由於從外部購買某些半導體受到限制，且無法購買關鍵的半導體裝置，中國半導體的自給自足已成為新的當務之急。
該報告考察了中國在實現半導體自給自足道路上的現狀，並提出了一些建議。
01、執行摘要
目前的半導體短缺表明，晶片是國家經濟增長和安全的關鍵。這導致世界各國政府對半導體行業進行專項撥款，頒佈激勵措施，從而達到滿足國內自給自足的需求。
到2023年中期，中國能夠並會將國內消費的半導體產量翻一番，達到其需求的至少30%。許多人認為這是自力更生的最低門檻。
- 專注於28 nm及以上製程晶片的產能將有助於中國半導體公司解決大部分國內市場需求。
- 隨著中國開發自己的光刻機，7 nm及以下製程晶片的生產將在幾年內完成。
中國應謹慎行事，儘可能避免遭受額外製裁:
- 中國應仔細評估如何補貼國內半導體行業，避免違反世界貿易組織的規定。
- 中國應防範侵犯智慧財產權的指控，尤其是與半導體裝置相關的智慧財產權。
- 中國需要更多在半導體裝置方面有經驗的工程師和科學家，但應該避免採取激進措施吸引美國、日本和其他國家的人才。
中國的半導體裝置公司應同時瞄準國內外客戶，獲取客戶反饋並加快發展。
注：在本報告中，Strategy Analytics避免就中美兩國政府之間的爭議問題表態，我們的分析僅限於貿易形勢和中國如何實現半導體的自給自足。
02、分析
由於從外部購買某些半導體被限，且無法購買關鍵的半導體裝置，半導體的自給自足已成為中國新的當務之急：
- 禁止華為從使用美國製造的裝置和軟體的代工廠購買晶片和晶圓製造服務，這只是貿易戰升級的一步。
- 美國繼續將169家中國企業列入所謂的“實體清單”，在沒有獲得美國政府頒發的特別出口許可證的情況下，限制向這些中國公司出售源自美國的產品和技術。
♢ 世貿組織的規則禁止成員國，除關稅、稅收或其他費用外，使用出口禁令或限制(參見 WTO GATT 1994 – 條款 XI : 1 )。
♢ 為了規避世貿組織的規則，美國聲稱，向被列入實體清單上的中國企業出口某些產品和技術將帶來轉用於軍事用途的風險，會對美國的安全構成威脅。
這種情況促使中國政府採取果斷行動，識別並替換存在風險的半導體和供應商。此外，實現自給自足的努力得到了中國民營企業的廣泛支援。
半導體貿易制裁對全球半導體供應產生了破壞性影響，導致了目前的短缺。具有諷刺意味的是，這導致了半導體價格上漲，許多半導體公司在2020年銷量強勁；因此，一些美國的分析師認為，對中國公司的制裁並沒有影響半導體的銷售。
長遠來看，制裁似乎會適得其反。中國企業現在有強烈的合作動機，努力實現自力更生。而美國政府對中國的貿易制裁似乎不太可能成功抵消中國對晶片日益增長的需求。而並非巧合的是，中國國內半導體裝置供應商的業務正在蓬勃發展。
由於中國客戶的流失，美國半導體和半導體裝置公司的銷量可能會減少25%至30%，並可能失去10萬個甚至更多的工作崗位，這將削弱美國在半導體領域的領導地位，並導致美國和其他國家消費電子產品的價格上漲。此外，中國向美國提供用於半導體和電子元件的稀土等重要原材料，美國可能會因中國的報復而無法獲得這些原材料。
2.1 中國半導體的優勢與劣勢
WSTS（World Semiconductor Trade Statistics）估計，2020年全球半導體市場規模約為4400億美元。根據海關總署的資料， 2020年中國進口的半導體總額為3100億美元，約佔全球規模的70%。與此同時，中國國內生產滿足了約15%的需求。而中國大多數半導體行業專家表示，中國的國內生產至少要滿足30%的需求，以對衝未來供應中斷的風險。
中國需要做什麼才能提供至少30%的國內半導體需求?
正如Strategy Analytics之前釋出的報告《半導體短缺刺激全球和國家投資計劃》所述，半導體自給自足是一個巨集大的目標，各國需要通過有針對性的投資來解決其半導體行業的短板。對於中國來說，設計軟體和半導體裝置，尤其是光刻技術，似乎是兩個最主要的短板。我們將就此問題在本報告的後半部分進行詳細的闡述。
- 中國在電子產品組裝方面擁有無比強大的實力。隨著華為的成功，中國作為一個新興的晶片設計中心引起了世界的關注。中國在封裝、測試和晶圓清洗方面也有優勢。
- 中國的優勢是良好的開端，但要實現自給自足，中國需要在從半導體生產到電子系統制造的所有環節都具備實力，如圖表1所示。
圖1註釋藍色：最終電子產品的生產。上述生產步驟的簡化不包括每個步驟下的專業領域或法律、法規、標準化、認證和客戶驗收測試等細節。
半導體產業供應鏈已經全球化並遍佈全球，但供應鏈的關鍵部分集中在少數幾個不同的國家和地區，而通常不在中國大陸：
- 美國和日本擁有大部分裝置生產和晶片設計。半導體制造需要非常專業和昂貴的裝置。
- 大部分的晶片製造是在臺灣和韓國進行的。
- 大部分半導體封裝和測試是在韓國、臺灣和馬來西亞進行的，但中國大陸在這方面也有優勢；長電科技在封裝和測試領域排名第三，市場份額約為17%。其它的中國主要封裝和測試公司包括新益昌和格蘭達。
2.2 中國的晶圓廠
中國正在向自給自足的道路上邁進，通過專注於28 nm及以上的成熟工藝節點，可以實現大部分目標。
除了韓國和臺灣，大多數的國家和地區都缺乏完全自力更生的基礎半導體制造能力，而中國也是如此，中國在製造能力上領先於美國，應該能夠很快獲得更高的產能。
中國的半導體晶圓廠比其他任何國家都多。根據普華永道的資料，2018年中國有293家半導體晶圓廠:
- 中國有10家重要的代工廠
♢ 中芯國際每月可生產超過50萬片（相當於200毫米）積體電路半導體晶圓，是中國最大的製造商。
♢ 2020 年，中芯國際的銷量排名第五，僅次於純代工廠臺積電、三星Foundry、格羅方德和聯華電子。
♢ 其它的中國純代工廠包括華虹集團以及和艦科技。中國也有LED、III-V化合物半導體和特種裝置的代工廠。
- 一些中國的IDM（獨立裝置製造商），例如長鑫儲存、和清華紫光也提供一些代工服務：
♢ 長鑫儲存於 2019 年開始生產中國首批 DRAM（動態隨機存取）儲存晶片。
♢ 清華紫光旗下擁有五大主要的子公司：長江儲存（儲存晶片）、新華三集團（數字IC）、紫光展銳（蜂窩手機晶片）、紫光國微（智慧卡晶片）、紫光雲（雲端計算晶片）。
- 許多跨國公司都在中國大陸建立了晶圓廠。所有權的合同細節各不相同，但其中許多未來可能最終由中國國內企業全資擁有:
♢ 臺積電、聯華電子、格羅方德、德州儀器、美光科技、英特爾、恩智浦半導體、SK 海力士等已在中國建廠。
- 據媒體報導，中國約有 30 座新晶圓廠正在建設或籌劃中。
中國大陸的大部分半導體制造能力處於28奈米以上更成熟的工藝節點（特徵尺寸）。成熟的工藝節點通常用於專業裝置，如電源管理IC、影像感測器和LED，而不是主流 CMOS。但在全球範圍內，情況並非一定如此:
- 超過三分之二的現有全球半導體晶圓廠生產 40 nm及以上的晶片。
- 臺積電在 2019 年報告稱，28 nm是其最受歡迎的工藝節點，也是該公司的第三大收入來源。
- 2020年全球半導體銷售額為4400億美元，其中7 nm及以下產品的銷售額約為280億美元，佔市場份額的6.4%（來源：Strategy Analytics）。大多數處於前沿的晶片都用作手機的基帶和應用處理器。
- 意法半導體、英飛凌、松下、瑞薩、東芝、恩智浦、德州儀器、羅姆、三菱、亞德諾、超威、三星和許多其他知名公司生產標準的40 nm到180 nm之間的CMOS和BiCMOS產品。
中芯國際專注於CMOS，剛剛開始量產14 nm FinFET晶片，並計劃增產。中芯國際、華為、Imec和高通幾年前在中國投資了一家合資企業，開發14 nm FinFET晶片，現在在中芯國際開始取得成果。
與此同時，領先的代工廠臺積電和三星LSI生產的前沿晶片尺寸小到7 nm和5 nm，隨著生產成本的下降和更多晶片公司在這些工藝節點上設計新晶片，這些節點將在未來幾年越來越受歡迎。
2.3 半導體瓶頸
中國有越來越多的軟體供應商和裝置製造商，他們正努力為晶圓廠提供製造成品半導體所需的全部需求。
如今，由於受貿易制裁而無法獲得先進的EDA軟體，限制了中國可以設計的新晶片，而缺乏國產光刻機，使28 nm及以下晶片的生產面臨風險。
2.3.1 EDA
由於近期的制裁，華為和美國實體清單上的其他公司無法獲得 EDA 軟體的技術支援和軟體更新。 Synopsys、Cadence、Ansys 和 Siemens EDA 等美國公司主導著 EDA 軟體市場。此類軟體的許可證費用每個席位每年要數千美元，而設計新的積體電路需要有效的許可證
一些中國本土的公司提供EDA軟體。
- 華大九天成立於2009年。其客戶包括中芯國際，同時還包括一些國外領先的半導體企業和代工廠。
- 芯華章、 和艦以及全芯智造三家初創公司最近獲得了資金，通過提供額外的EDA能力來幫助中國實現自給自足。
2.3.2 光刻技術
正如Strategy Analytics在之前的報告《中國在重要28 nm CMOS工藝節點的自給自足：該計劃可以成功》所述，光刻技術在半導體制造中扮演著關鍵角色。
- 光刻機通常每臺成本約為5000萬美元，佔晶圓廠裝置成本的25%至30%。
- 光刻通常需要大約50%的半導體制造時間，因此光刻機對於決定晶圓廠產量和每片晶圓成本至關重要。
- ASML、尼康和佳能引領光刻機市場，其中來自ASML 的最為先進。這些機器使用波長為 193 nm（DUV 或深紫外光刻）的強光源用於 28 nm 晶片，13.5 nm（EUV 或極紫外光刻）用於 5 nm 及以下的前沿晶片。
上海微電子裝備有限公司（SMEE）提供了600/20旗艦光刻掃描器，能夠使用193 nm DUV氟化氬（ArF）鐳射和浸沒式光刻機生產低至 90 nm 節點的晶片。
據媒體報導，該公司有望在 2021 年Q4推出能夠生產 28 nm節點晶片的 DUV 機器。該機器還將使用 ArF 鐳射器。該機器不會使用美國公司的任何零部件或技術。
根據Robert Castellano在Seeking Alpha上釋出的一篇文章，來自上海微電子的新機器相當於ASML的1980i。通過新增多個圖案，這種機器的一個版本將能夠使用DUV生產低至7 nm的晶片，相當於ASML的2000i機器。
中芯國際和華虹目前使用的是ASML 的1980i，未來中芯國際和華虹的7nm和5nm晶片也將使用上海微電子的裝置。
美國的制裁和中國自力更生的動力讓ASML陷入了困境。該公司希望繼續向中國出售其EUV裝置，但對中國的銷售已被美國的禁令阻止。此外，在DUV裝置方面，ASML還面臨著來自尼康的日益激烈的競爭，美國已經採取行動阻止向中國銷售DUV和EUV裝置。
- 儘管總部位於荷蘭的ASML可以無視美國對中國的制裁，但公開這麼做可會損害其銷售。
- 另一方面，如果ASML遵守美國的制裁規定，同樣也將損害其銷售，該公司可能會永久失去在中國這個全球最大的光刻機市場的地位。
ASML主要希望中國的客戶將更願意購買ASML經過市場驗證的機器，而不是上海微電子的新裝置，並且ASML將能夠成功獲得出口許可證。
中國的其他光刻機制造商包括大族鐳射，該公司專注於在較大節點上生產 LED 和分立器件的機器，以及中國科學院光電技術研究所，該所研發了能夠生產 22 nm晶片的低成本 DUV 機器
2.3.3 其它半導體裝置
許多其它的中國半導體裝置公司只有幾年的歷史，但已經擁有能夠生產28 nm及以下節點晶片的裝置。表現尤為突出的包括：
- 中微（AMEC）的等離子刻蝕系統被臺積電用於5 nm的生產，並被長江儲存用於 NAND 儲存器。截至2018年底，公司已經出貨了150多臺MOCVD外延機。
- 中電科電子裝備集團是中國電子科技集團有限公司下屬的獨資公司。該公司已開發了全系列的離子注入機，範圍從高能量到中、高電流機器，適用於生產低至 28 nm節點的各種晶片。
- 北方華創將自己定位像Applied Materials 一樣的一站式供應商。北方華創在蝕刻、沉積、晶圓清洗和熱退火裝置方面尤其強大。
- 中國擁有超過47家不同型別晶圓清洗和製備裝置供應商。
盛美半導體在CMP（化學機械平坦化）和清洗裝置方面有很強的實力。
中國有十多家公司提供測試、分析、計量、矽襯底生長、晶圓打標和晶圓處理的裝置。
03、啟示和建議
隨著中國努力開發本土半導體裝置，到2024年，中國可以將國內消費的半導體產量翻一番，至少滿足其需求的30%。許多人認為這是達到自力更生的最低門檻。
- 專注於28 nm及以上晶片的生產能力，將有助於中國半導體公司滿足中國的大部分半導體需求。上海微電子應該在今年開始出貨28 nm的光刻機，這將幫助中國緩解產能限制。
- 中芯國際已經在生產14 nm的晶片，並將最早在2022年通過更多來自ASML、尼康或上海微電子的DUV光刻機來擴大產能。
- 在未來的一到兩年的時間裡，中國的電子系統廠商不得不接受國內供應商提供的低於領先水平的晶片，直到國產7 nmDUV光刻機上市，可能也將首先由上海微電子提供。
- 對於生產5 nm及以下晶片，中國國內的EUV機器或使用替代光刻技術的機器可能還需要幾年時間才能進入市場。
中國應仔細評估如何補貼國內半導體產業：
- 世貿組織規則通常允許政府補貼，但歐盟規則通常認為補貼是非法的。
- 如果一個國家支援以低於國內價格的價格出口半導體以增加市場份額，這被認為是傾銷。如果可以證明對其他國家的供應商造成損害，世貿組織將允許從中國購買晶片的國家針對中國徵收關稅等反傾銷措施。
- 隨著各國對半導體行業實行補貼和其他激勵措施，世界可能進入新的競爭，這是一場看誰能在本土半導體開發上投入最多的競爭。在這樣的環境下，Strategy Analytics認為，只有通過明智的支出，各國才能希望取得更大的成功。
在華企業應提防陷入智慧財產權紛爭，尤其是與半導體裝置相關的智慧財產權:
- 中國現在擁有完善的專利體系，在很多方面令世界其他國家羨慕。在中國的專利體系下，侵犯非中國公司的專利，更不用說中國本土公司的專利了，可能會導致嚴重的金錢損失。
- 如果針對中國公司就侵犯智慧財產權有可信的指控，將會招致額外的制裁，這可能會進一步擾亂所有人的半導體供應，而不僅僅是中國。
- 對於中國在光刻技術方面的努力來說，利好訊息是，ASML/Cymer 和尼康最早持有的一些浸入式光刻專利將在未來兩年內到期。
中國需要更多具有半導體裝置經驗的工程師和科學家，以縮小與老牌供應商的差距。喬治敦大學安全和新興技術中心認為，加快放寬許可證豁免和更快處理許可證申請，允許半導體裝置和零部件進入中國，將有助於在美工作的中國公民留在美國。
- 如果中國被認為在獲取人才方面過於激進，這將導致美國和其他國家的強烈反對，並可能導致更嚴厲的制裁。
中國的半導體裝置公司應該同時瞄準國內外客戶，加快發展。半導體生產商總是傾向於從可靠的供應商那裡購買裝置，而成熟的裝置公司與全球領先的半導體生產商有著密切的關係，並能從他們那裡獲得產品反饋。中國裝置供應商在中國銷售時可能不再需要突破這一現有優勢，但在海外的銷售仍將提供有價值的資訊以協助半導體裝置的開發。
本報告中提出的許多建議也適用於美國、歐盟、韓國、印度和其他對自給自足感興趣的國家。每個國家都應審視其在整個半導體供應鏈上的優勢和劣勢，並考慮到本國半導體需求和目標，優先考慮最嚴重的缺陷。中國看來在這方面做得相當有效。