芯片“卡脖子”到底卡哪了？前道设备没有友谊赛
卡脖子的，远远不是芯片本身。
来源 | 天鹰资本
作者 | 曹 畅 章金伟
出品 | 投资人说（touzirenshuo）
2018年3月，特朗普高喊“中国偷走了数百万美国工作岗位”，一手挑起对华贸易战，自此先后加征三轮约3600亿美元高额关税。
尔后拜登政府上台，把中国定义成“最严峻的竞争者”，不久前又升格为“最严峻长期挑战”。
与此同时，台积电正持续被奉为“亚洲最受欢迎的朋友”，市值远超阿里腾讯高至4万多亿。
四年来，在贸易战和新冠疫情双重冲击下，“卡脖子”、“缺芯”一跃成年度热词。
“国产替代”是茶余饭后的佐餐主题。
不得不说，半导体是当之无愧的焦点。
虽然叠加2021年市场高基数，2022年全球半导体销售额增速或有所下滑、消费级半导体估值遇冷。
但可观的是，高性能计算、汽车电子对芯片的需求量持续提升，对半导体产业的带动能力逐步增强。
那么在这样的大环境下，我们今时今日所说的“卡脖子”卡的到底是什么？
为什么至今我们还在“卡脖子”？
国产替代到底解决的是什么？
透过当下的全球晶圆厂扩产潮中，可以窥见端倪。
今年来中芯国际宣布分别在北京、上海、深圳建立了3座12英寸晶圆厂。
华虹半导体、华润微、士兰微等IDM厂也均已开始加速12英寸厂的扩产。
最近，受国内晶圆厂逆周期扩建消息影响，A股半导体及元件板块异动拉升。
不止中国大陆，台积电宣布未来3年投资1000亿美金用于产能建设。
全球第三大硅晶圆厂环球晶宣布新建一座生产12英寸硅晶圆的工厂。英特尔宣布在美国、以色列、德国扩建晶圆厂。
三星也宣布投资170亿美金在美国建晶圆厂。
而晶圆厂制作出合格的晶圆，需要历经上千道工序。
这上千道工序大家可能不甚熟悉，但提到其中国产化率低至1%的光刻环节，你已能体会这些工序和其利用设备的重要性和艰难。
在这个产业发展时点，国内外半导体厂商密集扩产，身体力行证实产业重心前移的紧迫性。
其实卡脖子的，远远不是芯片本身。
“半导体文明”
制造工具与路径依赖
想搞清半导体怎么“卡脖子”的，首先要从搞清半导体材料制成芯片的过程开始。
半导体材料80%以硅为主。
厂商通过将高纯度的多晶硅溶解后掺杂,然后慢慢拉出,形成圆柱形的单晶硅，得到可精准控制导电性能的半导体材料——硅片。
我们常说的晶圆(硅晶片)是制造半导体芯片的载体,其原始材料是前述的半导体三代原材料。
半导体元器件是放置在硅片上的一个个立体结构。
半导体元器件主要包含二极管、晶体管、电容、电阻等，它们通过导线互联，绝缘层阻隔，组成具有特定功效的电子器件，按其功能可分类为：
分立器件、存储器、逻辑芯片、模拟芯片、传感器和光电器件。
除分立器件、部分光电子器件、部分传感器外，其他均可统称为集成电路（IC），也就是我们常说的芯片（芯片由N多个半导体器件组成）。
一般大家说的芯片28nm、14nm、7nm、5nm，指的就是芯片的制程工艺（主要为前道工艺），是晶体管结构中的一道道栅极的线宽，也就是处理CPU和GPU表面晶体管电路的纳米数值。
宽度越窄，功耗越低；制程越小，尺寸越大。
从半导体制造工艺流程来看，可以拆分三大环节：
单晶硅片制造流程、晶圆制造/前道工艺流程、封装测试/后道工艺流程。
晶圆前道制造的工艺，就包括氧化/扩散、光刻、刻蚀、离子注入、薄膜生长、清洗与抛光等多个“耳熟能详”的步骤。
与人类历史相似的是，工具的使用标志着一段“文明”的衍进。
这里每个环节，都需要相对应的机器设备进行单个或多个工序制造。
设备的制造能力反过来直接代表了一个国家的半导体工艺水平。
以集成电路为例，半导体设备也可分为前道设备和后道设备。
据SEMI统计，前道设备占比超过了80%。
随着制程的不断迭代，28nm以下制程的工艺步骤激增至上千道，被称为先进制程，应用于高性能计算、车规级芯片。
这就导致需求倒推生产，对前道制造设备的精准度、良品度要求，也随之激增。
据统计，前道设备中薄膜沉积设备（使用占比18%）、光刻设备（24%）、刻蚀设备（10%）、过程控制设备（10%）、清洗设备（6%）、离子注入设备（2.5%）等在产线中，成本占比较高。
一个背景是，一条规划10万片产能的12英寸集成电路生产线，投资需要近百亿美元，其中超过70%资金是用于购买设备材料。
综上可见，前道设备重要性高、成本高、工序复杂。
而目前中国大陆半导体前道设备整体自给率仅约15%，也就是被“卡脖子”风险最高的一个环节。
下图中统计的公开数据显示，我国涂胶显影机国产化率为5%，光刻机仅为1%。
前道设备被外国企业拿捏得死死的，即便中国能设计出新型芯片，也没有机器可以造。
如果不快速推进国产替代，芯片设计和下游缺芯的企业只能干着急。
根据Wind数据，2021全球半导体设备销售额达1026亿美元，2016-2021年全球半导体设备销售额CAGR为20.01%；
2021 年中国大陆半导体设备销售额为296亿美元，2016-2021年大陆半导体设备销售额 CAGR为35.60%。
据SEMI数据预测：
2022全球半导体设备总销售额有望达1175亿美元，市场前景广阔。
半导体设备细分市场规模（单位：十亿美元）
然而对于晶圆制造厂而言，配合上游设备验证需要付出大量的人力（合作研发、调试）、物力（拿出其他设备配合验证的机会成本损失、验证过程中的物料损失），以及采用新设备供应商面临的巨大潜在风险（批量晶圆报废的风险、向客户延迟交货的风险），很少有晶圆厂愿意承担以上的损失和风险去验证新供应商的设备。
这也就意味着：
首先这些设备不可能一下子过剩，其次行业内天然鼓励厂商路径依赖，因此半导体设备是个龙头极度垄断的行业。
前道设备厂商通常都具备先入优势、验证优势、资本优势，各细分领域CR3（Top 3厂商市占率）都超过80%。
而问题是半导体设备的生产本身也要芯片，因此目前全球半导体产业链已经形成共识，就是把设备的芯片需求放到第一优先级，从而保障全球晶圆厂的产能。
我们已知半导体设备行业具有研发投入大、技术壁垒高、创业周期长等特点。
加之行业属性，对于投资机构而言，此前基本属于难投的环节，几乎无法在3-5年的短期内帮助LP赚得回报，甚至等待时间可长达十年以上。
制裁打压下的偷师
拆开机器看看就行吗？
常常被拿出来讨论的国产替代，本质存在两方面价值：
拓新（掌握低自主化技术）、拔高（将中低端芯片生产技术优化提升，以生产高端芯片）。
难以否认，在被美国制裁强压下，我国半导体制造技术与顶尖的芯片制造工艺仍旧相距遥远。
但一批中国头部企业仍艰难进行着技术国产化突破，努力实现“软硬闭环”：
万业企业掌门人带领公司历时七年，攻克离子注入机等集成电路设备的产业化；
华海清科约在2014年成功研制出国内首台 12 英寸 CMP 设备 Universal-300，是目前国内唯一一家能够提供半导体 12 英寸 CMP 商业机型的厂商；
华为正建立首家晶圆厂，是国内目前唯一能够开发相干光DSP芯片组的企业；
中微公司的介质刻蚀已经进入台积电5nm产线；
北方华创的ICP刻蚀已进入中芯国际14nm产线验证阶段；
中科院旗下上海光机所对已有的OPC技术实现优化；
国产14纳米芯片预计明年量产
……
他们是怎么做到的？
在海外并购之路历尽劫数的条件下，有人说最简单的方法就是像小时候拆玩具一样，拆开了再安装一遍。
那么，这样拆开重装就可以掌握真正的技术了吗？我们这就从技术角度展开看看。
半导体设备技术壁垒可分为三个层次：
（1）半导体设备是由成千上万的零部件组成的复杂系统，将成千上万的零部件有机组合在一起实现精细至nm级别的操作，是第一个难点。
半导体设备（光刻机-ASML）内部结构复杂
（2）保障设备在nm级别的操作基础上的超高良率，是半导体设备制造过程中的第二个难点，也是半导体企业对设备厂验收主要考察的核心点。
制造一块28nm芯片通常需要上百台设备紧密配合，历经400-500道工序，若单工序良率仅能做到99%，则历经500道工序最终良率不足1%；
设备厂需要提升至小数点后两位的水平，才能使良率达到95%以上。
这也直接导致中国晶圆厂艰难生产的现状，需要保证整个生产链条的极高生产良率，就要整个生产链条共同实现升级后的国产化。
设备的良率缺陷会在数百道生产工序中巨幅累积放大
（3）保障设备在实现以上两个要求的基础上长时间稳定的运行，是半导体设备制造过程中的第三个难点。
与上述同理，一条芯片产线上百台设备，每一台设备稳定运行时间的微小降低，将在整个体系内被巨额放大。
若发生设备宕机造成该批假设1000片晶圆的报废，在28nm及以下的制程级别对应的损失超过300万美元，近2000万人民币。
正是由于设备本身和产线构成的复杂性，单设备的良率、稳定性会在整个体系内产生累积效应的影响，同时可能带来巨额的潜在损失，因此晶圆制造厂商对于上游设备的验证、验收有严苛的标准和流程。
（4）除此之外，由于半导体对杂质、良品度要求高，但使用过程中易发热，晶圆厂商通常还会要求设备厂提供的设备，要能在使用过程中防止腔体内的金属分子“串线”污染，防止易氧化的材料过热氧化，是又一重难关。
综合来看，“拆开重装”只是迈出了极微小的第一步。
背后研发经历的艰辛和煎熬，只有企业才能个中体会。
好消息是，半导体行业具有周期性+过去两年芯片产能波动，行业快速发展促使着我们国产化率不断提升。
从年度数据来看，2021年各晶圆厂中标设备国产率达27.4%，较2020年16.8%有明显提升。
2022 年 4 月主流晶圆厂开标的108台设备中，源自中国大陆厂家制造的设备共计67台，占比达 62%；
2022年1-4月开标的401台设备中，源自中国大陆厂家制造的设备共计97台，占比达24.2%。
虽然较2021年有所降低，但这可能是由于国内厂商采购节奏有关，预计全年的设备国产率仍将有望超过2021年。
迸发的机遇
在当前贸易保护主义盛行、美元强势背景下，中国半导体企业还有哪些机会？
（1）宏观环境角度
中美贸易战，让国产替代成为刚需。这就推动着晶圆厂扩建、产业链国产化成为必然。
就像疫情加速各行业数字化、移动办公，已成为后疫情时代普遍的生活工作方式一个道理。
而中国的产品，也正在向高端化、智能化、定制化升级。
（2）供给端角度
半导体前道设备涉及到的细分品类非常之多，而且即便同一种品类的设备，针对的下游工艺不同，技术要求会不同，其对设备的需求量也不同。
（3）需求终端角度
5G、超算、新能源、电动汽车的逐步普及，将成为当前新一轮周期的产品需求驱动力。
（4）产业模式角度
由于美国技术先进，可以做到产业平台化发展，设备厂均为平台型发展思路，多型号设备可供客户任意选择。
中国由于起步晚、经验不足，很难通过工艺变革超车，必须先做好满足客户需求这一步，保证重要客户成为第一个“安全登月”的人。
（5）产业链上
封装测试等环节，融资成本低、扩产过热、政策扶持、市场热情等一系列因素综合作用，导致这些环节多数不具备技术含量的企业，估值减退、融资遇冷。
如今产业链重心前移，前道设备已从幕后跻身台前。
媒体认为新设备技术供应商要另辟蹊径找领域，抓住这波晶圆厂扩产潮，秉承技术落地第一和满足客户第一，一旦导入便有希望成为该细分领域的小龙头。
中国半导体产业重心已明显前移。
半导体投资也由看产品策略、定义能力、团队背景的“上半场”，转为注重技术落地第一的“下半场”。
如今半导体投资， 我们更关注实际性能表现能否满足客户需求，这也是后入局的前道设备厂商、晶圆厂的突破口。
媒体视角下，我们时常将自己定位为服务平台。
因为秉持着，用产业投资的思路推动产业生态发展，对投资人的要求更看重懂产业、懂技术。
如今我们也已做到能和各领域企业产生共情，成为一荣俱荣的双赢伙伴。
在半导体产业上游，我们布局了中欣晶圆，是中国大陆能够独立完成12英寸单晶硅棒研发及生产的少数企业之一。
中欣晶圆主营业务为半导体硅片的研发、生产和销售。
主要产品包括 4 英寸、5 英寸、6 英寸、8 英寸、12 英寸抛光片以及 12 英寸外延片，并从事半导体硅片受托加工和出售单晶硅棒业务。
小尺寸硅片主要在精度要求比较低的产品里用到，而大尺寸硅片的作用不止于此。
有了它，无人飞机才能飞，人造卫星、宇宙飞船和航天飞机才可以准确升空、飞行、定位，并自动向地面发回各种信息。
此外，天鹰还布局了大型晶圆厂，并围绕该晶圆厂的先进制程与特色工艺，深度参与产业生态建设，加速布局前道设备和高端材料。
在投资上我们更重视先行实践和能力储备。
中国制造已经实现了向中国智造的转型，我们希望可以为中国半导体产业链建立优势，用资本的助力提供适当的土壤和契机。
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