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    國(guó)產(chǎn)高端芯片取得突破性進(jìn)展的背后

    2023年07月31日 16:12:18   來源:微信公眾號(hào):半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)縱橫

      2023年已經(jīng)過半,在全球芯片市場(chǎng)低迷,以及美國(guó)限制政策的雙重作用下,中國(guó)半導(dǎo)體業(yè)在上半年的表現(xiàn)如何?產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)的國(guó)產(chǎn)化率發(fā)展到了什么水平?下面具體介紹一下。

      中國(guó)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局公布的數(shù)據(jù)顯示,2023年前兩個(gè)月,中國(guó)芯片產(chǎn)量同比下降17%,芯片進(jìn)口量下降26.5%,出口下降20.9%。而隨著國(guó)產(chǎn)化浪潮漸起,以及芯片市場(chǎng)供過于求開始向供需平衡轉(zhuǎn)變,中國(guó)芯片產(chǎn)量逐漸增加,工信部發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示,今年前5個(gè)月,我國(guó)芯片產(chǎn)量達(dá)到1401億個(gè),同比增長(zhǎng)0.1%。

      近期,中國(guó)海關(guān)總署披露的全國(guó)進(jìn)出口重點(diǎn)商品量值表顯示,今年1-6月,中國(guó)芯片進(jìn)口數(shù)量和進(jìn)口總額同比都明顯減少,其中,進(jìn)口數(shù)量為2277.7億個(gè),同比減少18.5%,進(jìn)口總額為1626.09億美元,同比減少了22.4%。

      與此同時(shí),上半年,中國(guó)共出口芯片1275.8億個(gè),同比減少了10%。

      可見,上半年本土芯片產(chǎn)量同比略有增加,但進(jìn)出口總量都明顯減少?傮w來看,喜憂參半,中國(guó)本土芯片產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)還需要繼續(xù)努力,才能更加自如地應(yīng)對(duì)各種變化帶來的負(fù)面影響。

      01 中國(guó)芯片產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)的發(fā)展和變化

      下面就從半導(dǎo)體設(shè)備、芯片設(shè)計(jì)和制造等環(huán)節(jié)入手,看一看近半年來中國(guó)本土相關(guān)企業(yè)和產(chǎn)品取得的進(jìn)步,以及存在的問題和不足之處。

      首先看半導(dǎo)體設(shè)備。

      根據(jù)中國(guó)本土晶圓廠設(shè)備采購(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),結(jié)果顯示,截至6月,去膠設(shè)備國(guó)產(chǎn)化率達(dá)到 90%以上,代表廠商是屹唐半導(dǎo)體;清洗設(shè)備國(guó)產(chǎn)化率約為58%,代表廠商是盛美、北方華創(chuàng)和至純科技;刻蝕設(shè)備國(guó)產(chǎn)化率約為44%,代表廠商是中微公司、北方華創(chuàng)和屹唐半導(dǎo)體;CMP設(shè)備國(guó)產(chǎn)化率為32%,代表廠商是華海清科;熱處理設(shè)備國(guó)產(chǎn)化率約為25%,代表廠商是北方華創(chuàng)和屹唐半導(dǎo)體;CVD設(shè)備國(guó)產(chǎn)化率為29%,代表廠商是北方華創(chuàng)和拓荊科技;PVD 設(shè)備國(guó)產(chǎn)化率為 10%;涂膠顯影設(shè)備國(guó)產(chǎn)化率為29%,代表廠商是芯源微;離子注入機(jī)國(guó)產(chǎn)化率為7%,代表廠商是萬業(yè)企業(yè)(凱世通);量測(cè)設(shè)備國(guó)產(chǎn)化率為4%,代表廠商是精測(cè)電子。此外,28nm制程光刻設(shè)備也實(shí)現(xiàn)了零的突破。

      從半導(dǎo)體設(shè)備招投標(biāo)情況來看,今年6月,可統(tǒng)計(jì)中標(biāo)設(shè)備數(shù)共計(jì)21臺(tái),同比增長(zhǎng)65.63%,其中,薄膜沉積設(shè)備3臺(tái),輔助設(shè)備12臺(tái),檢測(cè)設(shè)備4臺(tái),刻蝕設(shè)備1臺(tái),真空設(shè)備1臺(tái)。6月,北方華創(chuàng)、正帆科技、上海精測(cè)、武漢精測(cè)、上海微電子都有設(shè)備中標(biāo)。

      上半年1-6月,可統(tǒng)計(jì)設(shè)備中標(biāo)數(shù)共計(jì)254臺(tái),同比下降37.90%,其中,薄膜沉積設(shè)備中標(biāo)38臺(tái),同比增長(zhǎng)80.95%,輔助設(shè)備16臺(tái),同比減少60.98%,高溫?zé)Y(jié)設(shè)備17臺(tái),同比增長(zhǎng)112.50%,光刻設(shè)備1臺(tái),同比持平,檢測(cè)設(shè)備139臺(tái),同比減少33.18%,刻蝕設(shè)備21臺(tái),同比減少61.11%,拋光設(shè)備3臺(tái),同比減少40.00%,清洗設(shè)備1臺(tái),熱處理設(shè)備12臺(tái),同比減少7.69%,真空設(shè)備4臺(tái),同比增長(zhǎng)33.33%。

      總體來看,半導(dǎo)體設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化率依然偏低,且由于上半年芯片市場(chǎng)很低迷,晶圓廠產(chǎn)能利用率不足,導(dǎo)致采購(gòu)設(shè)備意愿不足,國(guó)產(chǎn)設(shè)備中標(biāo)數(shù)量同比呈下降態(tài)勢(shì),不知道這種狀況在下半年會(huì)不會(huì)明顯好轉(zhuǎn)。

      下面看一下芯片設(shè)計(jì)。

      相對(duì)于在芯片制造方面與國(guó)際先進(jìn)水平存在的差距,中國(guó)芯片設(shè)計(jì)能力并不弱,也一直在進(jìn)步。中國(guó)芯片設(shè)計(jì)企業(yè)與國(guó)際大廠之間的差距,主要體現(xiàn)在對(duì)EDA工具、IP和制程工藝的依賴程度,例如,使用同樣一款較為先進(jìn)的EDA工具,國(guó)際大廠都?jí)蛟?8個(gè)月內(nèi)設(shè)計(jì)出一款較為成熟的7nm芯片,且能取得較高的流片成功率,而中國(guó)排名靠前的設(shè)計(jì)公司,使用同樣的工具,只能設(shè)計(jì)出14nm的芯片,且流片成功率與國(guó)際先進(jìn)大廠之間也存在差距。

      在提升設(shè)計(jì)水平,積累更多設(shè)計(jì)know-how認(rèn)知方面,中國(guó)本土設(shè)計(jì)公司一直在努力。與此同時(shí),本土芯片采購(gòu)企業(yè)將更多的訂單給到了本土芯片公司,使得中國(guó)芯片設(shè)計(jì)公司有了更多在市場(chǎng)上歷練的機(jī)會(huì),這對(duì)于磨練設(shè)計(jì)水平很有幫助。

      IP方面,受美國(guó)限制政策影響,國(guó)外高端IP進(jìn)口到中國(guó)大陸市場(chǎng)的難度越來越大,國(guó)內(nèi)IP短板在這種形勢(shì)下凸顯出來,同時(shí)也激發(fā)了中國(guó)本土半導(dǎo)體IP企業(yè)的發(fā)展動(dòng)力,一批新勢(shì)力涌現(xiàn)出來。

      高速SerDes接口IP已成為以數(shù)據(jù)中心為代表的HPC應(yīng)用的關(guān)鍵,這方面的本土代表企業(yè)是芯動(dòng)科技,該公司可提供16/32/56/64Gbps多標(biāo)準(zhǔn)SerDes解決方案,25G/32Gbps SerDes已經(jīng)量產(chǎn),56Gbps SerDes已經(jīng)發(fā)布。另一家公司牛芯半導(dǎo)體則推出了25/28/32Gbps的SerDes IP。此外,燦芯、和芯微可提供1.25Gbps-12.5Gbps多速率SerDes IP,銳成芯微、納能微電子也有各種SerDes IP產(chǎn)品。

      與Chiplet相關(guān)的接口IP方面,芯動(dòng)科技和芯原微電子已經(jīng)推出了相關(guān)產(chǎn)品。芯原是中國(guó)大陸首批加入U(xiǎn)CIe產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的公司,推出了基于Chiplet架構(gòu)設(shè)計(jì)的高端應(yīng)用處理器平臺(tái),該平臺(tái)12nm SoC版本已經(jīng)完成流片,正在進(jìn)行Chiplet版本的迭代。

      芯耀輝正在集中力量研發(fā)28nm/14nm/12nm及更先進(jìn)工藝IP,該公司還開發(fā)了DDR PHY IP產(chǎn)品,目前尚不清楚其所能支持的DDR應(yīng)用有哪些。目前,芯耀輝正從可靠的SI(信號(hào)完整性)和PI(電源完整性)分析、高可靠性訓(xùn)練設(shè)計(jì)、高性能DDR IO設(shè)計(jì)和多頻點(diǎn)快速切換這四方面入手,攻克DDR PHY技術(shù)難關(guān)。

      最后看一下最重要的部分——芯片制造。

      芯片制造是中國(guó)大陸的薄弱環(huán)節(jié),特別是在先進(jìn)制程(10nm以下)方面,鮮有能進(jìn)入市場(chǎng)的量產(chǎn)芯片。近兩年,中國(guó)本土晶圓廠也在努力攻克技術(shù)難關(guān),爭(zhēng)取補(bǔ)齊本土高端芯片制造能力不足的短板。

      近一段時(shí)間,有兩個(gè)關(guān)于本土高端芯片制造的好消息傳出,非常值得關(guān)注,一是BAW濾波器實(shí)現(xiàn)了本土量產(chǎn),二是華為將于今年年底推出自家設(shè)計(jì),由本土晶圓代工廠生產(chǎn)的5G手機(jī)處理器。

      濾波器是手機(jī)射頻前端模塊中的重要器件,主要分為聲表面波濾波器(Surface Acoustic Wave,SAW)和體聲波濾波器(Bulk Acoustic Wave,BAW)兩大類。

      BAW濾波器的基本原理與SAW相同,差異在于BAW濾波器中聲波垂直傳播,能夠更有效地捕獲聲波,因?yàn)槠湓诟哳l段的出色表現(xiàn),插損低性能優(yōu)秀,適用于5G高頻濾波。BAW濾波器中的主流技術(shù)FBAR需要在有源區(qū)下方做高精度蝕刻,這就對(duì)芯片工藝提出了很高要求,BAW濾波器對(duì)薄膜沉積和微機(jī)械加工技術(shù)的要求極高,制造難度和成本比SAW高很多。另一方面,也需要同時(shí)了解器件物理特性和工藝的工程師來完成結(jié)合工藝的器件設(shè)計(jì)。

      目前,BAW濾波器市場(chǎng)Broadcom(博通)一家獨(dú)大,市占率達(dá)到87%,Qorvo占據(jù)8%的市場(chǎng)份額。

      在這樣的背景下,中國(guó)的賽微電子實(shí)現(xiàn)了BAW濾波器量產(chǎn),作為重要的合作伙伴,武漢敏聲與賽微電子做到了工藝和器件設(shè)計(jì)的協(xié)同優(yōu)化,在賽微電子的晶圓廠用定制化工藝生產(chǎn)。

      據(jù)悉,賽微電子量產(chǎn)的BAW濾波器將用于國(guó)內(nèi)某品牌手機(jī)當(dāng)中,并簽署了長(zhǎng)期采購(gòu)協(xié)議,涉及12款不同型號(hào)的BAW濾波器及其衍生器件(雙工器、四工器等),協(xié)議執(zhí)行期間為2023年8月-2024年12月,協(xié)議金額不少于1億元人民幣。不知道賽微電子的合作對(duì)象是不是華為。

      除了BAW濾波器量產(chǎn),最近還有另一個(gè)重磅消息傳出:華為有望于今年年底在其新款旗艦手機(jī)中用上自家設(shè)計(jì),本土制造的5G手機(jī)處理器。

      自從被美國(guó)限購(gòu)以后,華為既不能從高通那里購(gòu)買5G手機(jī)處理器,也不能從臺(tái)積電和三星那里拿到先進(jìn)制程代工產(chǎn)能,這使得華為高端手機(jī)市占率大幅下滑,一度跌出前六榜單,但是,最近半年,華為手機(jī)的市占率大幅提升,最新統(tǒng)計(jì)顯示,其在中國(guó)大陸的市占率已經(jīng)超過13%(*品牌的市占率在18%左右),華為高端手機(jī)又復(fù)活了。

      如果華為真能在今年推出的新款旗艦手機(jī)中搭載自主設(shè)計(jì)、本土晶圓廠生產(chǎn)的5G手機(jī)處理器,無疑是一個(gè)重大突破,也會(huì)給美國(guó)的封鎖政策以沉重打擊。

      02 下一步如何走?

      自2019年“半導(dǎo)體戰(zhàn)爭(zhēng)”爆發(fā)以來,中國(guó)本土相關(guān)產(chǎn)業(yè)問題進(jìn)一步凸顯出來,正是因?yàn)槿绱耍捅就廉a(chǎn)業(yè)鏈上各環(huán)節(jié)的企業(yè)也更加清醒了,目標(biāo)也明確了,并在近三年取得了一定成績(jī),但問題還沒有得到根本解決,需要全產(chǎn)業(yè)鏈繼續(xù)努力。

      首先,就是發(fā)展模式,以及產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)之間的協(xié)作,如何做,才能進(jìn)一步提升效率呢?我們認(rèn)為,IDM的發(fā)展模式還是一個(gè)重要選項(xiàng),雖說當(dāng)下全球芯片制造業(yè)更傾向于晶圓代工,各大IDM也有“輕量化”自有晶圓廠的意愿,但就中國(guó)大陸半導(dǎo)體業(yè)的發(fā)展階段和特點(diǎn)而言,要完全與國(guó)際“晶圓代工化”接軌,恐怕還不是時(shí)候。再有,面對(duì)美國(guó)將長(zhǎng)期進(jìn)行的限制政策,做符合中國(guó)市場(chǎng)特點(diǎn)的IDM(此IDM不同于美歐IDM大廠,中國(guó)的IDM涉及的產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)可能會(huì)更長(zhǎng)),會(huì)進(jìn)一步提升效率。

      近兩年,華為被限制后,無法拿到先進(jìn)制程產(chǎn)能,很痛苦。為了盡早解決這個(gè)問題,該公司做了很多整合本土產(chǎn)業(yè)鏈的工作和投入,就是要提升效率,以期在中國(guó)本土制造出先進(jìn)制程芯片。

      還有一點(diǎn)很重要,那就是做好先進(jìn)制程和成熟制程的協(xié)調(diào)發(fā)展工作?梢哉f,在可預(yù)見的未來多年內(nèi),中國(guó)本土芯片制造一定是以成熟制程為主力的。

      近些年,在美國(guó)政府限制政策,以及中國(guó)本土企業(yè)和政府共同努力等因素作用下,中國(guó)成熟制程技術(shù)和產(chǎn)能水平一直在提升,截至2022年,在全球50nm-180nm成熟制程產(chǎn)能中,中國(guó)大陸所占市場(chǎng)份額達(dá)到30%,以當(dāng)下的形勢(shì)和規(guī)劃的晶圓廠建設(shè)進(jìn)程來看,未來5年內(nèi),這一占比有望提升至35%。

      中國(guó)大陸不斷擴(kuò)大的成熟制程產(chǎn)能對(duì)全球電子系統(tǒng)和設(shè)備廠商的吸引力越來越大,特別是對(duì)于中國(guó)本土的電動(dòng)汽車、工業(yè)機(jī)器人、無人機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備制造商來說,本土成熟制程芯片的性價(jià)比很高。與此同時(shí),中國(guó)大陸不斷增長(zhǎng)的產(chǎn)能和成本競(jìng)爭(zhēng)力正在吸引越來越多的海外系統(tǒng)和設(shè)備制造商來此采購(gòu)芯片。

      接下來,中國(guó)需要在20nm-45nm這一制程區(qū)間發(fā)力,爭(zhēng)取更多的市場(chǎng)份額,而實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)的難度并不是很大,只要相關(guān)企業(yè)踏實(shí)工作,政府給予足夠的補(bǔ)貼和扶持,用不了多久,就會(huì)形成類似于50nm-180nm制程的市占率。

      2023全年的電子半導(dǎo)體市場(chǎng)低迷已經(jīng)沒有懸念了,在迎來產(chǎn)業(yè)復(fù)蘇的2024年,中國(guó)本土產(chǎn)業(yè)鏈還有很多事情要去改善和提高,以應(yīng)對(duì)更多的市場(chǎng)和國(guó)際貿(mào)易挑戰(zhàn)。

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