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光刻机作为半导体设备三大件之一，有着“半导体工业王冠上的明珠”之称。2023 年 1 月，美国拉拢日本、荷兰达成限制对中国出口先进芯片制造设备的协议，让“中国芯”成为全民关注焦点。
根据国家统计局数据，2021 年我国集成电路出口数量增长，出口总额增加，但进口数量和总额也在上升，芯片进口总额是原油的 1.7 倍，巨大贸易逆差使我国在国际贸易中处于不利地位，芯片成为亟待解决的问题。
除光刻机外，我国半导体产业链很多重要环节尚处发展初期。国产芯片崛起面临诸多挑战，主要集中在材料、设备、EDA 领域。
半导体材料：利润微薄，国产占有率低
芯片制造所需材料众多，如光刻胶、抛光液、靶材、特种气体等，后端封装也需要各种材料。半导体材料是芯片行业的根基，没有原材料，芯片制造就无法进行。目前国产半导体材料整体薄弱，品类丰富度和竞争力不足，2021 年国产化率仅约 10%。
国内半导体材料发展历程中，半导体导电性介于导体和绝缘体之间，其发现较晚。20 世纪 30 年代，材料提纯技术改进后，半导体才被学术界认可。林兰英院士是我国半导体材料科学的领路人与开拓者，1955 年获宾夕法尼亚大学固体物理学博士学位，为美国公司解决诸多技术难题后，毅然回国。1957 年拉制成功第一根锗单晶，1958 年拉制成功第一根硅单晶，使中国成为世界上第三个生产出硅单晶的国家，随后又在砷化镓材料研究上取得成果。
尽管半导体材料技术不像光刻机那么复杂，但国内研究投入不足，行业利润欠佳，导致市占率较低。未来国家政策和基金向材料侧倾斜，国产半导体材料厂商迎来机遇与挑战。
半导体设备：全球市场基本被美日荷三国垄断
半导体领域除光刻机外，还有自动测试设备、刻蚀机、离子注入机等关键设备。
自动测试设备在半导体产业链中，芯片从需求分析到交付终端消费者，整个流程需多次测试，该设备集成众多精密仪器，造价高昂，一台高达千万美元。全球半导体测试机主要市场被美国泰瑞达、日本爱德万占据，国产化有很大增长空间。
刻蚀机随着半导体制程微缩和结构复杂化，种类和技术难度递增，目前该领域长期被海外龙头垄断。全球刻蚀企业前三大分别是泛林半导体 (中国台湾）、东京电子（日本）、应用材料（美国），全球市占率合计 91%，国内大陆刻蚀设备生产厂商市占率总计不足 2%。不过近年来国内刻蚀厂商依托资本和政策扶持，有了快速提升，如中微公司的介质刻蚀已进入台积电 7nm/5nm 产线。
离子注入是晶圆制造掺杂核心工艺，技术壁垒仅次于光刻、刻蚀、薄膜沉积。本土晶圆厂一般将 7% – 10% 的设备开支用于离子注入机，它为硅晶圆注入要掺杂的原子，使芯片获得特定电性能。此外，半导体设备还包括清洗机、用于后道的封装光刻机、芯片分选机等。
目前半导体设备市场主要由美、日、荷三国企业基本垄断。2022 年上半年十大半导体设备企业中，无中国企业。这也是美国拉拢日、荷商讨限制对中国出口先进芯片制造设备协议的原因。除光刻机外，其他半导体设备我国已加速国产替代化进程，但形势仍不容乐观，国内无法做到先进工艺的全流程国产化，在成熟工艺市场上，我国半导体自给率约 20%，仍有巨大替代空间。中芯国际和华虹宏力能完成 28 纳米工艺的量产，但产业链尚未完全国产化，落后环节主要在关键设备和材料上。
EDA：国产半导体产业链发展薄弱的环节之一
EDA 被誉为“芯片设计之母”，虽市场规模仅百亿美元，却撬动约 5000 亿美元的半导体市场规模，杠杆效应显著。在现代超大规模芯片设计中，EDA 不可或缺。目前整个 EDA 产业大部分被新思科技（Synopsys）、楷登电子（Cadence）、和西门子 EDA 所垄断。
我国 EDA 起步不算晚，1988 年国产 EDA 工具“熊猫系统”开始研发，20 世纪 90 年代初“熊猫 ICCAD 系统”上线并获国家科学技术进步一等奖，在近 20 家设计公司投入使用，完成近 200 个芯片品种的设计。1994 年巴黎统筹委员会解散，国内 EDA 产业尚未形成规模，市场空白，三大 EDA 巨头趁机进入中国，凭借价格低廉、技术成熟等优势迅速占领市场，此后十几年国内 EDA 发展缓慢。
2008 年国家核心电子器件、高端通用芯片及基础软件产品（核高基）等重大科技项目正式实施，EDA 被列为国家十六个科技重大专项之一。随后在国家政策扶持下，华大九天于 2009 年成立，概伦电子于 2010 年成立，部分国内老牌 EDA 企业重获新生。但 2018 年中兴和华为接连受美国制裁，为国内初步发展的 EDA 产业敲响警钟。2022 年 8 月 15 日，美国商务部对设计 GAA 晶体管结构集成电路所必需的 EDA 软件实施出口管制，虽目前断供对中国绝大部分芯片公司影响不大，但堵住了未来国内高端芯片的设计之路，且不排除美国继续加码的可能。不过从 2018 年到 2020 年，国产 EDA 工具在国内市场的销售份额稳中有升，分别为 6.2%、8.3%、11.5%。EDA 发展周期长、难度大，假以时日，国产 EDA 定会稳定发展。
国产芯片遭围堵？三大招出击
我国在政策扶持方面成效显著。2014 年 6 月国务院印发《国家集成电路产业发展推进纲要》，部署集成电路产业发展目标；2015 年出台《中国制造 2025》，提出形成关键制造设备供货能力；2020 年国务院发布《新时期促进集成电路产业和软件产业高质量发展若干政策》，对半导体产业多方面做出深化指引。当下全球半导体行业政策密集，国内产业政策朝着产业自主可控目标不断前进，多省市也发布了和半导体材料相关的产业政策。
在 EDA 方面，《中国制造 2025》提出 2025 年包括 EDA 的集成电路设计业产值目标，各省市也陆续推出相关政策。如深圳市发布政策集聚 EDA 工具开发企业和团队，加强核心技术攻关；上海市对 EDA 重大项目新增投资放宽标准；北京市聚力突破 EDA 工具的研发和产业化等。
持续增加研发投入方面，中国研发费用率排名前 50 的科技公司中，芯片半导体行业上榜较多，显示芯片公司重研发属性。据 11 家主要中国半导体设备公司财务指标统计，2022Q1 – Q3 研发费用合计同比增长 59%。但国产研发投入与芯片巨头仍有差距，英特尔、台积电、三星三家公司贡献了全球 45.3% 的研发支出额度，国产芯片研发投入还需不断增加。
注重芯片领域相关人才培养方面，当前国内芯片人才总量不足，高端芯片人才稀缺，半导体行业“抢人”氛围浓，企业招人困难。根据猎聘报告，2020 年中国半导体产业从业人数增长，预计到 2023 年前后人才需求增加，人才缺口将近 23 万。从具体岗位看，设计端的模拟设计工程师、射频设计工程师、CPU 架构师、信号完整性工程师等研发工程师紧缺，他们是芯片研发端的主力。
我国半导体行业处于十字路口，虽面临诸多压力和困境，国产芯片自主化发展道路漫长，但前进脚步不会停歇。芯片行业发展无捷径，期望更多人了解芯片、投身该行业，勇攀科技高峰。
