近年來，中國公布了多項推動國內半導體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要舉措，包括在代工、氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）等領域開展新的大規(guī)模晶圓廠擴建計劃。

　　中國正在大力推動其所謂的“第三代半導體”。該術語實際上是指兩種現(xiàn)有的常見功率半導體器件類型，即GaN和SiC功率半導體。無論名稱如何，中國都在迎頭趕上。雖然中國在領先的邏輯制程方面進一步落后，但另一方面，中國在其IC產(chǎn)業(yè)的其他部分繼續(xù)取得快速進展。

　　中國是一個復雜多變的市場。一方面，中國是全球最大的半導體消費市場。IBS首席執(zhí)行官Handel Jones表示，2020年，中國芯片銷售額達到2394.5 億美元，占全球總銷售額53.7%。Handel Jones稱，2020年全球半導體市場規(guī)模達到4461億美元，同比增長8.34%。根據(jù)IBS 數(shù)據(jù)顯示，預計2021年半導體市場將增長21.62%。

　　從中國的角度來看，仍面臨著很大難題。多年來，中國一直從跨國供應商處進口大量半導體，造成了巨大的貿易逆差。根據(jù)IBS數(shù)據(jù)，2020年，跨國公司在華注冊芯片總銷售額為1997 億美元。據(jù)該公司稱，這占中國芯片總銷售額的83.38%。而剩余份額歸中國芯片供應商持有。中國也只生產(chǎn)一小部分自己的芯片。

　　多年來，為縮小國際差距，中國采取了大量舉措，但這些努力都未能奏效?，F(xiàn)在，中國正在向國內IC產(chǎn)業(yè)投入1500億美元，希望在開發(fā)和制造各種類型的芯片方面更加自給自足。即便如此，中國在尋求減少對外國供應商的依賴方面仍面臨許多挑戰(zhàn)。

　　盡管如此，中國仍在擴張。據(jù)SEMI稱，全球芯片制造商將在2021年開始建設19座新晶圓廠，2022年還有10座正在規(guī)劃中。SEMI表示，中國大陸和中國臺灣在各有8座，在新晶圓廠建設方面處于領先地位。此外，中國大陸還有幾家晶圓廠正在籌劃建設中。

　　“我們目前了解到有17座中國本土企業(yè)的晶圓廠將在2021年至2023年開始建設。” SEMI分析師Christian Dieseldorff表示?？傮w而言，中國芯片制造商的裝機容量將從2020年的每月296萬片晶圓(wpm)增加到2021年的357.2萬片。

　　中國半導體行業(yè)正在發(fā)生幾件大事：

　　中國大陸最大的代工廠中芯國際已經(jīng)流片了其類似7nm的技術，盡管目前還不清楚是否可以實現(xiàn)超越。

　　華虹、中芯國際、聞泰科技和其他中國芯片制造商正在建設新的晶圓廠。

　　中國正在建設幾座GaN和SiC晶圓廠。

　　中國半導體產(chǎn)業(yè)規(guī)劃

　　中國在半導體領域深耕多年。在1970年代，中國出現(xiàn)了幾家國營芯片制造商，并開發(fā)了簡單的晶體管，但這些企業(yè)尚不具有競爭力。直到1980年代，當中國政府開始對其半導體行業(yè)進行現(xiàn)代化改造時，這個國家才開始受到業(yè)界關注。在外國關注者的幫助下，中國在1980年代和1990年代成立了幾家芯片企業(yè)。

　　這些企業(yè)開發(fā)了邏輯和存儲設備，但在技術上仍落后于西方。當時，西方對中國實行嚴格的出口管制?？鐕O備供應商被禁止在中國運送其最先進的系統(tǒng)。

　　為了縮小差距，中國大陸在2000年成立了其最先進的代工供應商——中芯國際。隨后，自 2000年代后期開始，英特爾、三星和SK海力士陸續(xù)在中國建立內存工廠，而中國臺灣企業(yè)臺積電和聯(lián)電也陸續(xù)成立。

　　彼時，中國已成為大型電子產(chǎn)品制造基地。一夜之間，中國成為全球最大的芯片市場。那時，中國的集成電路產(chǎn)業(yè)已經(jīng)很成熟，但其大部分芯片仍是從跨國供應商那里進口的。而中國也已經(jīng)擁有小部分自己的芯片生產(chǎn)能力。

　　由此，在數(shù)十億美元的資金支持下，中國政府于2014年公布了一項新計劃，旨在加快中國在14nm工藝、存儲器和封裝方面的發(fā)展。

　　隨后，中國于2015年發(fā)起了另一項名為“中國制造 2025”的倡議，旨在加速中國在信息技術、機器人、航空航天、航運、鐵路、電動汽車、電力設備、材料、醫(yī)藥和機械等10個領域零部件的國產(chǎn)化進程。

　　在這些領域，中國逐漸取得進展。但一些舉措從2018年開始脫離軌道，當時美國通過對中國制造的商品征收關稅，與中國發(fā)動了貿易戰(zhàn)。中國也進行了反擊。

　　一年后，美國將華為及其內部芯片部門海思列入“實體清單”。美國阻止跨國公司和代工廠向華為和海思出售高端芯片。

　　中國半導體產(chǎn)業(yè)的緊張局勢升級。這反過來又促使中國加快國產(chǎn)半導體的發(fā)展步伐，致力于能夠實現(xiàn)自給自足。

　　與此同時，中國將目光投向了其他領域，例如純電動汽車 (BEV)。根據(jù)TrendForce數(shù)據(jù)顯示，特斯拉是全球最大的BEV供應商，但中國在BEV總體份額中占比最大。

　　2020年，中國提出了“道路2.0”，即2035年電動汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃?！暗?025年，實現(xiàn)電池、動力系統(tǒng)、整車操作系統(tǒng)等關鍵技術突破；將新型純電動汽車平均功耗降至12.0kWh/100km；并將NEV（新電動汽車）銷量提高到新車總銷量的20%。”據(jù)公共政策組織Covington分析師Phoebe Yin、Jake Levine和Ashwin Kaja介紹。

　　今年早些時候，中國公布了“十四五”規(guī)劃。據(jù)IDC稱，中國正在開發(fā)包括七個關鍵領域的多種技術：

　　人工智能（AI）

　　認知科學

　　遺傳學/生物技術

　　醫(yī)學/健康

　　量子計算

　　半導體

　　太空/極地探索

　　Covington表示，中國還希望進入或擴展到更多領域，包括設計工具、半導體設備和材料、先進存儲以及GaN和SiC。

　　中國晶圓廠建設遭遇挫折

　　中國也在繼續(xù)擴大其晶圓代工建設。代工廠使用不同節(jié)點的工藝技術為其他企業(yè)制造芯片。工藝技術是用于在晶圓廠制造給定芯片的配方。節(jié)點是指工藝制程的設計規(guī)則。

　　成熟工藝涉及28nm及以上的邏輯節(jié)點，其中關鍵構建模塊是平面晶體管。在28nm以下，芯片需要使用finFET構建。

　　在中國大陸晶圓代工產(chǎn)業(yè)中，臺積電正建設南京工廠，加快16nm finFET工藝，并計劃擴展其28nm產(chǎn)能。在廈門，聯(lián)電的晶圓廠正在擴展40nm/28nm工藝制程的芯片制造。

　　中國大陸代工廠包括ASMC（上海先進半導體）、華潤微、華虹集團、三安集成電路和中芯國際。華虹集團包括三個供應商——華虹宏力、華虹半導體和上海華力。

　　中國想要擁有晶圓代工實力主要有幾個原因。首先，制造出更多自己的芯片。其次，中國的代工廠不僅要為跨國廠商生產(chǎn)芯片，還希望服務于越來越多的國內正在開發(fā)前沿芯片的IC設計公司。第三，中國希望在國內代工廠制造先進工藝芯片。

　　“五年前，中國在做復雜芯片時確實遇到了麻煩，而華為和海思攻克了難題，實現(xiàn)了突破?！盜BS的Jones表示?！艾F(xiàn)在，在中國可能有10或12家公司可以在5nm上進行設計，并在明年或之后轉向3nm?！?/p>

　　中國代工廠已經(jīng)取得不小的成功。根據(jù)TrendForce數(shù)據(jù)，兩家供應商——中芯國際和華虹——分別是全球銷售額第五和第六大代工廠。臺積電仍然位居第一，其次是三星、聯(lián)電和格芯。

　　圖1：2021 年第二季度銷售額排名前10的代工廠。中芯國際和華虹鞏固了在代工競爭中的地位。圖源：TrendForce

　　然而，中國可能短時間內無法實現(xiàn)其目標。據(jù)IC Insights稱，其目標在2025年生產(chǎn)70%的芯片。根據(jù)IC Insights數(shù)據(jù)顯示，2020年中國生產(chǎn)了15.9%的芯片，2025年預計能夠生產(chǎn)19.4%。

　　中國大陸廠商在工藝技術方面也仍然落后。中芯國際最先進的技術涉及14nm工藝，其中 7nm處于研發(fā)階段。相比之下，臺積電和三星正在加速5nm，3nm也計劃于2022年推出。

　　因此，對于領先的工藝，中國大陸的設計公司必須依賴外部代工廠。盡管如此，隨著對成熟工藝芯片的巨大需求，中國的晶圓代工廠正在蓬勃發(fā)展。

　　“如今的半導體制造與過去只有領先晶圓廠才能賺錢的時代不同?！盌2S首席產(chǎn)品官Leo Pang表示。“汽車行業(yè)和物聯(lián)網(wǎng)應用都停留在成熟的節(jié)點上，比如28nm及以上節(jié)點?！?/p>

　　中國大陸已經(jīng)在短時間內取得了長足的進步。2001年，中芯國際開始生產(chǎn)其第一座晶圓廠——一座200mm、0.25微米的工廠。隨著時間的推移，中芯國際開發(fā)了幾個新的晶圓廠和工藝。

　　到2014年，該公司開發(fā)了國內當時最先進的技術，28 nm工藝。相比之下，臺積電在2011年推出了28nm。隨后，格芯、三星和聯(lián)電也推出了28nm。

　　如今，28nm市場需求仍然旺盛，所有的代工廠都在繼續(xù)擴大28nm晶圓廠產(chǎn)能。一些供應商正在加速22nm，這是28nm的延伸。聯(lián)電聯(lián)席總裁 Jason Wang 表示：“28nm 技術的收入持續(xù)增長，而 22nm 的業(yè)務參與導致越來越多的客戶在無線、顯示器和物聯(lián)網(wǎng)市場進行流片?！?/p>

　　同時，幾家代工廠繼續(xù)追求領先優(yōu)勢，但也存在一些挑戰(zhàn)。在28nm/22nm及以上，芯片仍然使用平面晶體管。而低于 20 nm，平面晶體管將失去動力。

　　這就是英特爾在 2011年轉向22nm finFET的原因。2014 年，格芯、三星和臺積電轉向 16nm/14nm finFET。FinFET比平面晶體管更快，功耗更低，并且在16/14nm時，漏電流要低得多。但其制造難度和成本也更高。

　　為了迎頭趕上，中芯國際于2015年開始研發(fā)14nm finFET工藝。在2019年推出了這項技術，比競爭對手落后了幾年。

　　不過，它并沒有放棄。最近，中芯國際流片了所謂的7nm或“N+1”技術?！霸撨^程尚未出現(xiàn)批量生產(chǎn)和良率改善。” Gartner分析師 Samuel Wang表示?！爸行緡H的N+1不是7nm工藝。可以認為是8nm?！?/p>

　　此后，中芯國際陷入困境，無法處理超過N+1的芯片。最近，美國阻止中芯國際獲得ASML 的極紫外 (EUV) 光刻機，從而阻礙中國開發(fā)領先工藝。該系統(tǒng)用于開發(fā)7nm及以上的芯片，如果沒有EUV，就意味著中芯國際難以突破更先進的工藝制程。

　　去年，美國還將中芯國際列入“實體清單”，使其難以獲得其他先進設備。到目前為止，美國還沒有放松對中芯國際的限制，這意味著該公司將進一步落后。

　　“差距正在擴大，”Wang認為?！霸贜+1或8nm之后，中芯國際難以有新動作。（沒有EUV）他們無法研發(fā)真正的7nm或6nm。在先進技術方面，將更加落后。可能會落后六年，甚至更長時間?！?/p>

　　不過，也有一線希望。“就收入而言，中芯國際做得很好，”Wang表示?！霸?8nm及以上，需求量巨大。中芯的晶圓廠利用率超過100%。盡管在開發(fā)先進技術方面受到限制，但其營收率仍在增長?！?/p>

　　此外，在成熟工藝制程方面，中芯國際和其他中國芯片制造商仍繼續(xù)建設晶圓廠。根據(jù)SEMI《世界晶圓廠預測報告》，以下是中國目前和未來的一些晶圓廠項目：

　　華潤微—重慶（300mm，傳統(tǒng)節(jié)點）

　　華虹 — 無錫（300mm，傳統(tǒng)節(jié)點）

　　晶合集成 — 合肥（300mm，傳統(tǒng)節(jié)點）

　　中芯國際—上海（300mm、14nm及以上）

　　中芯國際 — 北京（300mm、28 nm及以上）

　　聞泰科技 — 上海（300mm，傳統(tǒng)節(jié)點）

　　華虹擁有三座 200mm晶圓廠，并正在擴建其第一座300mm工廠。專注于成熟工藝，華虹晶圓廠滿負荷運行?！皫缀跛屑毞质袌龆加袕妱诺男枨蟆绕涫荕CU、電源管理IC、IGBT、超級結、CIS、邏輯和RF，”華虹總裁唐均君表示。

　　上海華力有兩座晶圓廠，已經(jīng)滿載。該公司具備28 nm能力，預計年底將推出14 nm。與此同時，華為計劃建造一座晶圓廠，盡管其計劃尚不確定。

　　“中國確實拿不到EUV光刻機，所以他們無法進入領先地位。但這對他們建造新晶圓廠來說不是問題，”D2S的Pang表示?！暗紫龋麄冃枰@得市場份額并根據(jù)當?shù)匦枨笈囵B(yǎng)人才。一旦兩者兼而有之，他們就可以逐漸在國內市場之外擴張?！?/p>

　　推動功率半導體發(fā)展

　　中國也在大力推動功率半導體新領域的發(fā)展。功率半導體用于控制和轉換系統(tǒng)中的電力，廣泛應用于汽車、計算機和工業(yè)領域。

　　功率半導體由專門的晶體管組成，這些晶體管允許電流在“開”狀態(tài)下流動，并在“關”狀態(tài)下停止。它們提高了效率并最大限度地減少了系統(tǒng)中的能量損失。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，功率器件變得越來越重要。

　　“我們必須使用技術來保護環(huán)境。一種解決方案是混合動力汽車，其中電力電子是關鍵，”英飛凌大中華區(qū)車輛運動部門負責人Gary Zhong表示?！翱紤]到汽車電氣化和數(shù)字化的大趨勢，我們預計對功率半導體的需求將快速增長，例如IGBT和SiC MOSFET?！?/p>

　　當今的功率半導體市場由硅基器件主導，其中包括功率MOSFET、超級結功率MOSFET 和絕緣柵雙極晶體管(IGBT)。

　　功率MOSFET用于低壓、10V至500V應用，例如適配器和電源。超級結MOSFET用于 500V至900V應用。IGBT是領先的中檔功率器件，用于1.2kV至6.6kV系統(tǒng)。

　　IGBT和MOSFET被廣泛使用，但也已達到極限。這就是為什么越來越多的供應商正在開發(fā)基于兩種寬禁帶（GaN、SiC）功率器件的原因。GaN和SiC基功率器件都比硅更小、更高效，同時也更昂貴。

　　多家中國公司正在開發(fā)和制造各種類型的功率半導體。盡管如此，國內系統(tǒng)制造商仍然必須從跨國公司進口大部分這些設備。

　　一方面，像GaN這樣的技術很難開發(fā)?！癝iC更堅固，”IBS的Jones稱?！八灾袊嚻髽I(yè)都在向外國公司采購。”

　　展望未來，中國希望發(fā)展并制造更多自己的功率半導體。根據(jù)SEMI數(shù)據(jù)，到2023年，中國有望成為全球功率和化合物半導體晶圓廠產(chǎn)能的領導者。

　　中國致力于推動所有領域共同發(fā)展，包括功率MOSFET等成熟產(chǎn)品。據(jù)Yole稱，已經(jīng)出現(xiàn)了幾家國內MOSFET供應商，包括華潤微、吉林華微和士蘭微。Yole分析師Milan Rosina表示，“因此，中國企業(yè)在制造領域投資也就不足為奇了?！?/p>

　　中國正在以其他方式擴張。2017 年，恩智浦將其名為Nexperia的標準產(chǎn)品業(yè)務出售給了一家中國聯(lián)營企業(yè)。2019年，中國電信公司聞泰控股控股分立器件和MOSFET供應商Nexperia（安世半導體），現(xiàn)在Nexperia是聞泰科技子公司，總部仍設在荷蘭。

　　Nexperia在德國和英國設有晶圓廠。2021 年初，聞泰宣布計劃在上海建設300mm功率半導體晶圓廠。這座耗資18.5億美元的晶圓廠將于2022年投產(chǎn)。

　　在這些事件之后，Nexperia收購了英國的功率半導體代工廠供應商Newport Wafer Fab (NWF)?！癗experia對Newport的興趣在于批量生產(chǎn)8英寸分立功率MOSFET，”Nexperia 總法律顧問Charles Smit表示?！癗ewport還將提升公司的車規(guī)級產(chǎn)品供應能力?！?/p>

　　該交易受到英國政府的審查，但不太可能阻止這一舉措。NWF已經(jīng)接近破產(chǎn)。

　　與此同時，NWF也在開發(fā)SiC，這是一種中國非常感興趣的技術。GaN也是如此。根據(jù) TrendForce數(shù)據(jù)，2020年，中國在SiC和GaN領域投資了25個項目，成本為109億美元。根據(jù)TrendForce數(shù)據(jù)，在這些數(shù)字中，中國有大約14條6英寸SiC晶圓生產(chǎn)線。華大半導體、三安集成電路、天科合達等在中國都有SiC生產(chǎn)線。

　　同時，三安集成電路為化合物半導體器件（GaN、SiC）、電力電子和光電子提供代工服務。最近，三安集成電路的長沙制造基地開設了中國第一家垂直整合的 SiC 工廠。

　　三安集成電路技術營銷和銷售總監(jiān)Mrinal Das表示：“我們的長沙工廠前后端集成了完整的組裝和測試設施，可大批量生產(chǎn)分立和功率模塊封裝?！拔覀冊谝荒陜乳_啟了我們的長沙一期工程，目前正朝著每月15,000片150mm SiC晶圓的目標發(fā)展。”

　　與跨國供應商一樣，中國本土的碳化硅供應商也將目光投向了多個市場?！爸袊腿蚺畈l(fā)展的電動汽車市場正在激勵所有SiC供應商擴大制造能力，” Das表示。“電動汽車市場銷量的顯著增長正在推動 SiC 器件價格加速下降，從而增加其在光伏組串逆變器、儲能、UPS 和電機驅動等其他增長市場的采用率?！?/p>

　　BEV市場廣闊。在第一批BEV中，IGBT用于牽引逆變器，為電機提供牽引力以驅動車輛。BEV還集成了其他芯片。

　　這種情況在2017年開始發(fā)生變化，當時特斯拉開始在其Model 3 BEV中的牽引逆變器中使用意法半導體的SiC功率器件。SiC比IGBT更高效，但也更貴。

　　現(xiàn)在，所有汽車制造商都在其新BEV中為功率逆變器集成或評估SiC。SiC器件還用于BEV 中的DC-DC轉換器和車載充電器?！半S著快充和自動駕駛的要求不斷提高，車輛需要高壓平臺。SiC MOSFET通過提供更大范圍、更緊湊的尺寸和更好的整體系統(tǒng)成本，為該系統(tǒng)的未來做出了貢獻，”英飛凌的Zhong表示。

　　盡管如此，跨國公司也并沒有停滯不前。許多公司已在中國開展業(yè)務或與國內供應商成立合資企業(yè)。例如，中國的正海集團和日本的羅姆最近簽署了在中國設立合資公司的協(xié)議。該合資企業(yè)將開發(fā)碳化硅 (SiC) 功率模塊。除此之外，羅姆還在中國結成了其他聯(lián)盟。

　　“在太陽能發(fā)電系統(tǒng)、工業(yè)設備、服務器和基站等各種應用中，碳化硅功率器件的采用速度已經(jīng)加快。預計未來將越來越廣泛應用于電動汽車領域，”羅姆高級銷售總監(jiān)Travis Moench 表示?！靶碌暮腺Y企業(yè)還將為我們的客戶提供更多選擇。我們預計新公司的功率模塊開發(fā)將推動 SiC 功率器件在中國發(fā)展勢頭良好的新能源汽車中安裝使用，并將在其他應用研究中發(fā)揮重要作用?！?/p>

　　除了SiC，中國還對GaN感興趣，GaN是一種用于LED、功率半導體和射頻的III-V族材料。GaN功率半導體正在多個市場上蓬勃發(fā)展，例如快充?；贕aN器件的快充是一種小型適配器，可以比傳統(tǒng)充電器更快地為智能手機和筆記本電腦充電。

　　“對于功率轉換，GaN蓬勃發(fā)展的第一個市場是快充領域，”美國GaN功率半導體供應商 Navitas的企業(yè)營銷副總裁 Stephen Oliver稱?！俺潆娖魇袌銮嗖A小尺寸、輕便的產(chǎn)品。如果您正在考慮可用于筆記本電腦或手機的65W充電器（使用GaN），則GaN的BOM成本比硅高約15%。但它相比后者尺寸重量減少了三倍，相同尺寸的充電速度也提高了三倍。”

　　快充是中國智能手機廠商的流行配件。最近，小米推出了一款智能手機，以及一款基于Navitas GaN功率器件的獨立55W快充。

　　跨國公司在GaN功率器件市場占據(jù)主導地位，但中國的Innoscience（英諾賽科）正在蓄勢待發(fā)。幾家中國公司也在建設新的GaN晶圓廠。“TrendForce數(shù)據(jù)顯示，截至2021年上半年，中國已經(jīng)安裝了大約7條硅基GaN晶圓生產(chǎn)線，而目前至少有4條GaN功率器件生產(chǎn)線正在中國建設中?！?/p>

　　圖2：GaN功率器件供應商的市場份額，中國企業(yè)Innoscience對跨國GaN供應商的追趕。資料來源：TrendForce

　　總結

　　中國還做出了其他一些努力。例如，中國存儲器制造商一直在生產(chǎn)3D NAND和DRAM。

　　總而言之，中國正在全力推動半導體產(chǎn)業(yè)發(fā)展。雖然不會很快實現(xiàn)自給自足，但它將繼續(xù)撼動市場。