***被围堵？国内EDA产业尚未形成规模

***作为半导体设备的三大组成部分之一，被誉为“半导体工业皇冠上的宝石”。2023年1月，随着美国拉拢日本，荷兰达成限制向中国出口先进芯片制造设备的新协议，将“中国核心”的遏制推向高潮，成为全民关注的焦点。 根据国家统计局发布的《2021年中华人民共和国国民经济和社会发展统计公报》，2021年中国集成电路出口数量达到3017亿颗，比上年增长19.6%，出口总额达到9930亿元，比上年增长23.4%；2021年，进口集成电路6355亿颗，比上年增长16.9%，进口总量27935亿元，比上年增长15.4%。

相比之下，2021年原油进口总量约为1.66万亿元，芯片进口总量是原油的1.7倍。巨大的贸易逆差使中国在国际贸易中处于不利地位，芯片是中国亟待解决的问题之一。 基于这一背景，近年来许多业内专家对制造芯片的核心设备***的重要性进行了解读。事实上，在中国庞大的半导体产业链中，除了***，还有很多处于发展初期的重要环节。***的崛起还有很长的路要走。有三个主要方面需要我们注意： 首先，作为芯片的基础材料，国内公司的市场份额极低。第二，关于半导体设备。没有半导体设备的支持，芯片制造的任何一个环节都难以完成芯片的交付，但目前国产化率在全球市场中所占的比例很低。第三，在被称为“芯片之母”的EDA领域，国内生产仍然受制于人。本文将从这些方面分析中国的现状，然后为大家呈现一个清晰、立体的国内芯片产业格局。

01 半导体材料：利润不可观，国产化率低

很多人都知道芯片是沙子做的，但是从芯片制造的整个过程来看，需要的材料不止这些。如光刻胶、抛光液、靶材、特种气体等。后端封装还需要基板、中间体、引线框、粘合材料等。下图是一个3 D封装芯片的示意图：天蓝色是封装基板（Package Substrate），标准封装迹线（Standard Package Trace）存在于基板中，灰色是硅内中介层（Silicon interposer），都是芯片中必不可少的材料。

三维封装芯片示意图

半导体材料是芯片产业的基础，没有原材料的芯片制造就像“巧妇难为无米之炊”。目前，国内半导体材料整体上还比较薄弱，在品种丰富度和竞争力上都处于劣势。2021年，国产半导体材料国产化率仅为10%左右。 回顾我国半导体材料的发展历史，半导体是一种电导率介于导体和绝缘体之间的材料。与导体和绝缘体相比，半导体材料是最晚发现的。直到20世纪30年代，随着材料提纯技术的提高，半导体的存在才真正被学术界所认识。半导体领域的前辈科学家在半导体材料方面做出了巨大努力，这使得中国在今天的材料领域占据了一小块的空间。正如林兰英院士所说，“如果我们不依靠自己的努力，我们现在可能没有多少材料”。 1955年6月，林兰英获得宾夕法尼亚大学固体物理学博士学位，也是该校建校115周年以来的第一位女博士。毕业后，为了接近美国半导体材料研究的前沿，她在知名的Sylvania半导体公司担任高级工程师，帮助公司解决了许多技术问题，赢得了公司的关注。即使她的年薪很丰厚，无论她乡再怎么好，都无法阻挡林兰英为祖国服务的决心。在掌握了固体材料开发的知识后，她积极计划回国。 1957年，林兰英以旅游的名义获得签证，冲破重重障碍，坚定地回到祖国。当时在中国，半导体材料几乎是空白的。

林兰英立即进行研究，并于1957年和1958年分别成功拉制了第一个锗单晶和第一个硅单晶。中国也成为世界上第三个生产硅单晶的国家。后来，林开始研究砷化镓材料，成为世界上第一个制造砷化镓单晶作为半导体材料的科学家。林兰英是中国半导体材料科学的领军人物和先驱。没有她在半导体领域的成就，中国在半导体领域将更加落后。 虽然与光刻技术相比，半导体材料所涉及的技术和精密仪器并不像光刻技术那样复杂。但由于我国对半导体材料研究的投入持续不足，以及该行业相对于其他科技领域的利润不尽如人意，目前国内市场份额较低。未来几年，国家政策和资金将开始向材料方面倾斜，国内半导体材料制造商也将面临机遇和挑战。

02 半导体设备：全球市场基本被美国、日本和荷兰垄断

在半导体领域，除了被卡住脖子的***之外，还有许多关键设备。比如自动测试设备、蚀刻机、离子注入机等。这些都是芯片产业链中的关键环节。 先说自动测试设备。在半导体产业链中，一个芯片的生命周期从市场需求分析开始，遵循产品的定义、设计、制造，封装后交付给终端消费者，全过程需要多次测试。芯片自动测试设备集成了许多精密仪器，整体成本也非常昂贵，一台的价格高达数千万美元。目前，世界半导体测试机的主要市场仍由美国的泰瑞达Terida和日本的爱德万Edwan这两个海外领头羊占据，在本土化方面仍有很大的增长空间。 蚀刻机也是非常重要的设备。随着半导体工艺的小型化和结构的复杂化，半导体刻蚀设备的种类和技术难度不断增加。然而，蚀刻设备领域长期以来一直被海外公司垄断。

根据高德纳Gartner的统计，世界前三大蚀刻企业是泛林半导体（中国台湾）、东京电子（日本）和应用材料（美国），全球占市场份额为91%。国内大陆蚀刻设备厂商在全球蚀刻设备市场的市场份额不到2%。但近年来，国内蚀刻厂商依靠资金和政策支持，取得了快速发展。比如中微公司的介质刻蚀已经进入台积电TSMC的7 nm/5 nm生产线，是目前唯一进入TSMC生产线的国内蚀刻设备厂商。 此外，离子注入是晶圆制造中掺杂的核心工艺，其技术壁垒仅次于光刻、蚀刻和薄膜沉积。目前，国内晶圆厂一般将设备费用的7%~10%用于离子注入。离子注入器将要掺杂的原子注入硅片，使芯片获得特定的电学性质，否则， 芯片不能正常工作。此外，半导体设备还包括清洗机、后道封装***、芯片分选机等。 我们需要注意的是，目前半导体设备市场主要由美国、日本和荷兰的企业垄断。根据CINNO Research的数据，2022年上半年十大半导体设备公司中，有3家美国公司，5家日本公司，2家荷兰公司，没有一家是中国公司。这就是为什么美国一直在争取日本和荷兰讨论一项限制向中国出口先进芯片制造设备的协议。

除了许多高科技***和其他半导体设备，中国已经开始加快国产替代的进程，但形势依然不容乐观。目前，我国还不能实现先进技术的全过程国产化。在成熟制程的市场上，目前我国半导体的自给率约为20%，替代空间巨大。中芯国际和华虹宏力虽然可以完成28纳米工艺的量产，但尚未完成产业链的完全本地化。目前，落后环节主要集中在关键设备和材料上。

03 EDA：国内半导体产业链发展的薄弱环节之一

EDA被称为“芯片设计之母”，尽管整个EDA市场只有100亿美元，却是撬动着庞大的约为5000亿美国的半导体市场规模，其杠杆效应显著。EDA是现代超大规模芯片设计中不可缺少的一部分。目前，整个EDA行业的大部分被三大EDA公司垄断，即新思科技Synopsys、楷登电子Cadence和西门子Siemens EDA。 与国外相比，中国的EDA起步还不算太晚。1988年，国内EDA工具“熊猫系统”开始进入研发阶段。90年代初，我国第一个具有自主知识产权的EDA工具“熊猫ICCAD系统”上线，并于1993年获得国家科技进步一等奖。推出后不久，这款熊猫EDA就在近20家设计公司投入使用，用它设计了近200个芯片品种。当时，中国与世界领先水平的差距并不是很大。这不仅为国内ICCAD产品开发奠定了良好的基础，也形成了一支研发和工程技术团队。 1994年3月31日，巴黎协调委员会宣布正式解散。

当时国内EDA产业尚未形成规模，市场几乎处于空白状态。与此同时，三大EDA巨头大举进入中国，以价格低廉、技术成熟的优势迅速占领市场，导致国内EDA在接下来的十年里发展缓慢，再次进入被国外拉开差距。因此，EDA逐渐成为国内半导体产业链中最薄弱的环节之一。 2008年是我国EDA发展的转折点。当年，国家核心电子器件、高端通用芯片、基础软件产品（核高基）等重大科技项目正式进入实施阶段。在《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020）》中，EDA被列为中国十六大科技攻关项目之一。随后，在国家政策支持下，华大九天于2009年成立，格伦电子于2010年成立。此外，中国的一些老EDA企业，如广立微电子和国微集团，在国家政策支持下，国内EDA企业重组，重新开始新的发展阶段。 然而，自2018年以来，中兴和华为相继受到美国的制裁，这为中国仍处于初步发展阶段的EDA行业敲响了警钟。2022年8月15日，美国商务部宣布对GAA晶体管结构集成电路设计所需的EDA软件实施出口管制。GAA晶体管结构主要用于3 nm及以下的高级工艺。虽然目前的禁令对国内大部分芯片公司影响不大，但也阻碍了未来国产高端芯片的设计，不排除美国未来继续增持“EDA断供”的可能性。 但我们也应该看到，2018-2020年，国产EDA工具在国内市场的销售份额分别为6.2%、8.3%、11.5%。虽然规模仍然很小，但市场份额稳步增长。EDA的开发周期漫长而艰难。虽然罗马不是一天建成的，但人们相信国内的EDA会随着时间的推移而稳步发展。

04 ***被围堵？三大攻势出击

居安思危，我国并非毫无准备，国家不断出台一系列政策支持。后来者想要活在这个世界上从来都不容易。***要想突破三巨头围堵下的严密包围圈，必须打出强大的组合拳，需要注意以下三个方面： 首先是政策支持。事实上，中国在这方面已经做得很好，取得了初步成效。例如，早在2014年6月，国务院就发布了《促进全国集成电路产业发展纲要》，部署了2015年、2020年和2030年集成电路产业的发展目标。

2030年，产业链主要环节将达到国际先进水平，实现跨越式发展。明确提出光刻胶、大尺寸硅片等关键材料的发展，加强集成电路制造企业与装备材料企业的合作，加快产业化进程，提升行业支撑能力。 2015年，国家发布《中国制造2025》，提出要形成关键制造设备供应能力。2020年中国国务院发布《新时期促进集成电路产业和软件产业高质量发展若干政策》，对半导体产业税收、投融资、研发政策等八个方面进行了深入指导。目前，全球半导体产业政策已进入密集区，国内产业政策有望随着产业发展的深化而演进，朝着产业自主可控的政策目标迈进。目前，许多省市也出台了与半导体材料相关的产业政策。2021年，《“十四五”国家信息化规划》提出加快突破集成电路设计工具等特色工艺，加强集成电路等重点前沿领域的战略研究布局和技术集成创新。

在EDA方面，《中国制造2025》对集成电路行业的市场规模和产能规模提出了具体的量化目标，其中提出2025年包括EDA在内的集成电路设计行业产值将达到600亿美元，占全球总量的35%。此外，各省市相继出台了多项EDA政策。例如，2022年6月，深圳发布了《深圳培育发展半导体和集成电路产业集群行动计划（2022-2025）》政策，旨在聚集一批EDA工具开发企业和专业团队，加强EDA工具软件核心技术研究，推广EDA工具软件。实现全过程的本土化；2021年12月，上海发布《新时期促进上海集成电路产业和软件产业高质量发展的若干政策》，宣布重大EDA项目新增投资可放宽至不低于5000万元；2021年8月，北京市发布了《北京市十四五高新技术产业发展规划》，大力突破EDA工具的研发和产业化。 二是继续加大研发投入。

据统计，在中国研发费用率排名前50的科技公司中，计算机软件和服务业名列前茅，其次是芯片半导体行业，这表明芯片公司对研发的重视。此外，根据中国11家主要半导体设备公司（北方华创、中微公司、芯源微、华峰测控、至纯科技、拓荆科技、盛美上海、华海清科、长川科技、精测电子、晶盛机电）的财务指数统计，2022年第一季度至第三季度R研发费用总额同比增长59%。 尽管国内研发投资持续增长，但总体研发投资与芯片巨头之间仍存在较大差距。

根据行业分析师IC Insights的数据，半导体巨头英特尔、TSMC和三星合计贡献了全球研发支出的45.3%。国内芯片的研发投资需要不断增加。 三是注重芯片领域相关人才的培养。目前，中国芯片人才总数不足，主要原因是高端芯片人才稀缺，半导体行业“抢人”的氛围，企业招人难。根据猎聘Hunting发布的《半导体行业：半导体/芯片人才趋势》研究报告，2020年中国半导体行业员工人数将达到54.1万人，同比增长5.7%。预计2023年左右人才需求将达到76.6万左右，人才缺口近23万。从具体岗位来看，创新型和研发型人才等高级研发人才的供需矛盾明显。数据显示，在设计方面，模拟设计工程师、RF射频设计工程师、CPU架构师、信号完整性工程师等研发工程师最为稀缺，这些人是芯片研发的主力军。 中国的半导体产业已经走到了一个十字路口。尽管面临着各种压力和困难，国内芯片自主的发展是漫长而艰难的，但却难以阻挡我们的进步。虽然这是一个漫长的旅程，可能需要10年甚至20年才能走出一条平坦的道路，但芯片行业的发展没有捷径可走。最后，还期望每个读者能够理解芯片，了解芯片，或进一步投身于这个行业，实现自己的价值，勇敢攀登科技的珠穆朗玛峰。

编辑：黄飞