现在连高端芯片“卡脖子”技术都有排行榜了？

作者：二马路的冰

排版：Kerry

出品：SOlab

深度好文，4015字=11分钟阅读

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从《瓦森纳协定》内容移除难度等六大维度，芯光社特地研判分析了中国大陆版高端芯片商业化进程所面临的十大“卡脖子”技术。第一名估计各位读者能猜得出来，其它呢？

芯片的重要性毋庸多言。从我们日常生活中的手机、汽车、电视机到高大上的卫星、导弹，芯片无处不在，所谓的“三百六十行，行行用芯片”。2021年，我国芯片进口额近4400亿美元，相当于当年我国GDP的2.45%。

芯片已经成为中美高科技竞争的制高点。

2020年12月18日，美国将中芯国际列入“实体清单”。对用于10nm及以下技术节点的产品或技术，采取“推定拒绝”的审批政策进行审核，直接导致中国大陆无法进行7nm以下先进制程的技术升级。

2021年04月12日，白宫召集英特尔等19家企业高管开会，拜登宣称“中国欲主导半导体供应链”，“美国不能坐视”。

2022年3月28日，美国参议院通过了《2022年美国竞争法》，将在未来5年内拨款520亿美元用于资助芯片研发。

拜登召开“半导体和供应链”峰会。图片来源：CCTV

2019年,中芯国际实现了14nm工艺的风险量产。当前，14nm工艺的良率已达业界量产水准。那么，中国大陆版7nm及以下芯片制造技术还面临哪些“卡脖子”技术呢？为了回答这个问题，芯光社首先梳理了芯片产业链。

芯片产业链主要分为支撑链（装备、材料和掩模）、设计链、制造链和终端应用链。支撑链具有较高的技术壁垒，研发周期长。设计链属于轻资产、知识密集型行业。制造链设计一千多道工序，直接关系到芯片设计能否变成高可靠、高性能的实物。终端应用链的市场规模超过2万亿美元。

芯片全产业链框图。芯光社整理

首先，本文定义的高端芯片采用的是7nm及以下技术节点的先进制造技术，目前的应用场景是高端智能手机处理器、高性能计算处理器等对性能、功耗要求苛刻的领域。

其次，排名依据综合考虑如下因素：

a. 《瓦森纳协定》内容移除难度；

b. 产业链覆盖度（所处链条的重要性、使用时间、次数、维护难度等）；

c. 国内外研发差距；

d. 技术研发难度；

e. 容易受制裁程度（比如保质期、采购数量、是否美制等）；

f. 其它因素（产业化难度、迫切程度等）。

注意：上面选项合计总分是10分，其中a、b、c、f选项满分为1分，d选项满分是4分，e选项满分是2分。

让我们一起来看一看

十大“卡脖子”技术排名榜吧

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第十名

EUV光刻胶

实施半导体制裁的最佳工具

得分：6.1

基本功能：经光刻工艺将掩模版上的集成电路图形高保真图形转移到待加工硅片上。

主要厂商：JSR（日）、东京应化（日）、信越化学（日）、杜邦（美）。

入榜理由：支撑千亿级美元芯片市场的重要耗材，保质期约6个月。2019年台积电曾因光刻胶质量问题导致10万片晶圆报废。近日，JSR首席执行官宣称：即使中国“拿到一份关于化学成分细节的论文……，要在纯度、精度和大规模量产方面实现成功是非常困难的”。

2019年7月，日本对韩国的光刻胶出口管控。图片来源：CCTV

第九名

300mm硅片

千亿级美元芯片市场的载体

得分：6.3

基本功能：芯片产业的基础材料，99%以上的芯片采用电子级多晶硅作为衬底材料。

主要厂商：信越化学（日）、SUMCO（日）、环球晶圆（中国台湾）、Siltronic AG（德）、SK Siltron（韩）。

入榜理由：市场规模最大的半导体材料，纯度高于 99.999999999%。在任意26mm´8mm的面积内平整度差小于等于20nm。晶向、电阻率及其均匀性、氧浓度及其均匀性、碳浓度、缺陷、厚度变化、平整度、粗糙度、TV、表面金属浓度、表面颗粒度等参数控制严格。

大硅片制造生产线。图片来源：新华社

第八名

SoC测试机

测试成本是电路板测试成本的10%

得分：6.6

基本功能：对SoC芯片施加输入信号，测试电路功能及电性能参数，判断芯片功能和性能是否达到设计要求，分析失效原因。

主要厂商：Advantest（日）、Teradyne（美）、Cohu（美）。

入榜理由：对未封装的芯片进行电路功能、电性能参数的大规模并行测试，保持时间同步，具有每引脚测试功能。和存储器测试机一起是后道测试两大技术难点。

V93000 EXA Scale™SoC测试机。图片来源：Advantest官网

第七名

无图形晶圆缺陷检测系统

纳米尺度缺陷精准检测识别的“医生”

得分：6.7

基本功能：对裸晶圆缺陷和薄膜淀积、CMP、光刻、刻蚀等工艺步骤引起的缺陷进行大范围、高精度的快速检测和分类。

主要厂商：KLA（美）。

入榜理由：对颗粒污染、凹坑、外延堆垛等不同类型的缺陷进行全天候、高通量的检测和分类，灵敏度达到亚10nm。其性能严重依赖于光源系统和反射、散射光谱的逆向算法。

Surfscan®SP7XP无图形晶圆缺陷监测系统，图片来源：KLA官网

第六名

有图形EUV掩模检测系统

设计与制造桥梁的最后质检员

得分：7.9

基本功能：检测EUV掩模（光刻主模板）的可复制缺陷，并评估最终质量。

主要厂商：Lasertec（日）、ZEISS(德)。

入榜理由：EUV光刻机的简化版。EUV掩模交付EUV光刻的最后一步。工作波长是EUV，可以对携带粘贴膜的、EUV掩模独有的相位缺陷进行评估。

ACTIS A150 EUV掩模检测系统。图片来源：Lasertec官网

第五名

电子束直写机

人类历史上最精密的“画笔”

得分：8

基本功能：制作芯片设计公司输出的芯片图形，体现芯片设计者意图。

主要厂商：NuFlare（日）、JEOL（日）。

入榜理由： EUV掩模制造中技术最复杂、成本最贵的环节。一款高端芯片通常需要60-90块光刻掩模，其中EUV掩模数量为5-10块，单块成本最高可达200万美元以上。

EBM-9500电子束直写机。图片来源：NuFlare官网

第四名

高能离子注入机

芯片制造装备的榜眼

得分：8.3

基本功能：将所需杂质原子精确注入设定的半导体区域，实现半导体电学性质的可控改变。

主要厂商：Applied Materials（美）、Axcelis（美）、Sumitomo（日）。

入榜理由：束流能量高达几百万电子伏特,实现所需杂质数量及深度的精确控制，其效果决定芯片内部结构中晶体管的基础性能。

VIISTA® 3000XP高能离子注入机。图片来源：Applied Materials官网

第三名

芯片设计中的积木

得分：8.5

基本功能：通过验证的、具有特定功能的可复用电路模块，直接植入芯片设计。

主要厂商：ARM（英）、Synopsys（美）、Candence（美）等。

入榜理由：实现芯片局部的特定功能模块。任何小缺陷都有可能导致数百万元甚至上亿元的芯片研发费用打水漂。

Armv9 Cortex CPUs。图片来源：Arm官网

第二名

EDA 工具

芯片设计产业皇冠上的明珠

得分：9.9

基本功能：芯片功能设计仿真、物理设计、版图验证和性能分析的工业软件。

主要厂商：Synopsys（美）、Cadence（美）、Siemens（德）。

入榜理由：处于芯片产业最上游的基础工具，贯穿芯片系统设计、制造、封装和测试验证等诸多环节，有助于提高设计复杂度，设计效率和芯片性能。

Virtuoso系统设计平台流程。图片来源：Cadence官网

第一名

EUV光刻机

超精密光学制造工业之花

得分：10

基本功能：把EUV掩模上的图形通过EUV缩小投影曝光的方式转移到硅片表面上的EUV光刻胶。

主要厂商：ASML（荷兰）。

入榜理由：延续摩尔定律的重器，你懂的。ASML CEO Peter Wennink 宣称：“中国不太可能复制出顶尖的EUV光刻机”，然后又补充称：“我不是说不能，因为我知道物理定律在中国和这里是一样的”，“永远不要说永远,他们一定会尝试的”。

EUV光刻机原理。图片来源：ASML官网

众所周知，除光刻机等少数技术外，中国芯片整体研发水平已经逼近或达到28nm技术节点。极少数技术已经达到或超越14nm技术节点。但是，高端芯片技术依然存在诸多“卡脖子”问题，中国大陆厂商的市场占有率几乎为0，本文所列的十大技术只是其中的冰山一角。

需要说明的是，一些高端芯片制造核心技术，尽管也具有极高的技术门槛，但是由于中国大陆的技术进步，不在本文讨论范围内。比如刻蚀机技术，2015年，美国取消了对中国大陆刻蚀机的出口限制。目前，中微公司的介质刻蚀机已经应用于中国台积电5nm制程。还需要说明的是，《瓦森纳协定》的内容是动态变化的，比如，2019年，《瓦森纳协定》针对性新增了300mm硅片的出口管制内容。

近年来，随着中国大陆300mm硅片、高能离子注入机等技术的进步，预计不久的将来，本文所列的十大“卡脖子”技术中的部分内容将会同刻蚀机技术一样，在高端芯片生产线上投入量产，让我们拭目以待吧。