青铜报告 | 芯片封锁只会封出“中国奇迹”！（上）

编者按 针对当前汽车行业的快速变化以及智能电动汽车时代面临的挑战，青铜科技出品《青铜报告》，旨在对新能源汽车赛道智能、科技、技术与营销等领域进行深度挖掘，解答从业者在生产经营中的困惑，探寻消费者最真实的需求。

2022年第7期，我们聚焦芯片产业，以下为本期《青铜报告》的部分内容。

一、开篇

本期报告试图回答的4个问题：

1.美国对中国实施芯片技术封锁，影响有多大？

2.中国的芯片技术处在什么水平？哪些方面被“卡脖子”？

3.汽车产业缺的是哪种芯片？何时能缓解？

4.中国企业在芯片领域有哪些布局？

从2020年下半年开始，全球市场就出现了芯片短缺的问题。直到今天，这个问题还依然存在。究其原因，一方面是疫情造成全世界许多加工厂都不能正常开工，另一方面是全球智能设备快速升级，芯片需求量大增。此外，人为囤货也加剧了部分芯片的缺货程度。

鉴于芯片半导体在未来竞争中的重要战略地位，各国纷纷出台政策措施，寻求建立一个安全和弹性的供应链，确保本国在芯片供应上不再简单依靠某一国家或公司。

今年2月，欧盟委员会就公布《芯片法案》，要求欧盟在2030年之前，投入430亿欧元资金，支持芯片设计与制造，强化欧洲在技术方面的领导力。

各国也都有自己的“芯片法案”，美国更是“严阵以待”。

8月9日，美国总统拜登正式签署《芯片与科学法案》。《法案》提到，为美国半导体研发、制造和人才发展提供527亿美元。

《法案》还特别规定，禁止得到美国补贴的企业10年内在中国大陆扩大生产和投资比28纳米更先进的芯片。

很明显，《法案》除了促进美国在半导体领域的研发和生产，确保其处于领导地位，对抗中国也是非常重要的目的。

根据最新消息，8月31日，美国芯片设计公司英伟达称，被美国政府要求限制向中国出口两款最新两代旗舰GPU计算芯片A100和H100。这两款芯片可用于加速AI、资料分析和高效能运算作业。

那么，美国《法案》的颁布到底会对中国产生多大影响？

我们知道，芯片包括设计、制造、封装测试三个主要环节。

其中，中国的芯片设计技术水平和世界领先技术差异不大，但是芯片设计里面涉及到的芯片架构和EDA软件都是受制于人的。

芯片的制造、测试、封装则是由晶圆加工厂商来完成。在该领域，台积电占据了市场50%以上的份额。中国大陆也有华虹半导体、中芯国际等晶圆代工厂，但是大陆的公司主要生产的芯片都是14nm制程及以上的，最新的7nm制程的芯片大陆公司都不具备生产能力。

全国政协经济委员会副主任苗圩表示，如今所谓“卡脖子”，则是卡在芯片流片制造环节。

将一张二维图纸变成三维实物，涉及到一系列设备与工艺的配套。28nm是成熟制程与先进制程的分界线。28nm及以上的制程工艺被称为成熟制程，28nm以下则为先进制程。而美国的制裁使得光刻机等核心设备缺位，我国先进制程升级的阻力颇大。

另外，就汽车行业来说，制程工艺之外，汽车芯片想要“上车”也面临更高的门槛。车规级芯片除了一般的标准外，也要适应汽车使用的一系列标准，比消费级、工业级芯片要求更高，需要的认证时间也更长。

二、芯片产业链绵长，寡头格局，竞争壁垒高

芯片产业链整体可被分为上、中、下游三个板块，其中上游为芯片的支撑产业，由半导体材料和半导体设备构成；中游为芯片制造产业链，包含设计、制造和封测三个环节；下游则为芯片的具体应用领域，涉及消费电子、移动通信、新能源、汽车、人工智能和航空航天等领域。

芯片产业链绵长，全球化分工明显，各工序的专业性不断提高。有些尖端技术不断集中，投资规模也越来越大。出现了荷兰阿斯麦尔（AMSL）、台积电等在芯片生产制造方面拥有技术上难以取代的企业。

1.上游：材料及设备

芯片产业链上游包括EDA工具、技术服务、半导体材料和设备四个板块。

A.EDA工具

EDA全称为电子设计自动化（Electronic Design Automation），是指用于辅助完成超大规模集成电路芯片设计、制造、封装、测试整个流程的计算机软件。

EDA贯穿于芯片设计、制造、封测环节，是集成电路产业的战略基础支柱之一。芯片越来越复杂，目前最常用的SOC的晶体管个数更是 动辄就是几亿，甚至上十亿，其设计的复杂度决定了必须要由EDA完成。

全球主要的EDA厂商都在美国，Top3家Synopsys、Cadence和Mentor Graphics占据着市场60%以上的份额，2019年因为美国禁令，头部三家EDA厂商都与华为终止了合作。

B.技术服务

技术服务包括IP、电路分析、布图分析等。在芯片设计层面，随着芯片制程演进与SoC产品趋势，芯片设计复杂度迅速攀升，如何改善芯片的性能、功耗、裸片尺寸、良率等都是IC厂商面临的问题。尤其对初创企业而言，芯片设计所需的投入是个不小的挑战。

IP（Intellectual Property Core）即知识产权核，指在集成电路设计中通过验证、可重复使用、具有特定功能的宏模块，是与EDA共同构成芯片设计的强大支柱。

IP可以移植到不同的半导体工艺中，设计公司无需对芯片每个细节进行设计，可通过购买成熟可靠的IP方案以实现某个特定功能，以缩短设计周期、节约设计成本，并提升产品性能及可靠性，因此IP核是支持设计产业链的上游关键环节。IP使得IC设计变得如同搭积木一样。

C.半导体材料

根据半导体制造的工艺流程，半导体材料可以被分为制造材料和封装材料两大类。制造材料主要包括硅片、化合物半导体、光刻胶、光掩模、电子特气、CMP材料、溅射靶材和湿电子化学品，用于IC制造；封装材料主要包括封装基板、键合金丝、引线框架、塑封材料等等，用于IC封装测试。

半导体制造材料是基础制备材料，细分领域众多。其中，硅片占比达到36%。晶圆制造材料中占比最大的是硅片，2020年硅片市场规模占晶圆制造材料总规模的35%，金额为122亿美元。硅片处于最上游，是唯一贯穿IC制程的材料，质量直接影响芯片的质量与良率。

半导体封装材料也存在诸多细分产品，其中封装基板占比最大达到40%。从半导体竞争格局来看，各类半导体材料市场市场集中度较低，呈现较为分散，日本厂商在封装材料领域占据主导地位，部分中国大陆厂商已跻身前列，成功占据一定市场份额。

D.半导体设备

根据SIA数据统计，全球半导体设备大致可以分为11大类，50多种机型。前道设备主要有光刻机、刻蚀机、薄膜沉积机、离子注入机、CMP设备、清洗机、前道检测设备和氧化退火设备八大类，后道设备主要分为测试设备和封装设备。 

前道设备于晶圆制造过程，覆盖从光片到晶圆的成百上千道工序。光刻机、薄膜沉积设备、刻蚀及清洗设备、前道检测设备和后道检测设备2019年全球销售额市场份额占比分别约为19%、19%、25%、9%和9%。

目前，全球前道设备市场份额主要由美欧日企业垄断，几家头部设备大厂美国AMAT占比约为17.0%，荷兰ASML占比约为16.6%，日本TEL占比约12.5%，美国LAM占比约11.2%，美国KLA占比约6.3%，合计占比近64%。

阿斯麦尔是当前唯一能提供7纳米工艺光刻机的企业，生产晶圆的设备商主要在日本，三菱、索尼等企业占优势。上海微电子已经能够生产制作28纳米芯片的设备。

2.中端：设计、制造、封测

从制造工艺角度看，芯片产业链从上至下可分为设计、制造和封测三大环节。

根据运作模式，芯片制造企业又可以分为垂直整合模式（Integrated Device Manufacture，IDM模式）和垂直分工模式（Fabless、Foundry、OSAT）两种。

IDM是指集芯片设计、制造、封装测试到销售等多个产业链环节于一身的垂直整合模式，能够协同优化各个环节，充分发掘技术潜力，代表企业有三星、德州仪器(TI)。

Foundry是指只负责制造环节的代工厂模式，该类模式不承担由市场调研失误或产品设计缺陷所带来的决策风险，但相对前者更受制于公司间的竞争关系，代表企业包括台积电、格罗方德和中芯国际等。

A、设计

IC设计的核心目的是把集成电路在系统、逻辑与性能的设计转化为具体的物理版图，后续将物理版图提供给IC制造厂商，打造实体集成电路产品。

IC设计环节可分为前端设计（逻辑设计）与后端设计（物理设计），从流程上来看，前端设计可得到集成电路的门级网表电路，后端设计则与工艺相关，经最终版图验证后即可得到需交付给IC制造厂商的物理版图。

在全球的芯片产业的设计上，美国占据了50%以上的市场，高通、英伟达、博通等是其中的代表企业。

B、制造

制造环节又分为晶圆制造和晶圆加工两部分。前者是指运用二氧化硅原料逐步制得单晶硅晶圆的过程，主要包含硅的纯化、多晶硅制造、拉晶、切割、研磨等，对应的设备分别是熔炼炉、CVD设备、单晶炉和切片机等；晶圆加工则是指在制备晶圆材料上构建完整的集成电路芯片的过程，主要包含镀膜、光刻、刻蚀、离子注入等几大工艺。

当前全球晶圆代工产业区域集中度较高，产能主要分布在中国台湾、韩国、日本、中国大陆等东亚国家和地区。中国台湾和韩国拥有最先进制程（5nm/7nm）晶圆生产能力。

C、封测

芯片封测是集成电路产品制造的后道工序，指将通过测试的晶圆按产品型号及功能需求加工得到独立集成电路的过程，可分为封装与测试两个环节。

封装是将通过测试的晶圆加工得到独立芯片的过程，使电路芯片免受周围环境的影响（包括物理、化学的影响），起着保护芯片、增强导热（散热）性能、实现电气和物理连接、功率分配、信号分配，以沟通芯片内部与外部电路的作用，它是集成电路和系统级板如印制板（PCB）互连实现电子产品功能的桥梁。

测试主要是对芯片产品的性能和功能进行测试，并挑选出功能、性能不符合要求的产品。封测环节的测试工艺包括后道检测中的晶圆检测（CP）及成品检测（FT）。

3.下游：终端应用

芯片产业下游应用领域广泛，包括传统的通信（含手机）、计算机、消费电子、汽车电子、工业控制和医疗等领域，以及新兴的人工智能、云计算等领域。

随着人们迈入5G时代，万物互联、智慧生活等概念兴起，数据、信息爆发式增长，数字化、自动化、智能化需求浪潮迭起。以人工智能、云计算、智能汽车、智能家居、物联网等为代表的新兴产业蓬勃发展，催生出许多新的半导体IC应用需求，如AI芯片、HPC芯片、汽车MCU等，这些创新应用将成为未来半导体IC行业长效发展的主要驱动力。

4.智能化打开汽车芯片全新市场

汽车芯片是指用于车体汽车电子控制装置和车载汽车电子控制装置的半导体产品。汽车芯片从应用环节可以分为5大类：主控芯片、存储芯片、功率芯片、模拟芯片、传感器芯片等。

A.主控芯片

主要用于计算分析和决策，主要分为功能芯片（MCU）和主控芯片（SOC）。MCU指的是芯片级芯片，一般只包含CPU一个处理单元（例：MCU=CPU+存储+接口单元）。SOC指的是系统级芯片，一般包含多个处理单元（例：SOC=CPU+GPU+DSP+NPU+存储+接口单元）。

汽车芯片都是高算力的异构芯片，一个芯片内有CPU的核、加速器、AI核、ISP等，这些芯片上的软件靠传统MCU时代的嵌入式软件是支撑不了的，SoC异构集成扬帆起航。

B.功率半导体

功率半导体主要用于保证和调节能源传输。电动化趋势下，新能源汽车功率半导体需求快速提升。新能源汽车半导体含量显著高于传统汽车。其中，新能源汽车功率半导体用量及规格均高于传统燃油车，功率半导体约占每辆车半导体价值量增量的四分之三。

英飞凌Q4 FY2021财报披露数据显示，一辆配备传统内燃机的汽车的平均半导体含量为490美元，轻混合动力汽车为600美元，全混合动力为890美元，插电式混合动力及纯电动汽车为950美元。其中，功率半导体约占每辆车半导体价值量增量的85%。

C.模拟芯片

模拟芯片在汽车各个部分均有应用，包括车身、仪表、底盘、动力总成及ADAS，主要分为信号链芯片与电源管理芯片两大板块。电源管理占比47%，主要用于将电源有效分配给系统的不同组件；信号链占比53%，主要用于将真实世界的信号转化为数字世界的信息。

D.传感器芯片

汽车智能传感器主要包括车载摄像头、激光雷达、毫米波雷达、红外传感器、超声波传感器等。随着汽车智能化程度提升，汽车传感器的价值量也将快速提升。

在汽车智能化浪潮中，图像传感器扮演重要的角色。随着自动驾驶技术和安全技术的发展，车用图像传感器数量也将从传统的两颗左右提升至十余颗。

E.存储芯片

2022年全球汽车存储芯片市场规模约52亿美元，国内汽车存储芯片市场规模增长潜力大。目前车载市场中主要的存储应用包括DRAM（DDR、LPDDR）、和NAND（e.MMC和UFS等）。

三、以芯片打压中国，美国打得一手“好算盘”

1.美国疯狂“画饼”，各方反应不同

早在今年3月，美国总统拜登已开始拉拢日本、韩国以及中国台湾地区的芯片制造商，提出共同组建所谓“芯片四方联盟”的构想。

其中，参与组建四方联盟的企业有美国的应用材料、美光、英特尔、博通、高通；韩国的三星，SK海力士；日本的东芝、瑞萨、东京电子；以及台湾省的联发科、台积电、日月光等等。

不过，韩国态度并不明确。

据韩媒报道，韩国外长朴振8月访华期间，向中方通报了韩国政府将参加“芯片四方联盟”预备磋商会议的计划。韩方表示，加入芯片联盟绝非针对中国的行为，韩国可以在其中扮演与中国的桥梁角色。

有分析指出，韩国试图在中美两方中保持微妙平衡。目前来看，韩国有可能迫于美国压力加入联盟。但与此同时，韩国芯片企业在中国存在广泛投资利益，中国也是韩国芯片产业最重要的出口市场，韩国不希望“联盟”被赋予过多地缘色彩。

可以预见，在配合美国芯片法案的同时，韩国将竭力维护在华半导体产业投资及升级的基本利益，并维护中韩供应链体系的供求稳定，这关系韩国的经济命脉。

事实上，“芯片四方联盟”不仅对韩国、还将给全球产业链带来负面影响。分析人士指出，包括台积电在内的芯片厂商若过度配合美国，也可能面临技术外流、丧失芯片制造龙头优势的风险。

而且，无论是“芯片四方联盟”还是美国芯片制裁法案，美方此举已彻底抛弃公平竞争原则，不惜将科技和经贸问题政治化、工具化、武器化，恣意破坏国际贸易规则，给全球半导体供应链带来严重干扰。

从长远来看，国际企业为维护市场份额，将不得不调整布局，最终后果反而可能是全球产业链出现“去美国化”的趋势。美国滥施单边制裁，对别国搞“技术封锁”“技术脱钩”，也将让其他国家更加警醒，并将促使各国加快实现科技自主自立自强。企图堵别人的路，最终只会堵死自己的路。

2.我国芯片自给率低，人才缺口大

随着全球经济迅速走向数字化，各行各业对芯片的需求猛增。由于受到疫情、美国封锁制裁及我国先进的制程工艺，成熟工艺的紧缺的影响，中国缺“芯”危机持续蔓延。2021年进口金额突破到了近4326亿美元，同比增长23.6%，均创下历史新高。

芯片人才匮乏现象日渐凸显，人才流出严重随着国产芯片产业高速发展。据中国半导体协会预测，2022年中国芯片专业人才缺口将超过25万人，而到2025年缺口将扩大至30万人。当前国内芯片人才总量不足，高端芯片人才稀缺，半导体“抢人”氛围充斥，企业招人困难。我国半导体人才流失严重，其中不乏清华、北大赴美留学学霸。

目前，芯片市场消费类芯片需求疲软，面临高库存压力，屡传芯片厂被砍单的消息；另一方面，车规芯片产能依旧紧张，叠加全球疫情、俄乌战争等压力，当前主要由少数几家垂直整合能力非常强的国外芯片厂商所占据。

2021年，国内汽车芯片自给率只有5%。从细分领域来看，我国在汽车计算、控制类芯片的自主率不到1%，传感器4%，功率半导体8%，通信3%，存储器8%。

对于中国芯片受制于人一事，同济大学汽车工程学院教授朱西产表示，相比于消费级、工业级，车规级芯片的安全性和稳定性要求高、研发周期长、技术门槛高、资金投入大，其中车规级MCU最长交付期达52周。因此，发展车规级芯片面临的挑战也更多。

3.短期内车规级MCU影响有限，长远看SoC将受制约

从2020年9月以来，在疫情，需求等多重因素影响下，缺芯问题持续影响ECU正常供应和整车生产制造，部分领域芯片供应有恶化趋势。

目前，汽车最缺的是MCU（Micro Control Unit，微控制单元），车载MCU是汽车电子控制单元（ECU）的核心部件，负责各种信息的运算处理，主要用于车身控制、驾驶控制、信息娱乐和驾驶辅助系统，具有提高车辆的动力性、安全性和经济性等作用。

通常汽车中一个ECU负责一个单独的功能，配备一颗MCU；也会出现一个ECU配备两颗MCU的情况，如博世MG 7.9.8 ECU，可能是基于安全性考虑的全冗余设计，当主MCU故障时另一颗可以用作故障诊断与纠错，或是早期的一个ECU为实现多功能如点火、变速配备多颗MCU。

车载MCU可分为8位、16位及32位。车载MCU位数越多对应结构越复杂, 处理能力越强，可实现的功能越多。8位MCU主要用于简单车身控制，如空调、雨刷、门窗、座椅、低端仪表盘等；16位MCU主要用于中端的底盘和低端发动机控制，如制动、转向、悬架、剎车等；32位MCU主要用于高端的发动机和车身控制，如高端仪表盘、高端发动机、多媒体信息系统、安全系统等。

一辆车平均有50-100个MCU。现代的新车由于功能增加，平均包含50-100个ECU/MCU。而且，汽车中没有孤立的ECU，不同位置的ECU需要长达一公里的电线将它们连接到多个不同的网络，才能实现ECU之间的通信。

由于传统燃油车功能变化较少，搭载MCU数量较稳定；新能源汽车受益于电动化和智能化，叠加汽车架构转变进程缓慢，新能源汽车MCU数量高速增长。

随着计算需求越来越专业化，将CPU、GPU、DSP、NPU等不同类型的芯片，外加上接口、储存等电子元件，就组成了俗称“片上系统”的SoC（System on Chip），形成“系统级别的芯片”。最典型的例子就是特斯拉的FSD，一颗CPU+GPU+2×NPU的多核SoC芯片。

SoC芯片主要分为智能座舱及自动驾驶芯片。智能座舱芯片相比于自动驾驶芯片对安全的要求相对更低，未来车内“一芯多屏”技术的发展将依赖于智能座舱SoC，芯片本身也将朝小型化、集成化、高性能化的方向发展。

座舱技术链技术升级支撑“一芯多屏”趋势，座舱芯片、域控制器及操作系统等软硬件技术的升级，为主机厂在多屏和联屏方向提供更多空间，座舱厂商纷纷发力“一芯多屏”的座舱方案，并且实现量产；其中自主品牌对座舱的联屏方案更加积极开放。

自动驾驶芯片一方面需要满足更高的安全等级，同时随着自动驾驶几倍的提示，需要更高的算力支持，未来自动驾驶芯片会往集成“CPU+XPU”的异构式SoC（XPU包括 GPU/FPGA/ASIC等）方向发展。

当前，芯片短缺问题仍在持续。随着新能源汽车的进一步放量，车规级高端芯片短缺仍将持续。从国产替代的角度来看，高端芯片缺货一定程度上为加速实现国产自给带来了历史性机遇。目前国家层面对半导体IC产业扶持力度空前，芯片应用厂商入局芯片设计制造领域恰逢其时。

过去数十年来，芯片制程工艺基本遵循着摩尔定律在持续推进。然而随着制程工艺微缩至10nm以内，芯片设计制造成本快速攀升；同时，杂质涨落、量子隧穿等微观物理效应开始凸显，摩尔定律正在逼近物理、技术和成本的极限。

Chiplet模式是业界在扩展摩尔定律方向上的创新探索，该模式能够在提高芯片性能的同时减少设计制造成本、缩短生产周期，使得芯片制造可以部分绕过先进制程工艺的限制，或为国内半导体产业实现弯道超车带来新的机遇。（未完待续）