本文来自微信民众号：半导体行业考察，编译自CSET，头图来自视觉中国。

先进的盘算机芯片不仅推动了军事能力的生长，也推动了经济和科学的生长。这些芯片由庞大的供应链生产，而这些供应链的全球漫衍和相关能力在各国的漫衍对未来的手艺竞争和国际平安具有重大影响。然而，供应链的庞大性和不透明性使政策制订变得难题。要制止不能展望的危害，就需要详细领会整个供应链以及该供应链各环节的国家竞争力。

为了辅助决策者领会全球半导体供应链，我们将这些供应链拆分开来看，并识别出与决策者最相关的特征，由于它们要么提供了手艺控制的潜在目的，要么限制了可用的政策。CSET杂志的另一期简报题为“美国《半导体出口到中国:当前的政策和趋势》概述了现在若何对半导体供应链实行出口控制。CSET的配套政策简报题为“确保半导体供应链”和“中国在半导体制造装备方面的提高”，凭据本文的剖析提供了政策建议，以维持美国和友邦的优势。

美国及其盟友是全球半导体供应链的领导者，而中国大陆相对落伍。美国半导体产业孝敬了全球半导体供应链总价值的39%。美国的友邦和区域——日本、欧洲(稀奇是荷兰、英国和德国)、中国台湾和韩国——总共孝敬了53%。这些国家和区域在险些每个供应链环节上都享有竞争优势。虽然中国大陆的孝敬仅为6%，但它正在许多领域迅速生长能力，并可能试图重新配置有利于自己的供应链，从而影响国家和国际平安。

在高层次上，半导体供应链包罗研发、生产、生产投入和最终使用的分销。研发支撑着所有的生产及其投入。半导体生产包罗三个部门:(1)设计，(2)制造，(3)封测(ATP)。生产依赖于供应链的相关元素:半导体制造装备(SME)、质料(包罗形成芯片的“晶片”)、设计软件(称为电子设计自动化，或EDA，软件)和与芯片设计相关的知识产权(称为焦点IP)。这一历程中价值最高、手艺最庞大的部门是生产的设计和制造环节，以及供应链中的SME部门。虽然是在供应链中占有很小，但EDA和焦点IP也很要害，这需要大量的专业知识。而ATP是一种劳动密集型行业，进入门槛最低。

美国及其盟友专注于差别的供应链领域。美国在研发方面占有主导地位，在各个领域都拥有壮大的能力。然而，它缺乏某些要害子部门的企业，稀奇是光刻工具(SME中最昂贵和最庞大的形式)和最先进的芯片工厂(稀奇是为第三方制造芯片的“代工厂”)。韩国险些介入所有生产步骤，也生产大量的质料和一些半导体装备。台湾在最先进的制造和ATP方面占主导地位，并生产一些质料。相比之下，日本专注于半导体装备和质料，并生产许多较老的手艺半导体。同时欧洲(稀奇是荷兰、英国和德国)，专门从事半导体装备(稀奇是光刻工具)、质料和焦点IP。

中国大陆在一些领域取得了提高，但在另一些领域仍存在难题。中国大陆在封测、组装和封装工具以及原质料方面最壮大。在政府的支持下，其在设计和制造方面正在取得希望。然而，中国在生产投入方面举步维艰:半导体装备、EDA、焦点IP和某些用于制造业的质料。

弁言与概述

价值5000亿美元的半导体供应链是天下上最庞大的供应链之一。单个盘算机芯片的生产通常需要1000多个步骤，通过国际界限70次或更多次，才气到达最终客户手中、为了制止不能展望的危险，政策制订者必须领会各个行业的供应链和国家竞争力。本讲述旨在提供这样的评估。虽然它描绘了所有要害国家和区域的国家竞争力，但它关注的是中国在各个领域的生长。除稀奇说明外，本讲述的数据是停止2019年的数据，国家和区域的市场份额是基于公司总部，而不是运营地址。然而，公司总部可能无法充分体现国家的竞争力。例如，许多美国公司在中国和其他国家保留了大量营业。

总体来看，供应链主要包罗七个部门(图1)。

图1：半导体供应链 

*注:蓝色:供应链各个环节;紫色:生产的商业模式

研发推动了供应链的各个环节。它包罗基础手艺的竞争前探索性研究和直接推进半导体手艺前沿的竞争研究。

生产需要三个主要步骤:设计、制造、封测(ATP)。这些步骤要么发生在一个单独的公司——销售芯片的集成装备制造商(IDM)——要么发生在单独的公司，没有晶圆厂的公司设计和销售芯片，交给代工公司来做，从外包的半导体组装和测试(OSAT)公司购置封测服务。生产需要几个其他辅助:质料、半导体制造装备(SME)、电子设计自动化(EDA)和焦点知识产权(IP)。下面是生产步骤的总结，以及它们若何使用这些辅助部门。

设计包罗规范、逻辑设计、物理设计以及确认和验证。规范决议了芯片应该若何在使用它的系统中操作。逻辑设计建立一个相互毗邻的电子元件的原理图模子。物理设计将这个模子转化为电子组件和互连(毗邻组件的电线)的物理结构。确认和验证确保基于设计的芯片能够按预期运行。EDA是用来设计芯片的软件。

直到20世纪70年代，芯片中险些没有电子元件，工程师们都是手工绘制设计。今天，芯片包罗数十亿相互毗邻的晶体管和其他电子元件。为领会决这些庞大的元件，芯片设计者使用EDA软件的自动设计工具。焦点IP由设计的可重用模块化部门组成，允许设计公司授权并将其纳入设计中。

制造依赖半导体装备和质料将设计酿成芯片。首先，一个熔炉形成一个硅圆柱体(或其他半导体质料)，然后将其切割成圆盘状晶圆片(图2中的第一张图像)。晶圆厂通过两个步骤在这些晶圆片上制造芯片:在硅的质料层中形成晶体管和其他电子装备;以及在硅上面的绝缘层中形成电气装备之间的金属互连。电气装备和互连线一起组成电路。一个芯片可能总共包罗几十层。下面是一个若何形成一个单层的例子。

首先，“沉积”工具添加一层质料，将形成一个新的永远层的基础。然后，一种叫做“光蚀刻”的历程在该层中绘制电路图案，首先在沉积的质料上涂上一层“光刻胶”。一个光刻工具让光通过一个“光掩膜”——一个带有电路图案的透明板——把图案转移到光刻胶上。(光罩自己是用光刻工具制作的。)光凭据电路图案消融部门光刻胶。

“蚀刻”工具将光刻胶中新建立的图案雕刻到光刻胶下面的永远层。随后，光刻胶被移除，蚀刻质料从层中消灭。(其他时刻，不是蚀刻，而是用一种叫做“离子注入”的历程将原子嵌入到层中。)然后，完成的层被压平(这个历程被称为“化学机械压平”)，允许添加新的层，然后这个历程又最先。在整个制造历程中，“制程控制”工具检查晶圆及其层，以确保没有错误。

组装、测试和封装最先于切割一个制品晶圆(在制造后以网格模式包罗数十个晶圆(图2中的第二个图像))到单独的晶圆。每个芯片都安装在一个有电线的框架上，该框架将芯片与外部装备毗邻起来，并封装在一个珍爱外壳中。这将发生一个边缘有金属针的深灰色矩形的最终外观(图2中的第三个图像)。该芯片还将举行测试，以确保其根据预期运行。ATP还需要种种质料。

上面的形貌过分简化了手艺流程，然则转达了涉及的高级步骤。实际上，每一个单独的步骤都是异常庞大的，需要几个子步骤。而制造历程的原子精度要求洁净室没有可能滋扰芯片制造的灰尘颗粒。

最终用途涉及漫衍集成到芯片的产物——智能手机、笔记本电脑、服务器、通讯装备和汽车等。

图2:芯片制造历程

总部位于六个国家和区域的公司险些控制了整个供应链。表1给出了CSET对每个供应链段半导体价值孝敬的估量(紫色部门)。这些值加起来即是100%。各供应链环节的增添值盘算见附录A。它还展示了供应链各环节的区域市场份额(绿色)。

表1还提供了每个区域对全球供应链的总附加值(蓝色部门)。每个值都是一个区域在所有供应链领域的市场份额的加权平均值。权重是每个部门的增添值加权。由于缺乏数据，表1不包罗晶圆以外的fab质料(增添值4.1%)和封装质料(增添值3.5%)。前者通常由晶圆厂购置;后者由ATP设施提供。

因此，非晶圆fab质料和封装质料的价值划分被纳入“fab”和“ATP”中。美国总体上是天下领先的，而韩国、日本、中国台湾和欧洲(稀奇是荷兰、英国和德国)在其他先进领域拥有天下领先的公司。

表1:按供应链各部门和公司总部门列的半导体增添值和市场份额

资料泉源:CSET盘算，财务报表，WSTS, SIA, SEMI, IC Insights, Yole, VLSI研究

*注:色彩强度与值的巨细有关。

美国在大多数领域都很壮大(表2)。然则值得注意的破例是如一些fab工具的生产，如光刻装备和晶圆质料等。美国也缺乏尖端的纯逻辑芯片代工厂。(代工是指为第三方客户生产芯片的工厂，这与总部位于美国的英特尔差别，后者的尖端逻辑芯片厂凭据英特尔自己设计的芯片生产芯片。)然而，这些能力都是由美国的盟友主导的。总而言之，美国及其盟友在供应链的每一个环节都具有国际竞争力——简而言之，若是加上盟友，表2将酿成绿色。

*注:绿色:高能力(具有国际竞争力);黄色:温顺的能力;

橙色:低功效;红色:最低限度或没有能力;粗体:高级种别;

未加粗的:在高级种别内并列在下面的项目。凭据作者的剖析，如下节所总结的。

中国总体上落伍，但在某些领域正在提高(表3)。中国在ATP、组装和封装工具以及原质料方面显示突出。它在设计、制造、CMP工具和一些蚀刻和清洁工具方面有适度和不停增进的能力。中国在其它领域也面临挑战，包罗多数半导体装备业。它最大的弱点是EDA，焦点IP，一些芯片质料(稀奇是光刻胶)，领先的逻辑芯片能力，和某些SME。这些SME包罗光刻工具(最主要的是，极端紫外线扫描仪和氩气氟化物浸泡扫描仪)，制程控制工具，测试工具，原子层蚀刻，晶圆和掩模处置工具，先进沉积工具，和一些离子注入器。这些弱点——凭据表3，中国的能力较低、最小或基本没有能力——是“瓶颈”。“它们涉及美国及其友邦专门生产的先进芯片生产所必须的产物。

表3:中国供应链各环节的竞争力

*注:绿色:高能力(具有国际竞争力);黄色:温顺的能力;橙色:低功效;红色:最低限度或没有能力;粗体:高级种别;未加粗的:在高级种别内并列在下面的项目。凭据作者的剖析举行评级，如下节所总结。

以下每一节详细先容了每个国家和区域的国家竞争力(稀奇是中国)，包罗研发、生产(设计、制造和ATP)、SME、EDA、焦点IP和质料。(本讲述没有进一步讨论半导体的分销和最终用途。)虽然可以按顺序阅读下面的章节，但读者可以划分查看每个章节以获得该部门的概述。

在半导体研发方面，相比其他国家，美国处于决议性的领先地位，并将其输送到所有其他供应链部门。半导体研发事情大部门是由私营企业完成的。

图3按公司总部门列的半导体行业研发情形。从全球来看，半导体行业在2013年至2018年以每年3.6%的复合年增进率增进，2018年的研发支出为646亿美元。2019年，美国半导体行业以398亿美元的研发支出遥遥领先，2018年研发支出排名前10位的半导体公司中有5家是美国半导体行业。相比之下，2018年中国半导体企业在半导体研发上的支出仅为26亿美元。图3中不包罗的国家在半导体行业研发中所占的比例很小。行业研发主要是私有的，但许多半导体公司与竞争对手互助举行研发。一项针对12家主要半导体公司的观察发现，有近200个研究互助项目。

图3：2018年美国企业引领半导体行业研发

数据泉源：SIA，SemiWiki

美国半导体行业的研发支出占半导体销售额的比例最高，为16.4%，中国为8.3%（图4）。

图4：2019年，美国半导体企业的研发投入高于偕行

数据泉源：SIA

美国、韩国、日本、中国台湾和荷兰政府在半导体研发方面只扮演了次要角色。2019年，美国政府在半导体研发上投入了60亿美元。其中17亿美元直接用于半导体行业，43亿美元用于相关手艺领域（如工程、盘算机科学、数学和物理科学）。除了直接的研发资金，许多政府还通过研发税收减免或其他资金来补助半导体公司——低于市场的融资和资源投资和企业收入的税收减免——企业可以将其转向研发。

相比之下，中国政府每年对半导体行业的补助约为150亿美元。这些补助在接受补助的公司收入中所占的比例是远高于其他国家的。然而，中国的补助在绝对值上与许多其他国家的政府提供的补助险些相当，由于全球领先的半导体公司比中国的半导体公司发生的收入要多得多。此外，中国的研发税收减免只是其总补助的一小部门，从绝对值上看，比美国的研发税收减免要小得多。

半导体产物

美国、韩国、欧洲、日本、中国台湾和中国大陆是半导体设计、制造、装配、测试和封装的重点国家和区域。2019年，半导体拥有4123亿美元的销售额，其中数字和内存芯片占了最大的份额(图5)。

图5:2019年半导体市场

泉源: WSTS

*注:数字芯片包罗微处置器和微控制器。

半导体生产有两种商业模式。在“集成器件制造”（IDM）模子中，统一家公司执行所有生产步骤。在“无晶圆厂 代工”（fabless foundry）模式中，差别的公司执行差别的步骤。fabless公司设计和销售芯片，但从代工厂购置制造服务，从外包的半导体组装和测试(OSAT)公司购置组装、测试和封装服务。IDM通常生产内存芯片、模拟芯片、光电子器件、传感器和分立器件(OSD)。这两种模式的公司都市生产逻辑数字芯片。图6和图7显示了按营业模式划分的芯片销售和国家/区域份额。

泉源：SIA, IC Insights, Yole, CSET estimates

以下各小节分为：设计、制造和ATP的区域竞争力。每个章节合并了IDM和在fabless foundry 模式下运营的公司的数据。

设计

美国、韩国、欧洲、日本、中国台湾和中国大陆险些负担了天下上所有的半导体设计。美国在数字和模拟芯片方面领先，韩国在存储芯片方面领先，欧洲在分立器件方面领先。中国设计了许多数字芯片——只管大多数芯片无法与最先进的美国芯片竞争——以及一些分立器件，同时也最先设计内存芯片(图8和表4)(市场份额和规模是为半导体销售，其中包罗从设计以外的步骤增添的价值。然而，由于统一家公司通常设计和销售一种半导体——纵然它经常外包制造和ATP——这些市场份额与设计流动的份额密切相关。)本节重点先容某些高端数字芯片和最常见的内存芯片。

图8：2019年IC设计市场份额（根据类型和区域划分）

资料泉源：SIA、 IC Insights、TrendForce以及财务报表

*注:中国在 CPUs、GPUs和FPGA上的份额很小(<1%)

表4：2019年芯片设计市场情形及中国竞争力

数字芯片

数字芯片对数据(0和1)执行盘算以发生输出。它们包罗微处置器(例如中央处置单元(CPU))、微控制器、数字信号处置器、现场可编程门阵列(FPGA)、图形处置单元(GPU)和其他芯片。天下上大部门数字芯片都是美国设计的，韩国、欧洲、日本、中国台湾和中国大陆各占一小部门。

中国的设计行业主要由为国防、电信和金融等行业设计数字芯片的无晶圆厂公司组成。华为的子公司海思和清华紫光的子公司紫光展锐主导了中国的无晶圆厂领域。这些公司生产智能手机处置器和其他芯片。在全球收入排名前10位的无晶圆厂企业榜单中，海思半导体是全球十大半导体供应商之一。然而，海思和紫光展锐从总部位于英国的Arm公司获得焦点IP。

下面将集中讨论四个高价值数字芯片种别：高端CPU、GPU、FPGA和AI ASIC

高端CPU。CPU是占主导地位的通用数字芯片。英特尔和AMD这两家美国公司历久垄断笔记本电脑、台式机和服务器的CPU市场。中国虽有几家合资企业，但没有一家能与美国公司竞争。龙芯已经开发了一款拥有自主IP的12纳米CPU，客户包罗个人电脑制造商遐想和中国超级盘算机制造商中科曙光。中科曙光通过AMD的x86 IP授权来开发自己的CPU，不外这些CPU的能力尚不清晰。中国科学院还为太湖之光超级盘算机开发了“神威”芯片。此外，兆芯正在开发用于台积电16nm节点的x86 CPU。一个“节点”代表一个手艺世代;一个新节点(如2020年公布的“5纳米”)的芯片内含的晶体管密度大约是上一代节点(如2018年公布的“7纳米”)的两倍，而且更能耗更低。最后，高潮基于Arm的超级盘算机架构是28纳米CPU。

中国的CPU很少有民用客户，这反映了它们在开放市场上缺乏竞争力。中国大型企业使用的CPU中95%依赖入口。在x86架构的CPU上，中国的显示尤其弱，而美国公司在这方面有一个专属的客户群。

自力GPU。GPU历久以来一直被用于图形处置，在已往的十年里，它已经成为训练人工智能算法最常用的芯片。美国垄断了GPU的设计市场，包罗自力的GPU芯片。英伟达和AMD这两家美国公司主导着自力的GPU市场。总部位于美国的英特尔也在开发一种自力的GPU。

现场可编程门阵列（FPGA）。与其他芯片差别，FPGA在部署后可以重新编程，以顺应特定的盘算，如执行人工智能算法(也称为“推理”)。美国公司险些占领了整个FPGA设计市场。中国的三家FPGA制造商主要处在异常旧的节点上生产，在40到55纳米之间。一个破例是Efinix开发的10 nm“eFPGA”，这是一种FPGA的精简版，其设计可以整合到其他芯片上。总的来说，中国的FPGA并不具备与美国偕行的竞争力。

用于人工智能的专用集成电路（AI ASIC）。AI ASIC通常比GPU和FPGA实现更快的速率和效率，但仅适用于特定的人工智能算法。2017年至2019年，对无晶圆厂企业的风险投资大部门流向了人工智能芯片设计初创企业。越来越多的公司在开发这些芯片，而中国是最先进的，由于ASIC比CPU、GPU和FPGA更容易设计。

然而，很少有高度专业化的ASIC被普遍商业化，由于它们的市场往往太小，无法收回牢固的开发成本。中国在人工智能推理专用芯片方面做得最好，只管中国公司也在开发人工智能训练专用芯片。后者的一个显著例子是华为Ascend 910，它是在台积电的7纳米节点上制造的，与领先厂商竞争。不外，华为的芯片设计是通过Arm IP授权开发。

存储芯片。存储芯片用于存储逻辑装备执行盘算的数字数据。DRAM在盘算机运行时提供“易失性”的数据存储，但当盘算机断电时就会丢失数据。相比之下，NAND闪存是“非易失性”的，永远存储内存。韩国、美国和台湾控制着DRAM设计市场，而韩国、美国和日本控制着NAND闪存市场。

中国也在实验生产DRAM和NAND芯片。这些芯片占内存芯片市场的98%。虽然中国公司现在只占内存芯片产量的一小部门，但长鑫的产能将占全球DRAM产量的3%，而YMTC（长江存储）将占全球NAND闪存产量的5%。

与数字芯片相比，存储芯片加倍商品化，也更容易生产，而且生产商大多通过价格竞争——中国企业在这一计谋上很有优势。一个更大的障碍是获得行业领先者的专利允许，中国的存储芯片供应商正在收购这些专利。因此，内存芯片设计不太可能继续成为中国的主要瓶颈。

制造

总部位于美国、中国台湾、韩国、日本和中国大陆的公司控制了天下上绝大多数Fab市场份额(图9)和Fab产能(图10和表5)——其中大部门也位于这些国家/区域(图11)。芯片厂有两种商业模式:(1)IDM旗下的芯片厂，凭据自己的设计制造芯片;(2)晶圆厂，即自力运营，为第三方客户生产芯片的晶圆厂。中国大陆的产能建设十分强劲，市场份额也颇为乐观，但产量和利用率较低，而且是在较老的节点上。其中许多晶圆厂在政府支持下继续运营，获得的补助占收入的比例远高于任何领先晶圆厂。外国芯片制造商在中国运营着最先进、最可靠的晶圆厂，缔造的收入跨越了中国的芯片制造商。

先进的逻辑节点制造能力是中国晶圆厂最大的弱点，只管中国正试图建设这样的能力。此外，逻辑芯片(如CPU、GPU、FPGA和AI ASIC)对与国家和国际平安相关的应用尤其主要。因此，本节剩下的部门将重点放在逻辑fab产能上。

图9:2019年Fab市场占有率情形（按区域划分）

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

图10显示了相关产物种别下，差别区域（公司总部所在地）的Fab产能占比。这些种别包罗整个半导体、逻辑芯片(包罗代工厂和IDM持有的产能)、存储芯片、模拟芯片、光电子器件、传感器和分立器件的产能。对逻辑芯片提供了更详细的剖析。详细来说，图10包罗了IDM和代工厂所持有的逻辑芯片容量，以及45nm节点或以下的逻辑芯片容量(代工厂和IDM所持有的)。

图10：凭据Fab产物种类和区域划分下的2020年晶圆厂产能

资料泉源：“World Fab Forecast,” SEMI, November 2020 edition

图11展示了根据晶圆厂所在地划分的晶圆产能占比情形，详细分类与图10一样。

图11:2020年晶圆厂产能占比（根据晶圆厂所在地划分）

资料泉源：“World Fab Forecast,” SEMI, November 2020 edition

表5:2019年晶圆厂市场情形及中国大陆竞争力

总部位于美国、中国台湾、韩国、日本和中国大陆的公司控制着天下上大部门的逻辑芯片制造能力，而且大部门的逻辑芯片制造能力都在区域所在地。晶圆厂厂控制跨越80%的天下的逻辑工厂产能(表5)。三家公司——总部设在美国(英特尔),中国台湾(台积电)和韩国(三星)——工厂控制险些所有天下上先进的逻辑节点能力(≤10nm)，只管美国的英特尔在以色列和爱尔兰等都有产能建设。

赢家通吃的款式给逻辑代工行业的后继竞争对手带来了挑战。市场领先者台积电占有全球逻辑代工市场54%的份额，在领先的逻辑代工市场上占有更大的份额。现在，它生产最先进的5纳米节点芯片，每个晶圆的收入快速增进，而其他运营晶圆的芯片制造商——包罗美国的GlobalFoundries、中国台湾的联华电子和中国大陆最先进的芯片制造商中芯国际——的收入都在下降。

三星也在引进5纳米逻辑芯片的生产能力，而英特尔正在生产10纳米逻辑芯片，其规格可与台积电的7纳米节点芯片竞争。美国拥有壮大的能力，只管其由GlobalFoundries持有的最先进的逻辑芯片厂只有12纳米。总部位于美国的英特尔仍设计推出7纳米节点芯片，其规格可与台积电的5纳米节点芯片竞争，但英特尔落伍了，设计在2022年或2023年头推出。

由于先进的生产能力极低且质量低下，中国代工厂面临吸引外国无晶圆厂客户的难题。中芯国际已到达14纳米，但每月产能仅为6,000片晶圆（占全球≤16纳米逻辑晶圆厂产能的0.2％），设计增添到35,000（1％）。中国芯片制造商华虹也在实验开发14 nm产能。为了与台积电竞争，中国代工厂商必须战胜专有手艺的不足，并依赖补助来投资领先的产能—成本从一个节点迅速上升到另一个节点。若是实行的话，美国、日本和荷兰未来对中小企业和原质料的出口管制可能会阻止中国的代工厂建设先进的产能。荷兰现在克制向中国出口EUV光刻机，这已经阻碍了它建设跨越7纳米的能力。

ATP的组装、测试和封装有两种商业模式:(1)作为内部的ATP服务，由集成装备制造商(IDM)和制造后的代工厂执行;(2)外包的半导体组装和测试(OSAT)公司，为第三方客户提供ATP服务。ATP是劳动密集型的，比设计和制造的价值低，而且在这两个部门不生长技术。因此，企业向来都在生长中国家设立ATP设施。

总部位于中国台湾、美国、中国大陆和韩国的公司是ATP服务的主要提供者(图12和表6)。中国大陆受益于外包，生长了壮大的ATP产业——其OSAT产业是仅次于中国台湾的天下第二大产业。此外，非中国的IDM在中国保留了许多ATP设施。虽然在中国排名前三的ATP公司都是中国的OSAT，但其余的前10名都是非中国的IDM(6家美国公司)。因此，ATP可以说是美国供应链的一个弱点。

总的来说，天下上22%的ATP设施在中国。虽然ATP的历史价值很低，但封装越来越成为芯片性能的瓶颈。逻辑电路中晶体管的密度和芯片中存储单元的密度继续呈指数级增进，然则逻辑电路和存储器之间互连的密度(由封装控制)增进速率慢得多，这导致了芯片之间的通讯瓶颈。此外，逻辑和内存密度的增进速率可能会放缓，为高级封装提供了相对更多的创新机遇。

图12：按公司总部门列的国家市场份额

泉源：Yole、SIA、SEMI、IC Insights、WSTS、CSET盘算

表6:ATP市场与中国竞争力

半导体制造装备

美国、日本和荷兰主导着中小企业的生产，是中国芯片供应链中最严重的瓶颈。有几十个种别的中小企业(图13和14显示2019年中小企业市场规模和各部门国家份额)。“服务”包罗中小型企业所提供的支援服务，以协助中小型企业的建立、故障清扫及维修。大多数SME用于制造芯片或芯片输入。这些工具包罗晶圆制造、晶圆和光掩模处置、晶圆符号、离子注入、光刻、沉积、蚀刻、清洁、化学机械平面化和历程控制。专门的工具也用于装配、测试和封装。

除了组装和封装工具，中国在所有主要细分市场都险些没有市场份额。中国最要害的瓶颈是光刻工具——稀奇是极紫外(EUV)光刻和深紫外(DUV)光刻，但也包罗压印光刻、电子束光刻、激光光刻、抗蚀剂加工装备以及掩模检查和修复工具。

其他工具也是阻塞点，稀奇是那些用于高级离子注入、原子层蚀刻、高级化学气相沉积、晶圆和掩模处置、晶圆和掩模检查，以及测试高级逻辑芯片的工具。CSET的相关政策简报题为《确保半导体供应链平安》和《中国在半导体制造装备方面的希望》，对影响中小企业的出口控制和其他政策提出了建议，这些政策可能会减缓中国在中小企业和领先芯片制造能力国产化方面的生长。

图13:2019年中小企业市场分类

泉源:VLSI研究

图14:2019年按公司总部划分的中小企业国家份额

泉源：VLSI研究

晶圆制造、晶圆符号和处置

日本、美国和奥地利是晶圆制造、处置和符号装备的主要生产国。（图15和表7）。中国生产商的能力和市场份额微乎其微。鉴于其较高的价值，晶圆制造装备和处置系统是中国的瓶颈。

图15：按公司总部划分的2019年晶圆制造，晶圆符号和处置国家/区域份额

泉源：VLSI研究

表7：2019年晶圆制造，晶圆符号和处置市场以及中国竞争力

晶体生长炉和加工工具：这对于生产所有晶圆都是必不能少的，晶圆是用于生产芯片的薄盘状质料工厂。9其他中小型企业相比，这些工具的价值和庞大性相对较低。日本，德国和瑞士是主要生产国，而中国的生产商很少，主要依赖入口。

晶圆键合机和瞄准器：这通常在硅片制程硅片的历程中被需要，奥地利，德国和美国生产这种装备，而中国大陆则没有。上海微电子装备（SMEE）销售这些工具，但销售量和功效不甚理想。

晶圆和光掩模处置：这些产物在晶圆厂中存储和运输晶圆和光掩模。光掩模是包罗电路图案的透明板，光刻工具可使光通过该电路图案以将图案转移到芯片上。日本，韩国，中国台湾和法国生产晶圆和光掩模处置机，而中国大陆则不生产。现在尚不清晰这对中国大陆而言，是否是主要的瓶颈，由于这些工具并不像其他那么庞大；因此，中国最终可能会生产它们。

晶圆符号系统：是指使用激光识别器符号晶圆或晶圆中制造的芯片。美国仅生产此装备。然则，由于它的庞大性和成本较低，其他国家（包罗中国）也可以轻松开发该手艺。

离子注入机

离子注入机将掺杂剂嵌入到硅片中，以使硅片的差别部门具有差别水平的半导电性，从而在芯片中制造功效晶体管。差别的用例需要四个种别。低电流至中电流离子注入机和大电流离子注入机最多，他们通常与大电流离子注入机一起使用，能够提供更高的通量。高压离子注入机可以将离子深深注入硅片中。超高剂量掺杂注入机可以实现比其他工具更高的掺杂剂密度。

美国是离子注入机的主要生产国，日本和中国台湾占有了全球大部门市场份额（图16和表8）。中国生产少量专门用于先进手艺的离子注入机，但不生产用于前沿逻辑芯片的离子注入机，这使其成为一个中等的瓶颈。

图16：按区域漫衍的例子注入机份额

表8：2019年的例子注入机市场，以及中国在这方面的竞争力

光刻

荷兰，日本和其他少数国家是光刻装备的主要生产国，这对芯片和光掩模的生产至关主要（图17和表9）。中国无法生产任何先进的光刻装备。最主要的是，荷兰和日本是高级光刻装备的独家供应商，稀奇是极紫外（EUV）扫描仪和氟化氩（ArF）浸没式扫描仪，这些装备是大规模生产先进芯片所必须的，这是中国半导体的主要瓶颈。

图 17：2019年光刻机的份额漫衍（按国家）

表9：2019年的光刻份额以及中国的竞争力

表10总结了光刻工具的能力。(不包罗作为光刻装备弥补的抗蚀剂加工装备。)光蚀刻工具用于大批量芯片生产，现在由支持节点从最先进到最不先进分为6个品级:EUV、深紫外线(DUV)——其中包罗ArF浸泡(也称为湿ArF或ArFi)、ArF(也称为干ArF)、氪氟化物(KrF) -i-line和掩模定位器。更老一些的g-line已经不再使用了。其他类型的光刻装备用于特定的、低体积的芯片或光掩模(ebeam和laser)，或者是未来大规模芯片生产(印模)的新兴生长领域。

表10：光刻类型

光刻：扫描仪和步进器

荷兰和日本主导着扫描仪和步进器的生产，而扫描仪和步进器是批量生产芯片所需的光刻装备。美国和中国在较不先进的步进机上占有较小的市场份额。荷兰的ASML专门生产EUV扫描仪，这是最先进的光刻装备。

ASML和总部位于日本的尼康独家生产第二先进的ArF浸没式扫描仪。扫描仪和步进器发生的光穿过光掩模，以将先前在光掩模中建立的电路图案转移到多个晶圆上。

由于其手艺庞大性和用度，该装备是中国的主要瓶颈。

首先，扫描仪是连系了高精度（通过发生小波长的光）和高吞吐量（通过使用光掩模，如下面的“无掩膜光刻”小节中所述）的唯一工具。EUV扫描仪是批量生产5 nm节点芯片所必须的，而EUV和ArF浸没式扫描仪一起是唯一能够批量生产28至7 nm节点局限的芯片的光刻工具，其中ArF浸入主要用于45 nm（表10）。

其次，EUV和ArF浸没式扫描仪是芯片制造中使用的最昂贵的工具，在芯片制造成本中所占的份额越来越大。EUV扫描仪具有“100,000个零件，3,000条电路，40,000个螺栓和2公里的软管长度”，比任何SME和拥有成千上万个零件的典型汽车都要庞大。与其他高价值中小企业相比，这些趋势也使光刻市场比其他高价值的SME加倍稳固和有利可图。

第三，它们需要最高的精度，卖力绘制芯片中的纳米级电路图案。第四，EUV扫描仪简化和减少了非光刻制作步骤的需要，进一步增添了光刻相对于其他SME的主要性。由于这些缘故原由，光刻手艺的改善也限制了晶体管密度的摩尔定律的改善，促使领先的芯片制造商英特尔、三星和台积电优先投资ASML以支持其EUV研发。

中国正在开发扫描仪和步进曝光机(steppers)。据称，上海微电子装备有限公司（SMEE）已开发出一种90nm ArF的工具，并设计在2021年或2022年之前推出一种28nm浸没式ArF工具。只管如此，纵然这些讲述是真实的，而且工具可以事情，但在最初的原型设计之后，构建一个低成本、低制造错误率和高吞吐量的可大规模生产的工具仍可能需要数年时间。

中国的晶圆厂也尚未使用SMEE的90 nm步进曝光机举行大规模芯片生产。SMEE的光刻工具更多的则是被用于芯片封装（而不是制造）中难度较小的步骤，而且大多不用于先进封装手艺。

除SMEE之外，2018年，中国官方媒体报道称，中国科学院光电手艺研究所开发了具有365 nm i-line光源的实验性光刻工具，可到达22 nm的分辨率，未来可能到达10nm。此分辨率与已知的i-line手艺不一致，因此该讲述不具有参考意义。

最后，据报道，一些中国研究机构正在实验开发EUV组件，但尚不清晰他们是否会乐成。

光刻：掩模瞄准器：在这方面，仅德国，日本和奥地利生产掩模瞄准器。掩模瞄准器是光刻的另一种形式，其中与扫描仪和步进曝光机差别，晶片和光掩模保持牢固的相对位置，无论是直接物理接触照样慎密接触 然则，这种形式的光刻手艺无法实现与扫描仪和步进曝光机在小尺寸上举行竞争。因此，掩模瞄准器仅具有特殊的用例，价值低，而且缺乏战略主要性。

无掩模光刻：电子束、激光和离子束，在这个领域，只有日本、德国、美国和瑞典生产电子束(e-beam)和激光光刻工具，这也是中国光掩模生产的一个瓶颈。这些国家和其他国家也生产可以用于光掩模生产的离子束光刻工具(但很少)。激光光刻工具(如光刻工具)用光束绘制图案。

相比之下，电子束和离子束光刻工具划分用电子和离子绘制图形。这些工具可以到达与高级光刻工具类似的分辨率。要害的区别是电子束、激光和离子束光刻工具不使用掩模。优点是，这些工具可以快速和廉价地制作新的模式，而不需要新的遮罩。瑕玷是在没有遮罩的情形下绘制图案很慢。

因此，电子束、激光和离子束光刻工具可以经济有效地生产与光刻工具一起使用的光掩模等小批量产物。(需要的光掩模比芯片少得多，由于在光刻历程中，少量的光掩模被用来生产大量的芯片。)但由于这些工具的低吞吐量，它们不适合大规模芯片生产。

电子束光刻工具是光掩模生产的主要工具，激光光刻工具远远排在第二位，离子束光刻工具很少使用。除了光掩模外，电子束工具市场约有4%用于小批量芯片生产(表9)，而激光光刻工具通常不用于芯片生产。

压印光刻（Imprint lithography）。现在，奥地利是半导体应用的主要销售国，而日本，美国和德国则在销售或开发用于其他种种应用的产物。压印光刻手艺对中国来说是一个潜在的主要瓶颈，由于它可能在大规模芯片生产方面与光刻手艺竞争。压印光刻手艺可以实现领先的纳米级分辨率，因此通常被称为纳米压印光刻手艺。它还使用了模板，其作用与光刻中的光掩模类似。

模板中包罗的图案会转移到通过使用模板，压印光刻理论上可以实现大批量生产。然则，其产量低且发生的缺陷太多，无法与光刻竞争。现在，主要的半导体销售商EV Group的销量很小，而且都是针对特定的用例。东芝设计使用佳能的nanoimprint手艺生产3D NAND存储芯片。SUSS MicroTec、Nanonex和Obducat也是生产商。

抗蚀剂加工：日本是抗蚀剂加工工具（也称为“tracks”）的主要生产国。德国，韩国，美国和中国的市场份额均很小。然则，只有日本是最先进 tracks的主要生产国，其产物适用于EUV和ArF浸没式光刻术。光刻胶是沉积在晶片上的化学物质，当露出于通过光掩模的图案化光中时，有选择地消融以形成电路图案。然后在光刻胶消融并转移的地方举行蚀刻抗蚀剂处置工具将光刻胶涂覆在晶片上（通常通过旋涂将晶片旋转以扩散沉积的光刻胶），显影（消融被光照射的部门），然后烘烤（硬化未消融的光刻胶，使其固化到晶片上）。

Kingsemi是中国唯一生产这类产物的企业，其产物可用于ArF，KrF和i-line光刻的tracks，公司称他们将在2022年前开发EUV和ArF浸没tracks。Kingsemi还据称支持≥28nm节点，通常在ArF浸没局限内。由于中国现在不生产用于EUV或更先进的ArF浸没光刻tracks，因此这些 tracks对于中国而言是一个瓶颈。

沉积

美国，日本，荷兰和韩国是沉积工具的主要提供者，而中国在某些沉积市场子行业中所占份额却很小，但仍在增进（图18和表11）。例如快速热处置工具。沉积工具用于在硅晶片上沉积质料薄膜。在光刻和蚀刻后，这些薄膜酿成了差别的芯片层，包罗晶体管，互连（导线）和其他元件。绝大多数的沉积工具是用于芯片生产的，因此本节中的手艺分类都是特定于芯片生产的，最后一个万能种别除外。

图18：2019年的沉积装备市场（按区域漫衍）

Source:VLSI Research

表11：2019年的沉积市场 份额漫衍以及中国的竞争力

化学气相沉积（CVD）：美国，荷兰，日本和韩国是CVD工具的主要生产国，而中国正在向该领域举行扩展。CVD包罗四种类型：等离子体CVD，低压CVD（LPCVD），高温CVD（HTCVD） ）和原子层沉积（ALD）.CVD工具会发生化学蒸气，将化学物质逐个原子或逐个分子沉积在晶片上.CVD是芯片制造中使用最普遍的沉积手艺。沉积大多数电介质（一种绝缘体），硅和一些金属。ALD能够沉积单个原子的厚度，对于前沿节点必不能少。中国的Piotech生产等离子CVD工具，据称用于沉积5 nm节点的电介质，而SKY Technology Development则将其用于小批量的研发应用。中国的NAURA生产用于多种应用的LPCVD工具。Piotech和NAURA都在14 nm节点甚至更高级的产物上销售ALD工具。中国的能力适中，不足以完全实现沉积物的局部化，但仍在增进。CVD的某些领域是中国的瓶颈，但现在尚不清晰要连续多久。

物理气相沉积（PVD）：美国控制着PVD装备市场，日本占有了其余大部门。中国和瑞士都占有很小的份额.PVD蒸发固体或液体物质，然后凝结在基材上，主要有两种形式：“蒸发”（在半导体制造中很少使用）和“溅射”（现在是主要的PVD方式）。溅射是沉积导体（如金属）的主要方式，但有时也用于电介质。中国的NAURA开发了用于要害手艺的溅射工具 ≥28nm节点的质料。SKY Technology Development还生产PVD工具。

快速热处置：美国，日本和韩国仅生产RTP工具，这是中国的瓶颈。RTP工具包罗灯，激光或其他可快速提高芯片温度以改变其特征的机制。对于芯片制造的几个步骤至关主要。RTP工具包罗两个子市场：通例工具提供长达数秒的加热时间（仅由美国和韩国生产）；其他工具仅提供毫秒的热量（仅由美国和日本生产）。

Tube-based diffusion and deposition：日本、荷兰、韩国、中国和美国生产 tube diffusion工具，只有日本和荷兰生产tube deposition 工具。这些系统是基于“tube”的，由于衬底加载在圆柱形腔室中举行处置，这导致掺杂剂在tube diffusion系统中扩散到芯片中，并在tube deposition系统中沉积某些应用质料。中国的北方华创制造了多台≥28 nm节点的tube diffusion炉，但中国不生产tube deposition 工具。

旋涂：日本是芯片生产中旋涂系统的主要生产国。这些工具旋转晶圆片，使沉积在晶圆片上的液体物质通过晶圆片扩散。旋涂在光刻胶涂层中应用普遍，但在芯片生产中应用局限较窄。中国的Kingsemi销售用于光刻胶沉积的低端旋涂工具(见“光刻”部门中的“光刻胶处置”)，以及其他一些在芯片制造中的应用。考虑到spin- coating在芯片制造中的特殊用途，而且中国至少有一些专业知识，spin- coating并不是中国在光刻胶沉积以外的芯片制造中的一个主要的、历久的瓶颈。电化学涂层。只有美国和台湾生产电化学涂覆工具。通常的应用是在晶圆片上沉积铜(用于芯片布线)。然而，其他手艺，如CVD，也可以沉积铜用于某些应用。只有在中国找不到替换工具执行相同义务时，涂层工具才对中国很主要。

沉积（非IC）。美国和日本是沉积工具的最大生产国，用于生产微机电系统（MEMS），磁盘驱动器，复合半导体，先进封装以及除芯片以外的其他产物。中国拥有壮大的市场份额 相比之下，该部门的市场份额为1.3.2％，而其在整个沉积市场的份额为1.8％。AMEC和ASM Pacific是该领域的主要中国生产商。

蚀刻和洗濯

美国和日本是蚀刻和洗濯装备的主要生产国，韩国和中国是其他主要生产国(图19和表12)。与其他主要装备相比，中国在蚀刻工具的研制方面取得了较大的希望。因此，只有最先进的蚀刻工具——原子层蚀刻工具才是中国的瓶颈。

图19：2019面的蚀刻和洗濯市场份额 （按区域漫衍）

表12：2019年的蚀刻和洗濯市场显示以及中国的竞争力

蚀刻工具卖力在芯片中建立永远性图案：光刻法以准确的图案去除沉积在晶圆上的光刻胶的部门后，蚀刻工具将该图案蚀刻到下方的永远衬底中，然后使用洗濯工具去除蚀刻的质料。干蚀刻和湿蚀刻是两种主要的类型。干蚀刻工具（使用气体蚀刻基板）是最常用的工具，对于高级节点的电路功效尤其需要。湿蚀刻工具使用的液体较少使用，而且主要用于洗濯晶圆。

干蚀刻和洗濯：美国和日本是干蚀刻和洗濯工具的主要生产国，韩国，中国和其他国家也生产。干蚀刻工具的主要类型用于蚀刻导体或电介质。蚀刻工具比湿工具具有优势：它们速率快，而且可以凭据蚀刻偏向举行差别的蚀刻，从而可以实现具有庞大形状的细粒度特征。其他类型的干蚀刻工具适用于特定的，不太要害的用途：ion milling刻蚀工具晶圆上的某些功效，而干法剥离工具可去除光致抗蚀剂（只管可以使用其他工具执行这些功效）。

最先进的干法蚀刻工具称为原子层蚀刻（ALE）工具。这些工具对于导体的蚀刻和电介质蚀刻都异常主要<10 nm节点中最小的特征，由美国，日本和英国的领先企业生产。只管ALE的市场现在仅在数亿美元的局限内，但它有可能被用于制造下一代晶体管结构。

中国的AMEC生产的干法蚀刻工具可能是任何中国公司出售的最先进的SME工具，它们被用于领先的台湾芯片制造商台积电的7和5 nm节点，只管不是用于庞大的晶体管结构等最佳功效。SME通常仅由中芯国际等海内工厂使用。

中国的NAURA还生产用于电介质，导体和硅的干法蚀刻工具。美国认识到中国在干法蚀刻工具方面的竞争力后，于2016年将其从《商务控制清单》中删除。中国没有制造ion millingdry stripping和 dry cleaning 等工具，但这些工具的价值较低且先进水平较低。尚待开发的ALE工具。然则，鉴于其在干蚀刻工具方面的专业知识，AMEC可能会实验开发ALE工具。

湿法刻蚀和洗濯：日本和美国是湿法刻蚀和洗濯工具的主要生产国，与其他几个国家（包罗中国）也占有一定的市场份额。湿法刻蚀比干法刻蚀具有优势-廉价，风险少。对基板的选择性更高，即它可以蚀刻特定的质料而不会无意地蚀刻四周的质料。然则，它速率较慢，而且通常无法凭据蚀刻偏向举行差别的蚀刻，因此很难形成庞大的结构。因此，湿 蚀刻通常不用于蚀刻先进芯片中最小的特征。中国的Kingsemi生产湿法蚀刻和洗濯工具，而中国的NAURA销售≥28nm节点的湿法洗濯工具。

化学机械平面化（CMP）

美国和日本是化学机械平面化工具的主要生产国，而中国和韩国占有了剩余的市场份额（图20和表13）。经由蚀刻和洗濯等其他步骤之后，CMP工具使晶片外面变平。CMP工具对于芯片制造至关主要，但不像光刻和沉积工具等其他工具那么庞大。Hawtsing的CMP工具可以处置300 mm晶圆，而且据称适用于≥14nm节点 。因此，除领先优势外，CMP工具对于中国而言并不是要害的瓶颈。

图20：2019年的CMP市场份额（按区域分）

Source:VLSI Research

制程控制

美国和日本是process control 工具的主要生产国，与其他多个国家（包罗中国）相比，其占有较小的市场份额（图21和表14）。该细分市场包罗中国的瓶颈，稀奇是在计量和检测装备领域。控制工具监视晶片，光掩模和整个芯片制造历程，以确保一致性和低制造错误率。因此，它们是继光刻工具之后最主要，最有价值的工具之一。

图21：2019年的制程控制市场份额 （按区域漫衍）

表14：2019年的制程控制和中国的市场竞争力

硅片检测：美国和日本在硅片工具方面占有主导地位，而中国只生产芯片制造所需的硅片磨练工具。要害产物包罗电气仪表、薄膜和晶片丈量工具、要害尺寸丈量、缺陷检查、通俗显微镜、 以及结构检查。中国的RSIC生产光学薄膜丈量工具，用于丈量沉积、光刻、蚀刻和CMP历程中的300毫米硅片，和在 300mm硅片中的先进，庞大的光学临界尺寸丈量工具功效。1RSIC还到达了14纳米的先进性能。中国的GrandTec和SMEE也销售硅片检查工具。总的来说，硅片检测工具是中国的一个瓶颈。

光罩检查和维护：日本、德国和美国生产险些所有的光罩检查和维护工具。这些工具类似于硅片检查中使用的工具，如显微镜。中国不生产这些工具，因此是一个瓶颈。

晶圆级封装磨练：美国和以色列主要出售这些工具，在这些硅片被“切成”（即切割)成多个芯片之前，检查封装制造芯片(dies）的硅片部门。与其他检查工具一样，晶圆级封装检查工具是中国的一个瓶颈。

制程监控和曲线跟踪器：只有美国和韩国生产这些工具。它们丈量在制造历程中在硅片中制造器件的性能，以确保正常运行。由于他们拥有相对较低的价值，以是它们不太可能会是中国的重大瓶颈。

装配和封装

日本、中国、新加坡、美国和其他一些国家生产组装和封装工具（图22和表15），取一个带有已完成、未分离芯片的硅片，并将其转化为单独的封装芯片。这些工具包罗装配磨练工具、切割工具、打线工具，封装工具和集成装配工具。装配和封装工具代表了中国最具竞争力的中小企业部门，其中大多数部门的市场份额很大，稀奇是香港的ASM Pacific。

测试

日本、美国和南韩生产了绝大部门的测试工具，中国企业在这个市场的显示险些不值一提（如图23和 表16）。这些测试工具被应用在存储芯片、SoC等领域。中国公司在这个市场的产物主要在低端细分市场，尤其是用于测试低端线性和分立装备。他们在高级产物中没有很大的影响力，尤其是逻辑和存储芯片测试工具更是一个显著的瓶颈。然则，有些美国公司在中国有主要营业，中国公司也有在收购一些外洋测试工具公司。因此，中国有机遇在这个市场变得更有竞争力。

电子设计自动化和要害IP

美国是电子设计自动化工具的绝对垄断者，美国和英国则在芯片的焦点IP方面拥有伟大 的市场号召力，这两个要害方面都是中国的瓶颈所在（如24和表17）。

EDA软件

美国公司是EDA软件的垄断性提供商，他们无晶圆厂公司和IDM工程师设计先进芯片所需的全流程工具。美国公司还主导了与AI芯片设计相关的功效，例如ASIC结构。新兴公司经常进入EDA领域。然则，他们很难与通常收购它们的顶级EDA公司竞争，以将初创公司的利基功效整合到其全流程功效中。

中国的EDA行业很小，工程师也相对较少，但外洋企业却拥有多的多的工程师。建立于2009年的华大九天 是中国领先的EDA公司。据称他们是唯一一家可以提供全流程EDA工具的中国公司。他们的工具可以完全设计某些模拟和夹杂信号（模拟和数字的组合）芯片。该公司在平板显示器设计方面具有的优势。客户包罗HiSilicon等中国顶级芯片设计公司以及三星等外洋客户。。

除了Empyrean的利基产物外，中国芯片设计师还依赖美国的EDA工具，中国的EDA工具的其余部门仅支持芯片设计的一小部门，且这些工具很大水平上不支持前沿制造工艺（例如≤14nm）。

类似英特尔，三星和台积电等顶级芯片制造商在新制造工艺的开发历程中给美国顶级EDA公司提供了优先接见工艺IP的机遇。每个芯片制造商的制造流程 都唯一地限制了芯片设计职员可以使用的芯片设计选项。

然而中国的EDA公司可能会接见不完整的制程IP或没有获得足够的支持。只要这种情形继续，中国的EDA公司就将无法支持领先节点的芯片设计，也无法与美国顶级EDA公司竞争。

然则，这种情形正在改变。几家中国EDA初创公司吸引了来自美国领导人的高管和手艺职员。此外，DARPA设计正在开发开源EDA工具，该工具可以为某些应用程序运行完整的设计流程，全球的芯片设计职员都可以使用。

焦点IP

芯片设计公司允许焦点IP，该IP由可重复使用的设计模块组成，并将纳入最终的芯片设计中。美国和英国的供应商主导了这个市场。一些公司专门专注于焦点IP，例如位于英国而被日本拥有，现在正在出售给英伟达的ARM，而其他公司则将其产物与EDA工具连系在一起。

ARM是提供指令集体系结构（ISA）以及相关的焦点IP的顶级供应商，他们的产物是天下上大多数智能手机处置器的基础。去年年底，总部位于美国的Nvidia提出收购ARM。若是该买卖通过羁系机构的审查，将扩大美国对ARM的管辖权，并使总部位于美国的公司在焦点IP上拥有跨越90％的市场份额。

中国在焦点IP开发方面实力较弱，但并购，合资和开源的RISC-V为中国提供了机遇。

2017年，一家中国国有基金收购了英国的Imagination，他们为多种类型的芯片开发用于移动装备的焦点IP的手艺。而Arm中国则是另一个典型领子。此外，中国芯片设计职员可以基于RISC-V和MIPS的开放源代码体系结构来打造IP。但他们想要在这些领域取得乐成可能需要数年时间。

就现在而言，中国芯片设计职员严重依赖非中国焦点IP。95％的中国芯片采用了ARM允许的IP。

质料

中国企业是原质料的主要供应商，但面临多重挑战，其中制造质料生产中的要害点（这需要许多质料作为输入）用于半导体制造。要害的方面包罗先进的300毫米晶圆，光掩模和光刻胶。

同时，美国的海内生产能力较小，原质料严重依赖入口，但确实有有意义的市场。美国和他的盟友控制着全球很大一部门的原质料和某些半导体的专有质料。

以下小节首先先容原质料，然后先容图25中强调的细分市场，图中按半导体生产阶段拆解了2019年半导体质料市场。每个半导体质料部门均以原质料为输入。生产阶段包罗用于生产硅片（主要是硅晶片）的质料，用于制造芯片的质料（包罗用于形成芯片特征的质料和SME使用的易损件）以及封装质料。

数据显示，2019年，半导体生产中所使用的质料市场为468亿美元.。图26显示了半导体质料的国家市场份额。

质料

中国是天下上最主要的原质料基地，而美国及其友邦也生产了险些所有质料。考虑到半导体制造的庞大性，进入这些部门的原质料占有了元素周期表的很大一部门。图27显示了美国，中国以及天下其他区域在原质料方面的主要生产份额。该数字主要涵盖了最要害的非气态质料，但并非详尽无遗。“主要”生产是指在加工成高级质料或复合形式之前开采质料，尤其是低品位质料。

美国及其友邦在所有质料中的生产份额都很大，美国生产大多数质料，但每种的量较少，不生产锑、砷、碳、氟、镓、铟、钽、碲、锡或钨。中国大陆在大多数质料中所占的份额都是最大的（钴（1.4%)和铂(0%)除外），中国在生产低级镓方面的市场份额为95.7%，钨为83.6%，镁为82.0%。

中国大陆在全球硅生产市场的份额到达64.0%，硅是应用最为普遍的半导体质料，但美国及其友邦拥有大量的贮备。虽然中国大陆不再垄断稀土开采，但它仍然主导着稀土加工。图28给出了所有这些质料的未加权平均生产份额，并显示了区域生产份额。

图27：2019年按国家/区域划分的原质料生产情形

资料泉源：USGS

图28：2019年按国家/区域划分的质料生产份额（未加权平均）

资料泉源：USGS，CSET

晶圆厂质料

日本、美国、中国台湾、韩国和德国是晶圆厂（FAB）质料的主要生产地。中国大陆不能生产高精尖的光掩模和光刻胶，生产300毫米硅片的能力有限。它在生产其他FAB质料方面的能力处于中等水平，如CMP质料、沉积质料、电子气体和湿化学品。表18总结了这些质料的生产情形。

表18：晶圆厂质料市场

硅片：总部设在日本、中国台湾、德国和韩国的几家巨头公司是硅片的顶级生产商（见图29），稀奇是300毫米硅片，中国大陆只生产小尺寸的硅片。中国大陆的晶圆制造装备主要靠入口，因此，300毫米硅片及其相关装备是中国大陆一个产业瓶颈。没有总部设在美国的硅片生产商，但有一些非美国公司在美国生产硅片。

硅片是一种薄的圆盘状质料，在上面制造芯片，它需要专用的硅片制造装备。硅片可以由差别的半导体质料制成，这些质料包罗硅或者其他种种质料。大多数硅片完全由硅或其他质料制成，但另一些硅片的结构更庞大，需要掺杂剂，以使它们具有适合芯片晶体管准确事情的半导体性能水平。

图29：按总部所在国家划分的硅片生产商市场份额

总部设在日本、中国台湾、德国和韩国的硅片厂商可以生产最先进的直径为300毫米的硅片。天下上99.7%的300毫米硅片工厂产能能够制造制程节点≤45nm的芯片，而制造最平滑、高纯度的300毫米硅片是支持最先进芯片特征尺寸所必须的-需要相当多的隐性知识。

传统的硅片尺寸包罗150毫米和200毫米，用于制造具有较大制程节点的芯片。相比之下，中国大陆硅片生产商的收入很少，其中，停止2018年，JRH、中环、Gritek、Simgui和ZingSEMI正在生产或设计生产300毫米硅片。图30所示为全球100-200毫米、300毫米硅片厂商的产量，以及中国大陆厂商的市场份额。

中国大陆硅片生产商中，100- 200毫米硅片厂和300毫米硅片厂的市场份额划分为18%和12。因此，中国大陆300毫米硅片对入口依赖度很高。

图30：中国大陆硅片生产供应与需求

光掩模板：日本、美国、中国台湾和韩国在生产尖端光罩方面处于领先地位（例如，≤16纳米），中国大陆不具备生产能力，必须入口光掩模板（光罩）和掩模制造装备（电子束光刻和激光光刻工具），这是该市场的主要瓶颈。光掩模板是透明板，包罗要在芯片中制造的电路图案。光刻装备发生的光将光掩模板上的电路图案转为芯片。每个光掩模都是特定用于一个芯片设计（自己特定用于一个制程节点）。光罩是由captive mask shops（大型半导体制造公司）或merchant mask shops生产制造。在2017年，captive mask shops占有了65%的市场份额，主要厂商包罗英特尔（美国)、三星(韩国)、台积电(中国台湾)、GlobalFoundries (美国）和中国大陆的中芯国际。这使得掩模适合于≥28nm节点的芯片，但这种晶体管的尺寸比现在的手艺落伍了近十年。日本、美国和中国台湾公司控制着merchant mask shop市场（见图31）。中国大陆merchant

mask shop深圳Newway具备一定的生产能力，但与国际领先产商相比，差距很大。

图31：Merchant mask shop在差别国家的漫衍情形

光刻胶：日本以90%的市场份额主导全球半导体光刻胶的生产，其余的大部门由美国和韩国公司持有。中国大陆不能生产最先进的光刻胶。

光刻胶是沉积在硅片上的化学物质，当露出在通过光罩的图案化光中时， 选择性地消融以形成电路图案，然后在光刻胶消融的地方举行蚀刻，将电路图案永远地转移到硅片上。光刻胶有特定的光刻工艺，如EUV，ArF浸没，ArF，KrF和i线。中国大陆的瑞红销售适合≥350nm制程节点的i 线光刻胶。瑞红2017年营收2100万美元，占光刻胶市场的不到1%。Kempur则引进了适合≥150nm节点的KrF光刻胶。中国公司，稀奇是Nata，也在开发适合于28nm以上节点的干ArF和ArF浸没光刻胶。由于中国企业缺乏经验和生产手艺，且获得某些原质料的机遇有限，因此，光刻胶主要依赖入口。

CMP质料：美国、日本、法国和中国大陆是CMP（Chemical mechanical planarization）质料的主要产地。CMP是一种使在制作历程中发生的图层变平的历程，因此光刻可以乐成地在它们上举行。在CMP中使用的最高价值质料是化学浆料和抛光垫。在制造历程中，硅片与浆料一起放置在衬底上，抛秃顶压在硅片上并旋转以使硅片平展化。

CMP浆料市场规模为7.9亿美元。美国的杜邦和卡博特微电子公司控制着CMP浆料市场份额的56%，另外34%由其他美国、日本和法国公司控制，剩下的10%由其它小公司分食，包罗中国大陆的安集微电子，它在2017年的收入约为3100万美元。

高端浆料，CMP垫市场规模为17亿美元。停止2014年，杜邦（美国)的市场份额为78%，Fujibo (日本)和卡博特(美国）各占4%~6%。中国大陆公司湖北鼎龙现在也最先生产CMP垫。

沉积质料：美国和日本是沉积质料的主要生产国，中国大陆也有能力生产其中许多质料。化学气相沉积(CVD)是最常见的沉积方式，物理气相沉积(PVD)是另一种。通过溅射的形式在靶上发射氩离子，其原子被剥离并作为薄膜沉积在硅片上。停止2014年，日本JX Nippon在溅射靶材生产市场占有55%的份额，其他主要供应商包罗霍尼韦尔电子质料(美国）、TosohSMD（日本）和Praxair（美国）。

多年来，中国公司KFMI和Grikin一直在获得市场份额，稀奇是以Tosoh和Praxair为价值。2017年，KFMI的收入为7800万美元，Grikin的收入为3400万美元。许多用于沉积的质料也是中国大陆大量开采的原质料的简朴纯化版本。

电子气体：美国、法国、日本、德国和中国大陆都生产电子气体，Merck（德国)、Air Products (美国)和Air Liquide(法国）在该市场处于领先地位。中国大陆的Nata光电质料在2017年的半导体质料收入为500万美元，主要泉源于电子气体，包罗化学气相沉积和原子层沉积的前体。中国的Haute Gas制造种种气体，2017年收入1.3亿美元，其中包罗电子气体。其他中国大陆电子气体生产商还包罗金宏气体公司和PERIC。

湿化学品：美国、德国和日本是最大的湿化学品生产国，该种质料普遍用于半导体制造。跨越60%的市场份额由KMG化学公司（美国)、巴斯夫(德国)、阿万托(美国)、霍尼韦尔(美国)和关东化学公司(日本)占有。中国大陆也有许多生产厂商，如Runma销售氟化氢、硝酸和其它化学品。JHM销售某些高纯度化学品，2017年的收入为5000万美元。江阴化工试剂还销售种种高纯度化学品，Sinophorus出售磷酸和蚀刻液体，新阳销售化学品和蚀刻液等，该公司2017年收入为3000万美元。

封装质料

日本主导封装质料的生产，而包罗美国和中国大陆在内的其它国家也拥有一定的市场份额（见表19）。封装涉及几个步骤，例如，键合线将芯片毗邻到引线框架上，引线帧在芯片和外部器件之间传输数据，珍爱陶瓷封装、塑料基板或封装树脂也可以与芯片连系。Die毗邻质料，包罗聚合物和共晶合金，用于将芯片毗邻到封装或基板上。

表19：封装质料市场

结论

几十年来，庞大和全球化的供应链推动半导体行业快速生长（由摩尔定律控制）。今天，半导体对美国来说是一项要害气力，美国仍然是供应链要害环节的全球领导者。美国及其盟友，稀奇是日本、荷兰、中国台湾、韩国、英国和德国，险些在半导体供应链的每一环节都是手艺和市场的领导者。

只管仍然落伍，但中国大陆在多个领域日益挑战这一领导力，稀奇是：中国正在迅速扩大芯片设计和制造的市场份额，并设计提高生产投入的能力，若是乐成，中国可以重组全球供应链，对美国发生重大影响。CSET题为“确保半导体供应链”和“中国在半导体制造装备方面的希望”的政策简报提供了支持美国生长的建议，以及友邦团结优势。若是不接纳一致行动，这些优势将面临风险。