核心内容
【美国方面】
1.政策与策略： “沙利文原则”：明确了美国在关键技术领域保持绝对领先的策略，特别是在先进计算、生物技术和绿色/清洁技术等领域。 广泛的管制范围：涵盖先进半导体和制造设备，特别针对人工智能和机器学习工作负载的GPU，以及FinFET和GAA等非平面技术。 技术壁垒提升：实施最终用途控制和对美国人员的管制，限制中国企业获取先进半导体技术。 具体管制措施：2022年10月7日出台的出口管制规则，特别针对半导体制造工具和美国人员的最终用途控制，影响中国的代工厂和半导体企业。 2.影响与后果： 理解逐步深化：随着对2022年10月7日出口管制政策的逐步理解，中国半导体制造设施受影响的具体情况愈加明确，包括货物运输和技术支持（如软件更新和备件）的管制。 国际协调困难：美国政府未能有效协调与荷兰和日本的出口管制政策，导致三国之间的谈判破裂，这使得美国在半导体制造设备控制措施上面临政治和产业的反弹。 存储器纳入控制：因长江存储等企业的快速发展，美方将存储器领域纳入管制，引发对潜在技术转移的担忧，但存储器作为高度商品化的产品，其管制的合理性受到质疑。 供应链限制：对中国半导体行业施加限制，特别是在光刻、蚀刻和沉积设备等关键领域，加剧了中国制造业的供应链压力。 对美国及其他外国工具制造商的影响：由于出口管制，主要的美国及其他外国工具制造商可能在中国市场日益被挤出，成为最大的受损者。 3.未来展望与关键事件： 关键时间节点：2025年将是华为的重要年份，如果中芯国际能够实现5纳米工艺，华为可能在多个领域拥有自主生产的完整半导体体系。 针对RISC-V生态系统的管制：拜登政府可能将一或多个开发基于RISC-V解决方案的中国组织加入实体清单。
【中国方面】
1.产业自给自足与技术自主化 减少对西方依赖：优先考虑本土化生产，降低对西方工具和材料的依赖，以应对长期风险。 技术自主发展：加大对封装技术、先进材料和系统工程方法的投资，提升国内半导体制造能力，尤其在2.5D和3D封装技术方面取得突破。 自主研发与国内替代：逐步推出支持私营部门的战略，重点发展不依赖西方技术的生产流程，包括电子设计自动化（EDA）工具和光刻设备。 逐步提升工艺水平：努力在半导体制造上实现技术进步，从40纳米发展到28纳米及更先进节点。 2.产业结构与供应链重组 供应链独立化：优先选择国内供应链，开发替代方案，改变半导体行业的供应链结构。 产业调整与替代：半导体企业优先考虑国内供应链，努力替换受限技术，推动自给自足目标。 建立国有企业集团：通过国有企业更好地管理半导体政策，实现更有效的产业发展与国家安全保障。 3.公私合作与创新支持 公私合作促进创新：政府与私营部门合作，推动关键技术的研发和转移，鼓励企业间的协同合作。 财政支持与新战略：在新的国际形势下，重新审视资金管理与投资方向，支持半导体产业的发展。 重点项目：如“02专项”等国家支持的研究计划，推动半导体领域的技术进步，尤其在EDA工具和光刻机的开发上。 4.材料与设备本土化 设备与材料的本土化：推动光刻胶、基板及工艺气体等材料的本土化生产，降低对进口材料的依赖。 材料与工具的本土化：在EDA工具、光刻胶和工艺气体等领域取得显著进展，支持高端设计与制造。 5.未来发展与国际合作 技术路线图：预计未来三年，中芯国际等代工厂将在28、14、7乃至5纳米技术上建立商业生产线，主要依赖现有的外国设备及部分国内工具。 国际合作和支持：尽管面临挑战，荷兰、日本及韩国的公司仍可能继续提供一定支持，帮助中国半导体产业渡过难关。
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自我上次于2021年初详细撰写关于中国国内半导体产业的文章以来，行业格局发生了显著变化。拜登政府持续对中国企业实施出口管制措施，2022年10月7日的一揽子管制方案不仅针对用于运行人工智能和机器学习工作负载的先进半导体（如GPU），还大幅扩展了对半导体制造设备（SME）的控制。美国管制措施的一个目标是阻止中国企业进入非平面技术工艺，如鳍式场效应晶体管（FinFET）和最终的环绕栅极（GAA）。新的限制措施包括新颖的最终用途控制和对美国人员的管制，这对中国国内半导体产业的发展提出了重大新挑战。2023年10月17日发布的对2022年10月管制措施的更新延续了这一方法，并为中国半导体产业引入了更多挑战。与2021年相比，中国企业在长期内获取先进半导体的能力现在更紧密地与中国国内工具制造和制造能力的发展速度相关，特别是在大量中国设计公司无法使用外国代工厂的情况下。
美国的管制仅影响最前沿的能力，因此中国企业将在满足国内大部分需求的成熟节点上继续扩大产能。在28纳米以下的更先进节点上，领先的中国企业仍可获得一些先进的西方工具，特别是深紫外（DUV）浸没光刻系统，他们将尽可能长时间地使用这些工具，以在更先进节点上延伸逻辑生产，特别是降至7纳米甚至5纳米。然而，重要的是要注意，使用DUV工具进行先进节点生产非常复杂，因为使用多重图形等技术也需要其他关键工具（如沉积和蚀刻）中的先进能力。对于先进节点生产，关键加工工具的紧密耦合是必需的，而问题不仅仅在于光刻工具，这是媒体和其他评论关于中国半导体产业时通常强调的。诸如光刻胶之类的材料对于将DUV能力扩展到7纳米及以下的微细特征长度的过程也至关重要。
尽管美国的管制迄今为止主要集中在先进制造能力上，北京和中国公司也担心未来的管制，并将优先考虑不依赖西方输入的工具和材料生产线，以减少长期风险。因此，即使他们仍然能够获得西方工具，几乎所有领先的中国代工厂和存储公司都在与国内工具制造商有条不紊地合作，开发和验证设备，最终建立主要不依赖西方设备的生产流程。这将是一个多阶段、多年的过程，从40纳米开始，可能在今年迅速推进到28纳米，然后是14纳米、12/10纳米，最终达到7纳米。继续使用西方工具（如DUV）—加上一些外国和日益增多的国内蚀刻和沉积工具—可以为中国半导体制造业的全国产化未来提供桥梁。从整个半导体产业的角度来看，中国正在发生的变化将在未来十年内从根本上改变这一行业。
此外，北京的官员们正在制定新的公共和私人合作方式，以推动关键技术（如先进光刻）的创新。北京正在与私营部门密切合作，通过促进国家支持的先进研发成果向指定私营公司转移、推动企业在关键技术上的协同合作以及采用在其他行业中已成功的策略，来克服瓶颈。这些策略包括让大型国有企业在该领域中发挥领导作用，同时资助和协助多个团队攻克难题，类似于在超算领域所采用的方法。
半导体制造业的许多其他领域也是中国重新努力建立国内替代品的目标，例如设计工具、先进材料、先进封装技术以及通过系统主导的方法提高性能的系统工程方法，而不仅仅依赖于工艺节点的改进。所有这些方法对于中国未来的国内能力建设都至关重要，特别是封装技术，包括芯粒设计和2.5D及3D封装技术，这些技术将在系统工程中发挥作用，以提高性能水平并向新的、国内唯一的生产工艺过渡。
这些努力并不会一帆风顺，也无法保证一定成功，最终能否生产出与全球顶尖半导体制造工艺相媲美的产品还是未知数。这些努力也会产生赢家和输家，西方工具制造商可能是最大的受害者，因为他们逐渐被排除在曾经庞大、不断增长且利润丰厚的市场之外，这个市场在2022年10月7日之前由他们主导。然而，中国半导体行业的部分领域将比其他领域保留更多与全球发展和供应链的联系，整体形势将继续复杂且不断变化。
全面管控工具瞄准中国国内制造业
当国务卿安东尼·布林肯在2022年5月将技术竞争置于美中关系和竞争的中心时，可能很少有人预料到当年晚些时候将发生的事情。2022年秋季，拜登政府首次由高级官员阐明了美国对半导体和中国的战略政策，国家安全顾问杰克·沙利文和其他高级官员如商务部副部长艾伦·埃斯特维兹对此进行了表述。2022年底阐述的“沙利文原则”包括几个部分，首先是沙利文表示美国打算在关键领域保持对中国的绝对领先，而不是滑动的相对优势。他还表示，美国正在对中国和先进技术采取“狭小的院子，高高的围墙”的策略，并进一步强调，先进计算（包括半导体、人工智能、机器学习和高性能计算）、生物技术和绿色/清洁技术是整个技术生态系统中的“真正的倍增器”。沙利文原则的核心是：在这些领域的领导地位是“国家安全的必需品”。
2022年10月7日商务部发布的规则中最复杂和有争议的部分是对半导体制造工具和美国人员的最终用途控制。半导体制造设备（SME）控制要求对用于制造16/14纳米逻辑半导体、128层3D NAND存储器和18纳米DRAM半节距的设备和美国人员进行许可。这些控制措施最初是单方面实施的，没有与其他占据关键供应链环节的国家（如日本和荷兰）达成协议，导致美国领先的工具制造商如应用材料、KLA-Tencor和Lam Research被迫撤回其所有美国人员，特别是在中国的代工领导者中芯国际、NAND存储器巨头长江存储和DRAM主要制造商长鑫存储。此外，这一限制还对中国国内半导体设备制造商的输入施加了控制，试图阻止他们取代外国设备领导者。几乎在一夜之间，整个中国国内制造和工具设备行业进入了一个全新的时代。
2023年10月对这些规则的更新进一步加剧了中国半导体企业面临的挑战。新控制措施收紧了某些较老的ASML深紫外（DUV）光刻工具的特定参数，再次移动了目标。这一2023年的限制措施还提高了可出售给中国终端用户的先进GPU的性能门槛，涵盖了一些全球领导者英伟达为符合2022年限制而为中国市场重新设计的GPU。
2022年10月7日实施的最终用途管制对半导体行业的供应链产生了重大影响。然而，行业布局的复杂性以及同一设施内生产与研发的交织，使得企业难以确定什么构成“受管制的半导体制造设施”。这一规定适用于特定设施的所有供应商，包括设备制造商以及其他设备、材料或服务供应链的相关方。正如对10月7日规则的一位评论者所指出的那样，“大多数发运受[增强管制]影响的物品的公司，将无法判断这些物品是否会被送往被禁止的半导体制造设施，因为对于供应组件或材料的公司而言，在其与任何参与NAND、逻辑或DRAM集成电路的‘开发’或‘生产’的受管制制造设施之间，可能存在多层采购关系。”
对中国国内产业而言，控制措施最重要的影响是极大地激励中外企业将美国技术排除在半导体领域之外。在此之前，中国科技企业与全球同行和竞争对手一样，获取并使用最先进的设备和服务。许多观察者仍错误地认为中国的“2025中国制造”战略（2015年宣布）是北京希望在关键领域独立发展的信号。该战略附带的一个研究报告列出了各种半导体生产类型的国内比例目标，但这些目标极其不现实，几乎未形成一致的政府政策，中国半导体公司大多也未加理会。然而，2023年这一切发生了变化。中国半导体行业的资深专家强调，国内企业更愿意使用最先进的工具，但现在面临越来越大的压力，必须优先选择国内公司并开发替代供应链。
中国对美国新控制措施的反应
随着2022年10月事件在中国及全球范围内逐步展开，中国的产业规划者、公司高管和外国合作伙伴评估了损害，出现了几个决定中国半导体产业未来方向的关键问题。
首先，单方面的控制措施导致美国政府与荷兰和日本政府之间进行了一场漫长而痛苦的对话，讨论如何在控制措施上达成一致。所谓的三边小组已经讨论了近两年的半导体制造设备（SME）控制措施，但日本和荷兰都更愿意将最终用途控制设置在10纳米或以下的更先进节点。当美国将最终用途控制设置在16/14纳米时，三边谈判破裂。显然，美国官员受到国防部的压力，因2022年夏季有报告称，中芯国际能够使用现有的深紫外（DUV）光刻设备及其他国内外工具（如刻蚀和沉积设备）生产7纳米的一些层。这是美国半导体行业感到拜登政府在中国终端用户技术控制参数上“移动球门柱”的许多实例之一。
美国政府严重低估了对单方面控制措施的政治和产业反弹。所有关于“三边协议”的谈话很快被放弃，私下里，美国官员开始更多地谈论“公平竞争”和“分担负担”。无论是日本政府还是荷兰政府都不愿意成为一个明显针对中国技术野心的协议的一部分，且两国政府都收到了来自其主要半导体公司的重大反对。同时，无论是日本、荷兰还是工具制造行业都没有预料到存储器会被纳入控制措施。
存储器是一个与逻辑芯片非常不同的领域，高度商品化且竞争激烈，没有遗留节点，要求公司不断升级到最先进的工艺。将存储器纳入2022年控制措施的原因很复杂，主要集中在产业和政府对长江存储（YMTC）快速提升NAND制造水平的担忧。长江存储已经能够生产128层NAND，并迅速向更先进的232层及以上工艺迈进。美国担心的是长江存储在中国国家集成电路产业投资基金下获得的补贴。此外，美国官员还引用了长江存储向被列入实体清单的华为供应NAND存储器的指控，尽管这些指控从未被证实，而且这种类型的域外控制措施本身在行业内也存在争议。
在控制措施实施之前，媒体还泄露了苹果正在试用长江存储的NAND存储模块，用于其iPhone和iPad产品线。美国国会的中国批评者将此作为潜在的安全问题，尽管苹果计划仅在中国销售的产品中使用长江存储的存储器。网络安全专家也认为，作为一种不断被更先进版本取代的商品产品，存储器不太可能被用于安装某种“后门”，因此这些论点对许多行业观察者来说并不具有说服力。
图2. 受美国、日本和荷兰工具限制影响的中国晶圆厂
2023年1月底，荷兰和日本政府与美国政府达成了一项暂定的（可能仅限于口头）协议，同意实施一些类似但不完全相同的最终用途控制措施，这些控制措施包括在2022年10月7日发布的控制包中。然而，协议细节表明，与美国的控制措施不同，荷兰和日本公司可以在合同完成前继续保留人员在现场。这使得美国工具制造商处于重大劣势，并对中国半导体产业的未来产生了影响。
2023年10月17日的控制措施进一步加剧了中国半导体制造企业，特别是中芯国际（SMIC）的挑战，因为这些控制措施涵盖了较老的ASML光刻设备。因此，到2023年底，负责半导体产业政策的中国官员面临一系列短期、中期和长期挑战。
首先，如何帮助像中芯国际、长江存储（YMTC）和长鑫存储（CXMT）等领先的中国企业替换支持先进工具的美国人员，并逐步将这些大型制造业务过渡到仅从中国供应商采购设备？控制措施的影响已经在长江存储显现出来，该公司在2023年1月裁员数千人。
其次，如何在新的、更具挑战性的情况下为产业提供政府财政支持？这一努力因国家集成电路产业投资基金自2021年底开始的腐败调查而变得复杂。许多基金高管被逮捕，包括丁文武以及像前紫光集团董事长赵伟国这样的行业领导者。该基金的未来角色被投下阴影，北京方面的部分担忧与基金过于专注于制造和设计，而对半导体制造设备（SME）领域的投资关注不足有关。
2022年底和2023年初，传闻政府正在考虑设立一个1万亿人民币（1410亿美元）的基金以提振该行业。但包括清华大学教授、政府半导体产业政策高级顾问魏少军在内的行业领袖表示，他们并不知道有这样的基金在考虑之中。很可能高层政治领导人和产业规划者不愿在当前的地缘政治气候和与美国关系恶化的情况下宣布此类基金的存在。他们在“2025中国制造”和国家集成电路产业投资基金等重大公告和项目上的经验是，这些举措成为美国政策的主要目标，很可能有意避免这种情况发生在未来的任何新举措上。
因此，截至2024年初，我们现在可以看到北京支持产业的新战略轮廓，我称之为“中国半导体产业政策3.0”：
新的自上而下的方法
在2023年3月全国人大会议后新经济团队上任后，有迹象表明北京将重新调整半导体产业的高层监督。为此，显然在副总理丁薛祥领导下成立了一个新的半导体产业“领导小组”。中国媒体对此有一些有限的报道，但很快被删除。新领导小组将监督中国新的半导体产业战略的各个方面，该战略大约在过去两年内一直在制定中。
据行业内部人士透露，这一新战略是对过去与半导体相关的产业政策方法进行内部审议和审查的结果。此前，官员们认为科学家主导的方法未能取得太大进展。同时，国家集成电路产业投资基金的最新调查反映了对通过基金利用市场力量的尝试在关键领域未取得足够进展的担忧。现在，高层领导人感到需要采取显著不同的方法。该行业的一个可能新方向是将监督权交给大型国有企业或多家企业。北京认为，这些企业由被视为可信赖的官员运营，他们将主要为了国家的利益管理这些公司，而不是为了个人利益，就像一些负责管理国家集成电路产业投资基金的个人那样。
因此，可能已经做出了一个高层决策，即中国需要一个国家级的国有企业集团来运行整体半导体产业政策，类似于中核集团（CNNC）在核领域和中国航天科工集团（CASIC）在航空航天领域的做法。其他被视为在技术领域最成功的国有企业通常也涉及国家安全和国防工业部门。因此，如果在2024年确实采取了类似的半导体路径，这将表明中国领导层认为该领域尤其是半导体制造设备、材料供应链和先进制造越来越重要。截至2023年底，似乎很可能将这一任务交给一个或两个主要的国有企业集团，例如中国电子科技集团公司（CETC）和/或中国电子信息产业集团公司（CEC）。此外，还有迹象表明，所有或大部分主要的半导体政策决策将移交给国家发展和改革委员会（NDRC）。
增加对基础半导体研发的投资，并将研发成果提供给商业公司
显然认识到在半导体物理和先进光刻光源等关键技术的基础研发方面投入不足。新领导小组的一部分任务可能是更好地协调基础研发支出和合作，并更快地将国家机构的研发成果转移到私营部门，以开发商业产品和系统。例如，2023年初，有报道称政府已指定华为、中芯国际、长江存储、以及工具制造商北方华创和中微公司等五家重点企业获得政府研发的特权访问权。虽然这一新政策尚未得到官方确认，但一位消息灵通的观察者指出，“中国政府将补贴这些公司生产和部署本地化的芯片制造工具，不设资金上限，以克服美国的限制。”
全面支持开源硬件架构，特别是RISC-V
从长远来看，并渴望让中国企业摆脱西方专有芯片知识产权和架构（如x86和Arm）的依赖，北京也全力支持开发RISC-V精简指令集架构。过去三年里，包括阿里巴巴及其芯片设计部门平头哥在内的中国官员和行业领导者都接受了RISC-V方法。在政府支持下，中国的行业参与者正在与RISC-V基金会密切合作，帮助规划指令集架构的未来发展方向。尽管RISC-V在中国的采用进展顺利，但在替代芯片IP和其他替代品（如Arm）方面仍需一段时间。
公私合作伙伴关系
新半导体政策方法的最重要部分将是新的公私合作伙伴关系。随着北京在新部门监管方法上进行探索，中国私营部门（可能在政府的鼓励下）已经悄然开始在一些中国企业落后于西方同行的关键研发领域投资。这些“卡脖子技术”现已成为涉及政府研究机构和一个或多个私营企业的大型混合研发努力的目标，具体取决于所涉技术。特别是电信巨头华为在这方面非常活跃。许多其他中国私营企业，包括智能设备制造商小米，也设立了基金，投资于整个半导体供应链。
华为是中国半导体产业政策3.0的最重要的私营部门推动者。首先，由于美国的控制措施，华为与中芯国际，特别是中芯国际最先进的晶圆厂——中芯南方半导体制造有限公司（SMSC）建立了密切的合作关系。SMSC是中芯国际、国家集成电路产业投资基金和上海集成电路基金的合资企业。SMSC专注于使用FinFET技术开发先进节点工艺。据一些行业消息来源称，SMSC已经开发出成熟且高产的12纳米工艺，并且还在为华为生产所有最先进的设计——包括其新款智能手机和数据中心半导体，这些设计改编自此前在台积电使用的设计。SMSC几乎肯定拥有大量ASML的DUV光刻工具，包括先进的Twinscan:2050i。2023年中，SMIC要求ASML加快2050i的交付。根据行业消息来源，SMIC和SMSC目前拥有的先进ASML DUV工具可能使SMSC每月增加约五万片7纳米工艺晶圆的产能，但尚不清楚这是否能覆盖中国所有先进半导体需求，特别是在尖端智能手机之外。SMSC设施几乎肯定是美国商务部在2022年10月最终用途控制措施的目标，尽管很难确定具体哪些设施。
此外，在过去的三到四年间，华为可能已经预见到美国控制措施的升级，因此创建了如哈勃科技投资等投资工具，并在半导体供应链的多个关键技术创新领域内悄然扶持了广泛的公司。华为还与一系列新的代工厂合作，其中包括2021年在深圳政府的大力支持下成立的鹏芯微（PXW），该公司可能成为华为未来的制造平台。然而，PXW很快引起了美国政府的关注，并于2022年12月被列入实体清单。PXW的目标是28纳米生产工艺，但也计划向14和7纳米工艺推进。据半导体行业协会（SIA）的报告，华为正在与PXW和福建晋华（jhicc）合作，后者是一家DRAM制造商，这可能是为了增强逻辑和存储器的制造能力，主要用于华为的消费产品和未来的电信基础设施。尽管晋华在2018年因被指控从美光窃取知识产权而被列入实体清单，但该公司仍继续运营，这可能是得益于国家和地方政府以及华为的资本注入。华为的Mate 60手机可能使用了如SK海力士等公司的库存DRAM，但华为需要一个长期可靠的国内供应商，因此对DRAM制造商的投资成为重点。华为还可能与其他新兴企业合作，如另一家DRAM制造商Swaysure和电力半导体生产商青岛赛恩。
除了与中芯国际（SMIC）和其他现有代工厂合作外，华为几乎可以肯定还在深圳建立了一个独立的国内生产流程。据行业消息人士透露，华为已经组建了28纳米生产线，并正努力实现14纳米能力。目前尚不清楚该设施的生产规模，但可能是小规模的。华为可能正在与上海集成电路研发中心（ICRD）以及包括中微公司在内的国内设备制造商合作，推进这一生产线的建设。
华为的方法复杂而广泛。华为在关键领域进行研发，如深紫外（DUV）和极紫外（EUV）光刻技术。在这些领域，中国的光刻公司明显落后于行业领头羊ASML以及日本公司尼康和佳能，使得光刻成为关键的技术瓶颈。除了资助许多公司，包括一些受美国控制措施影响的公司，华为还在进行自己的研究，如EUV相关技术，这些技术可能通过许可方式提供给其他公司。华为可能正在尝试成为类似三星那样的集成器件制造商（IDM）和代工厂，生产其最关键的半导体产品。然而，由于美国的出口管制，华为的收入，尤其是高级智能手机产品的收入大幅减少，削弱了其在多个技术领域进行先进制造所需的研发投入能力。
三星和其他IDM完全可以访问西方的工具套件。华为试图启动并资助一个以中小企业为重点的新中国工业供应链，面临着巨大的挑战。然而，2023年底，随着其新款Mate 60智能手机和其他先进消费产品的销售回升，华为的情况有所好转，年销售额接近1000亿美元，这是自2019年以来收入首次回升，尽管仍未达到美国管制前的水平。华为与中芯国际（尤其是中芯南方）合作，在Mate 60的设计和制造方面取得了重大突破，这是中国公司应对美国技术限制的一个重要里程碑。中芯国际已经拥有生产Mate 60核心的麒麟9000s系统芯片（SoC）所需的所有工具和技术，如使用ASML DUV工具的多重图案化技术以及高性能的沉积和蚀刻设备，预计2024年产量将进一步提高。
中芯国际显然是华为支持完全自主供应链战略的关键，不仅仅是为了先进节点的半导体。中芯国际几乎肯定在与华为以及中微公司、AMEC、北方华创（Naura）和鹏芯微等工具制造商合作，已经建立了不含外国技术的生产线。这些所谓的“非A线”将继续使用ASML或佳能的光刻工具，直到中微公司能够取代这些设备，并计划在今年迅速从40纳米提升到28纳米。由于美国对中芯国际和其他中国公司的严格审查，这些努力没有公开承认，使得进展难以评估，但行业内部人士继续表示，积极的时间表正在得到满足，且在中文半导体行业讨论组中对此问题有活跃的讨论。
最后，华为还与阿里巴巴和小米等其他公司一起，积极推动中国的RISC-V未来。华为是RISC-V基金会的十二家中国高级会员之一，其他成员包括阿里巴巴、紫光展锐和其他较小的公司。2023年底，华为发布了一款基于RISC-V的微控制器（MCU）。据报道，华为的芯片设计部门海思正在研发一款面向数据中心的RISC-V设计，并计划将该架构用于AI加速器。尽管华为仍计划在某些设计中使用Arm架构，但它将在其各业务单元中采用多种方法进行半导体设计。除了用于AI训练的Ascend系列加速器芯片，华为还在开发自己的Maleon GPU架构。结合鸿蒙移动操作系统，华为正尝试开发一个非美国的操作系统生态系统，适用于多种设备。
关键技术：光刻和EDA工具
由于美国的出口管制，迫使中国半导体制造企业在生产相关技术和材料领域寻求国内替代方案，北京方面正在逐步形成一项支持私营部门的战略，重点是在逐步引入基本不依赖西方工具的国内生产流程。在近期，这一战略还涉及关键私营企业采用系统工程方法绕过管制，特别是在开发先进系统方面，尽管这些系统不如西方替代品，但在许多应用中已经足够好。
在新的环境下，中国企业必须掌握的技术范围显著扩大。一些工作在2022年10月之前已经展开，例如政府支持的“02专项”，这是一项启动于十多年前的研究计划，但许多企业可能并不相信美国能完全切断所有半导体制造技术。如今，这一可能性正在主导行业内的思考，迫使北京和私营企业开发替代方案和替代品。关键领域包括：(1) 电子设计自动化（EDA）工具；(2) 光刻、蚀刻和沉积设备，这些工具要求供应商之间的顺畅互操作；(3) 材料，如工艺气体、光刻胶以及关键输入材料如ABF、TGV和TSV；(4) 芯片设计和先进封装技术，包括如台积电的芯片封装（CoWoS）到2.5和3D封装的方法。
显然，发展强大的国内EDA工具部门是北京的优先事项之一，并且似乎有多个努力在进行中，以创建西方领先企业的替代品。正如我在2021年的论文中提到的，Empyrean似乎是中国领先的EDA工具公司。Empyrean去年声称，它可以完全支持7纳米数字工艺和5纳米模拟工艺。此外，该公司正在努力填补其服务产品与西方领导者如Cadence和Synopsis之间的差距。自从其芯片设计部门海思于2020年被列入实体清单以来，华为也一直在开发EDA工具。2023年初，一位公司高级官员指出，华为与国内EDA公司合作，已成功“基本实现14纳米以上EDA工具的本地化”。
在2019年和2020年美国对华为实施出口管制之前，海思完全可以获取全球领导者Cadence、Synopsis和Mentor的EDA工具以及Arm的半导体IP。此外，可能是在华为和海思被列入实体清单之前不久，这些公司在2019年购买了大量来自西方领先公司的EDA许可证，为期十年，并且当时支持7纳米工艺。因此，西方的EDA工具可能被用来设计麒麟9000s，因为麒麟9000的原始设计是在2019年之前完成的。自那时以来，华为一直在开发自己的EDA工具套件。尽管它仍可以访问外国的EDA工具，但无法获得软件更新和支持，促使该公司为长期开发一个替代的EDA生态系统。虽然其他未被美国商务部实体清单列入的中国设计公司仍然可以访问西方的EDA工具，但随着这些软件生态系统的成熟，它们更有可能逐渐转向国内替代品。
目前，发展半导体制造生产的战略似乎包括短期和长期目标。在短期内，领先的国内代工厂中芯国际（SMIC）在包括所有国内设备制造商和其他如华为的关键行业参与者的支持下，正试图建立不含美国设备的40和28纳米生产线。然而，在近期，光刻部分可能仍将包括ASML的DUV浸没式光刻设备，而中国的光刻领导者中微公司（SMEE）正致力于改进这些设备，以便用于28纳米及以下工艺。复杂化这一努力的是于2023年9月1日和2024年1月1日生效的美国和荷兰的管制。值得注意的是，2023年10月17日的更新中的美国管制现在包括了对twinscan 19XX系列设备的限制，该设备在台积电获得EUV系统之前用于一些关键层。中芯国际在2022年和2023年使用这些更先进的ASML系统，这部分触发了美国在2022年10月提升终端使用管制至16/14纳米的决定。中芯国际在中芯南方（SMSC）工厂使用的N+1和N+2工艺正在继续改进这种类型生产的技术基础，同时尝试提高商业产量。所有用于华为Mate 60和AI应用的麒麟9000s和Ascend 9XX系列芯片均来自SMSC的FinFET工艺，尽管2022年10月的终端使用管制，这些工艺仍在继续。
2023年底，有迹象表明中微公司（SMEE）已能够生产出一个可行的并可能商业化的28纳米DUV浸没式光刻工具，根据社交媒体报告，该报告后来被修改并删除，但被西方媒体拾取。中微公司的国有支持者上海张江集团（ZJ集团）在12月19日的一则验证社交媒体账号的帖子中提到，“作为中国唯一掌握光刻技术的公司，中微公司成功开发出28纳米光刻机。”SMEE如何达到这一水平的故事复杂，可能包括像华为这样的参与者的一些协助。一些中国媒体报道指出，在2021年，华为曾试图挖走大量SMEE工程师以进行自己的光刻工作，但被中国政府官员劝阻，转而与SMEE合作。中国政府也可能要求SMEE将其新型28纳米DUV系统与类似的ASML设备，特别是NXT:2000i进行对标。SMEE系统——SSA800A——现在可能是一个正在测试和认证的完全国产生产线的一部分。
导致SSA800系列的SMEE光刻努力，包括i线、KrF、Arf和Arfi产品线，得到了2006年发布的十五年科学技术发展计划的一项重大中国巨型项目的强力支持。该子项目被称为“02专项”，于2008年启动，命名为“大规模集成电路制造成套技术开发专项”。由于“02专项”的支持，SMEE受益于政府协调供应商为SMEE设备提供支持的努力，但这一努力在凝聚成更可行的东西方面相对较慢。其他关键政府研发机构如中国科学院，一些顶尖的中国大学如清华大学和一些关键的国家实验室也参与了这项努力。此外，华为的投资工具哈勃科技也投资了支持这一努力并为SMEE提供支持的公司之一，即北京科亿红元光电科技有限公司，该公司为DUV系统提供核心的准分子激光器。可以肯定的是，美国在2019年和2020年对华为的管制以及拜登政府在2022年10月推出的前所未有的管制包，激励了整个努力。
中国的其他关键工具制造商，如我在2021年报告中所指出的，一直只能在蚀刻、沉积和计量等关键市场细分领域获得少量份额。然而，2022年10月的管控措施的一个最重要影响是迫使行业加快合作和创新。据业内人士称，这一进展迅速，现在主要工具制造商和晶圆厂之间的整合水平很高。比如制造蚀刻、沉积和清洗设备的北方华创，在2022年10月之前已经开始侵蚀西方领先公司的市场份额，但自那以后取得了重大进展。特别是在受美国最终用途管制的设施中，如长江存储，北方华创的设备已经取代了许多美国工具制造商。2023年1月初，该公司预计当年收入将增长42%到57%。其竞争对手中微半导体设备（AMEC）也预测2023年的收入将大幅增长，原因是国内晶圆厂的需求增加。特别是长江存储，与包括北方华创和中微公司在内的供应链公司进行更深层次的新合作，部分原因是寻求帮助获取替换零件，并确保国内企业能够提高能力并在一些关键领域更早地取代外国工具制造商。外国工具制造商越来越担心，国内工具制造商产品质量的提高将使他们最终能够在中国以外的市场竞争，从而对销售、收入和维持领先地位所需的研发预算施加更大的压力。
一旦40纳米和28纳米生产线通过验证，中芯国际和其他行业参与者将采用类似的流程进行14/10纳米的生产，这几乎肯定会在中芯南方（SMSC）进行，可能在2025-26年间。如果中微公司在SSA800系统上取得突破，这一系统可以用于7纳米，但目前尚不清楚这将发生的速度以及中微公司是否能够制造多个商业版本的SSA800。这些努力也可能包括确保与华为和其他较小参与者开发的EDA工具的兼容性，以确保整个设计和制造过程在很大程度上不受美国及其盟国技术的出口控制。如果目标是从40纳米转向28纳米，然后到14/10纳米和7纳米生产线，这将需要所有关键供应商的重大努力：尽管中国工具制造商声称他们的设备能够达到14纳米甚至7纳米，但关键客户，特别是中芯国际，仍需在大批量生产中验证这些工具。截至2023年底，这一过程似乎是中芯国际在2024年底前实现完全国产14纳米生产线的一部分。
尽管DUV的努力在短期内可能会取得成果，但它们并不是长期解决方案。展望未来两到三年，即使中芯国际和其他晶圆厂可以利用中微公司的DUV设备进行7纳米生产，要达到更先进的节点将需要极紫外（EUV）光刻系统，这是只有ASML能够开发出商业系统的利基领域。目前在中国，可能至少有两个甚至三个独立的努力在开发EUV系统，其中一些采用了不同的方法来产生ASML系统使用的13纳米光源。这些努力涉及合作，可能在新的半导体产业政策推动下最近有所增加。其中一个努力由长春光学精密机械与物理研究所（CIOMP）和中国科学院领导。另一个可能涉及华为。此外，上海集成电路研发中心（ICRD）也在这一领域进行先进工作。
中国研究人员还在研究一种新颖的方法，称为稳态微束（SSMB）EUV。在2022年发表在《物理学报》上的一篇论文中，清华大学的研究人员提出了一种使用SSMB的设计，包括一个足球场大小的系统。其光源为数十台EUV机器同时提供光源。这种方法似乎距离任何商业应用还有很远的距离，但从长远来看可能会变得重要。
华为也可能在努力解决一些EUV技术问题。这可能不是完全独立于其他努力，因为几乎可以肯定在一些领域不同的研发努力会以各种形式的合作汇聚在一起。例如，开发适当类型的光刻胶对EUV光刻至关重要，上海新阳已为EUV光刻胶申请了多项专利。中国半导体制造商在光刻胶方面主要依赖日本供应商，而随着日本与美国出口管制的对齐，业内担心材料出口也可能受到压力。2022年11月的一份国内中国投资公司报告称，对于不太先进的传统光刻胶，国内供应商的提供比例约为30%，而对于DUV KrF工艺，这一比例降至10%；对于先进的ArF DUV和EUV，国内供应的光刻胶比例不到2%。
因此，除了光源和扫描系统本身外，似乎还有多个协调努力建立一个使用EUV的完整生态系统。此外，目标是开发针对3-5纳米工艺节点的EDA工具能力。
虽然中国国内企业在光刻硬件方面落后于ASML、尼康和佳能等全球领导者，但也有努力在弥补这些系统关键软件部分的差距，称为计算光刻。中国企业正试图开发更好的计算光刻能力，2022年，一家名为裕维光学的公司声称独立开发了计算最佳邻近校正（OPC）软件，正在进行测试和验证。这可能是一个多年过程，需要继续访问ASML设备和维护，以及中国国内工具制造商和材料生产商在一系列技术上的改进。
在设计和封装方面，一些中国企业已经在使用芯片集成（chiplet）设计，这是一种将采用不同工艺生产的芯片集成在一个基板上的设计方法，同时结合了先进的封装技术，包括2.5D和3D封装。例如，Biren的BR 100 GPU使用了两个芯片集成，这些芯片在Biren于2022年10月被列入实体清单之前，已经在台积电的7纳米工艺上生产。此外，华为也在进行使用芯片集成的设计研发。封装现在正成为整体生产的重要组成部分，后端封装被设计融入整个生产流程，从EDA工具到与ARM等公司的知识产权整合，再到允许在不同复杂度水平的半导体混合使用的3D封装设计。华为与国内封装领导者如JCET和通富微电的合作，正在这一过程中开发自己的EDA工具。根据中国国家自然科学基金的支持，研发工作也在推进。该基金去年发布了《2023年集成电路前沿技术科学基础重大研究计划项目指南》，其中包括对2.5D和3D封装研究的支持。
与封装密切相关的是材料，如光刻胶、基板和工艺气体。在这些领域，中国企业仍然远远落后于日本和韩国的全球领先者。特别是日本在光刻胶的供应方面占据主导地位，仅四家日本公司（富士胶片、新日铁、JR和东丽）就占全球市场的70%以上，还有如味之素积层膜（ABF）等高性能半导体（如CPU）生产中使用的绝缘膜。绝缘膜对电气绝缘至关重要，有助于确保芯片内电子的高效流动。迄今为止，这类材料尚未受到控制，但中国公司担心基板等材料可能最终会受到限制，因此正在努力开发国内替代品。目前，中国有许多光刻胶制造商，如上海新阳、徐州博康、晶瑞、纳塔光电材料和红大道，这些公司在开发、生产和验证KrF、ArF和ArFi光刻胶方面处于不同阶段。例如，新阳除了开发EUV光刻胶外，还预计将在2025年底前完成KrF、ArF和i-line市场的设施建设，并于2026年晚些时候开始生产，产能约为五百吨。光刻胶因其对良率的影响而具有非常高的要求，国内先进节点光刻胶源的验证过程可能会相对漫长。
展望未来
截至2024年初，中国半导体行业的未来仍处于悬而未决的状态。为了构建能够让华为、阿里巴巴等高端设计公司在没有美国出口管制担忧的情况下设计和制造先进芯片的生态系统，仍需克服许多技术障碍。鉴于中国目前正在进行的众多技术领域的密集开发，尚不清楚何时各项技术或关键技术群体会成熟到能够支持特定制造供应链环节的大规模商业生产。
展望未来，一些中国本土设计公司可以预期将继续获得境外代工服务，但对于某些子行业，如GPU，可能会进一步收紧美国的出口管制，导致更多中国GPU初创公司无法接触到台积电等代工厂。在这一过程中，将会有一些重要的指示性事件。例如，2025年对于华为来说可能是一个重要的年份，鉴于该公司在中国半导体和信息技术领域的独特地位，涉及多个子行业的设计、生产和商业实力。特别是如果中芯国际能够实现某种形式的5纳米工艺，华为在2025年前将很可能拥有一整套主要为国内生产的电信、人工智能、服务器、计算机桌面、智能平板和智能手机半导体。
作为这一演变的一部分，预计到2025年，中芯国际在5/6/7纳米工艺方面将有显著增加的产能，以满足阿里巴巴的T-Head、GPU领导者Biren Technology和Moore Threads等其他客户的需求。中芯南方几乎可以肯定会优先考虑对技术领头羊的先进制造能力，包括华为和其他关键玩家，如正在开发GPU以最终替代来自Nvidia、AMD和Intel的西方产品的公司。在这方面，预期的性能提升更多地来自设计和封装的改善，而不是特征尺寸的缩小；华为的Mate 60在这方面预示了未来的发展趋势。
制造路线图大致如下：在未来三年内，国内工具制造商计划在28、14、7甚至5纳米规模上组建商业生产线。这将看到包括中芯国际和华虹在内的关键代工厂，主要使用现有的外国设备——ASML、佳能和尼康的DUV设备，以及来自中微公司的部分国内DUV工具。面临的挑战在于如何在备件和软件升级可能面临困难的情况下，维持外国设备的正常运行。
此外，各项EUV项目的工作将持续稳步推进，包括培养一批工程师、管理人员和供应链专家，以便在未来几年内开始开发可持续的EUV系统开发和部署生态系统。根据一些行业观察人士的观点，在最乐观的情况下，EUV的进展意味着中芯国际可能在2025年获得原型系统进行测试，但这一情景比其他行业评估的要乐观得多。
对于许多应用，包括5G和训练大型语言模型（LLMs），中芯国际和华虹的先进DUV能力应该能够满足国内对先进GPU日益增长的需求。同时，仍未列入美国实体清单的一些中国公司，如中兴、联想、小米等，仍将能够利用台积电等海外代工服务设计和制造半导体。中国将拥有一个复杂的混合半导体制造生态系统，关键参与者如存储制造商长江存储（YMTC）和长鑫存储（CXMT）因缺乏先进工具的获取而受到制约，但仍能生产可用的存储器，而华为将依赖于中芯国际，最初使用混合的外国和国内工具，然后转向仅使用国内生产线。
在此期间，中国供应链各公司将在多个方面取得显著进展，特别是在先进节点的EDA工具、光刻胶和工艺气体等材料，以及基板、芯片集成设计和专有的先进2.5D和3D封装能力等新兴领域。
假设北京的新半导体产业政策为DUV等技术带来显著收益，以支撑中国的设计和制造行业，2027年至2030年期间，可能会在使用某种EUV技术生态系统进行商业生产——即高容量制造（HVM）方面取得显著成功。此外，中国的封装公司和中芯国际、华虹等代工厂也将进一步提升价值链，掌握多项先进封装技术，包括大多数专有技术。
中国半导体制造供应链中的国内代工厂和其他关键参与者所取得的进展将逐渐形成两个相互关联但独立的制造生态系统：国内生态和全球主流生态。塑造这一趋势的因素包括替代方案的开发速度和范围，中国工具制造商和其他生态参与者向国外出口和支持制造的意愿，以及美国政府在控制技术输入方面的努力范围和执行力度，尤其是人才流动，特别是工程和管理技术知识的流动。然而，归根结底，美国的出口管制方法——即认为防止中国企业获取关键的美国及盟国技术将阻止中国公司实现某些目标——将遭遇现实的冲击。美国出口管制的根本问题在于我们面对的是应用科学，并没有单一的路径可以实现技术性能水平，而是有许多不同的、尽管困难的路径。中国企业将找到有效的路径，继续推动创新。华为的鸿蒙操作系统已经在进行类似的过程。随着围绕这一平台的开发者生态系统不断扩大，其他国内外公司意识到中国开发的操作系统的部署规模现在值得关注，并为在这一平台上开发应用所需的资源提供支持。
依然困难重重
在2024年1月的达沃斯论坛上，英特尔首席执行官帕特·基尔辛格（Pat Gelsinger）表示，鉴于各国实施的出口管制政策，中国面临“十年差距和可持续的十年差距”。然而，一项由一位科技行业观察者在X平台（前身为推特）上发起的投票显示，大多数人不同意基尔辛格的估计。
尽管如此，中国半导体行业面临的逆风依然强劲。拜登政府及其后续政府可能会继续加强对各类半导体供应链关键技术的出口管制，并针对中国采取更具多边色彩的管制措施。中芯国际（SMIC）、中芯南方（SMSC）、华为以及其他致力于协同开发替代供应链的企业，将面临美国政府持续针对任何被美国官员认为与华为项目相关的公司的打压。例如，半导体行业协会（SIA）关于华为在半导体行业影响力的报告，以及对接受Hubble投资的公司的合作指控，可能会导致美国官员将其他公司列入实体清单，原因不是基于过去或当前的行为，而是基于未来可能向华为供货的潜力。这种情况已经出现在PXW等公司身上。这一举措是出口管制的新型使用，也是美国官员“改变游戏规则”的又一例证。前商务部官员凯文·沃尔夫（Kevin Wolf）指出，缺乏详细信息时，不可能判断像PXW这样的公司是否违反了美国法规。令人不解的是，代表美国领先前端制造公司和工具制造商的SIA，为什么会关注华为对中国半导体供应链潜在未来影响及华为可能用于未来某些半导体采购的公司。
总体来看，美国对出口管制的态度，尤其是针对华为的策略，可能意味着主要的美国及其他外国工具制造商将在中国市场日益被挤出。美国、荷兰和日本的工具制造商已经是针对中国半导体公司如中芯国际、长江存储（YMTC）和长鑫存储（CXMT）的出口管制政策下最大的受损者。
此外，2024年初，拜登政府计划将一或多个涉及开发基于RISC-V解决方案的中国组织加入实体清单的迹象浮现。尚不清楚这是否是针对RISC-V生态系统的一项重大行动的开始，而行业内部很可能对此反对声浪较大。一位行业高管称这一举动“绝对愚蠢”，而北京也可能对任何将开源技术纳入美中科技竞争的举动作出强烈反应，这些技术此前一直未受美国出口管制。美国官员在2024年初也考虑收紧针对华为和浪潮等公司的出口许可，并将更多中国科技公司加入实体清单。美国政府也可能继续向荷兰和日本政府施压，并可能向韩国政府施压，限制对中国特定最终用户的DUV光刻机和其他系统的出口以及备件和服务。这些措施可能引发北京的强烈反应，去年，北京将在半导体行业广泛使用的关键材料如镓和锗纳入了需许可出口的清单。迄今为止，北京尚未限制这些及其他材料的出口，但2024年可能会在这一方向上采取一些措施，从而进一步扰乱半导体供应链。
另一个主要变量将是荷兰和日本政府及其半导体工具制造商在与美国日益演变的对中国设施的工具出口管制方面的合作意愿与能力。这两个国家的政府似乎不愿完全与美国的偏好保持一致，尤其是在控制较低级别设备（如浸没式DUV）方面。同时，这两个政府也对潜在的中国报复表示担忧。在近期内，荷兰、日本及韩国的公司可能仍会继续提供一定程度的支持，包括备件、软件更新和公司人员在中国的服务。
包括国务院副总理丁薛祥和李强总理在内的高级领导人，以及负责该领域的工信部和国家发改委的中国政府官员，将继续寻找新的方式来推动国内产业的发展，包括补贴、优惠政策和增强现有顶层结构（如领导小组）。与此同时，中国当局似乎正在确定大型国有企业在监督国内产业发展中的最佳角色。
总体而言，中国的半导体生态系统已变得更加复杂和多样化，参与者、进入者和新型投资日益增多，预计将会有更多国内技术突破的公告。但成功克服行业所面临挑战的真正衡量标准将是生产出以国内供应链为主的新产品，如Mate 60、Biren和Moore Threads等公司的新GPU，以及其他中国公司最终转向国内替代品的意愿。
此文最初发表于《美国事务》（American Affairs）第八卷第一期（2024年春季）：29-52页。
Source: https://americanaffairsjournal.org/2024/02/a-new-era-for-the-chinese-semiconductor-industry-beijing-responds-to-export-controls/
--【本文完】---
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