不要低估中国半导体
因为落后，所以努力。
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。
目前中国在IC技术方面仍然落后，国内芯片制造商仍受制于成熟的代工工艺，并且没有内存，距离自力更生还很遥远，但它正在取得显着进步。
中国代工厂中芯国际进入了14nm finFET市场，研发能力为7nm。同时，中国也在向内存领域扩张。在制造设备领域，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功能进行图案化。
尽管中国不太可能在短期内发展自己的EUV系统，且中国不会很快超过跨国芯片制造商，但受多方原因驱动，中国正在大力发展国内IC产业。
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。为此，中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，特别是当美国与中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.中国将这些和其他行动视为阻碍中国经济增长的一种方式，促使中国加快发展自己的技术。
目前中国在半导体领域取得的新进展包括：
中芯国际正在交付14nm finFET,并在研发中采用类似7nm的工艺。
长江存储技术公司（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。
长鑫内存(CXMT)正在交付其第一款产品，即19nm DRAM产品线。
中国正在向包括氮化镓（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。
尽管这一切进展喜人，但中国在半导体领域仍然落后。“中国的半导体消费市场很大，中国的战略是成为半导体制造业的参与者。——目前中国在内存中的份额很小，出于安全考虑，希望国产占有更大份额。从逻辑上来说，中国远没有实现自给自足。”VLSI Research总裁Risto Puhakka如此说。
这些不是唯一的问题。
D2S首席产品官Leo Pang表示：“中国仍然面临许多挑战，包括在半导体制造领域需要更多的人才和IP,还需要进一步缩小领先工艺技术的差距。而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。”
中国的半导体战略
中国已经参与了集成电路行业数十年。在1980年代，它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，但其中大多数进口。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。
对此，中国政府在获得数十亿美元资金的支持下，于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。中国只生产了这些芯片的15.7％，因此不太可能在2025年之前达到其生产目标。
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的Leo Pang表示：“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造十二个新工厂。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，中国的半导体测试和封装市场一直保持韧性，” FormFactor的高级副总裁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“恐慌促进购买”，两者的结合推动了需求的稳定。话虽如此，随着人们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。”
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。如今，贸易战正在升级。去年，美国将华为及其内部芯片部门海思列入了“实体清单”，称这两家公司构成了安全隐患。与华为开展业务，一家美国公司必须获得美国政府的许可。许多美国供应商得不到许可，从而导致利润下跌。
然后，今年年初，美国扩大了在中国的“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。
Cowen分析师保罗?盖兰特（Paul Gallant）表示：“未来，如果海外工厂满足以下三个条件，必须停止对华为的销售：A）晶圆厂使用美国设备或软件制造芯片；B）芯片由华为设计；C）芯片制造商知道生产的产品是为华为生产的。”。“（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必须获得许可证。但新规的措辞可能并没有真正禁止此类销售。有利的一面是，新规定只涵盖海思实际设计的芯片，而不是所有海外晶圆厂生产的芯片。”
现在，台积电已经中止华为的新订单。
扩张晶圆代工，研发EUV
在贸易战之前，中国已经处于大型晶圆厂扩张计划之中。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还是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.
这是中国的痛处。由于落后，中国OEM必须从国外供应商那里获得最先进的芯片。
但中国成熟的流程与国外差距不大。D2S'Pang说：“对于大多数晶圆厂来说，技术节点差距不是问题，因为在物联网和汽车应用中使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，这一举动对于继续扩展至关重要。
“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，他们要做这个很难。”
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。
但不得不说的一个事实是，中芯国际已经晚了。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。
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，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，两者成本差异很大。”
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，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。到年底，N + 1被称为7nm技术。
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。”
但中芯国际今年实现N + 1可能性不大，到2020年底，12nm倒可能已准备就绪。因此，中芯国际可能再次错过市场窗口。
但更重要的是，这不是唯一的问题。
中芯国际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.“根据瓦瑟纳尔协议，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。但由于14纳米仅占SMIC销售额的1％，因此几年来他们不再需要EUV技术。” Cowen and Co的分析师Krish Sankar说。
中国为了超越7纳米，所以正在开发自己的EUV技术。其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。我认为这里面有一些潜在的硬件。
在内存方面的努力
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。中国进口了大部分内存。英特尔，三星和SK海力士在中国经营内存工厂，为国内和国际市场生产芯片。
为了减少对国外内存的依赖，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。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，其中存储单元的水平层堆叠在一起，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CTO 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。”
而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。
但相比之下，中国还是落后了。跨国公司正在发售92层/ 96层3D NAND设备，还在增加112/128层产品。
尽管如此，YMTC至少在中国的发展前景是非常好的， YMTC的芯片已被纳入中国公司的USB卡和SSD中。TechInsights分析师Jeongdong Choe说，“如果中国OEM采用YMTC的技术，可能会破坏NAND市场份额。”
不过，可以肯定的是，在成为全球主要的竞争对手之前，中国还有很长的路要走。IC Insights总裁Bill McClean表示：“ IC Insights仍然极度怀疑该国是否能在未来10年内发展出一个具有竞争优势的大型本地存储行业，而这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。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，这方面中国依然落后。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：“中国市场是全球电力电子行业的重要机遇，主要是在汽车和消费电子领域。在电动汽车/混合动力汽车的应用推动下，SiC器件开始被中国领先的汽车制造商所采用，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，中国晶圆和设备生产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技术和市场分析师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。”
中国封装计划
中国在封装方面也有大计划。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，这被视为缩小了技术差距。它们能够支持几乎所有流行的封装类型。”但新兴的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。”FormFactor的Leong说。
如今，对于高级设计，业界通常使用芯片缩放来开发ASIC.这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。随着摩尔定律的放慢，与先进封装技术的异质集成代表了中国追赶半导体的千载难逢的机会，” Leong说。
最后，网友对于以上观点的看法也非常值得一看：
地球上没有哪个国家可以在高端芯片制造领域实现自给自足，因此我发现本文有些误导。中国正在做的事情比阿波罗计划更具野心，目标正在移动，因此我怀疑他们能否取得成功。但是它们可能会破坏美国在供应链中某些领域的垄断（无论是中国公司还是通过激励非美国公司）。
——GsGill
据我了解，包含美国技术的ASML EUV光刻工具的唯一组成部分就是EUV源。因此，似乎没有来源的ASML EUV工具将仅包含欧洲技术，因此不应被美国禁令所涵盖。如果是这样，中国可以购买没有源代码的ASML EUV工具，然后在工具中安装自己的源代码。
—— 迈克尔
对于中国而言，别无选择。他们要不建立自己的技术，自己的半导体，而无需西方的投入，要不就永远受西方的力量支配。这意味着将来市场会更小，这意味着西方产品的成本会更高（因为购买者减少）。由于中国生产的产品最多，他们可以决定从哪种部件购买。由于劳动力成本，西方生产的产品成本不变。如果没有自动化降低成本，西方国家将蒙受损失。
——Ponder
在当前环境下，中国别无选择，只能开发本土解决方案。我认为这比技术能力更根本。
从供应方的角度来看，中国可能会远远落后。但是，它们的国内需求侧市场具有巨大的增长空间——如今无需“前沿尖端”即可利用这一市场。他们也可以轻松利用贸易壁垒来确保国内成功。
随着市场的分化，中国公司无需提供7nm和5nm形式的产品来“竞争”。如果西方国家阻止了ASML EUV,那么他们可以在解决技术空白的同时，轻推国内市场在采用更大规格的国内产品中的采用。
——Robert R.Derber
当我在文章中的某些场合读到“中国永远不会成功……”之类的短语时，我不得不思考所犯的重大错误，这种不断的自欺欺人和自大将是西方的损失。
——A.Krupp
作者：Mark LaPedus,半导体工程制造部门的执行编辑。
编译：枭枭
来源：https://semiengineering.com/china-speeds-up-advanced-chip-development/
