中国加快先进芯片开发

在与西方持续的贸易紧张局势下，中国正在加快推进国内半导体产业，希望能够更加自给自足。

该国在集成电路技术方面仍然落后，离自力更生还很远，但正在取得显著进展。直到不久以前，中国国内芯片制造商还停留在成熟的代工工艺上，在内存领域没有业务。最近，一家中国晶圆代工厂进入了14纳米finFET市场，7纳米晶圆正在研发中。中国也在向内存领域扩张。在晶圆厂设备领域，中国正在开发自己的设备极端的紫外线(EUV)光刻系统，这是一种在芯片中刻印最先进功能的技术。

中国不太可能在短期内开发自己的EUV系统。就这一点而言，日本在代工和内存方面的努力还不算大，至少目前是这样。中国短期内也不会超过跨国芯片制造商。

尽管如此，中国发展国内集成电路产业有几个原因。首先，中国大部分芯片都是从外国供应商进口的，这造成了巨大的贸易逆差。中国拥有规模可观的集成电路产业，但还不足以缩小差距。作为回应，中国正在向集成电路行业投入数十亿美元，并计划制造更多自己的芯片。简而言之，中国希望减少对外国供应商的依赖。

中国最近加快了这些努力，尤其是在美国与中国发动了一场多管齐下的贸易战之后。仅举一例，美国加大了华为获得美国芯片和软件的难度。最近，美国阻止阿斯麦向中国最大的晶圆代工厂商中芯国际运送EUV扫描仪。中国将这些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。

与此同时，美国表示，其与贸易有关的行动是合理的，声称中国从事不公平的贸易行为，未能保护美国的知识产权。中国否认了这些说法。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展。它们包括:

• 中芯国际正在推出14nm finfet，并在研发类似7nm的工艺。
• 长江存储技术公司(YMTC)最近推出了一款64层设备，进入了3D NAND市场。128层技术正在研发中。
• 长信内存科技(CXMT)推出了其首款产品，19nm DRAM生产线。
• 中国正在向化合物半半导体领域扩张，包括氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)。
• 中国的osat正在开发更先进的套件。

这听起来令人印象深刻，但中国仍然落后。“中国正在疯狂消费。中国的战略是成为半导体制造业的参与者。这来自于希望在国内制造能力中占有更大的份额，以及出于安全考虑，”超大规模集成电路研究公司(VLSI Research)总裁Risto Puhakka表示。“但中国在内存领域的份额很小。在逻辑方面，他们落后于台积电。从任何合理的角度来看，中国都远远不能自给自足。”

这些还不是唯一的问题。“中国仍面临许多挑战，包括在半导体制造领域需要更多人才和知识产权，以及需要进一步缩小在领先工艺技术方面的差距。d2．“最大的挑战是美国和中国政府之间的紧张关系，这导致了制造设备和供应的不确定性EDA软件。”

中国的战略
中国涉足集成电路行业已有数十年。上世纪80年代，中国有几家技术落后的国有芯片制造商。因此，当时中国推出了几项举措来实现其集成电路产业的现代化。在外国企业的帮助下，该国在20世纪80年代和90年代成立了几家芯片企业。

尽管如此，中国发现自己在半导体技术上落后于西方有几个原因。当时，西方对中国实施了严格的出口管制。设备供应商被禁止向中国运送最先进的工具。

然后在2000年，中国推出了两家新的和现代化的国内铸造供应商-格雷斯和中芯国际．到那时，中国的出口管制已经放松。设备供应商只需要一个许可证就可以向中国运送工具。

大约在那个时候，中国成为了一个劳动力成本低的大型制造业基地。芯片需求暴涨。随着时间的推移，中国成为世界上最大的芯片市场。

从2000年代末开始，跨国芯片制造商开始在中国建造晶圆厂，以进入中国市场。英特尔(Intel)、三星(Samsung)和SK海力士(SK Hynix)在中国建立了内存工厂。台积电和联华电子在那里建立了晶圆代工厂。

IC Insights的数据显示，到2014年，中国消费了价值770亿美元的芯片，但其中大部分是进口的。此外，IC Insights的数据显示，中国只制造了15.1%的芯片。其余的是在中国境外制造的。

作为回应，中国政府在2014年拿出了数十亿美元的资金，推出了一项新计划。其目标是加快中国在14纳米finfet、存储器和封装方面的努力。

然后，在2015年，中国推出了另一项倡议，被称为“中国制造2025”。目标是在信息技术(IT)、机器人、航空航天、船舶、铁路、电动汽车、电力设备、材料、医药和机械等10个领域提高零部件的国产化。此外，据IC Insights称，中国希望在集成电路方面更加自给自足，并希望到2025年将国内产量提高到70%。

根据IC Insights的数据，2019年，中国消费了价值1250亿美元的芯片，但其中大部分仍是进口。中国只制造了其中的15.7%，因此中国不太可能在2025年实现其生产目标。

图1:中国集成电路市场与生产趋势图来源:IC Insights

中国还面临着其他挑战，尤其是技术人才短缺。“中国仍在半导体制造业寻找更多人才，”D2S的Pang观察到。“这主要是因为中国正在建设十几个新晶圆厂。它已经从台湾、韩国、日本甚至美国的晶圆厂招聘了数千名经验丰富的半导体工程师，并向他们支付了非常诱人的薪酬。”

好的一面是，中国在今年早些时候从新冠肺炎大流行中迅速复苏。2020年上半年，中国和其他地区的芯片和设备需求强劲。“200mm的产能继续满负荷运行，广泛的终端应用。在300毫米领域，这与过去一年的情况类似，”华特商业发展副总裁吴昌华说联华电子．

其他人也看到了类似的趋势。“在2019冠状病毒病期间，中国半导体测试和封装市场一直很有弹性，”高通公司高级副总裁Amy Leong说形状因子．“需求仍然强劲，这是由过去几年‘中国制造2025’倡议建立的势头，以及最近中美之间的‘恐慌建造/购买’共同推动的。紧张局势。尽管如此，随着对全球经济衰退的担忧加剧，我们看到中国需求的不确定性越来越高。”

气氛也很紧张。从2018年开始，美国与中国发动贸易战，对中国制造的商品征收关税。中国进行了报复。

贸易战正在升级。去年，美国将华为及其内部芯片部门海思半导体(HiSilicon)列入“实体名单”，称这些公司构成安全风险。美国公司要与华为开展业务，必须从美国政府获得许可证。许多美国供应商被拒，这影响了他们的利润。

然后，今年早些时候，美国扩大了中国“军事终端用户”的定义。这是为了防止中国军队获得任何美国技术。

今年5月，美国采取行动，阻止海外晶圆厂向华为供应芯片。“展望未来，海外晶圆厂如果满足以下三个条件，就必须停止向华为销售产品:A)晶圆厂使用美国设备或软件制造芯片;B)芯片是华为设计的;C)芯片制造商知道生产的产品将被华为收购，”考恩(Cowen)分析师保罗•加兰特(Paul Gallant)表示。“(这要求)使用美国设备的外国芯片制造商在向华为出售芯片之前获得许可证。但新规定的语言可能不会真正禁止此类销售。有利的一面是，新规定只涵盖海思实际设计的芯片，而不是所有出售给华为的海外晶圆厂生产的芯片。”

在某个时候，台积电可能会停止对华为的新订单。目前还不清楚这一切将如何发展。规则是模糊的，可能会在一夜之间改变。

代工、EUV努力
甚至在贸易战之前，中国就在进行大规模的晶圆厂扩张计划。根据SEMI的《世界晶圆厂预测报告》，2017年和2018年，中国有18座晶圆厂在建。最终，这些晶圆厂建成了。

据SEMI称，中国目前有3个晶圆厂在建。“其中两个晶圆厂是代工的。一个是8英寸，另一个是12英寸。还有一种12英寸的内存。仍在设计阶段的还有7家，”高盛分析师克里斯蒂安•迪塞尔多夫(Christian Dieseldorff)表示半．

代工行业占中国晶圆厂产能的很大比例。中国的代工行业分为两类——国内代工和跨国代工。

台积电和联华电子都属于跨国公司。台积电在上海有一家200毫米的晶圆厂。2018年，台积电开始在南京的另一家晶圆厂出货16纳米finfet。

联华电子在苏州的一家200毫米晶圆厂生产芯片。联华电子在厦门还有一家新的300mm晶圆代工厂，生产40nm和28nm晶圆。

与此同时，中国国内的晶圆代工厂商，如ASMC、CS Micro和华宏集团，都专注于成熟的工艺。在最前沿，初创公司HSMC正在研发14nm和7nm。

根据TrendForce的数据，中国最先进的晶圆代工公司中芯国际是全球第五大晶圆代工供应商，仅次于台积电、三星、GlobalFoundries和联华电子。

截至去年，中芯国际最先进的工艺是28nm平面工艺。相比之下，台积电10年前就推出了28nm制程芯片。今天，台积电正在研发3nm的5nm工艺。

这是中国政府的痛处。由于中国落后，中国的oem必须从外国供应商那里获得最先进的芯片。

另一方面，中国的成熟工艺并不存在差距。D2S的Pang表示:“对于大多数晶圆厂来说，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领先的节点。”

尽管如此，中芯国际仍在努力开发先进的工艺。2015年，中芯国际、华为、Imec和高通在中国成立了一家联合研发芯片技术公司，计划开发14nm finFET工艺。

这是一大步。“转向14nm的finfet并不容易。每个人都在挣扎，”VLSI研究公司的Puhakka说。中芯国际也是如此。他们要做的事情很难。”

不过，这一举措对于继续扩大规模至关重要。在20nm时，传统的平面晶体管会耗尽能量。这就是为什么2011年英特尔转向22nm的finFET晶体管。与平面晶体管相比，finfet速度更快，功率更低，但制造难度和成本也更高。

后来，GlobalFoundries、三星、台积电和联华电子转向16nm/14nm的finfet。(英特尔的22nm工艺大致相当于代工厂的16nm/14nm工艺。)

最后，经过多年的研发，中芯国际在2019年实现了中国首个14纳米finfet的里程碑。如今，14nm工艺在中芯国际的销售额中只占很小的比例。“我们的客户对14nm技术的反馈是积极的。我们的14nm技术覆盖通信和汽车行业，应用包括低端应用处理器、基带和消费相关产品，”中芯国际联合首席执行官赵海军和宋梁在一次电话会议上表示。

尽管如此，中芯国际还是姗姗来迟。例如，应用处理器是智能手机中最先进的芯片。如今的智能手机采用了基于7nm工艺的应用处理器。智能手机中的大多数其他芯片，如图像传感器和RF，都是基于成熟的节点。

对于最先进的应用处理器来说，14nm并不具有成本竞争力。“中芯国际开始做14nm芯片。但如果你看看智能手机，就会发现它们的设计都是7纳米工艺，”IBS首席执行官汉德尔•琼斯(Handel Jones)表示。“如果你看看7纳米晶体管的成本，10亿个晶体管的成本从2.67美元到2.68美元不等。10亿个14纳米晶体管的成本约为3.88美元。所以你会有很大的成本差异。”

不过，14nm芯片在其他市场上是可行的。“14nm技术可以用于低端的4G和5G智能手机，但不能用于主流或高端智能手机。通过适当的处理器和系统架构，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12纳米finfet和它所谓的“N+1”。“12nm是14nm的缩小版。预计今年年底前，N+1将采用7nm技术。

N+1并不像它看起来的那样。Gartner分析师Samuel Wang表示:“中芯国际的N+1芯片相当于三星的8纳米芯片，略好于台积电的10纳米芯片。”“中芯国际今年不太可能实现N+1。12纳米芯片可能会在2020年底投入生产。”

中芯国际可能再次错过市场窗口期。到2021年8纳米上市时，智能手机oem将转向5纳米应用处理器。

这还不是唯一的问题。中芯国际可以利用现有的晶圆厂设备生产8nm或7nm。除此之外，目前的光刻设备就会失去动力。因此，在7纳米技术之外，芯片制造商需要下一代光刻技术EUV。

然而，美国最近阻止阿斯麦向中芯国际运送EUV扫描仪。如果中芯国际无法获得EUV，该公司将陷入8nm/7nm工艺。“根据Wassenaar协议，美国(去年)阻止了向中芯国际出售EUV。在可预见的未来，我无法想象EUV会被运往中国。但由于14nm工艺仅占中芯国际销售额的1%多一点，他们在几年内都不需要EUV技术，”Cowen and Co的分析师克里什·桑卡尔说。

不过，在某种程度上，中国希望超越7纳米工艺。这就是为什么中国正在研究自己的EUV技术。中国还没有开发出成熟的EUV扫描仪——它可能永远也不会开发出来。但竞技场的工作正在进行中。EUV子系统正在几个研究所开发。例如，中国科学院上海光学精密机械研究所(CAS)去年描述了由千瓦激光驱动的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关于“基于周期一致学习的EUV多层缺陷表征”的论文。

VLSI research的Puhakka表示:“围绕EUV的不同组件进行了大量研究。“我不认为他们已经发展到拥有可制造的EUV工具。自主研发EUV将是一个漫长的过程。我不会说不可能，但这是一条漫长而艰难的路。”

其他人同意了。“我认为我们只看到了中国正在做的一部分。它就像一座冰山，大部分都隐藏起来了。他们的院士发表了关于EUV技术的论文，但我所看到的工作大多是理论性的。我认为存在一些底层硬件，”HJL Lithography的负责人哈里·莱文森(Harry Levinson)说。

记忆，非记忆的努力
与此同时，中国在DRAM和NAND闪存等内存领域存在巨大的贸易逆差。在系统中，DRAM用于主存，而NAND用于存储。

中国大部分内存都是进口的。英特尔(Intel)、三星(Samsung)和SK海力士(SK Hynix)在中国设有内存工厂，为国内和国际市场生产芯片。

为了减少对存储器的依赖，中国正在发展国内存储器产业。2016年，YMTC计划进军3D NAND业务。CXMT目前正在加快生产中国第一批国产dram。

两者都是竞争激烈的市场，尤其是NAND。3 d与非是平面NAND闪存的继承者。与平面NAND不同，平面NAND是2D结构，3D NAND类似于垂直的摩天大楼，其中水平层的存储单元堆叠起来，然后使用微小的垂直通道连接起来。

3D NAND是通过设备中堆叠的层数来量化的。随着层数的增加，系统中的比特密度也随之增加。但当你增加更多的层时，制造的挑战就会升级。

该公司执行副总裁兼首席技术官Rick Gottscho表示:“在推广3D NAND闪存方面存在两大挑战林的研究．“一个是薄膜中的应力，随着你沉积越来越多的层，它会扭曲晶圆和扭曲图案。然后，当你使用双层或三层甲板时，对齐就变成了一个更大的挑战。”

与此同时，YMTC似乎已经克服了其中一些挑战。去年，YMTC推出了其首款产品——64层3D NAND设备。现在，YMTC正在对128层3D技术进行采样。

公司落后了。相比之下，跨国供应商正在销售92 /96层3D NAND设备。他们也在增加112 /128层的产品。

不过，YMTC可能成为一个因素，至少在中国是这样。YMTC的芯片正被整合到中国公司的USB卡和ssd中。TechInsights分析师Jeongdong Choe表示，如果中国oem厂商采用YMTC的技术，“这可能会成为NAND市场份额的颠覆性局面。”

不过，可以肯定的是，要想成为一个主要的竞争对手，中国在内存方面还有很长的路要走。IC Insights总裁比尔·麦克林(Bill McClean)表示:“IC Insights仍然非常怀疑该国能否在未来10年发展出一个具有竞争力的大型本土内存产业，以接近满足其内存IC需求。”

模拟、逻辑、混合信号和射频也是如此。McClean表示:“中国企业要想在非内存IC产品领域具有竞争力，还需要几十年的时间。”

与此同时，中国出现了几家GaN和SiC供应商。他们似乎是代工供应商和材料供应商，但很明显，中国在这个领域落后了。GaN用于功率半器件和RF，而SiC用于功率器件。

Yole Développement技术和市场分析师Ahmed Ben Slimane表示:“中国市场代表着全球电力电子行业的重大机遇，主要是在汽车和消费领域。”“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，例如比亚迪的Han EV车型。在电源GaN行业，小米、华为、Oppo、Vivo等中国智能手机主机厂在快速充电器技术上都选择了GaN。在中国强大的系统制造商的推动下，在当前美中冲突的背景下，中国晶圆和器件制造商在成本竞争力和提高质量方面肯定处于有利地位。”

这反过来又推动了生态系统的发展。Yole Développement技术和市场分析师Ezgi Dogmus表示:“随着电力电子市场出现宽带隙半导体，中国确实在推动创新技术，并已开始构建国内价值链。”“在中国功率SiC生态系统中，我们看到各种参与者在晶圆、外延晶圆和器件层面参与其中。这包括晶圆行业的Tankeblue和SICC，晶圆行业的Epiworld和TYSiC，以及晶圆代工业务的Sanan IC。至于功率GaN市场，从2019年开始，我们见证了有竞争力的GaN器件制造商，如Innoscience和各种系统集成商进入快速充电器领域。”

包装计划
中国在包装方面也有宏大的计划。JCET是中国最大的包装公司。它还有其他几个OSATs也

“中国的OSAT技术是主流行业能力的最新技术，与前端晶圆制造技术相比，技术差距被认为要小得多。它们能够支持几乎所有流行的封装类型，”FormFactor的Leong说。“新兴的2.5D/3D异构集成技术在中国仍处于开发阶段，明显落后于台积电、英特尔和三星等行业领导者。”

不过，先进的包装技术是中国有可能缩小差距的领域。这不仅体现在包装上，还体现在半导体技术上。

如今，对于高级设计，业界通常使用芯片缩放开发ASIC。这是在每个节点上收缩不同的函数，并将它们打包到一个单片芯片上。但是这种方法在每个节点上都变得更加昂贵。

该行业正在寻找新的方法。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。“随着摩尔定律的放缓，采用先进封装技术的异质集成对中国来说是一个千载难逢的机会，可以在半导体领域迎头赶上，”梁说。

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