美國科技戰再下晶片出口禁令,中國在半導體製程還有哪些突破口?

美國科技戰再下晶片出口禁令,中國在半導體製程還有哪些突破口?
Photo Credit: AP/達志影像

我們想讓你知道的是

在美國逐漸封鎖EDA和高階晶片下,中國廠商將加緊朝國產自主方向發展,我們認為有三個領域會是作為美國禁令的主要突破點。

本篇文章將深入探討在目前晶片法案通過以及中美科技戰升溫下,對於主要國家的影響。

前篇半導體系列文章所述,半導體產業在經歷了疫情爆發及供應鏈問題後,各國政府紛紛加碼補貼扶持半導體在地化,去年12月美國哈佛大學的一篇報告《偉大的科技競爭:21世紀的中國與美國的較量》提到未來許多重要且不可缺少的技術領域上,包括AI、5G通訊協議、生物科技、綠能、量子科技等項目中,中國有可能成為世界的領導者,且在某些領域躍居第一,這也再度挑起了美國對中國科技實力緊追在後的警惕心,近期的出口禁令也接踵而來。

美國發動科技戰所帶來的影響

美國為了削減中國半導體和科技上的實力,除了在晶片與科學法案中,限制補貼企業繼續在中國新增先進製程設備、並禁止美國設備商出售14奈米以下設備至中國外,8/15商務部更加碼將四項「新興和基礎技術」列入出口管制,再次顯示美國有意要更進一步把持前沿的科技技術在自己手中,管制內容包括:

  • 第四代半導體材料的氧化鎵及金剛石
  • 用於GAAFET架構(3奈米以下)的EDA程式
  • 渦輪燃燒技術(PGC)等

MM辭典: 環繞式場效電晶體(GAAFET, Gate-all-around FET)架構為半導體製程微縮的技術之一,主要是用來解決當製程節點來到3奈米以下時上一代鰭式場效電晶體(FinFET)架構無法突破的物理極限而產生的漏電問題。

針對本次的科技戰細節,以下M平方也藉由三大面向來評估對中國的影響:

1. 美國有意把持前沿技術,然第四代半導體仍處開發階段

第四代半導體材料被作為這次出口管制的主角之一,主要因為第四代半導體於未來產業趨勢領域的應用上具有相當高的潛力。

相較於第三代半導體(碳化矽、氮化鎵),第四代半導體(氧化鎵及金剛石)更寬的能隙(wide band gap),以及能夠承受更高的電場的優勢,在這些特性下可以讓氧化鎵承受更高的電壓跟功率密度,以及更好的電源轉換效率,包括電動車、新能源設備等領域,甚至在太空衛星、高鐵、軍事等極端環境,氧化鎵都能有很好地運用空間。

但由於氧化鎵和金剛石目前仍處於開發階段,中國本身相關的應用需求偏低,出口管制短中期並不會對中國有太大衝擊,但長期而言,美國的態度十分明顯。

半導體圖一
Photo Credit:財經M平方(資料來源:財經 M 平方整理)

2. 中國本土EDA佔比低且技術集中,當前仍仰賴海外EDA工具

相較於氧化鎵及金剛石,EDA程式的禁令會更加具影響。EDA工具就是「電子設計自動化工具」,由於晶片設計日趨複雜,晶片在製程微縮後線距愈來愈小,也導致設計一個晶片時要顧慮的東西非常多,包括材料的物理特性、溫度、頻率等,尤其未來在先進封裝、3D堆疊等技術需求增加後,晶片設計又更加複雜,而EDA工具可以電腦程式來降低工程師在設計晶片時的難度,並提高良率。

我們認為EDA工具的管制,對中國半導體和晶片產業前進高端市場具有相當的阻力,原因是雖然中國本身也擁有EDA企業,但多數是針對晶片設計中的某單一節點作切入,即使是中國本土最大的EDA龍頭廠華大九天,國內佔比也僅只有5~6%。對比美國EDA三大巨頭(Synopsys、Cadence、Mentor)的產品線非常廣泛,在中國佔比就將近8成,在本次管制3奈米以下的EDA程式的衝擊影響將較為顯著。

技術上,華大較成熟的技術包括「類比電路設計EDA(Analog Circuit DesignEDA)」和「平板顯示電路設計EDA( Flat Panel Display Circuit DesignEDA)」,但在「數位電路設計EDA(Digital Circuit DesignEDA)」和「晶圓代工電路設計EDA( Foundry Circuit DesignEDA)」與美國企業有明顯差異,甚至沒有GAA相關的研究及開發。

這些顯示中國在數位IC設計、晶圓製造如果要進一步將製程微縮,仍非常仰賴海外的EDA工具。尤其在晶片設計愈來愈複雜的情況下,將更依賴矽智財(IP) ,但 IP 的市場及技術也同樣被美國所壟斷。

半導體圖二
Photo Credit: 財經M平方(資料來源:IPNest、賽迪智庫)

3. 中國晶片需求仰賴海外,高性能晶片管制為邁入高階市場帶來限制

除了EDA管制外,美國政府近期又加碼對NVIDIA及AMD的高端GPU和AI晶片限制到中國和俄羅斯的出口進行管制,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晶片都是使用這一兩年NVIDIA的最新GPU架構,包括2020年公布的Ampere架構以及今年最新的Hopper架構,都是針對資料中心及AI的運算需求去進行著墨的GPU晶片,而AMD的Instinct MI 200系列也是2021年11月剛推出的最新資料中心GPU架構,系列中就包括了被管制的MI 250晶片。

可發現被納入出口管制的晶片,其實都是目前全球GPU領域中運算能力非常頂級的晶片類型,雖然短期美國給了1年的緩衝期,在明年9月以前可以讓這兩家公司在香港將訂單完成,但若長期來看,雖然中國作為全球最大的半導體銷售市場,但晶片需求仍然相當仰賴海外進口,中國集成電路的進出口是持續呈現明顯貿易逆差,尤其在高階晶片領域更是如此。

例如中國的AI晶片市場就有將近80%是由 NVIDIA 所壟斷,禁令影響到的是中國廠商向先進高端領域的發展,包括自駕車、邊緣運算、機器人、數據中心等需要大量運算需求的產業。

而且即使中國的IC設計業者已經有能力自行設計出高階晶片,但中國本土並沒有相應的晶片製造能力,因為14奈米以下的設備以及3奈米以下的EDA程式都已被禁止,短中期是很難在技術上進行國產替代,長期來看,確實會讓中國在新興科技領域的發展受到相當大的限制。

半導體圖三
Photo Credit: 財經M平方(資料來源:WSTS、中國海關總署)

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