先進的計算機芯片不僅推動了能力的發(fā)展，也推動了經(jīng)濟和科學的發(fā)展。這些芯片由復雜的供應鏈生產(chǎn)，而這些供應鏈的全球分布和相關能力在各國的分布對未來的技術競爭和國際安全具有重大影響。然而，供應鏈的復雜性和不透明性使政策制定變得困難。要避免不可預測的危害，就需要詳細了解整個供應鏈以及該供應鏈各環(huán)節(jié)的國家競爭力。

為了幫助決策者了解全球半導體供應鏈，我們將這些供應鏈拆分開來看，并識別出與決策者最相關的特征，因為它們要么提供了技術控制的潛在目標，要么限制了可用的政策。CSET雜志的另一期簡報題為“美國《半導體出口到中國:當前的政策和趨勢》概述了目前如何對半導體供應鏈實施出口控制。CSET的配套政策簡報題為“確保半導體供應鏈”和“中國在半導體制造設備方面的進步”，根據(jù)本文的分析提供了政策建議，以維持美國和盟國的優(yōu)勢。

美國及其盟友是全球半導體供應鏈的，而中國大陸相對落后。美國半導體產(chǎn)業(yè)貢獻了全球半導體供應鏈總價值的39%。美國的盟國和地區(qū)——日本、歐洲(特別是荷蘭、英國和德國)、中國臺灣和韓國——總共貢獻了53%。這些國家和地區(qū)在幾乎每個供應鏈環(huán)節(jié)上都享有競爭優(yōu)勢。雖然中國大陸的貢獻僅為6%，但它正在許多領域迅速發(fā)展能力，并可能試圖重新配置有利于自己的供應鏈，從而影響國家和國際安全。

在高層次上，半導體供應鏈包括研發(fā)、生產(chǎn)、生產(chǎn)投入和最終使用的分銷。研發(fā)支撐著所有的生產(chǎn)及其投入。半導體生產(chǎn)包括三個部分:(1)設計，(2)制造，(3)封測(ATP)。生產(chǎn)依賴于供應鏈的相關元素:半導體制造設備(SME)、材料(包括形成芯片的“晶片”)、設計軟件(稱為電子設計自動化，或EDA，軟件)和與芯片設計相關的知識產(chǎn)權(稱為核心IP)。這一過程中價值、技術最復雜的部分是生產(chǎn)的設計和制造環(huán)節(jié)，以及供應鏈中的SME部分。雖然是在供應鏈中占據(jù)很小，但EDA和核心IP也很關鍵，這需要大量的專業(yè)知識。而ATP是一種勞動密集型行業(yè)，進入門檻。

美國及其盟友專注于不同的供應鏈領域。美國在研發(fā)方面占據(jù)主導地位，在各個領域都擁有強大的能力。然而，它缺乏某些關鍵子部門的企業(yè)，特別是光刻工具(SME中最昂貴和最復雜的形式)和的芯片工廠(特別是為第三方制造芯片的“代工廠”)。韓國幾乎參與所有生產(chǎn)步驟，也生產(chǎn)大量的材料和一些半導體設備。臺灣在的制造和ATP方面占主導地位，并生產(chǎn)一些材料。相比之下，日本專注于半導體設備和材料，并生產(chǎn)許多較老的技術半導體。同時歐洲(特別是荷蘭、英國和德國)，專門從事半導體設備(特別是光刻工具)、材料和核心IP。

中國大陸在一些領域取得了進步，但在另一些領域仍存在困難。中國大陸在封測、組裝和封裝工具以及原材料方面大。在的支持下，其在設計和制造方面正在取得進展。然而，中國在生產(chǎn)投入方面舉步維艱:半導體設備、EDA、核心IP和某些用于制造業(yè)的材料。

引言與概述

價值5000億美元的半導體供應鏈是世界上最復雜的供應鏈之一。單個計算機芯片的生產(chǎn)通常需要1000多個步驟，通過國際邊界70次或更多次，才能到達最終客戶手中、為了避免不可預測的傷害，政策制定者必須了解各個行業(yè)的供應鏈和國家競爭力。本報告旨在提供這樣的評估。雖然它描繪了所有關鍵國家和地區(qū)的國家競爭力，但它關注的是中國在各個領域的發(fā)展。除特別說明外，本報告的數(shù)據(jù)是截至2019年的數(shù)據(jù)，國家和地區(qū)的市場份額是基于公司總部，而不是運營地點。然而，公司總部可能無法充分體現(xiàn)國家的競爭力。例如，許多美國公司在中國和其他國家保留了大量業(yè)務。

總體來看，供應鏈主要包括七個部分(圖1)。

圖1：半導體供應鏈

*注:藍色:供應鏈各個環(huán)節(jié);紫色:生產(chǎn)的商業(yè)模式

研發(fā)推動了供應鏈的各個環(huán)節(jié)。它包括基礎技術的競爭前探索性研究和直接推進半導體技術前沿的競爭研究。

生產(chǎn)需要三個主要步驟:設計、制造、封測(ATP)。這些步驟要么發(fā)生在一個單獨的公司——銷售芯片的集成設備制造商(IDM)——要么發(fā)生在單獨的公司，沒有晶圓廠的公司設計和銷售芯片，交給代工公司來做，從外包的半導體組裝和測試(OSAT)公司購買封測服務。生產(chǎn)需要幾個其他輔助:材料、半導體制造設備(SME)、電子設計自動化(EDA)和核心知識產(chǎn)權(IP)。下面是生產(chǎn)步驟的總結，以及它們如何使用這些輔助部分。

設計包括規(guī)范、邏輯設計、物理設計以及確認和驗證。規(guī)范決定了芯片應該如何在使用它的系統(tǒng)中操作。邏輯設計創(chuàng)建一個相互連接的電子元件的原理圖模型。物理設計將這個模型轉化為電子組件和互連(連接組件的電線)的物理布局。確認和驗證確?；谠O計的芯片能夠按預期運行。EDA是用來設計芯片的軟件。

直到20世紀70年代，芯片中幾乎沒有電子元件，工程師們都是手工繪制設計。今天，芯片包括數(shù)十億相互連接的晶體管和其他電子元件。為了解決這些復雜的元件，芯片設計者使用EDA軟件的自動設計工具。核心IP由設計的可重用模塊化部分組成，允許設計公司授權并將其納入設計中。

制造依靠半導體設備和材料將設計變成芯片。首先，一個熔爐形成一個硅圓柱體(或其他半導體材料)，然后將其切割成圓盤狀晶圓片(圖2中的張圖像)。晶圓廠通過兩個步驟在這些晶圓片上制造芯片:在硅的材料層中形成晶體管和其他電子設備;以及在硅上面的絕緣層中形成電氣設備之間的金屬互連。電氣設備和互連線一起構成電路。一個芯片可能總共包含幾十層。下面是一個如何形成一個單層的例子。

首先，“沉積”工具添加一層材料，將形成一個新的永久層的基礎。然后，一種叫做“光蝕刻”的過程在該層中繪制電路圖案，首先在沉積的材料上涂上一層“光刻膠”。一個光刻工具讓光通過一個“光掩膜”——一個帶有電路圖案的透明板——把圖案轉移到光刻膠上。(光罩本身是用光刻工具制作的。)光根據(jù)電路圖案溶解部分光刻膠。

“蝕刻”工具將光刻膠中新創(chuàng)建的圖案雕刻到光刻膠下面的永久層。隨后，光刻膠被移除，蝕刻材料從層中清除。(其他時候，不是蝕刻，而是用一種叫做“離子注入”的過程將原子嵌入到層中。)然后，完成的層被壓平(這個過程被稱為“化學機械壓平”)，允許添加新的層，然后這個過程又開始。在整個制造過程中，“制程控制”工具檢查晶圓及其層，以確保沒有錯誤。

組裝、測試和封裝開始于切割一個成品晶圓(在制造后以網(wǎng)格模式包含數(shù)十個晶圓(圖2中的個圖像))到單獨的晶圓。每個芯片都安裝在一個有電線的框架上，該框架將芯片與外部設備連接起來，并封裝在一個保護外殼中。這將產(chǎn)生一個邊緣有金屬針的深灰色矩形的最終外觀(圖2中的第三個圖像)。該芯片還將進行測試，以確保其按照預期運行。ATP還需要各種材料。

上面的描述過度簡化了技術流程，但是傳達了涉及的步驟。實際上，每一個單獨的步驟都是非常復雜的，需要幾個子步驟。而制造過程的原子精度要求潔凈室沒有可能干擾芯片制造的灰塵顆粒。

最終用途涉及分布集成到芯片的產(chǎn)品——智能手機、筆記本電腦、服務器、通信設備和汽車等。

圖2:芯片制造過程

總部位于六個國家和地區(qū)的公司幾乎控制了整個供應鏈。表1給出了CSET對每個供應鏈段半導體價值貢獻的估計(紫色部分)。這些值加起來等于100%。各供應鏈環(huán)節(jié)的增加值計算見附錄A。它還展示了供應鏈各環(huán)節(jié)的區(qū)域市場份額(綠色)。

表1還提供了每個地區(qū)對全球供應鏈的總附加值(藍色部分)。每個值都是一個地區(qū)在所有供應鏈領域的市場份額的加權平均值。權重是每個部門的增加值加權。由于缺乏數(shù)據(jù)，表1不包括晶圓以外的fab材料(增加值4.1%)和封裝材料(增加值3.5%)。前者通常由晶圓廠購買;后者由ATP設施提供。

因此，非晶圓fab材料和封裝材料的價值分別被納入“fab”和“ATP”中。美國總體上是的，而韓國、日本、中國臺灣和歐洲(特別是荷蘭、英國和德國)在其他先進領域擁有的公司。

表1:按供應鏈各部分和公司總部分列的半導體增加值和市場份額

資料來源:CSET計算，財務報表，WSTS, SIA, SEMI, IC Insights, Yole, VLSI研究

*注:色彩強度與值的大小有關。

美國在大多數(shù)領域都很強大(表2)。但是值得注意的例外是如一些fab工具的生產(chǎn)，如光刻設備和晶圓材料等。美國也缺乏尖端的純邏輯芯片代工廠。(代工是指為第三方客戶生產(chǎn)芯片的工廠，這與總部位于美國的英特爾不同，后者的尖端邏輯芯片廠根據(jù)英特爾自己設計的芯片生產(chǎn)芯片。)然而，這些能力都是由美國的盟友主導的?？偠灾?，美國及其盟友在供應鏈的每一個環(huán)節(jié)都具有國際競爭力——簡而言之，如果加上盟友，表2將變成綠色。

*注:綠色:高能力(具有國際競爭力);黃色:溫和的能力;

橙色:低功能;紅色:限度或沒有能力;粗體:類別;

未加粗的:在類別內并列在下面的項目。根據(jù)作者的分析，如下節(jié)所總結的。

中國總體上落后，但在某些領域正在進步(表3)。中國在ATP、組裝和封裝工具以及原材料方面表現(xiàn)突出。它在設計、制造、CMP工具和一些蝕刻和清潔工具方面有適度和不斷增長的能力。中國在其它領域也面臨挑戰(zhàn)，包括多數(shù)半導體設備業(yè)。它的弱點是EDA，核心IP，一些芯片材料(特別是光刻膠)，領先的邏輯芯片能力，和某些SME。這些SME包括光刻工具(最重要的是，極端紫外線掃描儀和氬氣氟化物浸泡掃描儀)，制程控制工具，測試工具，原子層蝕刻，晶圓和掩模處理工具，先進沉積工具，和一些離子注入器。這些弱點——根據(jù)表3，中國的能力較低、最小或根本沒有能力——是“瓶頸”?！八鼈兩婕懊绹捌涿藝鴮ｉT生產(chǎn)的先進芯片生產(chǎn)所必需的產(chǎn)品。

表3:中國供應鏈各環(huán)節(jié)的競爭力

*注:綠色:高能力(具有國際競爭力);黃色:溫和的能力;橙色:低功能;紅色:限度或沒有能力;粗體:類別;未加粗的:在類別內并列在下面的項目。根據(jù)作者的分析進行評級，如下節(jié)所總結。

以下每一節(jié)詳細介紹了每個國家和地區(qū)的國家競爭力(特別是中國)，包括研發(fā)、生產(chǎn)(設計、制造和ATP)、SME、EDA、核心IP和材料。(本報告沒有進一步討論半導體的分銷和最終用途。)雖然可以按順序閱讀下面的章節(jié)，但讀者可以分別查看每個章節(jié)以獲得該部分的概述。

在半導體研發(fā)方面，相比其他國家，美國處于決定性的領先地位，并將其輸送到所有其他供應鏈部門。半導體研發(fā)工作大部分是由私營企業(yè)完成的。

圖3按公司總部分列的半導體行業(yè)研發(fā)情況。從全球來看，半導體行業(yè)在2013年至2018年以每年3.6%的復合年增長率增長，2018年的研發(fā)支出為646億美元。2019年，美國半導體行業(yè)以398億美元的研發(fā)支出遙遙領先，2018年研發(fā)支出排名前10位的半導體公司中有5家是美國半導體行業(yè)。相比之下，2018年中國半導體企業(yè)在半導體研發(fā)上的支出僅為26億美元。圖3中不包括的國家在半導體行業(yè)研發(fā)中所占的比例很小。行業(yè)研發(fā)主要是私有的，但許多半導體公司與競爭對手合作進行研發(fā)。一項針對12家主要半導體公司的調查發(fā)現(xiàn)，有近200個研究合作項目。

圖3：2018年美國企業(yè)半導體行業(yè)研發(fā)

數(shù)據(jù)來源：SIA，SemiWiki

美國半導體行業(yè)的研發(fā)支出占半導體銷售額的比例，為16.4%，中國為8.3%（圖4）。

圖4：2019年，美國半導體企業(yè)的研發(fā)投入高于同行

數(shù)據(jù)來源：SIA

美國、韓國、日本、中國臺灣和荷蘭當局在半導體研發(fā)方面只扮演了次要角色。2019年，美國在半導體研發(fā)上投入了60億美元。其中17億美元直接用于半導體行業(yè)，43億美元用于相關技術領域（如工程、計算機科學、數(shù)學和物理科學）。除了直接的研發(fā)資金，許多還通過研發(fā)稅收減免或其他資金來補貼半導體公司——低于市場的融資和資本投資和企業(yè)收入的稅收減免——企業(yè)可以將其轉向研發(fā)。

相比之下，中國每年對半導體行業(yè)的補貼約為150億美元。這些補貼在接受補貼的公司收入中所占的比例是遠高于其他國家的。然而，中國的補貼在絕對值上與許多其他國家的提供的補貼幾乎相當，因為全球領先的半導體公司比中國的半導體公司產(chǎn)生的收入要多得多。此外，中國的研發(fā)稅收減免只是其總補貼的一小部分，從絕對值上看，比美國的研發(fā)稅收減免要小得多。

半導體產(chǎn)品

美國、韓國、歐洲、日本、中國臺灣和中國大陸是半導體設計、制造、裝配、測試和封裝的重點國家和地區(qū)。2019年，半導體擁有4123億美元的銷售額，其中數(shù)字和內存芯片占了的份額(圖5)。

圖5:2019年半導體市場

來源: WSTS

*注:數(shù)字芯片包括微處理器和微控制器。

半導體生產(chǎn)有兩種商業(yè)模式。在“集成器件制造”（IDM）模型中，同一家公司執(zhí)行所有生產(chǎn)步驟。在“無晶圓廠+代工”（fabless+foundry）模式中，不同的公司執(zhí)行不同的步驟。fabless公司設計和銷售芯片，但從代工廠購買制造服務，從外包的半導體組裝和測試(OSAT)公司購買組裝、測試和封裝服務。IDM通常生產(chǎn)內存芯片、模擬芯片、光電子器件、傳感器和分立器件(OSD)。這兩種模式的公司都會生產(chǎn)邏輯數(shù)字芯片。圖6和圖7顯示了按業(yè)務模式劃分的芯片銷售和國家/地區(qū)份額。

來源：SIA, IC Insights, Yole, CSET estimates

以下各小節(jié)分為：設計、制造和ATP的區(qū)域競爭力。每個章節(jié)合并了IDM和在fabless+foundry 模式下運營的公司的數(shù)據(jù)。

設計

美國、韓國、歐洲、日本、中國臺灣和中國大陸幾乎承擔了世界上所有的半導體設計。美國在數(shù)字和模擬芯片方面領先，韓國在存儲芯片方面領先，歐洲在分立器件方面領先。中國設計了許多數(shù)字芯片——盡管大多數(shù)芯片無法與的美國芯片競爭——以及一些分立器件，同時也開始設計內存芯片(圖8和表4)(市場份額和規(guī)模是為半導體銷售，其中包括從設計以外的步驟增加的價值。然而，由于同一家公司通常設計和銷售一種半導體——即使它經(jīng)常外包制造和ATP——這些市場份額與設計活動的份額密切相關。)本節(jié)重點介紹某些高端數(shù)字芯片和最常見的內存芯片。

圖8：2019年IC設計市場份額（按照類型和地區(qū)劃分）

資料來源：SIA、 IC Insights、TrendForce以及財務報表

*注:中國在 CPUs、GPUs和FPGA上的份額很小(<1%)

表4：2019年芯片設計市場情況及中國競爭力

數(shù)字芯片

數(shù)字芯片對數(shù)據(jù)(0和1)執(zhí)行計算以產(chǎn)生輸出。它們包括微處理器(例如中央處理單元(CPU))、微控制器、數(shù)字信號處理器、現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)、圖形處理單元(GPU)和其他芯片。世界上大部分數(shù)字芯片都是美國設計的，韓國、歐洲、日本、中國臺灣和中國大陸各占一小部分。

中國的設計行業(yè)主要由為國防、電信和金融等行業(yè)設計數(shù)字芯片的無晶圓廠公司組成。華為的子公司海思和清華紫光的子公司紫光展銳主導了中國的無晶圓廠領域。這些公司生產(chǎn)智能手機處理器和其他芯片。在全球收入排名前10位的無晶圓廠企業(yè)榜單中，海思半導體是全球十大半導體供應商之一。然而，海思和紫光展銳從總部位于英國的Arm公司獲得核心IP。

下面將集中討論四個高價值數(shù)字芯片類別：高端CPU、GPU、FPGA和AI ASIC

高端CPU。CPU是占主導地位的通用數(shù)字芯片。英特爾和AMD這兩家美國公司長期壟斷筆記本電腦、臺式機和服務器的CPU市場。中國雖有幾家合資企業(yè)，但沒有一家能與美國公司競爭。龍芯已經(jīng)開發(fā)了一款擁有自主IP的12納米CPU，客戶包括個人電腦制造商聯(lián)想和中國超級計算機制造商中科曙光。中科曙光通過AMD的x86 IP授權來開發(fā)自己的CPU，不過這些CPU的能力尚不清楚。中國科學院還為太湖之光超級計算機開發(fā)了“神威”芯片。此外，兆芯正在開發(fā)用于臺積電16nm節(jié)點的x86 CPU。一個“節(jié)點”代表一個技術世代;一個新節(jié)點(如2020年發(fā)布的“5納米”)的芯片內含的晶體管密度大約是上一代節(jié)點(如2018年發(fā)布的“7納米”)的兩倍，而且更能耗更低。最后，飛騰基于Arm的超級計算機架構是28納米CPU。

中國的CPU很少有民用客戶，這反映了它們在開放市場上缺乏競爭力。中國大型企業(yè)使用的CPU中95%依賴進口。在x86架構的CPU上，中國的表現(xiàn)尤其弱，而美國公司在這方面有一個專屬的客戶群。

獨立GPU。GPU長期以來一直被用于圖形處理，在過去的十年里，它已經(jīng)成為訓練人工智能算法最常用的芯片。美國壟斷了GPU的設計市場，包括獨立的GPU芯片。英偉達和AMD這兩家美國公司主導著獨立的GPU市場?？偛课挥诿绹挠⑻貭栆苍陂_發(fā)一種獨立的GPU。

現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）。與其他芯片不同，F(xiàn)PGA在部署后可以重新編程，以適應特定的計算，如執(zhí)行人工智能算法(也稱為“推理”)。美國公司幾乎占領了整個FPGA設計市場。中國的三家FPGA制造商主要處在非常舊的節(jié)點上生產(chǎn)，在40到55納米之間。一個例外是Efinix開發(fā)的10 nm“eFPGA”，這是一種FPGA的精簡版，其設計可以整合到其他芯片上?？偟膩碚f，中國的FPGA并不具備與美國同行的競爭力。

用于人工智能的專用集成電路（AI ASIC）。AI ASIC通常比GPU和FPGA實現(xiàn)更快的速度和效率，但僅適用于特定的人工智能算法。2017年至2019年，對無晶圓廠企業(yè)的風險投資大部分流向了人工智能芯片設計初創(chuàng)企業(yè)。越來越多的公司在開發(fā)這些芯片，而中國是的，因為ASIC比CPU、GPU和FPGA更容易設計。

然而，很少有高度專業(yè)化的ASIC被廣泛商業(yè)化，因為它們的市場往往太小，無法收回固定的開發(fā)成本。中國在人工智能推理專用芯片方面做得，盡管中國公司也在開發(fā)人工智能訓練專用芯片。后者的一個顯著例子是華為Ascend 910，它是在臺積電的7納米節(jié)點上制造的，與領先廠商競爭。不過，華為的芯片設計是通過Arm IP授權開發(fā)。

存儲芯片。存儲芯片用于存儲邏輯設備執(zhí)行計算的數(shù)字數(shù)據(jù)。DRAM在計算機運行時提供“易失性”的數(shù)據(jù)存儲，但當計算機斷電時就會丟失數(shù)據(jù)。相比之下，NAND閃存是“非易失性”的，永久存儲內存。韓國、美國和臺灣控制著DRAM設計市場，而韓國、美國和日本控制著NAND閃存市場。

中國也在嘗試生產(chǎn)DRAM和NAND芯片。這些芯片占內存芯片市場的98%。雖然中國公司目前只占內存芯片產(chǎn)量的一小部分，但長鑫的產(chǎn)能將占全球DRAM產(chǎn)量的3%，而YMTC（長江存儲）將占全球NAND閃存產(chǎn)量的5%。

與數(shù)字芯片相比，存儲芯片更加商品化，也更容易生產(chǎn)，而且生產(chǎn)商大多通過價格競爭——中國企業(yè)在這一策略上很有優(yōu)勢。一個更大的障礙是獲得行業(yè)領先者的專利許可，中國的存儲芯片供應商正在收購這些專利。因此，內存芯片設計不太可能繼續(xù)成為中國的主要瓶頸。

制造

總部位于美國、中國臺灣、韓國、日本和中國大陸的公司控制了世界上絕大多數(shù)Fab市場份額(圖9)和Fab產(chǎn)能(圖10和表5)——其中大部分也位于這些國家/地區(qū)(圖11)。芯片廠有兩種商業(yè)模式:(1)IDM旗下的芯片廠，根據(jù)自己的設計制造芯片;(2)晶圓廠，即獨立運營，為第三方客戶生產(chǎn)芯片的晶圓廠。中國大陸的產(chǎn)能建設十分強勁，市場份額也頗為樂觀，但產(chǎn)量和利用率較低，而且是在較老的節(jié)點上。其中許多晶圓廠在支持下繼續(xù)運營，獲得的補貼占收入的比例遠高于任何領先晶圓廠。外國芯片制造商在中國運營著、最可靠的晶圓廠，創(chuàng)造的收入超過了中國的芯片制造商。

先進的邏輯節(jié)點制造能力是中國晶圓廠的弱點，盡管中國正試圖建設這樣的能力。此外，邏輯芯片(如CPU、GPU、FPGA和AI ASIC)對與國家和國際安全相關的應用尤其重要。因此，本節(jié)剩下的部分將重點放在邏輯fab產(chǎn)能上。

圖9:2019年Fab市場占有率情況（按地區(qū)劃分）

來源：CSET calculations, IC Insights, SIA, SEMI, WSTS

圖10顯示了相關產(chǎn)品類別下，不同地區(qū)（公司總部所在地）的Fab產(chǎn)能占比。這些類別包括整個半導體、邏輯芯片(包括代工廠和IDM持有的產(chǎn)能)、存儲芯片、模擬芯片、光電子器件、傳感器和分立器件的產(chǎn)能。對邏輯芯片提供了更詳細的分解。具體來說，圖10包括了IDM和代工廠所持有的邏輯芯片容量，以及45nm節(jié)點或以下的邏輯芯片容量(代工廠和IDM所持有的)。

圖10：根據(jù)Fab產(chǎn)品種類和地區(qū)劃分下的2020年晶圓廠產(chǎn)能

資料來源：“World Fab Forecast,” SEMI, November 2020 edition

圖11展示了按照晶圓廠所在地劃分的晶圓產(chǎn)能占比情況，具體分類與圖10一樣。

圖11:2020年晶圓廠產(chǎn)能占比（按照晶圓廠所在地劃分）

資料來源：“World Fab Forecast,” SEMI, November 2020 edition

表5:2019年晶圓廠市場情況及中國大陸競爭力

總部位于美國、中國臺灣、韓國、日本和中國大陸的公司控制著世界上大部分的邏輯芯片制造能力，而且大部分的邏輯芯片制造能力都在地區(qū)所在地。晶圓廠廠控制超過80%的世界的邏輯工廠產(chǎn)能(表5)。三家公司——總部設在美國(英特爾),中國臺灣(臺積電)和韓國(三星)——工廠控制幾乎所有世界上先進的邏輯節(jié)點能力(≤10nm)，盡管美國的英特爾在和愛爾蘭等都有產(chǎn)能建設。

贏家通吃的格局給邏輯代工行業(yè)的后繼競爭對手帶來了挑戰(zhàn)。市場領先者臺積電占有全球邏輯代工市場54%的份額，在領先的邏輯代工市場上占有更大的份額?，F(xiàn)在，它生產(chǎn)的5納米節(jié)點芯片，每個晶圓的收入快速增長，而其他運營晶圓的芯片制造商——包括美國的GlobalFoundries、中國臺灣的聯(lián)華電子和中國大陸的芯片制造商中芯國際——的收入都在下降。

三星也在引進5納米邏輯芯片的生產(chǎn)能力，而英特爾正在生產(chǎn)10納米邏輯芯片，其規(guī)格可與臺積電的7納米節(jié)點芯片競爭。美國擁有強大的能力，盡管其由GlobalFoundries持有的的邏輯芯片廠只有12納米?？偛课挥诿绹挠⑻貭柸杂媱澩瞥?納米節(jié)點芯片，其規(guī)格可與臺積電的5納米節(jié)點芯片競爭，但英特爾落后了，計劃在2022年或2023年初推出。

由于先進的生產(chǎn)能力極低且質量低下，中國代工廠面臨吸引外國無晶圓廠客戶的困難。中芯國際已達到14納米，但每月產(chǎn)能僅為6,000片晶圓（占全球≤16納米邏輯晶圓廠產(chǎn)能的0.2％），計劃增加到35,000（1％）。中國芯片制造商華虹也在嘗試開發(fā)14 nm產(chǎn)能。為了與臺積電競爭，中國代工廠商必須克服專有技術的不足，并依靠補貼來投資領先的產(chǎn)能—成本從一個節(jié)點迅速上升到另一個節(jié)點。如果實施的話，美國、日本和荷蘭未來對中小企業(yè)和原材料的出口管制可能會阻止中國的代工廠建設先進的產(chǎn)能。荷蘭目前禁止向中國出口EUV光刻機，這已經(jīng)阻礙了它建設超過7納米的能力。

ATP的組裝、測試和封裝有兩種商業(yè)模式:(1)作為內部的ATP服務，由集成設備制造商(IDM)和制造后的代工廠執(zhí)行;(2)外包的半導體組裝和測試(OSAT)公司，為第三方客戶提供ATP服務。ATP是勞動密集型的，比設計和制造的價值低，并且在這兩個部分不發(fā)展技能。因此，企業(yè)歷來都在發(fā)展中國家設立ATP設施。

總部位于中國臺灣、美國、中國大陸和韓國的公司是ATP服務的主要提供者(圖12和表6)。中國大陸受益于外包，發(fā)展了強大的ATP產(chǎn)業(yè)——其OSAT產(chǎn)業(yè)是僅次于中國臺灣的世界大產(chǎn)業(yè)。此外，非中國的IDM在中國保留了許多ATP設施。雖然在中國排名前三的ATP公司都是中國的OSAT，但其余的前10名都是非中國的IDM(6家美國公司)。因此，ATP可以說是美國供應鏈的一個弱點。

總的來說，世界上22%的ATP設施在中國。雖然ATP的歷史價值很低，但封裝越來越成為芯片性能的瓶頸。邏輯電路中晶體管的密度和芯片中存儲單元的密度繼續(xù)呈指數(shù)級增長，但是邏輯電路和存儲器之間互連的密度(由封裝控制)增長速度慢得多，這導致了芯片之間的通信瓶頸。此外，邏輯和內存密度的增長速度可能會放緩，為封裝提供了相對更多的創(chuàng)新機會。

圖12：按公司總部分列的國家市場份額

來源：Yole、SIA、SEMI、IC Insights、WSTS、CSET計算

表6:ATP市場與中國競爭力

半導體制造設備

美國、日本和荷蘭主導著中小企業(yè)的生產(chǎn)，是中國芯片供應鏈中最嚴重的瓶頸。有幾十個類別的中小企業(yè)(圖13和14顯示2019年中小企業(yè)市場規(guī)模和各部門國家份額)?！胺铡卑ㄖ行⌒推髽I(yè)所提供的支援服務，以協(xié)助中小型企業(yè)的成立、故障排除及維修。大多數(shù)SME用于制造芯片或芯片輸入。這些工具包括晶圓制造、晶圓和光掩模處理、晶圓標記、離子注入、光刻、沉積、蝕刻、清潔、化學機械平面化和過程控制。專門的工具也用于裝配、測試和封裝。

除了組裝和封裝工具，中國在所有主要細分市場都幾乎沒有市場份額。中國最關鍵的瓶頸是光刻工具——特別是極紫外(EUV)光刻和深紫外(DUV)光刻，但也包括壓印光刻、電子束光刻、激光光刻、抗蝕劑加工設備以及掩模檢查和修復工具。

其他工具也是阻塞點，特別是那些用于離子注入、原子層蝕刻、化學氣相沉積、晶圓和掩模處理、晶圓和掩模檢查，以及測試邏輯芯片的工具。CSET的相關政策簡報題為《確保半導體供應鏈安全》和《中國在半導體制造設備方面的進展》，對影響中小企業(yè)的出口控制和其他政策提出了建議，這些政策可能會減緩中國在中小企業(yè)和領先芯片制造能力國產(chǎn)化方面的發(fā)展。

圖13:2019年中小企業(yè)市場分類

來源:VLSI研究

圖14:2019年按公司總部劃分的中小企業(yè)國家份額

來源：VLSI研究

晶圓制造、晶圓標記和處理

日本、美國和奧地利是晶圓制造、處理和標記設備的主要生產(chǎn)國。（圖15和表7）。中國生產(chǎn)商的能力和市場份額微乎其微。鑒于其較高的價值，晶圓制造設備和處理系統(tǒng)是中國的瓶頸。

圖15：按公司總部劃分的2019年晶圓制造，晶圓標記和處理國家/地區(qū)份額

來源：VLSI研究

表7：2019年晶圓制造，晶圓標記和處理市場以及中國競爭力

晶體生長爐和加工工具：這對于生產(chǎn)所有晶圓都是必不可少的，晶圓是用于生產(chǎn)芯片的薄盤狀材料工廠。9其他中小型企業(yè)相比，這些工具的價值和復雜性相對較低。日本，德國和瑞士是主要生產(chǎn)國，而中國的生產(chǎn)商很少，主要依靠進口。

晶圓鍵合機和對準器：這通常在硅片制程硅片的過程中被需要，奧地利，德國和美國生產(chǎn)這種設備，而中國大陸則沒有。上海微電子設備（SMEE）銷售這些工具，但銷售量和功能不甚理想。

晶圓和光掩模處理：這些產(chǎn)品在晶圓廠中存儲和運輸晶圓和光掩模。光掩模是包含電路圖案的透明板，光刻工具可使光通過該電路圖案以將圖案轉移到芯片上。日本，韓國，中國臺灣和法國生產(chǎn)晶圓和光掩模處理機，而中國大陸則不生產(chǎn)。目前尚不清楚這對中國大陸而言，是否是重要的瓶頸，因為這些工具并不像其他那么復雜；因此，中國最終可能會生產(chǎn)它們。

晶圓標記系統(tǒng)：是指使用激光識別器標記晶圓或晶圓中制造的芯片。美國僅生產(chǎn)此設備。但是，由于它的復雜性和成本較低，其他國家（包括中國）也可以輕松開發(fā)該技術。

離子注入機

離子注入機將摻雜劑嵌入到硅片中，以使硅片的不同部分具有不同水平的半導電性，從而在芯片中制造功能晶體管。不同的用例需要四個類別。低電流至中電流離子注入機和大電流離子注入機最多，他們通常與大電流離子注入機一起使用，能夠提供更高的通量。高壓離子注入機可以將離子深深注入硅片中。超高劑量摻雜注入機可以實現(xiàn)比其他工具更高的摻雜劑密度。

美國是離子注入機的主要生產(chǎn)國，日本和中國臺灣占據(jù)了全球大部分市場份額（圖16和表8）。中國生產(chǎn)少量專門用于先進技術的離子注入機，但不生產(chǎn)用于前沿邏輯芯片的離子注入機，這使其成為一個中等的瓶頸。

圖16：按地區(qū)分布的例子注入機份額

表8：2019年的例子注入機市場，以及中國在這方面的競爭力

光刻

荷蘭，日本和其他少數(shù)國家是光刻設備的主要生產(chǎn)國，這對芯片和光掩模的生產(chǎn)至關重要（圖17和表9）。中國無法生產(chǎn)任何先進的光刻設備。最重要的是，荷蘭和日本是光刻設備的獨家供應商，特別是極紫外（EUV）掃描儀和氟化氬（ArF）浸沒式掃描儀，這些設備是大規(guī)模生產(chǎn)先進芯片所必需的，這是中國半導體的主要瓶頸。

圖 17：2019年光刻機的份額分布（按國家）

表9：2019年的光刻份額以及中國的競爭力

表10總結了光刻工具的能力。(不包括作為光刻設備補充的抗蝕劑加工設備。)光蝕刻工具用于大批量芯片生產(chǎn)，目前由支持節(jié)點從到最不先進分為6個等級:EUV、深紫外線(DUV)——其中包括ArF浸泡(也稱為濕ArF或ArFi)、ArF(也稱為干ArF)、氪氟化物(KrF) -i-line和掩模定位器。更老一些的g-line已經(jīng)不再使用了。其他類型的光刻設備用于特定的、低體積的芯片或光掩模(ebeam和laser)，或者是未來大規(guī)模芯片生產(chǎn)(印模)的新興發(fā)展領域。

表10：光刻類型

光刻：掃描儀和步進器

荷蘭和日本主導著掃描儀和步進器的生產(chǎn)，而掃描儀和步進器是批量生產(chǎn)芯片所需的光刻設備。美國和中國在較不先進的步進機上占有較小的市場份額。荷蘭的ASML專門生產(chǎn)EUV掃描儀，這是的光刻設備。

ASML和總部位于日本的尼康獨家生產(chǎn)先進的ArF浸沒式掃描儀。掃描儀和步進器產(chǎn)生的光穿過光掩模，以將先前在光掩模中創(chuàng)建的電路圖案轉移到多個晶圓上。

由于其技術復雜性和費用，該設備是中國的主要瓶頸。

首先，掃描儀是結合了高精度（通過產(chǎn)生小波長的光）和高吞吐量（通過使用光掩模，如下面的“無掩膜光刻”小節(jié)中所述）的工具。EUV掃描儀是批量生產(chǎn)5 nm節(jié)點芯片所必需的，而EUV和ArF浸沒式掃描儀一起是能夠批量生產(chǎn)28至7 nm節(jié)點范圍的芯片的光刻工具，其中ArF浸入主要用于45 nm（表10）。

其次，EUV和ArF浸沒式掃描儀是芯片制造中使用的最昂貴的工具，在芯片制造成本中所占的份額越來越大。EUV掃描儀具有“100,000個零件，3,000條電路，40,000個螺栓和2公里的軟管長度”，比任何SME和擁有成千上萬個零件的典型汽車都要復雜。與其他高價值中小企業(yè)相比，這些趨勢也使光刻市場比其他高價值的SME更加穩(wěn)固和有利可圖。

第三，它們需要的精度，負責繪制芯片中的納米級電路圖案。第四，EUV掃描儀簡化和減少了非光刻制作步驟的需要，進一步增加了光刻相對于其他SME的重要性。由于這些原因，光刻技術的改進也限制了晶體管密度的摩爾定律的改進，促使領先的芯片制造商英特爾、三星和臺積電優(yōu)先投資ASML以支持其EUV研發(fā)。

中國正在開發(fā)掃描儀和步進曝光機(steppers)。據(jù)稱，上海微電子設備有限公司（SMEE）已開發(fā)出一種90nm ArF的工具，并計劃在2021年或2022年之前推出一種28nm浸沒式ArF工具。盡管如此，即使這些報告是真實的，而且工具可以工作，但在最初的原型設計之后，構建一個低成本、低制造錯誤率和高吞吐量的可大規(guī)模生產(chǎn)的工具仍可能需要數(shù)年時間。

中國的晶圓廠也尚未使用SMEE的90 nm步進曝光機進行大規(guī)模芯片生產(chǎn)。SMEE的光刻工具更多的則是被用于芯片封裝（而不是制造）中難度較小的步驟，并且大多不用于先進封裝技術。

除SMEE之外，2018年，中國官方媒體報道稱，中國科學院光電技術研究所開發(fā)了具有365 nm i-line光源的實驗性光刻工具，可達到22 nm的分辨率，將來可能達到10nm。此分辨率與已知的i-line技術不一致，因此該報告不具有參考意義。

最后，據(jù)報道，一些中國研究機構正在嘗試開發(fā)EUV組件，但尚不清楚他們是否會成功。

光刻：掩模對準器：在這方面，僅德國，日本和奧地利生產(chǎn)掩模對準器。掩模對準器是光刻的另一種形式，其中與掃描儀和步進曝光機不同，晶片和光掩模保持固定的相對位置，無論是直接物理接觸還是緊密接觸 但是，這種形式的光刻技術無法實現(xiàn)與掃描儀和步進曝光機在小尺寸上進行競爭。因此，掩模對準器僅具有特殊的用例，價值低，并且缺乏戰(zhàn)略重要性。

無掩模光刻：電子束、激光和離子束，在這個領域，只有日本、德國、美國和瑞典生產(chǎn)電子束(e-beam)和激光光刻工具，這也是中國光掩模生產(chǎn)的一個瓶頸。這些國家和其他國家也生產(chǎn)可以用于光掩模生產(chǎn)的離子束光刻工具(但很少)。激光光刻工具(如光刻工具)用光束繪制圖案。

相比之下，電子束和離子束光刻工具分別用電子和離子繪制圖形。這些工具可以達到與光刻工具類似的分辨率。關鍵的區(qū)別是電子束、激光和離子束光刻工具不使用掩模。優(yōu)點是，這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。缺點是在沒有遮罩的情況下繪制圖案很慢。

因此，電子束、激光和離子束光刻工具可以經(jīng)濟有效地生產(chǎn)與光刻工具一起使用的光掩模等小批量產(chǎn)品。(需要的光掩模比芯片少得多，因為在光刻過程中，少量的光掩模被用來生產(chǎn)大量的芯片。)但由于這些工具的低吞吐量，它們不適合大規(guī)模芯片生產(chǎn)。

電子束光刻工具是光掩模生產(chǎn)的主要工具，激光光刻工具遠遠排在位，離子束光刻工具很少使用。除了光掩模外，電子束工具市場約有4%用于小批量芯片生產(chǎn)(表9)，而激光光刻工具通常不用于芯片生產(chǎn)。

壓印光刻（Imprint lithography）。如今，奧地利是半導體應用的主要銷售國，而日本，美國和德國則在銷售或開發(fā)用于其他各種應用的產(chǎn)品。壓印光刻技術對中國來說是一個潛在的重要瓶頸，因為它可能在大規(guī)模芯片生產(chǎn)方面與光刻技術競爭。壓印光刻技術可以實現(xiàn)領先的納米級分辨率，因此通常被稱為納米壓印光刻技術。它還使用了模板，其作用與光刻中的光掩模類似。

模板中包含的圖案會轉移到通過使用模板，壓印光刻理論上可以實現(xiàn)大批量生產(chǎn)。但是，其產(chǎn)量低且產(chǎn)生的缺陷太多，無法與光刻競爭。目前，主要的半導體銷售商EV Group的銷量很小，而且都是針對特定的用例。東芝計劃使用佳能的nanoimprint技術生產(chǎn)3D NAND存儲芯片。SUSS MicroTec、Nanonex和Obducat也是生產(chǎn)商。

抗蝕劑加工：日本是抗蝕劑加工工具（也稱為“tracks”）的主要生產(chǎn)國。德國，韓國，美國和中國的市場份額均很小。但是，只有日本是 tracks的主要生產(chǎn)國，其產(chǎn)品適用于EUV和ArF浸沒式光刻術。光刻膠是沉積在晶片上的化學物質，當暴露于通過光掩模的圖案化光中時，有選擇地溶解以形成電路圖案。然后在光刻膠溶解并轉移的地方進行蝕刻抗蝕劑處理工具將光刻膠涂覆在晶片上（通常通過旋涂將晶片旋轉以擴散沉積的光刻膠），顯影（溶解被光照射的部分），然后烘烤（硬化未溶解的光刻膠，使其固化到晶片上）。

Kingsemi是中國生產(chǎn)這類產(chǎn)品的企業(yè)，其產(chǎn)品可用于ArF，KrF和i-line光刻的tracks，公司稱他們將在2022年前開發(fā)EUV和ArF浸沒tracks。Kingsemi還據(jù)稱支持≥28nm節(jié)點，通常在ArF浸沒范圍內。由于中國目前不生產(chǎn)用于EUV或更先進的ArF浸沒光刻tracks，因此這些 tracks對于中國而言是一個瓶頸。

沉積

美國，日本，荷蘭和韓國是沉積工具的主要提供者，而中國在某些沉積市場子行業(yè)中所占份額卻很小，但仍在增長（圖18和表11）。例如快速熱處理工具。沉積工具用于在硅晶片上沉積材料薄膜。在光刻和蝕刻后，這些薄膜變成了不同的芯片層，包括晶體管，互連（導線）和其他元件。絕大多數(shù)的沉積工具是用于芯片生產(chǎn)的，因此本節(jié)中的技術分類都是特定于芯片生產(chǎn)的，最后一個類別除外。

圖18：2019年的沉積設備市場（按地區(qū)分布）

Source:VLSI Research

表11：2019年的沉積市場 份額分布以及中國的競爭力

化學氣相沉積（CVD）：美國，荷蘭，日本和韓國是CVD工具的主要生產(chǎn)國，而中國正在向該領域進行擴展。CVD包括四種類型：等離子體CVD，低壓CVD（LPCVD），高溫CVD（HTCVD） ）和原子層沉積（ALD）.CVD工具會產(chǎn)生化學蒸氣，將化學物質逐個原子或逐個分子沉積在晶片上.CVD是芯片制造中使用最廣泛的沉積技術。沉積大多數(shù)電介質（一種絕緣體），硅和一些金屬。ALD能夠沉積單個原子的厚度，對于前沿節(jié)點必不可少。中國的Piotech生產(chǎn)等離子CVD工具，據(jù)稱用于沉積5 nm節(jié)點的電介質，而SKY Technology Development則將其用于小批量的研發(fā)應用。中國的NAURA生產(chǎn)用于多種應用的LPCVD工具。Piotech和NAURA都在14 nm節(jié)點甚至更的產(chǎn)品上銷售ALD工具。中國的能力適中，不足以完全實現(xiàn)沉積物的局部化，但仍在增長。CVD的某些領域是中國的瓶頸，但目前尚不清楚要持續(xù)多久。

物相沉積（PVD）：美國控制著PVD設備市場，日本占據(jù)了其余大部分。中國和瑞士都占有很小的份額.PVD蒸發(fā)固體或液體物質，然后凝結在基材上，主要有兩種形式：“蒸發(fā)”（在半導體制造中很少使用）和“濺射”（現(xiàn)在是主要的PVD方法）。濺射是沉積導體（如金屬）的主要方法，但有時也用于電介質。中國的NAURA開發(fā)了用于關鍵技術的濺射工具 ≥28nm節(jié)點的材料。SKY Technology Development還生產(chǎn)PVD工具。

快速熱處理：美國，日本和韓國僅生產(chǎn)RTP工具，這是中國的瓶頸。RTP工具包括燈，激光或其他可快速提高芯片溫度以改變其特性的機制。對于芯片制造的幾個步驟至關重要。RTP工具包括兩個子市場：常規(guī)工具提供長達數(shù)秒的加熱時間（僅由美國和韓國生產(chǎn)）；其他工具僅提供毫秒的熱量（僅由美國和日本生產(chǎn)）。

Tube-based diffusion and deposition：日本、荷蘭、韓國、中國和美國生產(chǎn) tube diffusion工具，只有日本和荷蘭生產(chǎn)tube deposition 工具。這些系統(tǒng)是基于“tube”的，因為襯底加載在圓柱形腔室中進行處理，這導致?lián)诫s劑在tube diffusion系統(tǒng)中擴散到芯片中，并在tube deposition系統(tǒng)中沉積某些應用材料。中國的北方華創(chuàng)制造了多臺≥28 nm節(jié)點的tube diffusion爐，但中國不生產(chǎn)tube deposition 工具。

旋涂：日本是芯片生產(chǎn)中旋涂系統(tǒng)的主要生產(chǎn)國。這些工具旋轉晶圓片，使沉積在晶圓片上的液體物質通過晶圓片擴散。旋涂在光刻膠涂層中應用廣泛，但在芯片生產(chǎn)中應用范圍較窄。中國的Kingsemi銷售用于光刻膠沉積的低端旋涂工具(見“光刻”部分中的“光刻膠處理”)，以及其他一些在芯片制造中的應用?？紤]到spin- coating在芯片制造中的特殊用途，并且中國至少有一些專業(yè)知識，spin- coating并不是中國在光刻膠沉積以外的芯片制造中的一個主要的、長期的瓶頸。電化學涂層。只有美國和臺灣生產(chǎn)電化學涂覆工具。通常的應用是在晶圓片上沉積銅(用于芯片布線)。然而，其他技術，如CVD，也可以沉積銅用于某些應用。只有在中國找不到替代工具執(zhí)行相同任務時，涂層工具才對中國很重要。

沉積（非IC）。美國和日本是沉積工具的生產(chǎn)國，用于生產(chǎn)微機電系統(tǒng)（MEMS），磁盤驅動器，復合半導體，先進封裝以及除芯片以外的其他產(chǎn)品。中國擁有強大的市場份額 相比之下，該部門的市場份額為1.3.2％，而其在整個沉積市場的份額為1.8％。AMEC和ASM Pacific是該領域的主要中國生產(chǎn)商。

蝕刻和清洗

美國和日本是蝕刻和清洗設備的主要生產(chǎn)國，韓國和中國是其他重要生產(chǎn)國(圖19和表12)。與其他主要設備相比，中國在蝕刻工具的研制方面取得了較大的進展。因此，只有的蝕刻工具——原子層蝕刻工具才是中國的瓶頸。

圖19：2019面的蝕刻和清洗市場份額 （按地區(qū)分布）

表12：2019年的蝕刻和清洗市場表現(xiàn)以及中國的競爭力

蝕刻工具負責在芯片中創(chuàng)建永久性圖案：光刻法以精確的圖案去除沉積在晶圓上的光刻膠的部分后，蝕刻工具將該圖案蝕刻到下方的永久襯底中，然后使用清洗工具去除蝕刻的材料。干蝕刻和濕蝕刻是兩種主要的類型。干蝕刻工具（使用氣體蝕刻基板）是最常用的工具，對于節(jié)點的電路功能尤其必要。濕蝕刻工具使用的液體較少使用，并且主要用于清洗晶圓。

干蝕刻和清洗：美國和日本是干蝕刻和清洗工具的主要生產(chǎn)國，韓國，中國和其他國家也生產(chǎn)。干蝕刻工具的主要類型用于蝕刻導體或電介質。蝕刻工具比濕工具具有優(yōu)勢：它們速度快，并且可以根據(jù)蝕刻方向進行不同的蝕刻，從而可以實現(xiàn)具有復雜形狀的細粒度特征。其他類型的干蝕刻工具適用于特定的，不太關鍵的用途：ion milling刻蝕工具晶圓上的某些功能，而干法剝離工具可去除光致抗蝕劑（盡管可以使用其他工具執(zhí)行這些功能）。

的干法蝕刻工具稱為原子層蝕刻（ALE）工具。這些工具對于導體的蝕刻和電介質蝕刻都非常重要<10 nm節(jié)點中最小的特征，由美國，日本和英國的領先企業(yè)生產(chǎn)。盡管ALE的市場目前僅在數(shù)億美元的范圍內，但它有可能被用于制造下一代晶體管結構。

中國的AMEC生產(chǎn)的干法蝕刻工具可能是任何中國公司出售的的SME工具，它們被用于領先的臺灣芯片制造商臺積電的7和5 nm節(jié)點，盡管不是用于復雜的晶體管結構等功能。SME通常僅由中芯國際等國內工廠使用。

中國的NAURA還生產(chǎn)用于電介質，導體和硅的干法蝕刻工具。美國認識到中國在干法蝕刻工具方面的競爭力后，于2016年將其從《商務控制清單》中刪除。中國沒有制造ion millingdry stripping和 dry cleaning 等工具，但這些工具的價值較低且先進程度較低。尚待開發(fā)的ALE工具。但是，鑒于其在干蝕刻工具方面的專業(yè)知識，AMEC可能會嘗試開發(fā)ALE工具。

濕法刻蝕和清洗：日本和美國是濕法刻蝕和清洗工具的主要生產(chǎn)國，與其他幾個國家（包括中國）也占有一定的市場份額。濕法刻蝕比干法刻蝕具有優(yōu)勢-便宜，風險少。對基板的選擇性更高，即它可以蝕刻特定的材料而不會無意地蝕刻附近的材料。但是，它速度較慢，并且通常無法根據(jù)蝕刻方向進行不同的蝕刻，因此很難形成復雜的結構。因此，濕 蝕刻通常不用于蝕刻先進芯片中最小的特征。中國的Kingsemi生產(chǎn)濕法蝕刻和清洗工具，而中國的NAURA銷售≥28nm節(jié)點的濕法清洗工具。

化學機械平面化（CMP）

美國和日本是化學機械平面化工具的主要生產(chǎn)國，而中國和韓國占據(jù)了剩余的市場份額（圖20和表13）。經(jīng)過蝕刻和清洗等其他步驟之后，CMP工具使晶片表面變平。CMP工具對于芯片制造至關重要，但不像光刻和沉積工具等其他工具那么復雜。Hawtsing的CMP工具可以處理300 mm晶圓，并且據(jù)稱適用于≥14nm節(jié)點 。因此，除領先優(yōu)勢外，CMP工具對于中國而言并不是關鍵的瓶頸。

圖20：2019年的CMP市場份額（按地區(qū)分）

Source:VLSI Research

制程控制

美國和日本是process control 工具的主要生產(chǎn)國，與其他多個國家（包括中國）相比，其占有較小的市場份額（圖21和表14）。該細分市場包括中國的瓶頸，特別是在計量和檢測設備領域?？刂乒ぞ弑O(jiān)視晶片，光掩模和整個芯片制造過程，以確保一致性和低制造錯誤率。因此，它們是繼光刻工具之后最重要，最有價值的工具之一。

圖21：2019年的制程控制市場份額 （按地區(qū)分布）

表14：2019年的制程控制和中國的市場競爭力

硅片檢測：美國和日本在硅片工具方面占有主導地位，而中國只生產(chǎn)芯片制造所需的硅片檢驗工具。關鍵產(chǎn)品包括電氣儀表、薄膜和晶片測量工具、關鍵尺寸測量、缺陷檢查、普通顯微鏡、 以及結構檢查。中國的RSIC生產(chǎn)光學薄膜測量工具，用于測量沉積、光刻、蝕刻和CMP過程中的300毫米硅片，和在 300mm硅片中的先進，復雜的光學臨界尺寸測量工具功能。1RSIC還達到了14納米的先進性能。中國的GrandTec和SMEE也銷售硅片檢查工具。總的來說，硅片檢測工具是中國的一個瓶頸。

光罩檢查和維護：日本、德國和美國生產(chǎn)幾乎所有的光罩檢查和維護工具。這些工具類似于硅片檢查中使用的工具，如顯微鏡。中國不生產(chǎn)這些工具，因此是一個瓶頸。

晶圓級封裝檢驗：美國和主要出售這些工具，在這些硅片被“切成”（即切割)成多個芯片之前，檢查封裝制造芯片(dies）的硅片部分。與其他檢查工具一樣，晶圓級封裝檢查工具是中國的一個瓶頸。

制程監(jiān)控和曲線跟蹤器：只有美國和韓國生產(chǎn)這些工具。它們測量在制造過程中在硅片中制造器件的性能，以確保正常運行。因為他們擁有相對較低的價值，所以它們不太可能會是中國的重大瓶頸。

裝配和封裝

日本、中國、新加坡、美國和其他一些國家生產(chǎn)組裝和封裝工具（圖22和表15），取一個帶有已完成、未分離芯片的硅片，并將其轉化為單獨的封裝芯片。這些工具包括裝配檢驗工具、切割工具、打線工具，封裝工具和集成裝配工具。裝配和封裝工具代表了中國競爭力的中小企業(yè)部分，其中大多數(shù)部門的市場份額很大，特別是香港的ASM Pacific。

測試

日本、美國和南韓生產(chǎn)了絕大部分的測試工具，中國企業(yè)在這個市場的表現(xiàn)幾乎不值一提（如圖23和 表16）。這些測試工具被應用在存儲芯片、SoC等領域。中國公司在這個市場的產(chǎn)品主要在低端細分市場，尤其是用于測試低端線性和分立設備。他們在產(chǎn)品中沒有很大的影響力，尤其是邏輯和存儲芯片測試工具更是一個明顯的瓶頸。但是，有些美國公司在中國有重要業(yè)務，中國公司也有在收購一些國外測試工具公司。因此，中國有機會在這個市場變得更有競爭力。

電子設計自動化和關鍵IP

美國是電子設計自動化工具的絕對壟斷者，美國和英國則在芯片的核心IP方面擁有巨大 的市場號召力，這兩個關鍵方面都是中國的瓶頸所在（如24和表17）。

EDA軟件

美國公司是EDA軟件的壟斷性提供商，他們無晶圓廠公司和IDM工程師設計先進芯片所需的全流程工具。美國公司還主導了與AI芯片設計相關的功能，例如ASIC布局。新興公司經(jīng)常進入EDA領域。但是，他們很難與通常收購它們的EDA公司競爭，以將初創(chuàng)公司的利基功能整合到其全流程功能中。

中國的EDA行業(yè)很小，工程師也相對較少，但國外企業(yè)卻擁有多的多的工程師。成立于2009年的華大九天 是中國領先的EDA公司。據(jù)稱他們是一家可以提供全流程EDA工具的中國公司。他們的工具可以完全設計某些模擬和混合信號（模擬和數(shù)字的組合）芯片。該公司在平板顯示器設計方面具有的優(yōu)勢。客戶包括HiSilicon等中國芯片設計公司以及三星等國外客戶。。

除了Empyrean的利基產(chǎn)品外，中國芯片設計師還依賴美國的EDA工具，中國的EDA工具的其余部分僅支持芯片設計的一小部分，且這些工具很大程度上不支持前沿制造工藝（例如≤14nm）。

類似英特爾，三星和臺積電等芯片制造商在新制造工藝的開發(fā)過程中給美國EDA公司提供了優(yōu)先訪問工藝IP的機會。每個芯片制造商的制造流程 都地限制了芯片設計人員可以使用的芯片設計選項。

然而中國的EDA公司可能會訪問不完整的制程IP或沒有獲得足夠的支持。只要這種情況繼續(xù)，中國的EDA公司就將無法支持領先節(jié)點的芯片設計，也無法與美國EDA公司競爭。

但是，這種情況正在改變。幾家中國EDA初創(chuàng)公司吸引了來自美國領導人的高管和技術人員。此外，DARPA計劃正在開發(fā)開源EDA工具，該工具可以為某些應用程序運行完整的設計流程，全球的芯片設計人員都可以使用。

核心IP

芯片設計公司許可核心IP，該IP由可重復使用的設計模塊組成，并將納入最終的芯片設計中。美國和英國的供應商主導了這個市場。一些公司專門專注于核心IP，例如位于英國而被日本擁有，現(xiàn)在正在出售給英偉達的ARM，而其他公司則將其產(chǎn)品與EDA工具結合在一起。

ARM是提供指令集體系結構（ISA）以及相關的核心IP的供應商，他們的產(chǎn)品是世界上大多數(shù)智能手機處理器的基礎。去年年底，總部位于美國的Nvidia提出收購ARM。如果該交易通過監(jiān)管機構的，將擴大美國對ARM的管轄權，并使總部位于美國的公司在核心IP上擁有超過90％的市場份額。

中國在核心IP開發(fā)方面實力較弱，但并購，合資和開源的RISC-V為中國提供了機會。

2017年，一家中國國有收購了英國的Imagination，他們?yōu)槎喾N類型的芯片開發(fā)用于移動設備的核心IP的技術。而Arm中國則是另一個典型領子。此外，中國芯片設計人員可以基于RISC-V和MIPS的開放源代碼體系結構來打造IP。但他們想要在這些領域取得成功可能需要數(shù)年時間。

就目前而言，中國芯片設計人員嚴重依賴非中國核心IP。95％的中國芯片采用了ARM許可的IP。

材料

中國企業(yè)是原材料的主要供應商，但面臨多重挑戰(zhàn)，其中制造材料生產(chǎn)中的關鍵點（這需要很多材料作為輸入）用于半導體制造。關鍵的方面包括先進的300毫米晶圓，光掩模和光刻膠。

同時，美國的國內生產(chǎn)能力較小，原材料嚴重依賴進口，但確實有有意義的市場。美國和他的盟友控制著全球很大一部分的原材料和某些半導體的專有材料。

以下小節(jié)首先介紹原材料，然后介紹圖25中強調的細分市場，圖中按半導體生產(chǎn)階段拆解了2019年半導體材料市場。每個半導體材料部門均以原材料為輸入。生產(chǎn)階段包括用于生產(chǎn)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使用的易損件）以及封裝材料。

數(shù)據(jù)顯示，2019年，半導體生產(chǎn)中所使用的材料市場為468億美元.。圖26顯示了半導體材料的國家市場份額。

原料

中國是世界上最重要的原材料基地，而美國及其盟國也生產(chǎn)了幾乎所有材料?？紤]到半導體制造的復雜性，進入這些部分的原材料占據(jù)了元素周期表的很大一部分。圖27顯示了美國，中國以及世界其他地區(qū)在原材料方面的主要生產(chǎn)份額。該數(shù)字主要涵蓋了最關鍵的非氣態(tài)材料，但并非詳盡無遺。“主要”生產(chǎn)是指在加工成材料或復合形式之前開采材料，尤其是低品位材料。

美國及其盟國在所有材料中的生產(chǎn)份額都很大，美國生產(chǎn)大多數(shù)材料，但每種的量較少，不生產(chǎn)銻、砷、碳、氟、鎵、銦、鉭、碲、錫或鎢。中國大陸在大多數(shù)材料中所占的份額都是的（鈷（1.4%)和鉑(0%)除外），中國在生產(chǎn)初級鎵方面的市場份額為95.7%，鎢為83.6%，鎂為82.0%。

中國大陸在全球硅生產(chǎn)市場的份額達到64.0%，硅是應用最為廣泛的半導體材料，但美國及其盟國擁有大量的儲備。雖然中國大陸不再壟斷稀土開采，但它仍然主導著稀土加工。圖28給出了所有這些材料的未加權平均生產(chǎn)份額，并顯示了區(qū)域生產(chǎn)份額。

圖27：2019年按國家/地區(qū)劃分的原材料生產(chǎn)情況

資料來源：USGS

圖28：2019年按國家/地區(qū)劃分的材料生產(chǎn)份額（未加權平均）

資料來源：USGS，CSET

晶圓廠材料

日本、美國、中國臺灣、韓國和德國是晶圓廠（FAB）材料的主要生產(chǎn)地。中國大陸不能生產(chǎn)高精尖的光掩模和光刻膠，生產(chǎn)300毫米硅片的能力有限。它在生產(chǎn)其他FAB材料方面的能力處于中等水平，如CMP材料、沉積材料、電子氣體和濕化學品。表18總結了這些材料的生產(chǎn)情況。

表18：晶圓廠材料市場

硅片：總部設在日本、中國臺灣、德國和韓國的幾家巨頭公司是硅片的生產(chǎn)商（見圖29），特別是300毫米硅片，中國大陸只生產(chǎn)小尺寸的硅片。中國大陸的晶圓制造設備主要靠進口，因此，300毫米硅片及其相關設備是中國大陸一個產(chǎn)業(yè)瓶頸。沒有總部設在美國的硅片生產(chǎn)商，但有一些非美國公司在美國生產(chǎn)硅片。

硅片是一種薄的圓盤狀材料，在上面制造芯片，它需要專用的硅片制造設備。硅片可以由不同的半導體材料制成，這些材料包括硅或者其他各種材料。大多數(shù)硅片完全由硅或其他材料制成，但另一些硅片的結構更復雜，需要摻雜劑，以使它們具有適合芯片晶體管正確工作的半導體性能水平。

圖29：按總部所在國家劃分的硅片生產(chǎn)商市場份額

總部設在日本、中國臺灣、德國和韓國的硅片廠商可以生產(chǎn)的直徑為300毫米的硅片。世界上99.7%的300毫米硅片工廠產(chǎn)能能夠制造制程節(jié)點≤45nm的芯片，而制造最平滑、高純度的300毫米硅片是支持芯片特征尺寸所必需的-需要相當多的隱性知識。

傳統(tǒng)的硅片尺寸包括150毫米和200毫米，用于制造具有較大制程節(jié)點的芯片。相比之下，中國大陸硅片生產(chǎn)商的收入很少，其中，截至2018年，JRH、中環(huán)、Gritek、Simgui和ZingSEMI正在生產(chǎn)或計劃生產(chǎn)300毫米硅片。圖30所示為全球100-200毫米、300毫米硅片廠商的產(chǎn)量，以及中國大陸廠商的市場份額。

中國大陸硅片生產(chǎn)商中，100- 200毫米硅片廠和300毫米硅片廠的市場份額分別為18%和12。因此，中國大陸300毫米硅片對進口依賴度很高。

圖30：中國大陸硅片生產(chǎn)供應與需求

光掩模板：日本、美國、中國臺灣和韓國在生產(chǎn)尖端光罩方面處于領先地位（例如，≤16納米），中國大陸不具備生產(chǎn)能力，必須進口光掩模板（光罩）和掩模制造設備（電子束光刻和激光光刻工具），這是該市場的主要瓶頸。光掩模板是透明板，包含要在芯片中制造的電路圖案。光刻設備產(chǎn)生的光將光掩模板上的電路圖案轉為芯片。每個光掩模都是特定用于一個芯片設計（本身特定用于一個制程節(jié)點）。光罩是由captive mask shops（大型半導體制造公司）或merchant mask shops生產(chǎn)制造。在2017年，captive mask shops占據(jù)了65%的市場份額，主要廠商包括英特爾（美國)、三星(韓國)、臺積電(中國臺灣)、GlobalFoundries (美國）和中國大陸的中芯國際。這使得掩模適合于≥28nm節(jié)點的芯片，但這種晶體管的尺寸比目前的技術落后了近十年。日本、美國和中國臺灣公司控制著merchant mask shop市場（見圖31）。中國大陸merchant

mask shop深圳Newway具備一定的生產(chǎn)能力，但與國際領先產(chǎn)商相比，差距很大。

圖31：Merchant mask shop在不同國家的分布情況

光刻膠：日本以90%的市場份額主導全球半導體光刻膠的生產(chǎn)，其余的大部分由美國和韓國公司持有。中國大陸不能生產(chǎn)的光刻膠。

光刻膠是沉積在硅片上的化學物質，當暴露在通過光罩的圖案化光中時， 選擇性地溶解以形成電路圖案，然后在光刻膠溶解的地方進行蝕刻，將電路圖案永久地轉移到硅片上。光刻膠有特定的光刻工藝，如EUV，ArF浸沒，ArF，KrF和i線。中國大陸的瑞紅銷售適合≥350nm制程節(jié)點的i 線光刻膠。瑞紅2017年營收2100萬美元，占光刻膠市場的不到1%。Kempur則引進了適合≥150nm節(jié)點的KrF光刻膠。中國公司，特別是Nata，也在開發(fā)適合于28nm以上節(jié)點的干ArF和ArF浸沒光刻膠。由于中國企業(yè)缺乏經(jīng)驗和生產(chǎn)技術，且獲得某些原材料的機會有限，因此，光刻膠主要依賴進口。

CMP材料：美國、日本、法國和中國大陸是CMP（Chemical mechanical planarization）材料的主要產(chǎn)地。CMP是一種使在制作過程中產(chǎn)生的圖層變平的過程，因此光刻可以成功地在它們上進行。在CMP中使用的價值材料是化學漿料和拋光墊。在制造過程中，硅片與漿料一起放置在襯底上，拋光頭壓在硅片上并旋轉以使硅片平坦化。

CMP漿料市場規(guī)模為7.9億美元。美國的杜邦和卡博特微電子公司控制著CMP漿料市場份額的56%，另外34%由其他美國、日本和法國公司控制，剩下的10%由其它小公司分食，包括中國大陸的安集微電子，它在2017年的收入約為3100萬美元。

高端漿料，CMP墊市場規(guī)模為17億美元。截至2014年，杜邦（美國)的市場份額為78%，F(xiàn)ujibo (日本)和卡博特(美國）各占4%~6%。中國大陸公司湖北鼎龍現(xiàn)在也開始生產(chǎn)CMP墊。

沉積材料：美國和日本是沉積材料的主要生產(chǎn)國，中國大陸也有能力生產(chǎn)其中許多材料?；瘜W氣相沉積(CVD)是最常見的沉積方法，物相沉積(PVD)是另一種。通過濺射的形式在靶上發(fā)射氬離子，其原子被剝離并作為薄膜沉積在硅片上。截至2014年，日本JX Nippon在濺射靶材生產(chǎn)市場占有55%的份額，其他主要供應商包括霍尼韋爾電子材料(美國）、TosohSMD（日本）和Praxair（美國）。

多年來，中國公司KFMI和Grikin一直在獲得市場份額，特別是以Tosoh和Praxair為代價。2017年，KFMI的收入為7800萬美元，Grikin的收入為3400萬美元。許多用于沉積的材料也是中國大陸大量開采的原材料的簡單純化版本。

電子氣體：美國、法國、日本、德國和中國大陸都生產(chǎn)電子氣體，Merck（德國)、Air Products (美國)和Air Liquide(法國）在該市場處于領先地位。中國大陸的Nata光電材料在2017年的半導體材料收入為500萬美元，主要來源于電子氣體，包括化學氣相沉積和原子層沉積的前體。中國的Haute Gas制造各種氣體，2017年收入1.3億美元，其中包括電子氣體。其他中國大陸電子氣體生產(chǎn)商還包括金宏氣體公司和PERIC。

濕化學品：美國、德國和日本是的濕化學品生產(chǎn)國，該種材料廣泛用于半導體制造。超過60%的市場份額由KMG化學公司（美國)、巴斯夫(德國)、阿萬托(美國)、霍尼韋爾(美國)和關東化學公司(日本)占有。中國大陸也有許多生產(chǎn)廠商，如Runma銷售氟化氫、硝酸和其它化學品。JHM銷售某些高純度化學品，2017年的收入為5000萬美元。江陰化工試劑還銷售各種高純度化學品，Sinophorus出售磷酸和蝕刻液體，新陽銷售化學品和蝕刻液等，該公司2017年收入為3000萬美元。

封裝材料

日本主導封裝材料的生產(chǎn)，而包括美國和中國大陸在內的其它國家也擁有一定的市場份額（見表19）。封裝涉及幾個步驟，例如，鍵合線將芯片連接到引線框架上，引線幀在芯片和外部器件之間傳輸數(shù)據(jù)，保護陶瓷封裝、塑料基板或封裝樹脂也可以與芯片結合。Die連接材料，包括聚合物和共晶合金，用于將芯片連接到封裝或基板上。

表19：封裝材料市場

結論

幾十年來，復雜和全球化的供應鏈推動半導體行業(yè)快速發(fā)展（由摩爾定律控制）。今天，半導體對美國來說是一項關鍵力量，美國仍然是供應鏈關鍵環(huán)節(jié)的全球。美國及其盟友，特別是日本、荷蘭、中國臺灣、韓國、英國和德國，幾乎在半導體供應鏈的每一環(huán)節(jié)都是技術和市場的。

盡管仍然落后，但中國大陸在多個領域日益挑戰(zhàn)這一領導力，特別是：中國正在迅速擴大芯片設計和制造的市場份額，并計劃提高生產(chǎn)投入的能力，如果成功，中國可以重組全球供應鏈，對美國產(chǎn)生重大影響。CSET題為“確保半導體供應鏈”和“中國在半導體制造設備方面的進展”的政策簡報提供了支持美國發(fā)展的建議，以及盟國聯(lián)合優(yōu)勢。如果不采取一致行動，這些優(yōu)勢將面臨風險。