻的tracks,公司称他们将在2022年前开发EUV和ArF浸没tracks。Kingsemi还据称支持≥28nm节点,通常在ArF浸没范围内。由于中国目前不生产用于EUV或更先进的ArF浸没光刻tracks,因此这些 tracks对于中国而言是一个瓶颈。

沉积


美国,日本,荷兰和韩国是沉积工具的主要提供者,而中国在某些沉积市场子行业中所占份额却很小,但仍在增长(图18和表11)。例如快速热处理工具。沉积工具用于在硅晶片上沉积材料薄膜。在光刻和蚀刻后,这些薄膜变成了不同的芯片层,包括晶体管,互连(导线)和其他元件。绝大多数的沉积工具是用于芯片生产的,因此本节中的技术分类都是特定于芯片生产的,最后一个万能类别除外。

图18:2019年的沉积设备市场(按地区分布)
Source:VLSI Research

表11:2019年的沉积市场 份额分布以及中国的竞争力

化学气相沉积(CVD): 美国,荷兰,日本和韩国是CVD工具的主要生产国,而中国正在向该领域进行扩展。CVD包括四种类型:等离子体CVD,低压CVD(LPCVD),高温CVD(HTCVD) )和原子层沉积(ALD).CVD工具会产生化学蒸气,将化学物质逐个原子或逐个分子沉积在晶片上.CVD是芯片制造中使用最广泛的沉积技术。沉积大多数电介质(一种绝缘体),硅和一些金属。ALD能够沉积单个原子的厚度,对于前沿节点必不可少。中国的Piotech生产等离子CVD工具,据称用于沉积5 nm节点的电介质,而SKY Technology Development则将其用于小批量的研发应用。中国的NAURA生产用于多种应用的LPCVD工具。Piotech和NAURA都在14 nm节点甚至更高级的产品上销售ALD工具。中国的能力适中,不足以完全实现沉积物的局部化,但仍在增长。CVD的某些领域是中国的瓶颈,但目前尚不清楚要持续多久。

物理气相沉积(PVD): 美国控制着PVD设备市场,日本占据了其余大部分。中国和瑞士都占有很小的份额.PVD蒸发固体或液体物质,然后凝结在基材上,主要有两种形式:“蒸发”(在半导体制造中很少使用)和“溅射”(现在是主要的PVD方法)。溅射是沉积导体(如金属)的主要方法,但有时也用于电介质。中国的NAURA开发了用于关键技术的溅射工具 ≥28nm节点的材料。SKY Technology Development还生产PVD工具。

快速热处理: 美国,日本和韩国仅生产RTP工具,这是中国的瓶颈。RTP工具包括灯,激光或其他可快速提高芯片温度以改变其特性的机制。对于芯片制造的几个步骤至关重要。RTP工具包括两个子市场:常规工具提供长达数秒的加热时间(仅由美国和韩国生产);其他工具仅提供毫秒的热量(仅由美国和日本生产)。

Tube-based diffusion and deposition: 日本、荷兰、韩国、中国和美国生产 tube diffusion工具,只有日本和荷兰生产tube deposition 工具。这些系统是基于“tube”的,因为衬底加载在圆柱形腔室中进行处理,这导致掺杂剂在tube diffusion系统中扩散到芯片中,并在tube deposition系统中沉积某些应用材料。中国的北方华创制造了多台≥28 nm节点的tube diffusion炉,但中国不生产tube deposition 工具。

旋涂: 日本是芯片生产中旋涂系统的主要生产国。这些工具旋转晶圆片,使沉积在晶圆片上的液体物质通过晶圆片扩散。旋涂在光刻胶涂层中应用广泛,但在芯片生产中应用范围较窄。中国的Kingsemi销售用于光刻胶沉积的低端旋涂工具(见“光刻”部分中的“光刻胶处理”),以及其他一些在芯片制造中的应用。考虑到spin- coating在芯片制造中的特殊用途,并且中国至少有一些专业知识,spin- coating并不是中国在光刻胶沉积以外的芯片制造中的一个主要的、长期的瓶颈。电化学涂层。只有美国和台湾生产电化学涂覆工具。通常的应用是在晶圆片上沉积铜(用于芯片布线)。然而,其他技术,如CVD,也可以沉积铜用于某些应用。只有在中国找不到替代工具执行相同任务时,涂层工具才对中国很重要。

沉积(非IC)。美国和日本是沉积工具的最大生产国,用于生产微机电系统(MEMS),磁盘驱动器,复合半导体,先进封装以及除芯片以外的其他产品。中国拥有强大的市场份额 相比之下,该部门的市场份额为1.3.2%,而其在整个沉积市场的份额为1.8%。AMEC和ASM Pacific是该领域的主要中国生产商。

蚀刻和清洗


美国和日本是蚀刻和清洗设备的主要生产国,韩国和中国是其他重要生产国(图19和表12)。与其他主要设备相比,中国在蚀刻工具的研制方面取得了较大的进展。因此,只有最先进的蚀刻工具——原子层蚀刻工具才是中国的瓶颈。

图19:2019面的蚀刻和清洗市场份额 (按地区分布)

表12:2019年的蚀刻和清洗市场表现以及中国的竞争力

蚀刻工具负责在芯片中创建永久性图案: 光刻法以精确的图案去除沉积在晶圆上的光刻胶的部分后,蚀刻工具将该图案蚀刻到下方的永久衬底中,然后使用清洗工具去除蚀刻的材料。干蚀刻和湿蚀刻是两种主要的类型。干蚀刻工具(使用气体蚀刻基板)是最常用的工具,对于高级节点的电路功能尤其必要。湿蚀刻工具使用的液体较少使用,并且主要用于清洗晶圆。

干蚀刻和清洗: 美国和日本是干蚀刻和清洗工具的主要生产国,韩国,中国和其他国家也生产。干蚀刻工具的主要类型用于蚀刻导体或电介质。蚀刻工具比湿工具具有优势:它们速度快,并且可以根据蚀刻方向进行不同的蚀刻,从而可以实现具有复杂形状的细粒度特征。其他类型的干蚀刻工具适用于特定的,不太关键的用途:ion milling刻蚀工具晶圆上的某些功能,而干法剥离工具可去除光致抗蚀剂(尽管可以使用其他工具执行这些功能)。

最先进的干法蚀刻工具称为原子层蚀刻(ALE)工具。这些工具对于导体的蚀刻和电介质蚀刻都非常重要<10 nm节点中最小的特征,由美国,日本和英国的领先企业生产。尽管ALE的市场目前仅在数亿美元的范围内,但它有可能被用于制造下一代晶体管结构。

中国的AMEC生产的干法蚀刻工具可能是任何中国公司出售的最先进的SME工具,它们被用于领先的台湾芯片制造商台积电的7和5 nm节点,尽管不是用于复杂的晶体管结构等最佳功能。SME通常仅由中芯国际等国内工厂使用。

中国的NAURA还生产用于电介质,导体和硅的干法蚀刻工具。美国认识到中国在干法蚀刻工具方面的竞争力后,于2016年将其从《商务控制清单》中删除。中国没有制造ion millingdry stripping和 dry cleaning 等工具,但这些工具的价值较低且先进程度较低。尚待开发的ALE工具。但是,鉴于其在干蚀刻工具方面的专业知识,AMEC可能会尝试开发ALE工具。

湿法刻蚀和清洗: 日本和美国是湿法刻蚀和清洗工具的主要生产国,与其他几个国家(包括中国)也占有一定的市场份额。湿法刻蚀比干法刻蚀具有优势-便宜,风险少。对基板的选择性更高,即它可以蚀刻特定的材料而不会无意地蚀刻附近的材料。但是,它速度较慢,并且通常无法根据蚀刻方向进行不同的蚀刻,因此很难形成复杂的结构。因此,湿 蚀刻通常不用于蚀刻先进芯片中最小的特征。中国的Kingsemi生产湿法蚀刻和清洗工具,而中国的NAURA销售≥28nm节点的湿法清洗工具。

化学机械平面化(CMP)


美国和日本是化学机械平面化工具的主要生产国,而中国和韩国占据了剩余的市场份额(图20和表13)。经过蚀刻和清洗等其他步骤之后,CMP工具使晶片表面变平。CMP工具对于芯片制造至关重要,但不像光刻和沉积工具等其他工具那么复杂。Hawtsing的CMP工具可以处理300 mm晶圆,并且据称适用于≥14nm节点 。因此,除领先优势外,CMP工具对于中国而言并不是关键的瓶颈。

图20:2019年的CMP市场份额(按地区分)
Source:VLSI Research

制程控制


美国和日本是process control 工具的主要生产国,与其他多个国家(包括中国)相比,其占有较小的市场份额(图21和表14)。该细分市场包括中国的瓶颈,特别是在计量和检测设备领域。控制工具监视晶片,光掩模和整个芯片制造过程,以确保一致性和低制造错误率。因此,它们是继光刻工具之后最重要,最有价值的工具之一。

图21:2019年的制程控制市场份额 (按地区分布)

表14:2019年的制程控制和中国的市场竞争力

硅片检测: 美国和日本在硅片工具方面占有主导地位,而中国只生产芯片制造所需的硅片检验工具。关键产品包括电气仪表、薄膜和晶片测量工具、关键尺寸测量、缺陷检查、普通显微镜、 以及结构检查。中国的RSIC生产光学薄膜测量工具,用于测量沉积、光刻、蚀刻和CMP过程中的300毫米硅片,和在 300mm硅片中的先进,复杂的光学临界尺寸测量工具功能。1RSIC还达到了14纳米的先进性能。中国的GrandTec和SMEE也销售硅片检查工具。总的来说,硅片检测工具是中国的一个瓶颈。

光罩检查和维护: 日本、德国和美国生产几乎所有的光罩检查和维护工具。这些工具类似于硅片检查中使用的工具,如显微镜。中国不生产这些工具,因此是一个瓶颈。

晶圆级封装检验: 美国和以色列主要出售这些工具,在这些硅片被“切成”(即切割)成多个芯片之前,检查封装制造芯片(dies)的硅片部分。与其他检查工具一样,晶圆级封装检查工具是中国的一个瓶颈。

制程监控和曲线跟踪器:只有美国和韩国生产这些工具。它们测量在制造过程中在硅片中制造器件的性能,以确保正常运行。因为他们拥有相对较低的价值,所以它们不太可能会是中国的重大瓶颈。

装配和封装


日本、中国、新加坡、美国和其他一些国家生产组装和封装工具(图22和表15),取一个带有已完成、未分离芯片的硅片,并将其转化为单独的封装芯片。这些工具包括装配检验工具、切割工具、打线工具,封装工具和集成装配工具。装配和封装工具代表了中国最具竞争力的中小企业部分,其中大多数部门的市场份额很大,特别是香港的ASM Pacific。



测试


日本、美国和南韩生产了绝大部分的测试工具,中国企业在这个市场的表现几乎不值一提(如图23和 表16)。这些测试工具被应用在存储芯片、SoC等领域。中国公司在这个市场的产品主要在低端细分市场,尤其是用于测试低端线性和分立设备。他们在高级产品中没有很大的影响力,尤其是逻辑和存储芯片测试工具更是一个明显的瓶颈。但是,有些美国公司在中国有重要业务,中国公司也有在收购一些国外测试工具公司。因此,中国有机会在这个市场变得更有竞争力。


电子设计自动化和关键IP


美国是电子设计自动化工具的绝对垄断者,美国和英国则在芯片的核心IP方面拥有巨大 的市场号召力,这两个关键方面都是中国的瓶颈所在(如24和表17)。


EDA软件


美国公司是EDA软件的垄断性提供商,他们无晶圆厂公司和IDM工程师设计先进芯片所需的全流程工具。美国公司还主导了与AI芯片设计相关的功能,例如ASIC布局。新兴公司经常进入EDA领域。但是,他们很难与通常收购它们的顶级EDA公司竞争,以将初创公司的利基功能整合到其全流程功能中。

中国的EDA行业很小,工程师也相对较少,但国外企业却拥有多的多的工程师。成立于2009年的华大九天 是中国领先的EDA公司。据称他们是唯一一家可以提供全流程EDA工具的中国公司。他们的工具可以完全设计某些模拟和混合信号(模拟和数字的组合)芯片。该公司在平板显示器设计方面具有的优势。客户包括HiSilicon等中国顶级芯片设计公司以及三星等国外客户。。

除了Empyrean的利基产品外,中国芯片设计师还依赖美国的EDA工具, 中国的EDA工具的其余部分仅支持芯片设计的一小部分,且这些工具很大程度上不支持前沿制造工艺(例如≤14nm)。

类似英特尔,三星和台积电等顶级芯片制造商在新制造工艺的开发过程中给美国顶级EDA公司提供了优先访问工艺IP的机会。每个芯片制造商的制造流程 都唯一地限制了芯片设计人员可以使用的芯片设计选项。

然而中国的EDA公司可能会访问不完整的制程IP或没有获得足够的支持。只要这种情况继续,中国的EDA公司就将无法支持领先节点的芯片设计,也无法与美国顶级EDA公司竞争。

但是,这种情况正在改变。几家中国EDA初创公司吸引了来自美国领导人的高管和技术人员。此外,DARPA计划正在开发开源EDA工具,该工具可以为某些应用程序运行完整的设计流程,全球的芯片设计人员都可以使用。

核心IP


芯片设计公司许可核心IP,该IP由可重复使用的设计模块组成,并将纳入最终的芯片设计中。美国和英国的供应商主导了这个市场。一些公司专门专注于核心IP,例如位于英国而被日本拥有,现在正在出售给英伟达的ARM,而其他公司则将其产品与EDA工具结合在一起。

ARM是提供指令集体系结构(ISA)以及相关的核心IP的顶级供应商,他们的产品是世界上大多数智能手机处理器的基础。去年年底,总部位于美国的Nvidia提出收购ARM。如果该交易通过监管机构的审查,将扩大美国对ARM的管辖权,并使总部位于美国的公司在核心IP上拥有超过90%的市场份额。

中国在核心IP开发方面实力较弱,但并购,合资和开源的RISC-V为中国提供了机会。

2017年,一家中国国有基金收购了英国的Imagination,他们为多种类型的芯片开发用于移动设备的核心IP的技术。而Arm中国则是另一个典型领子。此外,中国芯片设计人员可以基于RISC-V和MIPS的开放源代码体系结构来打造IP。但他们想要在这些领域取得成功可能需要数年时间。

就目前而言,中国芯片设计人员严重依赖非中国核心IP。95%的中国芯片采用了ARM许可的IP。

材料


中国企业是原材料的主要供应商,但面临多重挑战,其中制造材料生产中的关键点(这需要很多材料作为输入)用于半导体制造。关键的方面包括先进的300毫米晶圆,光掩模和光刻胶。

同时,美国的国内生产能力较小,原材料严重依赖进口,但确实有有意义的市场。美国和他的盟友控制着全球很大一部分的原材料和某些半导体的专有材料。

以下小节首先介绍原材料,然后介绍图25中强调的细分市场,图中按半导体生产阶段拆解了2019年半导体材料市场。每个半导体材料部门均以原材料为输入。生产阶段包括用于生产硅片(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使用的易损件)以及封装材料。

数据显示,2019年,半导体生产中所使用的材料市场为468亿美元.。图26显示了半导体材料的国家市场份额。


原料


中国是世界上最重要的原材料基地,而美国及其盟国也生产了几乎所有材料。考虑到半导体制造的复杂性,进入这些部分的原材料占据了元素周期表的很大一部分。图27显示了美国,中国以及世界其他地区在原材料方面的主要生产份额。该数字主要涵盖了最关键的非气态材料,但并非详尽无遗。“主要”生产是指在加工成高级材料或复合形式之前开采材料,尤其是低品位材料。

美国及其盟国在所有材料中的生产份额都很大,美国生产大多数材料,但每种的量较少,不生产锑、砷、碳、氟、镓、铟、钽、碲、锡或钨。中国大陆在大多数材料中所占的份额都是最大的(钴(1.4%)和铂(0%)除外),中国在生产初级镓方面的市场份额为95.7%,钨为83.6%,镁为82.0%。

中国大陆在全球硅生产市场的份额达到64.0%,硅是应用最为广泛的半导体材料,但美国及其盟国拥有大量的储备。虽然中国大陆不再垄断稀土开采,但它仍然主导着稀土加工。图28给出了所有这些材料的未加权平均生产份额,并显示了区域生产份额。

图27:2019年按国家/地区划分的原材料生产情况
资料来源:USGS

图28:2019年按国家/地区划分的材料生产份额(未加权平均)
资料来源:USGS,CSET

晶圆厂材料


日本、美国、中国台湾、韩国和德国是晶圆厂(FAB)材料的主要生产地。中国大陆不能生产高精尖的光掩模和光刻胶,生产300毫米硅片的能力有限。它在生产其他FAB材料方面的能力处于中等水平,如CMP材料、沉积材料、电子气体和湿化学品。表18总结了这些材料的生产情况。

表18:晶圆厂材料市场

硅片: 总部设在日本、中国台湾、德国和韩国的几家巨头公司是硅片的顶级生产商(见图29),特别是300毫米硅片,中国大陆只生产小尺寸的硅片。中国大陆的晶圆制造设备主要靠进口,因此,300毫米硅片及其相关设备是中国大陆一个产业瓶颈。没有总部设在美国的硅片生产商,但有一些非美国公司在美国生产硅片。

硅片是一种薄的圆盘状材料,在上面制造芯片,它需要专用的硅片制造设备。硅片可以由不同的半导体材料制成,这些材料包括硅或者其他各种材料。大多数硅片完全由硅或其他材料制成,但另一些硅片的结构更复杂,需要掺杂剂,以使它们具有适合芯片晶体管正确工作的半导体性能水平。

图29:按总部所在国家划分的硅片生产商市场份额

总部设在日本、中国台湾、德国和韩国的硅片厂商可以生产最先进的直径为300毫米的硅片。世界上99.7%的300毫米硅片工厂产能能够制造制程节点≤45nm的芯片,而制造最平滑、高纯度的300毫米硅片是支持最先进芯片特征尺寸所必需的-需要相当多的隐性知识。

传统的硅片尺寸包括150毫米和200毫米,用于制造具有较大制程节点的芯片。相比之下,中国大陆硅片生产商的收入很少,其中,截至2018年,JRH、中环、Gritek、Simgui和ZingSEMI正在生产或计划生产300毫米硅片。图30所示为全球100-200毫米、300毫米硅片厂商的产量,以及中国大陆厂商的市场份额。

中国大陆硅片生产商中,100- 200毫米硅片厂和300毫米硅片厂的市场份额分别为18%和12。因此,中国大陆300毫米硅片对进口依赖度很高。

图30:中国大陆硅片生产供应与需求

光掩模板: 日本、美国、中国台湾和韩国在生产尖端光罩方面处于领先地位(例如,≤16纳米),中国大陆不具备生产能力,必须进口光掩模板(光罩)和掩模制造设备(电子束光刻和激光光刻工具),这是该市场的主要瓶颈。光掩模板是透明板,包含要在芯片中制造的电路图案。光刻设备产生的光将光掩模板上的电路图案转为芯片。每个光掩模都是特定用于一个芯片设计(本身特定用于一个制程节点)。光罩是由captive mask shops(大型半导体制造公司)或merchant mask shops生产制造。在2017年,captive mask shops占据了65%的市场份额,主要厂商包括英特尔(美国)、三星(韩国)、台积电(中国台湾)、GlobalFoundries (美国)和中国大陆的中芯国际。这使得掩模适合于≥28nm节点的芯片,但这种晶体管的尺寸比目前的技术落后了近十年。日本、美国和中国台湾公司控制着merchant mask shop市场(见图31)。中国大陆merchant
mask shop深圳Newway具备一定的生产能力,但与国际领先产商相比,差距很大。

图31:Merchant mask shop在不同国家的分布情况

光刻胶: 日本以90%的市场份额主导全球半导体光刻胶的生产,其余的大部分由美国和韩国公司持有。中国大陆不能生产最先进的光刻胶。

光刻胶是沉积在硅片上的化学物质,当暴露在通过光罩的图案化光中时, 选择性地溶解以形成电路图案,然后在光刻胶溶解的地方进行蚀刻,将电路图案永久地转移到硅片上。光刻胶有特定的光刻工艺,如EUV,ArF浸没,ArF,KrF和i线。中国大陆的瑞红销售适合≥350nm制程节点的i 线光刻胶。瑞红2017年营收2100万美元,占光刻胶市场的不到1%。Kempur则引进了适合≥150nm节点的KrF光刻胶。中国公司,特别是Nata,也在开发适合于28nm以上节点的干ArF和ArF浸没光刻胶。由于中国企业缺乏经验和生产技术,且获得某些原材料的机会有限,因此,光刻胶主要依赖进口。

CMP材料: 美国、日本、法国和中国大陆是CMP(Chemical mechanical planarization)材料的主要产地。CMP是一种使在制作过程中产生的图层变平的过程,因此光刻可以成功地在它们上进行。在CMP中使用的最高价值材料是化学浆料和抛光垫。在制造过程中,硅片与浆料一起放置在衬底上,抛光头压在硅片上并旋转以使硅片平坦化。

CMP浆料市场规模为7.9亿美元。美国的杜邦和卡博特微电子公司控制着CMP浆料市场份额的56%,另外34%由其他美国、日本和法国公司控制,剩下的10%由其它小公司分食,包括中国大陆的安集微电子,它在2017年的收入约为3100万美元。

高端浆料,CMP垫市场规模为17亿美元。截至2014年,杜邦(美国)的市场份额为78%,Fujibo (日本)和卡博特(美国)各占4%~6%。中国大陆公司湖北鼎龙现在也开始生产CMP垫。

沉积材料: 美国和日本是沉积材料的主要生产国,中国大陆也有能力生产其中许多材料。化学气相沉积(CVD)是最常见的沉积方法,物理气相沉积(PVD)是另一种。通过溅射的形式在靶上发射氩离子,其原子被剥离并作为薄膜沉积在硅片上。截至2014年,日本JX Nippon在溅射靶材生产市场占有55%的份额,其他主要供应商包括霍尼韦尔电子材料(美国)、TosohSMD(日本)和Praxair(美国)。

多年来,中国公司KFMI和Grikin一直在获得市场份额,特别是以Tosoh和Praxair为代价。2017年,KFMI的收入为7800万美元,Grikin的收入为3400万美元。许多用于沉积的材料也是中国大陆大量开采的原材料的简单纯化版本。

电子气体: 美国、法国、日本、德国和中国大陆都生产电子气体,Merck(德国)、Air Products (美国)和Air Liquide(法国)在该市场处于领先地位。中国大陆的Nata光电材料在2017年的半导体材料收入为500万美元,主要来源于电子气体,包括化学气相沉积和原子层沉积的前体。中国的Haute Gas制造各种气体,2017年收入1.3亿美元,其中包括电子气体。其他中国大陆电子气体生产商还包括金宏气体公司和PERIC。

湿化学品: 美国、德国和日本是最大的湿化学品生产国,该种材料广泛用于半导体制造。超过60%的市场份额由KMG化学公司(美国)、巴斯夫(德国)、阿万托(美国)、霍尼韦尔(美国)和关东化学公司(日本)占有。中国大陆也有许多生产厂商,如Runma销售氟化氢、硝酸和其它化学品。JHM销售某些高纯度化学品,2017年的收入为5000万美元。江阴化工试剂还销售各种高纯度化学品,Sinophorus出售磷酸和蚀刻液体,新阳销售化学品和蚀刻液等,该公司2017年收入为3000万美元。

封装材料


日本主导封装材料的生产,而包括美国和中国大陆在内的其它国家也拥有一定的市场份额(见表19)。封装涉及几个步骤,例如,键合线将芯片连接到引线框架上,引线帧在芯片和外部器件之间传输数据,保护陶瓷封装、塑料基板或封装树脂也可以与芯片结合。Die连接材料,包括聚合物和共晶合金,用于将芯片连接到封装或基板上。

表19:封装材料市场

结论


几十年来,复杂和全球化的供应链推动半导体行业快速发展(由摩尔定律控制)。今天,半导体对美国来说是一项关键力量,美国仍然是供应链关键环节的全球领导者。美国及其盟友,特别是日本、荷兰、中国台湾、韩国、英国和德国,几乎在半导体供应链的每一环节都是技术和市场的领导者。

尽管仍然落后,但中国大陆在多个领域日益挑战这一领导力,特别是:中国正在迅速扩大芯片设计和制造的市场份额,并计划提高生产投入的能力,如果成功,中国可以重组全球供应链,对美国产生重大影响。CSET题为“确保半导体供应链”和“中国在半导体制造设备方面的进展”的政策简报提供了支持美国发展的建议,以及盟国联合优势。如果不采取一致行动,这些优势将面临风险。

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