[译] [转]中国加快先进芯片开发

在与西方之间持续的贸易紧张关系中，中国正在加速发展其国内半导体产业，以期变得更加自给自足。

该国在IC技术方面仍然落后，并且距离自力更生还很遥远，但它正在取得显着进步。直到最近，中国的国内芯片制造商仍受制于成熟的代工工艺，并且没有内存。不过，最近，一家中国代工厂进入了14nm finFET市场，研发能力为7nm。中国也正在扩大记忆。在晶圆厂设备领域，中国正在开发自己的极紫外（EUV）光刻系统，该技术可以对芯片中最先进的特征进行图案化。

中国不太可能在短期内发展自己的EUV系统。就此而言，至少在目前，美国的铸造和记忆工作还很薄弱。而且中国不会很快超过跨国芯片制造商。

尽管如此，它出于几个原因正在发展其国内IC产业。一方面，中国从外国供应商那里进口了大部分芯片，这造成了巨大的贸易缺口。中国拥有庞大的集成电路产业，但规模还不足以弥合差距。作为回应，美国正在向集成电路产业投入数十亿美元，并计划制造更多自己的芯片。简而言之，它希望减少对外国供应商的依赖。

中国最近加快了这些努力，特别是当美国与该国发动多方贸易战时。仅举一个例子，美国使华为更难获得美国的芯片和软件。最近，美国阻止了ASML将EUV扫描仪运送给中国最大的晶圆代工厂商SMIC。中国将这些行动和其他行动视为阻碍其增长的一种方式，促使其加快自身技术的发展。

同时，美国表示其与贸易有关的行为是有道理的，声称中国从事不公平的贸易做法，并且未能保护美国的知识产权。中国驳回了这些主张。尽管如此，该行业需要密切关注贸易问题以及中国在半导体领域的进步。它们包括：

• 中芯国际正在交付14nm finFET，并在研发中采用类似7nm的工艺。

• 扬子存储技术有限公司（YMTC）最近凭借64层设备进入了3D NAND市场。128层技术正在研发中。

• ChangXin Memory Technology（CXMT）正在发售其第一款产品，即19nm DRAM产品线。

• 中国正向包括氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）的复合半导体领域扩展。

• 中国的OSAT正在开发更高级的软件包。

这一切听起来令人印象深刻，但中国仍在落后。中国在疯狂地消费。中国的战略是成为半导体制造业的参与者。VLSI Research总裁Risto Puhakka表示：“这是因为希望在国内制造能力中占有更大份额以及出于安全考虑。“但是中国在内存中的份额很小。在逻辑方面，他们落后于台积电。从任何合理的方面来看，中国都远远不能自给自足。”

这些不是唯一的问题。D2S首席产品官Leo Pang说：“中国仍然面临许多挑战，包括需要更多的人才和IP来制造半导体，以及需要进一步缩小领先工艺技术之间的差距。”“最大的挑战是美国和中国政府之间的紧张关系，这导致制造设备和EDA软件供应的不确定性。”

中国的战略
中国已经参与了集成电路行业数十年。在1980年代，它拥有几家技术过时的国有芯片制造商。因此，当时中国推出了一些举措，以实现其集成电路产业的现代化。在外国关注的帮助下，该国在1980年代和1990年代发起了几家芯片企业。

尽管如此，由于多种原因，中国在半导体技术方面仍落后于西方。当时，西方国家对中国实施了严格的出口管制。禁止设备供应商将最先进的工具运往中国。

然后在2000年，中国推出了两家新兴的国内代工厂商-Grace和SMIC。到那时，中国的出口管制放松了。设备供应商只需要获得将工具运到中国的许可证即可。

大约在那个时候，中国成为了一个劳动力低廉的大型制造业基地。对芯片的需求猛增。随着时间的流逝，美国成为全球最大的芯片市场。

从2000年代后期开始，跨国芯片制造商开始在中国建立晶圆厂以进入市场。英特尔，三星和SK海力士在中国建立了存储器工厂。台积电和联电在那建立了晶圆代工厂。

根据IC Insights的数据，到2014年，中国消费了价值770亿美元的芯片，但进口了大部分芯片。另外，根据IC Insights的数据，中国仅生产了这些芯片的15.1％。其余的在中国境外制造。

作为回应，在获得数十亿美元资金支持后，中国政府在2014年推出了一项新计划。目标是加快中国在14nm finFET，存储器和封装方面的努力。

然后，在2015年，中国又发起了一项名为“中国制造2025”的倡议。目标是增加10个领域的零部件的国内含量-IT，机器人技术，航空航天，航运，铁路，电动汽车，电力设备，材料，医药和机械。此外，据IC Insights称，中国希望变得更加自给自足，并希望到2025年将其国内产量提高到70％。

根据IC Insights的数据，2019年中国消费了价值1,250亿美元的芯片，但仍进口了大部分芯片。中国仅生产了这些芯片的15.7％，因此不太可能在2025年之前达到其生产目标。

图1：中国集成电路市场与生产趋势的关系资料来源：IC Insights

中国也面临其他挑战，特别是技术人才短缺。D2S'Pang指出：“中国仍在寻求更多的半导体制造人才。”“这主要是因为中国正在建设十二个新的晶圆厂。它已经通过向台湾，韩国，日本乃至美国的晶圆厂招募了成千上万甚至数万名经验丰富的半导体工程师，并为其支付了非常诱人的薪酬。

好的一面是，中国从今年初的Covid-19大流行中迅速复苏。2020年上半年，中国及其他地区对芯片和设备的需求强劲。“ 200mm的容量已在各种最终应用中继续满负荷运行。在过去的一年中，在300mm区域也出现了类似情况。”UMC业务发展副总裁Walter Ng表示。

其他人看到类似的趋势。“在Covid-19大会期间，中国半导体测试和封装市场一直保持韧性，”FormFactor高级副总裁艾米·梁（Amy Leong）说。“由于“中国制造2025”倡议在过去几年中建立的势头以及中美紧张局势下最近的“恐慌建立/购买”，两者的结合推动了需求的稳定。话虽如此，随着对全球经济衰退的担忧日益加剧，我们看到中国需求不确定性的水平正在上升。”

心情也很紧张。从2018年开始，美国与中国发动贸易战，对中国制成品征收关税。中国已进行报复。

贸易战正在升级。去年，美国将华为及其内部芯片部门海思（HiSilicon）加入了“实体名单”，称两家公司构成了安全隐患。要与华为开展业务，一家美国公司必须获得美国政府的许可。许多美国供应商被拒绝，这影响了他们的底线。

然后，今年早些时候，美国扩大了中国“军事最终用户”的定义。这是为了防止中国军方获得美国的任何技术。

今年五月，美国开始阻止海外工厂向华为输送芯片。“展望未来，如果满足以下三个条件，海外晶圆厂必须停止对华为的销售：A）晶圆厂使用美国的设备或软件制造芯片；B）芯片是华为设计的；C）芯片制造商知道所生产的产品将运往华为。” Cowen的分析师Paul Gallant说。“（这要求）外国芯片制造商在将芯片出售给华为之前，先使用美国的设备获得许可证。但是新规则的措词实际上可能并未禁止这种销售。从好的方面来看，新规定仅涵盖海思半导体实际设计的芯片，而不是将海外晶圆厂生产的所有芯片都出售给华为。

在某个时候，台积电可能会中止向华为的新订单。尚不清楚这将如何进行。规则是模糊的，可能会在一夜之间发生变化。

晶圆代工，EUV的努力
即使在贸易战之前，中国仍处于大型晶圆厂扩张计划的中间。根据SEMI的“世界晶圆厂预测报告”，在2017年和2018年，中国有18座晶圆厂正在建设中。最终，这些晶圆厂建成了。

据SEMI称，中国目前在建3个晶圆厂。“其中两个晶圆厂用于铸造。一个是8英寸，另一个是12英寸。还有一个用于存储的内存（12英寸）。SEMI的分析师Christian Dieseldorff表示，还剩下7个。

晶圆代工业占中国晶圆厂产能的很大一部分。中国的铸造业分为两类：国内和跨国厂商。

台积电和联电都是跨国公司。台积电在上海经营200mm晶圆厂。台积电于2018年开始在南京的另一家工厂出货16nm finFET。

联电正在苏州的200mm晶圆厂生产芯片。联电在厦门也有一家新的300mm铸造厂，出货量为40nm和28nm。

同时，中国的国内代工厂商，例如ASMC，CS Micro和华虹集团，都专注于成熟的工艺。处于领先地位的初创公司HSMC正在研发14nm和7nm芯片。

根据TrendForce的数据，中国最先进的代工公司中芯国际是全球第五大代工供应商，仅次于台积电，三星，GlobalFoundries和联电。

直到去年，中芯国际最先进的工艺是28nm平面技术。相比之下，台积电在十年前推出了28nm。时至今日，台积电在研发方面已将5nm提升至3nm。

这是中国政府的痛处。由于中国落后，中国OEM必须从国外供应商那里获得最先进的芯片。

另一方面，中国成熟的流程没有差距。D2S'Pang说：“对于大多数晶圆厂而言，技术节点差距不是问题，因为用于物联网和汽车应用的大多数芯片都不需要前沿节点。”

尽管如此，中芯国际仍在尝试开发先进的工艺。2015年，中芯国际，华为，Imec和高通在中国成立了一家研发芯片技术合资企业，计划开发14nm finFET工艺。

这是很大的一步。“迁移到14nm的finFET并不容易。每个人都为此感到挣扎，” VLSI Research的Puhakka说。“中芯国际也是如此。他们要做什么很难。”

尽管如此，此举对于继续扩展至关重要。在20nm处，传统的平面晶体管已经用尽了。这就是为什么英特尔在2011年转向22nm的finFET晶体管的原因。与平面晶体管相比，FinFET的功率更低，速度更快，但制造起来也更困难，更昂贵。

后来，GlobalFoundries，三星，台积电和联电采用了16nm / 14nm的finFET。（英特尔的22nm工艺大致相当于代工厂的16nm / 14nm。）

最终，经过多年的研发，中芯国际在2019年通过交付中国首批14nm finFET达到了一个里程碑。今天，14nm仅占SMIC销售额的一小部分。“我们的客户对14nm的反馈是积极的。我们的14nm产品涵盖了低端应用处理器，基带和与消费者相关的产品，涵盖了通信和汽车领域。”中芯国际的联合首席执行官赵海军和梁孟松在电话会议上说。

尽管如此，中芯国际迟到了。例如，应用处理器是智能手机中最先进的芯片。当今的智能手机集成了基于7nm的应用处理器。智能手机中的其他大多数芯片（例如图像传感器和RF）都基于成熟的节点。

对于最先进的应用处理器，14nm并不具有成本竞争力。中芯国际开始生产14nm。但是，如果您看智能手机，则设计为7纳米。” IBS首席执行官汉德尔·琼斯（Handel Jones）说。“如果看一下7nm的晶体管成本，那么十亿个晶体管的成本从2.67美元到2.68美元不等。10亿个14nm晶体管的成本约为3.88美元。因此，您的成本差异很大。”

不过，14nm在其他市场上仍然可行。“ 14纳米技术可用于低端4G和5G智能手机，但不适用于主流或高端智能手机。拥有适当处理器和系统架构的14nm可以用于5G基础设施应用。

现在，在政府的资助下，中芯国际正在开发12nm finFET及其所谓的“ N + 1”。12nm是14nm的缩小版本。N + 1计划在年底之前被称为7nm技术。

N + 1看起来并不完全是。Gartner分析师Samuel Wang说：“中芯国际的N + 1相当于三星的8nm，比台积电的10nm稍好。”中芯国际今年的N + 1可能性不大。到2020年底，12nm可能已准备就绪。”

再一次，中芯国际可能会错过市场窗口。到2021年出货8nm时，智能手机OEM厂商将把其5nm作为应用处理器。

这不是唯一的问题。中芯国际可以使用现有的晶圆厂设备生产8nm或7nm。除此之外，当前的光刻设备已经用光了。因此，除了7nm以外，芯片制造商还需要下一代光刻技术EUV。

但是，美国最近阻止了ASML将其EUV扫描仪运送到SMIC。如果中芯国际无法获得EUV，则该公司将停留在8nm / 7nm。“根据瓦森纳尔协议，美国阻止了EUV出售给中芯国际（去年）。我无法预见在可预见的将来向中国运送EUV的情况。但是，由于14nm仅占SMIC销售额的1％，因此几年来他们不再需要EUV技术。” Cowen and Co.分析师Krish Sankar说。

不过，在某个时候，中国希望超越7纳米。这就是中国致力于自己的EUV技术的原因。中国尚未开发出功能完善的EUV扫描仪-它可能永远不会开发出。但是竞技场上的工作正在进行中。EUV子系统正在多家研究机构中开发。例如，去年中国科学院上海光学精密机械研究所（CAS）描述了由千瓦激光器驱动的EUV的发展。2020年，中国科学院微电子研究所的研究人员发表了一篇论文“通过循环一致学习进行EUV多层缺陷表征”。

VLSI Research的Puhakka表示：“围绕EUV的不同组件进行了大量研究。“我认为他们没有先进的可制造的EUV工具。开发自己的EUV将是一个漫长的过程。我不会说永远不会，但这是一条漫长而艰难的道路。”

其他人表示同意。“我认为我们只能看到中国正在做的事情的一部分。就像冰山一样，大部分都看不见。他们的院士发表了有关EUV技术的论文，但是我所看到的工作基本上只是理论上的。我认为其中存在一些底层硬件。” HJL光刻技术负责人哈里·莱文森（Harry Levinson）说。

内存，非内存方面的努力
与此同时，中国在内存方面存在巨大的贸易缺口，即DRAM和NAND闪存。DRAM用于系统中的主存储器，而NAND用于存储。

中国进口了大部分记忆。英特尔，三星和SK海力士在中国经营存储器工厂，为国内和国际市场生产芯片。

为了减少对这里的依赖，中国正在发展其国内存储器产业。2016年，YMTC出现了进入3D NAND业务的计划。而且，CXMT目前正在扩大中国的第一个本地DRAM。

两者都是竞争市场，尤其是NAND。3D NAND是平面NAND闪存的后继产品。与2D结构的平面NAND不同，3D NAND类似于一个垂直摩天大楼，其中堆叠了存储单元的水平层，然后使用微小的垂直通道进行连接。

通过堆叠在设备中的层数来量化3D NAND。随着增加更多的层，系统中的位密度增加。但是，随着添加更多层，制造挑战将升级。

Lam Research执行副总裁兼首席技术官Rick Gottscho表示：“扩展3D NAND面临两个重大挑战。“其中之一是，当您沉积越来越多的层时，薄膜中的应力会增加，这会使晶圆翘曲并使图案变形。然后，当您进入双层或三层时，对齐将成为更大的挑战。”

同时，YMTC似乎已经克服了其中一些挑战。去年，YMTC交付了其第一款产品– 64层3D NAND设备。现在，YMTC正在采样128层3D技术。

公司落后了。相比之下，跨国供应商正在发售92层/ 96层3D NAND设备。他们还在增加112层/ 128层产品。

尽管如此，YMTC至少在中国可能成为一个因素。YMTC的芯片已被纳入中国公司的USB卡和SSD中。TechInsights分析师Jeongdong Choe表示，如果中国OEM采用YMTC的技术，“这可能会破坏NAND市场份额。”

但可以肯定的是，在成为主要竞争对手之前，中国还有很长一段路要走。IC Insights总裁Bill McClean表示：“ IC Insights仍然非常怀疑该国是否能够在未来10年内发展出一个庞大的竞争性本地存储行业，而这个行业几乎可以满足其存储IC的需求。”

对于模拟，逻辑，混合信号和射频也是如此。麦克林说：“中国公司要在非内存IC产品领域竞争要花费数十年的时间。”

同时，中国出现了几家中国的GaN和SiC供应商。他们似乎是代工供应商和材料供应商，但显然，中国落后于舞台。GaN用于功率半导体和射频，而SiC用于功率器件。

YoleDéveloppement的技术和市场分析师Ahmed Ben Slimane表示：“中国市场在全球电力电子行业中代表着巨大的机遇，主要是在汽车和消费类领域。”在电动汽车/混合动力汽车应用的推动下，SiC器件开始被中国领先的汽车制造商采用，例如比亚迪在其Han EV模型中。在功率GaN行业中，小米，华为，Oppo和Vivo等中国智能手机OEM厂商已选择采用GaN快速充电器技术。在中国强大的系统制造商的推动下，考虑到当前中美冲突的背景，在成本竞争力和质量提高方面，中国晶圆和设备制造商无疑处于有利地位。”

反过来，这又推动了生态系统的发展。YoleDéveloppement技术与市场分析师Ezgi Dogmus表示：“在电力电子市场中出现宽带隙半导体之后，中国确实在推动创新技术，并开始建立其国内价值链。”“在中国的功率SiC生态系统中，我们看到各种参与者都参与了晶圆，外延晶片和器件级别。这包括晶圆厂的Tankeblue和SICC，晶圆厂Epiwafer的Epiworld和TYSiC以及晶圆代工业务的Sanan IC等。关于功率GaN市场，从2019年开始，我们见证了有竞争力的GaN器件制造商的加入，例如Innoscience和快速充电器领域的各种系统集成商。”

包装计划
中国在包装方面也有大计划。JCET是中国最大的包装公司。它还具有其他几个OSAT。

“中国的OSAT技术对于主流行业能力来说是最新的，与前端晶圆制造技术相比，这被认为是技术上的差距要缩小得多。它们能够支持几乎所有流行的包装类型，” FormFactor的Leong说。“新兴的2.5D / 3D异构集成技术在中国仍在开发中，明显落后于台积电，英特尔和三星等行业领导者。”

不过，先进的包装可能是中国可以缩小差距的地方。这不仅在包装中，而且在半导体技术中。

如今，对于高级设计，业界通常使用芯片缩放来开发ASIC。在这里，您可以在每个节点上缩小不同的功能，然后将它们打包到单片式芯片上。但是这种方法在每个节点上变得越来越昂贵。

业界正在寻找新方法。开发系统级设计的另一种方法是在高级封装中组装复杂的模具。梁启超说：“随着摩尔定律放慢，与先进封装技术的异质集成代表了中国千载难逢的机会，赶上了半导体。”