新形势下半导体国产化的现状与展望

作者 | 李翀 北京炜衡（杭州）律师事务所律师

编辑 | 又青 

一、美国制裁中国半导体行业前期手段

2022年8月12日，美国商务部工业与安全局（以下简称“BIS”）在《出口管制条例》中对中国半导体产业增加了两个技术管制条目，分别为：

（一）两种超宽带隙半导体衬底：氧化镓（Ga2O3）和金刚石，这两种材料普遍被视为系第四代半导体材料，能在更恶劣的条件下工作；

（二）专为开发具有全栅极场效应晶体管 (GAAFET) 结构的集成电路而设计的电子计算机辅助设计 (ECAD) 软件。

事实上，2022年8月12日，BIS的更新一共新增了四条技术管制条目，除前述提到的三种外，另一种为生产开发燃气涡轮发动机部件或系统所需的压力增益燃烧（Pressure-gain combustion,PGC）技术，该项技术可应用于航空航天、火箭和超高音速导弹系统，提高发动机效率和降低油耗。

想要了解BIS的该次更新，不得不提到“大名鼎鼎”的《瓦森纳协定》。1996年7月，美国召集33国在奥地利维也纳签署了《瓦森纳协定》（以下简称“《协定》”）。实际上，《瓦森纳协定》脱胎于美苏冷战时期成立的“巴黎统筹委员会”（以下简称“巴统”）。最初签署的33个成员国中，有17个曾是“巴统”组织的成员国。如今，该协议已经涵盖了美国、日本、英国等42个国家，对武器、军民两用商品和技术的出口进行管制。其中，全体会议是该协定的决策机构。全体会议由所有参与国的代表组成，通常每12月份举行一次会议，每年年底会在其官方网站(https://www.wassenaar.org/)上更新一次会议纪要和对某些国家进行出口管制的信息，前文所述四条技术管制条目均在其2021年12月22日公布的版本中。

二、美国制裁中国半导体行业新的规则

2022年10月7日，BIS再次对其出口管制进行了一系列有针对性的更新，该次BIS对先进计算机和半导体制造的相关管制包括如下条目：

（一）将某些先进和高性能计算芯片及含有此类芯片的计算机商品加入《商业管制清单》（CCL）;

（二）对运至中国的最终用途为超级计算机或半导体开发或生产的物项增加新的许可证要求;

（三）将《出口管理条例》(EAR)的适用范围扩大至某些外国生产的先进计算物项及外国生产的最终用途为超级计算机的物项;

（四）将受制于许可证要求的外国生产物项范围扩大到实体清单上位于中国境内的28个现有实体;

（五）将某些半导体制造设备和相关物项增加到《商业管制清单》;

（六）对目的地为中国的半导体制造“设施”（semiconductor fabrication “facility”）且能制造符合特定标准的集成电路之物项，增加新的许可证要求。由中国实体所有的设施将面临“推定拒绝”政策，而跨国公司所有的设施将基于逐案审查政策决定。相关阈值如下:

1、非平面晶体管结构16nm或14nm或以下(即FinFET或GAAFET)的逻辑芯片;

2、半间距18nm或以下的DRAM存储芯片;

3、128层或以上的NAND闪存芯片。

（七）限制美国人员在没有许可证的情况下支持位于中国的某些半导体制造“设施”（semiconductor fabrication “facilities”）集成电路开发或生产的能力;

（八）对开发或生产半导体制造设备和相关项目的出口物项增加新的许可证要求;以及

（九）建立临时通用许可证(TGL)，对目的地为中国以外地区使用的物项，允许特定及有限的的相关制造活动，以减少短期内对半导体供应链的影响。

前述更新将进一步限制中国购买获得先进计算机芯片、开发和维护超级计算机以及制造先进半导体的能力。

虽然前述措施中均提到了“许可证”，似乎只要中国企业向美国申请该许可证，即可如常经营及深入对芯片产业的研究。然而，根据《纽约时报》引述一位不具名美国高级官员表示，多数许可证申请将被拒绝，但若设备是准备运送给当地美国企业或盟国企业经营的工厂，则会被逐案审查。这意味着如果新措施能够有效实施，使用美国技术的外国企业将会在半导体行业上与中国切断联系，包括向中国售卖、运输、转运新规中限制的技术与产品。

事实上，此种制裁我国华为公司已经提前“体验”了一次。2020年5月15日，BIS发布禁令，任何企业将含有美国技术的半导体产品给华为，必须先取得美国政府的出口许可，禁令实施前有120天的缓冲期。2020年8月17日，禁令进一步升级，在“实体清单”上新增了38家华为子公司，并宣布无论在交易的哪个阶段，只要有华为公司参与，那么世界上任何公司未经许可都不得出售用美国软件或设备制造的半导体。

2020年9月15日，特朗普政府手起刀落，切断了华为从商业渠道获得芯片的能力。随后，台积电、英特尔、高通、联发科、美光等芯片大厂相继宣布，9月15日后将无法继续为华为供货。根据中国工业和信息化部下属的中国信息通信研究院发布的《全球5G专利活动报告（2022年）》显示，华为的5G专利在多项不同排名中都位居全球第一。然而，由于特朗普政府的“芯片禁令”，华为最新发布的手机HUAWEI Mate 50 pro却只能使用4G网络，足见其制裁之可怖。

三、半导体行业国产化现状

笔者在拙作《一文读懂美国“抢芯”的前因后果》中提到过半导体产业将沙子变成芯片，需要在全球数十个国家的通力合作下才能完成。而美国出于打击中国半导体企业崛起的目的，拉着“保护知识产权”的大旗制裁中国大陆企业。一方面限制了全球半导体供应链中的自我调节能力，加剧了“芯片荒”的恶果；另一方面，限制了部分国外企业在中国对芯片进行封测，转而选择成本更高的日、韩、美企业，限制了“芯片荒”的缓解。

本次制裁措施更新后，华府智库“战略暨国际研究中心”（CSIS）科技事务主任路易斯（James Lewis）表示，“中国虽不会因此放弃芯片制造，但能放慢他们速度”。目前，中国在芯片研发领域的 4 个技术关卡分别为光刻机、电子设计自动化（EDA）软件、晶圆和指令集。

2006年，国务院发布了《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》（以下简称“《纲要》”）。《纲要》第二部分“指导方针、发展目标和总体部署”中明确指出，“事实告诉我们，在关系国民经济命脉和国家安全的关键领域，真正的核心技术是买不来的。我国要在激烈的国际竞争中掌握主动权，就必须提高自主创新能力，在若干重要领域掌握一批核心技术，拥有一批自主知识产权，造就一批具有国际竞争力的企业”。故在《纲要》第四部分，同时部署并启动了16个重大专项，包括核心电子器件、高端通用芯片及基础软件（以下简称“01专项”），极大规模集成电路制造技术及成套工艺（以下简称“02专项”），新一代宽带无线移动通信，高档数控机床与基础制造技术等。其中，01专项与02专项与半导体行业息息相关，下面分别对前述四个技术关卡的现状略作介绍。

（一）光刻机的国产化

光刻机是利用光学复制的方法把超小图样刻印至半导体薄片上来制作复杂电路的技术，不同波长的光源可以刻印的集成电路图的精细程度亦不相同。简单来说，光源波长越短，能刻印的集成电路图就越精细。而不同的光源，也有自己的分辨率极限。目前的光刻机可分为DUV光刻机和EUV光刻机，前者的极限为10nm，而后者目前还在向5nm、3nm技术延伸。

中国方正证券的一份研究报告披露，“在02专项光刻机项目二期中，设定的时间为2020年12月验收193纳米ArF浸入式DUV光刻机，其制程工艺为28纳米”。虽然早在2020就有消息称上海微电子的国产DUV光刻机SSA800即将在2021年下线。然而，实际机器的交付已经延迟到了现在。

据《电子技术设计》报道，上海微电子装备（集团）股份有限公司（以下简称“上海微电子”）、中国电子科技集团（以下简称“中国电科”）、中国科学院长春光学精密机械与物理研究所（以下简称“长春光机物理所”）分别接到了研发光刻机的任务。其中，上海微电子、中国电科都是在突破DUV光刻机，而长春光机物理所是突破EUV光刻机。

结合各方消息来看，28nm光刻机（DUV光刻机）的理论以及包括光源系统、物镜系统、光学系统、浸液系统在内的各个环节的制造能力我国都已具备。待上海微电子完成整机集成并测试完成（大概需要稳定跑2-3年，使光学畸变稳定下来）后，我国便可未来的几年内具备生产28nm工艺芯片的能力。

（二）EDA软件国产化

EDA软件实际上是对所有做辅助电子相关设计软件的统称，被誉为“芯片之母”，是目前芯片设计所需的基础工具。根据国内某CAD软件公司相关负责人标识，如果设计一款5nm芯片产品，使用全球顶尖的EDA软件，成本可以控制在4000万美元左右。如果没有EDA软件支持，那么成本可能高达77亿美元，两者有200倍左右的差距。短期来看，国内芯片企业的设计能力将受到重大打击；长期来看，中国的芯片技术将被锁在与先进技术相差四至五代的水平。

在EDA中，通常一个软件会集成几个工序的工作，负责好几件事情。如果某个EDA公司的某个环节比较强，做出了行业普遍认可的工具，则这种工具可以负责行业中的某个点，该种工具也被称作点工具。在EDA行业中，前三的企业分别为新思科技（Synopsys）、楷登电子(Cadence)、明导国际（Mentor Graphics，后因在2016年被西门子收购更名为Siemens EDA），国内EDA市场长期被三大巨头垄断，约占据了80%的市场份额。一般的，工程师们在设计芯片时会用新思科技的前端工具、用楷登电子的后端工具、用明导国际的DFT和物理验证，今年六月份三星公司突破3纳米的GAAFET架构制程技术就是在前述EDA软件的全力协助下完成的。此次美国对设计GAAFET结构集成电路所必须的EDA软件实施出口管制，直接让中国没有了设计3纳米及以下芯片的工具。EDA软件工具链大约有40个细分领域，前述三家企业目前实现了全产业链覆盖。而中国EDA软件企业中，仅有北京华大九天科技股份有限公司（以下简称“华大九天”）覆盖了40%的工具链，在本土市场中占有大约6%的市场份额，而其他国产EDA厂商则多为点工具，无法为客户提供特定区域全流程产品服务。

笔者认为，提升国产化EDA软件的研发进程，需要国内半导体产业联合起来，组成联盟，共同开发、共享经验，加强企业间的协同配合，尽量少走弯路。

（三）晶圆国产化

半导体产业包括生产晶圆的晶圆产业和以晶圆为材料进行设计和制造的晶圆加工产业、组装产业等。此处的晶圆国产化是指生产晶圆的晶圆产业。

晶圆是制作集成电路的基础，如果要做个比喻，晶圆就是制作披萨需要用到的面团，在对晶圆进行一系列加工后，就形成了集成电路。制作晶圆的过程需要三个阶段，第一个阶段将沙子中提取的硅进行高纯度的提纯程序，并将硅原料高溶解，制造高纯度的硅溶液，并使其结晶凝固，形成锭（Ingot）。第二阶段，需要用金刚石线将锭切割成厚度均匀的薄片，薄片的直径决定了晶圆的尺寸，一般来说，晶圆的尺寸有150mm（6英寸）、200mm（8英寸）、300mm（12英寸）等等。晶圆的尺寸与芯片的工艺制程是并行发展的，即晶圆的尺寸越大，每片晶圆上能产出的芯片就越多，故晶圆切割工艺一直在向厚度变薄、尺寸变大的方向发展。第三阶段，将切割后的晶圆进行一系列的加工，避免因晶圆表面有瑕疵而影响电路的精密度。目前，我国如果要在生产晶圆的产业线上实现全面“脱美”，能拼凑出200mm(8英寸)晶圆的供应，与之相对应的，在8英寸晶圆上，芯片规格与经济极限是90纳米工艺，如果要缩小工艺制程，均需用到12英寸晶圆。据业内人士介绍，目前上海新昇半导体科技有限公司与西安奕斯伟材料科技有限公司已经宣布实现了300mm硅片的量产，但目前还没有听说有一线厂家给主要订单，即目前我国可完全脱美的芯片工艺制程为90纳米。

（四）CPU国产化

CPU（中央处理器）是计算机的核心，其内部主要由控制单元（CU）和算数逻辑单元（ALU）构成，主要运作原理可以分为四个阶段：提取、解码、执行和写回。这些运作过程全部由指令系统，即指令集控制。对指令集的掌控程度决定了国产化的程度，对指令集的消化吸收和创新程度决定了CPU的创新可信程度。

指令集可分为复杂指令集（CISC）与精简指令集（RISC），前者代表如英特尔公司的X86架构，后者代表如ARM架构、MIPS架构、Alpha架构、RISC-V架构等。其中，RISC-V架构指令集是美国加州大学伯克利分校研究团队于2010年设计的基于RISC原理的精简指令集，具有完全开源、架构简单、易于移植、模块化设计、工具链完整的特点。RISC-V指令集的出现，打破了英特尔公司与ARM公司在指令集领域两强垄断的局面。

2021年，我国在《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》（以下简称“十四五规划”）首次将“开源”规划列入其中，十四五规划期间，我国将“加快布局量子计算、量子通信、神经芯片、DNA存储等前沿技术，加强信息科学与生命科学、材料等基础学科的交叉创新，支持数字技术开源社区等创新联合体发展，完善开源知识产权和法律体系，鼓励企业开放软件源代码、硬件设计和应用服务”。目前，随着物联网、5G通信、人工智能等新技术的兴起，物联网和嵌入式设备成为RISC-V最先落地的领域和最大的应用市场。阿里平头哥半导体有限公司的开源玄铁RISC-V系列处理器已应用于工业控制、智能家电、智能电网等多个领域。结合RISC-V本身低功耗、低成本的特性，亦不排除使用该架构的芯片进入服务器、高性能领域的可能性。

2021年6月，首届RISC-V中国峰会于上海科技大学举办。会上，中国科学院计算技术研究所包云岗团队公开推出了“香山”开源高性能处理器芯片。这标志着，在中科院计算所、鹏城实验室的技术支持下，由中国开放指令生态联盟开发的国产RISC-V处理器内核正式诞生。包云岗先生表示，“香山芯片是一个研究芯片，未来的商业化还需要企业参与，我们将面向全球开放，构建芯片科技领域的人类命运共同体。”笔者对此持乐观态度。

四、结语

由于特朗普政府与拜登政府的持续施压，中国面临着贸易制裁与科技封锁的双重困难。此次美国对中国半导体行业的打压，定会给中国半导体行业造成一次不短的“阵痛期”，然而古谚云“塞翁失马，焉知非福”，中国拥有世界上规模最大、门类最全、配套最完备的制造业体系。此次打压或许会“倒逼”半导体行业加快国产化的步伐，避免在建设现代化产业体系的过程中被美国掣肘。

（本文仅代表作者观点，不代表知产力立场）