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中美芯片科技战加剧,你怎么看

作者:九芯电子时间:2022-09-17 17:08:0010次浏览

信息摘要:

近日传出,美国将扩大禁售14奈米以下的半导体设备到中国,且至少已有三家业者证实收到美国商务部来信。看来中美科技战愈演愈烈,将有哪些冲击?半导体产业在经历了疫情爆发及供应链问题后,各国政府纷纷加码补贴扶持半导体在地化。去年12月美国哈佛大学的一篇报告《伟大的科技竞争:21世纪的中国与美国的较量》提到未来许多...

近日传出,美国将扩大禁售14奈米以下的半导体设备到中国,且至少已有三家业者证实收到美国商务部来信。看来中美科技战愈演愈烈,将有哪些冲击?


半导体产业在经历了疫情爆发及供应链问题后,各国政府纷纷加码补贴扶持半导体在地化。


去年12月美国哈佛大学的一篇报告《伟大的科技竞争:21世纪的中国与美国的较量》提到未来许多重要且不可缺少的技术领域上,包括AI、5G通讯协议、生物科技、绿能、量子科技等项目中,中国有可能成为世界的领导者,且在某些领域跃居第一,这也再度挑起了美国对中国科技实力紧追在后的警惕心,近期的出口禁令也接踵而来。


一、美国发动科技战所带来的影响


美国为了削减中国半导体和科技上的实力,除了在芯片与科学法案中,限制补贴企业继续在中国新增先进制程设备、并禁止美国设备商出售14奈米以下设备至中国外,8/15商务部更加码将四项「新兴和基础技术」列入出口管制!再次显示美国有意要更进一步把持前沿的科技技术在自己手中,管制内容包括:


▋第四代半导体材料的氧化镓及金刚石


▋用于GAAFET架构(3奈米以下)的EDA程序(编按:EDA是电子设计自动化,ElectronicDesignAutomation)


▋涡轮燃烧技术(PGC)等


MM辞典:


环绕式场效晶体管(GAAFET,Gate-all-aroundFET)架构为半导体制程微缩的技术之一,主要是用来解决当制程节点来到3奈米以下时上一代鳍式场效晶体管(FinFET)架构无法突破的物理极限而产生的漏电问题。


针对本次的科技战细节,以下M平方也藉由三大面向来评估对中国的影响:


1.美国有意把持前沿技术,然第四代半导体仍处开发阶段


第四代半导体材料被作为这次出口管制的主角之一,主要因为第四代半导体于未来产业趋势领域的应用上具有相当高的潜力。相较于第三代半导体(碳化硅、氮化镓),第四代半导体(氧化镓及金刚石)更宽的能隙(widebandgap),以及能够承受更高的电场的优势,在这些特性下可以让氧化镓承受更高的电压跟功率密度,以及更好的电源转换效率,包括电动车、新能源设备等领域,甚至在太空卫星、高铁、军事等极端环境,氧化镓都能有很好地运用空间。


但由于氧化镓和金刚石目前仍处于开发阶段,中国本身相关的应用需求偏低,出口管制短中期并不会对中国有太大冲击,但长期而言,美国的态度十分明显。


2.中国本土EDA占比低且技术集中,当前仍仰赖海外EDA工具


相较于氧化镓及金刚石,EDA程序的禁令会更加具影响。EDA工具就是「电子设计自动化工具」,由于芯片设计日趋复杂,芯片在制程微缩后线距愈来愈小,也导致设计一个芯片时要顾虑的东西非常多,包括材料的物理特性、温度、频率等,尤其未来在先进封装、3D堆栈等技术需求增加后,芯片设计又更加复杂,而EDA工具可以计算机程序来降低工程师在设计芯片时的难度,并提高良率。


我们认为EDA工具的管制,对中国半导体和芯片产业前进高端市场具有相当的阻力,原因是虽然中国本身也拥有EDA企业,但多数是针对芯片设计中的某单一节点作切入,即使是中国本土最大的EDA龙头厂华大九天,国内占比也仅只有5~6%。


对比美国EDA三大巨头(Synopsys、Cadence、Mentor)的产品线非常广泛,在中国占比就将近8成,在本次管制3奈米以下的EDA程序的冲击影响将较为显著。


技术上,华大较成熟的技术包括「类比电路设计EDA(AnalogCircuitDesignEDA)」和「平板显示电路设计EDA(FlatPanelDisplayCircuitDesignEDA)」,但在「数位电路设计EDA(DigitalCircuitDesignEDA)」和「晶圆代工电路设计EDA(FoundryCircuitDesignEDA)」与美国企业有明显差异,甚至没有GAA相关的研究及开发。


这显示中国在数位IC设计、晶圆制造如果要进一步将制程微缩,仍非常仰赖海外的EDA工具,尤其在芯片设计愈来愈复杂的情况下,将更依赖硅智财(IP),但IP的市场及技术也同样被美国所垄断。


3.中国芯片需求仰赖海外,高性能芯片管制为迈入高阶市场带来限制


除了EDA管制外,美国政府近期又加码对NVIDIA 及 AMD的高端GPU和AI芯片限制到中国和俄罗斯的出口进行管制,包括NVIDIA的A100及H100芯片以及AMD的MI250芯片。


要先了解的是,A100跟H100芯片都是使用这一两年NVIDIA的最新GPU架构,包括2020年公布的Ampere架构以及今年最新的Hopper架构,都是针对资料中心及AI的运算需求去进行着墨的GPU芯片,而AMD的InstinctMI200系列也是2021年11月刚推出的最新资料中心GPU架构,系列中就包括了被管制的MI250芯片。


可发现被纳入出口管制的芯片,其实都是目前全球GPU领域中运算能力非常顶级的芯片类型,虽然短期美国给了1年的缓冲期,在明年9月以前可以让这两家公司在香港将订单完成。若长期来看,虽然中国作为全球最大的半导体销售市场,但芯片需求仍然相当仰赖海外进口,中国集成电路的进出口是持续呈现明显贸易逆差,尤其在高阶芯片领域更是如此。


例如中国的AI芯片市场就有将近80%是由NVIDIA所垄断,禁令影响到的是中国厂商向先进高端领域的发展,包括自驾车、边缘运算、机器人、数据中心等需要大量运算需求的产业,而且即使中国的IC设计业者已经有能力自行设计出高阶芯片。


然而,中国本土并没有相应的芯片制造能力,因为14奈米以下的设备以及3奈米以下的EDA程序都已被禁止,短中期是很难在技术上进行国产替代。长期来看,确实会让中国在新兴科技领域的发展受到相当大的限制。


二、面对压力,中国寻找的三大潜在突破口


在美国逐渐封锁EDA和高阶芯片下,中国厂商将加紧朝国产自主方向发展,我们认为有三个领域会是作为美国禁令的主要突破点:


1.专攻成熟制程发展:作为目前发展相对成熟的晶圆代工产业,中国也寄望在成熟制程领域提高市占率以获得更多话语权,在2021年美国的半导体设备禁令还没升级至成熟制程设备前已先大量采购海外生产设备。


根据Trendforce预估,2022年至2025年全球12吋晶圆厂将由139座提高至199座,其中中国增加的产能最大,以约当产能来看中国占比将提高至27%,而大部分也会是成熟制程为主。


2.透过开放性架构RISC-V发展自研芯片:目前市面上主流的高阶芯片几乎都是采用x86及Arm架构来做设计,但这些架构都是被美国及其盟友所把持,因此拥有开放性架构的RISC-V便成了中国在自研CPU及GPU上的突破口,包括服务器、AI运算、物联网等领域。


3.政策持续扶植第三代半导体:自美国对华为和中兴禁运以来,中国为了不继续被美国卡脖子,在十四五计划中将第三代半导体作为战略重点投资领域,5年期间内预计投入将近10兆人民币试图藉此弯道超车。


以上三个方向中,我们认为成熟制程是目前中国是最有机会达到国产替代的部分,第三代半导体虽然中国砸下重本投资,但技术及影响力仍相对美欧企业落后几个世代,RISC-V有机会作为中国自研芯片的突破口,但最终仍会因为设备禁令在芯片制造的部分卡关。


我们从美国发动科技战的目的以及目前全球EDA、IP及IC设计市场的分布及研发支出来看,美国在政府加大主导科技趋势下,将高机率继续握有科技的主导权。


而中国在前沿科技的发展将遇到一定的障碍,而这也会促使中国更积极在成熟制程、RISC-V和第三代半导体材料寻找突破口,但技术上的垄断以及芯片制造的卡关,仍会是中国未来要继续面对的问题。




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