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延续上篇文章介绍完整个半导体产业的供需结构、上下游供应链的把持者、未来半导体市场格局展望等,本篇文章将深入探讨在目前晶片法案通过以及中美科技战升温下,对于主要国家的影响。

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前篇半导体系列文章 所述,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,除了在晶片与科学法案中,限制补贴企业继续在中国新增先进製程设备、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金刚石
  • 用于 GAAFET 架构(3 奈米以下)的 EDA 程式
  • 涡轮燃烧技术(PGC)等

MM 辞典: 环绕式场效电晶体(GAAFET, Gate-all-around FET)架构为半导体製程微缩的技术之一,主要是用来解决当製程节点来到 3 奈米以下时上一代鳍式场效电晶体(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(氧化镓金刚石)更宽的能隙(wide band gap),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。

各世代半导体材料比较 资料来源:财经 M 平方整理

2. 中国本土 EDA 佔比低且技术集中,当前仍仰赖海外 EDA 工具

相较于氧化镓及金刚石, EDA 程式的禁令会更加具影响。 EDA 工具就是「电子设计自动化工具」,由于晶片设计日趋複杂,晶片在製程微缩后线距愈来愈小,也导致设计一个晶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 堆叠等技术需求增加后,晶片设计又更加複杂,而 EDA 工具可以电脑程式来降低工程师在设计晶片时的难度,并提高良率。

我们认为 EDA 工具的管制,对中国半导体和晶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,但多数是针对晶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,国内佔比也仅只有 5 ~ 6%。对比美国 EDA 三大巨头(Synopsys、Cadence、Mentor)的产品线非常广泛,在中国佔比就将近 8 成,在本次管制 3 奈米以下的 EDA 程式的冲击影响将较为显着。

技术上,华大较成熟的技术包括「类比电路设计 EDA(Analog Circuit Design EDA)」和「平板显示电路设计 EDA( Flat Panel Display Circuit Design EDA )」,但在「数位电路设计 EDA(Digital Circuit Design EDA)」和「晶圆代工电路设计 EDA( Foundry Circuit Design EDA )」与美国企业有明显差异,甚至没有 GAA 相关的研究及开发,显示中国在数位 IC 设计、晶圆製造如果要进一步将製程微缩,仍非常仰赖海外的 EDA 工具,尤其在晶片设计愈来愈複杂的情况下,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

IP 及 EDA 技术多数掌握于美国 资料来源:IPNest、赛迪智库

3. 中国晶片需求仰赖海外,高性能晶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高端 GPU 和 AI 晶片限制到中国和俄罗斯的出口进行管制,包括 NVIDIA 的 A100 及 H100 晶片以及 AMD 的 MI 250 晶片。要先瞭解的是,A100 跟 H100 晶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 AI 的运算需求去进行着墨的 GPU 晶片,而 AMD 的 Instinct MI 200 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 MI 250 晶片。

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