芯片观察｜美国芯片管控前景分析_风闻

走出去智库观察

近日，荣鼎集团发布报告“Running on Ice: China’s Chipmakers in a Post-October 7 World”认为，美国于2022年10月7日推出全面的出口管制措施（以下简称“出口管制新规”），将对为云计算、深度神经网络和其他需要大量计算能力的应用设计尖端芯片的公司产生深远的影响。

走出去智库（CGGT）观察到，美国的出口管制新规前所未有，不仅扰乱了全球半导体产业链原有的分工体系，也对美国企业造成了直接负面影响。新规出台后，不少美半导体巨头大幅下调了营收目标：应用材料公司(Applied Materials)披露，出口管制新规对其2023年营收的负面影响或达到15亿-25亿美元；泛林集团(Lam Research)认为，其2023年营收或将减少20亿-25亿美元；科磊(KLAC)则预测，由于无法向部分中国客户提供支持，其2023年营收将减少6亿-9亿美元。

美国芯片管控有哪些措施？今天，走出去智库（CGGT）刊发荣鼎集团报告的主要内容，供关注美国芯片管控的读者参阅。

要 点

CGGT，CHINA GOING GLOBAL THINKTANK

**1、**美国无晶圆厂芯片设计师几乎完全依赖外国代工厂代工传统芯片;20-45nm制程的80%代工产能位于中国。

2、如果想在后端工艺方面超过中国，美国及其合作伙伴需要大量的时间和资源，以及出于政治目的接受更高的价格。在未来3-5年内，中国将新增50-180nm晶圆的****产能，几乎与世界其他地区一样多。

3、中国技术本土化的努力、美国出口管制政策的威胁以及OEM供应链多元化，可能有助于中国芯片制造商在不依赖先进制程的领域(如微控制器和汽车半导体)增加市场份额。

**4、为智能手机处理器和自动驾驶等市场设计尖端半导体的中国公司的芯片产量较低，**远低于美国出口管制设定的高性能计算门槛，并仍将严重依赖外资代工厂生产此类芯片。

正 文

CGGT，CHINA GOING GLOBAL THINKTANK

文——

Reva Goujon荣鼎咨询董事

Lauren Dudley荣鼎咨询高级分析师

Jan-Peter Kleinhans

德国智库Stiftung Neue Verantwortung

Julia Hess

德国智库Stiftung Neue Verantwortung

译——****

姜早

走出去智库（CGGT）战略研究部

一、美国芯片管控概述

过去一年，美国加大了半导体出口管制力度。2022年8月，美国实施了一项多边协议，限制出口用于尖端芯片开发的电子设计自动化软件。然后，在2022年10月7日，美国推出了一套全面的出口管制措施，限制向中国销售高性能计算芯片，并针对半导体价值链中的关键瓶颈限制出口相关产品——软件和芯片制造设备——阻止中企在尖端芯片方面的发展。到2023年初，美国已经与日本和荷兰达成了一项协议，以限制生产14纳米及以下逻辑芯片所需设备的出口。

如果美国及其盟友严格执行上述管制措施，可能会严重遏制中企扩大尖端芯片开发规模的能力，并在美国“力量倍增”半导体技术方面取得进展，包括超级计算和云人工智能(AI)加速器。

美国出口管制新规最严格的限制集中在高性能计算芯片上。全球只有少数几家公司能设计出如此先进的芯片。

其中包括美国英伟达(Nvidia)的H100和AMD的MI250，以及中国初创企业壁仞仁科技(Biren Technologies)的BR100。如果采用美国原产技术的尖端芯片达到出口管制新规的计算性能门槛，美国政府可以阻止美国公司向任何中国实体销售和代工这些芯片。这可能会对为云计算、深度神经网络和其他需要大量计算能力的应用设计尖端芯片的中国公司产生深远的负面影响—**—**在美国开始在生成式人工智能等领域进入新的创新时代之际，这对中国来说是一个令人担忧的前景。

二、美国出口管制新规的潜在影响

美国(目前)为出口管制新规设置了相对较高的计算性能阈值。

例如，其中一个阈值是4800 TOPS *bits (teraoperations per second)。为移动芯片组(如Unisoc、小米、Oppo和Vivo)或自动驾驶芯片(如地平线机器人)等市场设计尖端芯片的中企可能会远远低于这一门槛。

例如，Unisoc目前最先进的移动芯片组T820具有集成的AI加速器，具有8位精度的8 TOPS，从而产生64 TOPS *bits——远低于美国规定的4800 TOPS *bits阈值。

地平线机器人公司的自动驾驶芯片“旅程5”也是如此，它的计算能力为128 TOPS，精度为8位，结果为1024 TOPS *bits。只要美国保持相对较高的计算性能门槛，这些公司在未来几年仍将能够在国际市场上保持竞争力，尽管华盛顿可能随时调整监管参数。

除了在针对中国半导体的技术规格时限制产品的计算性能阈值外，美国出口管制新规和美国与其合作伙伴的谈判集中在生产14纳米或以下先进逻辑芯片所需的关键零部件上。

这些控制措施直接影响到中国的服务器、笔记本电脑、图形和智能手机处理器的完全本土化生产能力——在这个市场上，产品的竞争力在很大程度上依赖于为设备提供动力的芯片的节点特征尺寸的缩小。例如，苹果公司用于iPhone 14 Pro的A16处理器(在4nm制程上有160亿个晶体管)比苹果公司用于iPhone 4的A4处理器(在45nm节点上有1.49亿个晶体管)的晶体管多100倍。

三、在美国管控政策无法施力的制程领域

美国出口管制新规对中国的芯片产业造成了打击，但仍有许多类型的芯片不依赖于甚至不受微小制程的影响(例如，在一平方毫米的硅上可以压缩多少晶体管)。

对于功率半导体、模拟芯片和微控制器而言，情况确实如此，中国在这些领域仍有充足的增长空间。包括汽车、医疗设备、物联网、无人机、工业自动化、机器人和精准农业在内的广泛应用主要依赖于在“成熟制程”制造的芯片，中芯国际和华虹等中国代工厂正在迅速扩大产能。对于用于功率半导体、图像传感器或微控制器的晶圆厂芯片时，“传统”、“成熟”或“前沿”等制程的分类标准可能会模糊相关技术标准。成熟制程的典型规格(如28nm、45nm或90nm)在各自的市场中仍然被认为是“最先进的”。

下面我们将详细介绍20-45nm(微控制器的关键)和50-180nm(功率半导体、物联网芯片和传感器的重要)制程工艺的代工厂和非代工厂产能。代工和非代工之间的区别至关重要:中国的产能来自代工工厂，这意味着它们在向芯片设计公司提供技术和产能。****

相比之下，美国的尖端晶圆产能份额几乎完全来自集成器件制造商(idm)，如德州仪器(Texas Instruments)，它们在自己的晶圆厂设计和制造自己的芯片。如图1所示，美国芯片设计师几乎完全依赖国外代工厂来生产20-45nm制程的芯片。****

截至2023年3月公布的晶圆厂投资数据显示，全球约60%的20-45nm制程节点制造产能，仅中国大陆就占27%。新晶圆厂一旦按计划投产，中国在未来3-5年内将占全球20-45纳米晶圆代工厂产能的近80%。

在50-180nm的成熟制程上，情况看起来非常相似:中国目前控制着全球约30%的50-180nm制造能力，如果截至2023年3月宣布的所有中国晶圆厂都按计划建成，那么在未来5年内，这一比例可能会攀升至全球35%(图2)。在10年内，中国将控制全球50-180nm无晶圆厂芯片设计工厂产能的46%左右。****

中国不断扩大的成熟制程晶圆产能对中外设备制造商都具有重要意义。对于中国国内的电动汽车、工业机器人、无人机、物联网设备、医疗设备和其他产品制造商来说，中国传统芯片制造业的低利润率和高产量增长降低了生产成本，并有助于使中国的供应链免受外部冲击。

与此同时，中国不断增长的产能和成本竞争力鼓励外国原始设备制造商从中国采购廉价的传统芯片，这使得中国能将有限的资源集中在尖端技术研发上。

这种情况可能会加剧美国政策制定者对“传统技术”领域供应链对中国依赖的担忧。认识到这些风险，美国《芯片和科学法案****》拨款100亿美元用于传统芯片制造。但如果美国及其伙伴国想要在这一市场领域超越中国，就需要时间、资源以及出于政治目的容忍更高的价格。未来3-5年，中国将新增50-180nm晶圆产能(90万WSPM)，几乎与世界其他地区(110万WSPM)相当。

四、中国在提升芯片价值链方向上的努力

在评估中国在成熟制程领域的竞争力时，除了产能外，还需要考虑其他因素。

我们研究了中国在三个不同的半导体市场中向价值链上游移动的增长动力和障碍:通用微控制器、汽车半导体、智能手机和平板电脑的移动芯片组。

（一）****通用微控制器微控制器本质上是单个芯片上的微型计算机，用于测量、感知、控制和计算环境中的几乎所有事物。在现代消费电子、汽车、农业、电网、医院和无数其他应用中，它们是不可或缺的。2021年，全球微控制器销售额达到200亿美元，领先的五家供应商控制了82%的市场份额。但是，没有一家中国公司跻身十大微控制器供应商之列(图3)。

大多数现代微控制器是在20-180nm的成熟制程上生产的，其计算频率比移动芯片组(分别以兆赫兹和千兆赫兹测量)低几个数量级。

微控制器领域的竞争主要由三个因素驱动:

· 功能和集成水平:微控制器提供的功能越多，产品就越通用。现代微控制器是高度集成的设备，使用多个接口，通信协议，数字和模拟输入和输出，计时器等等。

· 开发环境和支持:微控制器是专门的软件编程。软件栈越好(通过易用性、文档、支持服务等来衡量)，开发人员就越容易对微控制器进行编程。这种动态还会产生锁定效应:熟悉某些微控制器及其软件堆栈的开发人员可能不愿意切换到不熟悉的供应商。

· 成本:由于微控制器通常用于简单的任务，与高性能云加速器或移动芯片组相比，成本是一个竞争优势。

中国微控制器供应商的市场份额较低，但有几个优势可以推动其增长。

首先，大疆、海尔、小米等中国消费电子、家电和物联网公司的崛起，已经扩大了中国微控制器供应商的总体潜在市场。其次，由于美国出口管制的威胁以及国家对公司推进“自力更生”政策的压力不断上升，中国公司以及试图保持其在中国市场份额的外国公司可能被迫从国内微控制器制造商那里采购。第三，供应链的中断正在鼓励中国和外国公司寻找更多样化的供应商。

集成和互操作性对于中国公司增加微控制器市场份额的竞争力至关重要。

中国最大的微控制器供应商GigaDevice的产品策略就是一个很好的例子。该公司的GD32微控制器与欧洲意法半导体的STM32微控制器兼容(通常可以直接互换)。在全球芯片短缺的大流行时期，GigaDevice使用其“引脚兼容克隆”来填补意法半导体留下的供应缺口，当时意法半导体报告称，大多数STM32微控制器的生产周期为52周，甚至更长。GigaDevice的产品进入策略把握得很好:该公司的微控制器收入增长了两倍，从2020年的1.22亿美元增至2021年的3.63亿美元。

话虽如此，中国的微控制器公司并不都是单纯的模仿者:2019年在上海证券交易所上市的Expressif开发了采用台积电40nm节点生产的具有竞争力的微控制器，由于该产品的Wifi和蓝牙集成，该产品迅速受到欢迎。

****（二）****汽车半导体现代的汽车包含数百种半导体，包括微控制器、功率半导体、传感器和存储芯片。向电动汽车的过渡将大幅增加对汽车半导体的需求:根据美国国际贸易委员会(US International Trade Commission)的数据，一辆典型的电动汽车包含价值超过1000美元的半导体，而传统汽车的半导体价值约为330美元。毫不奇怪，世界上最大的(按收入计算)汽车芯片供应商位于欧洲、日本和美国，在那里，供应商在成熟的汽车制造中心的多个细分市场竞争(图4)。目前，中国的汽车芯片在国际市场上用于更简单的功能，如座椅控制、水泵或照明，但中国在新能源汽车领域的先发优势，为中国汽车芯片制造商向价值链上游移动创造了新的机会。

中国汽车芯片制造商要想在这个快速增长的市场上取得重大进展，必须跨越一些关键门槛，即:

· 安全认证:汽车芯片需要满足几个安全认证要求，才有资格销售给汽车制造商。这需要对设计和制造过程有很强的理解和密切的协调。此外，汽车原始设备制造商将他们的供应链推向“零缺陷”(不良率在十亿分之十的范围内)。

· 产品生命周期长:由于汽车的平均生命周期在15年左右，汽车芯片供应商需要在生产周期中保证特定芯片的供应和性能。因此，汽车原始设备制造商对其芯片供应商非常信任，并在将新供应商纳入供应链之前采用公认的认证流程。

到目前为止，中国公司在汽车微控制器市场上的增长最快，有20多家中国公司，包括比亚迪、ChipON、Geehy和GigaDevice，正在开发汽车级微控制器。

虽然中国制造的汽车微控制器目前主要用于简单的功能，但有几个因素可以使中国公司提升价值链，以扩大国内和全球市场份额。

这些包括:

· 中国设备制造商的增长:超过80%的中国电动汽车市场由国内公司控制，如比亚迪、五菱、长安和吉利。这些车企更可能从中国境内汽车芯片供应商采购。例如，ChipON开发了自己的汽车和工业微控制器知识产权，并获得了几家中国汽车原始设备制造商的投资。 

· 汽车芯片短缺:虽然许多半导体市场供过于求，但汽车芯片迄今为止是个例外。许多汽车芯片预计在整个2023年都将供不应求，甚至可能更长。

· 地缘政治缓冲:美国主导的出口管制可能会蔓延到使用美国原产技术的某些类型的汽车芯片上(例如，针对碳化硅功率半导体)，这为中国汽车设备制造商寻求中国境内汽车芯片供应商以确保业务连续性创造了另一个动力。外国汽车制造商希望保护其在中国的市场份额，并在新能源汽车领域提高竞争力，可能也不得不从中国本土供应商那里采购。 

****（三）****移动芯片组智能手机和平板电脑中移动芯片组的原始计算能力，远低于美国出口管制新规规定的计算性能阈值。

但由于移动芯片组在很大程度上依赖于缩小制程来获得性能提升，中国移动设备制造商无法摆脱对外国代工厂制造尖端芯片的严重依赖。例如，中国移动芯片组制造商Unisoc依靠台积电的6nm EUV制造其旗舰T820移动芯片组。尽管存在这一重大漏洞，但中国移动芯片组制造商仍有扩大市场份额的空间。

智能手机芯片组的竞争主要由成本、性能和快节奏的创新驱动。苹果在成本上是个例外:尽管苹果的iPhone占据了不到20%的市场份额，但自2015年以来，苹果在全球智能手机市场上占据了80%的利润。

除了苹果之外，成本往往会对智能手机制造商的竞争力和更广泛的芯片组市场产生重大影响。

目前，全球移动芯片组市场由联发科(Mediatek)和高通(Qualcomm)领导，其次是中国的Unisoc和韩国的三星(Samsung)。

苹果没有在公开市场上销售自己的移动芯片组。Unisoc公司的全球移动芯片组市场份额从2019年的不到3%增长到2022年的10%以上，增长了两倍多。Unisoc最大的客户是中国手机设备制造商Oppo、Vivo和小米。这些公司也在公司内部投资芯片设计，在未来十年内，它们在移动芯片组领域的市场份额可能会增长。三星最近开始在其初级平板电脑和智能手机中使用UNISOC芯片组。

展望未来，由于对尖端芯片设计软件的多边限制，中国移动芯片组设计在与外国竞争对手保持同步方面将面临障碍。

2022年8月，《瓦森纳协定》(Wassenaar Arrangement)对能够设计下一代晶体管结构(gate -全能场效应晶体管或GAAFETs)的电子设计自动化(EDA)工具增加了技术转让限制。因此，自2022年11月以来，新思科技(Synopsys)和Cadence等美国EDA供应商一直在向中国客户发货没有GAAFET功能的限制版本。如果没有这些关键的芯片设计工具，中国的移动芯片组设计师可能会被困在(大约)3nm工艺制程上。

五、美国芯片产业的管控政策

在美国的出口管制尚未触及的领域，中国半导体企业仍有扩张空间，但对于任何考虑采用中国制造芯片的设备制造商来说，被美国管制的风险若隐若现。

例如，美国能够利用单边出口管制，将中国的YMTC赶出竞争激烈的3D NAND闪存市场。YMTC的市场份额一直在稳步增长(据估计，它占据了全球NAND销售额的近5%)，直到2022年10月7日受到管制的打击，并于2022年12月被列入BIS实体名单。此后，中国政府支持的投资者向YMTC提供了70亿美元的资金，但现金注入对解决该公司在采购非美国原产软件和工具方面的挑战收效甚微。

内存芯片的例子给试图权衡从中国采购芯片利弊的中国和外国设备制造商提出了一个关键问题:美国主导的出口管控是否会延伸到其他商业领域?

随着中美之间关系紧张，一些美国政策制定者正在关注中国在供应链上游环节(包括传统芯片、活性药物成分、太阳能电池和电池技术以及关键材料)的“强制性杠杆”，“强制性杠杆”普遍存在于消费端和产业应用中。

美国正在采取更多的政策工具来打击竞争对手并构筑其供应链。这些包括:

• 收紧对中国外资晶圆厂的现有出口管制:如果美国评估韩国领先的存储芯片制造商三星(Samsung)和SK海力士(SK Hynix)在将先进存储芯片生产从中国转移到其他地方的行动不够迅速，它们的一年期许可证可能会被吊销(或威胁被吊销)。 

• 扩大对中国科技实体的出口管制和制裁。

• 将基于清单的出口管制扩大到不太敏感的技术领域。

•**美国芯片产业政策条件收紧:**美国《芯片与科学法案》赋予美国商务部长相当大的权力，以调整保护措施并从接受者那里收回资金。3月21日的《融资机会商务通知》包含了几项关键条款，包括对受助人在中国扩大制造能力的严格限制。这是一项有意宽泛的规定，旨在让公司首先向商务部报告相关交易，然后商务部将利用这些信息来完善限制。

• **旨在保护美国信息和通信技术(ICT)供应链的限制:**最近推出的白宫支持的两党限制法案有意采取一种全面的方法，针对与任何美国ICT产品或服务有关的外国实体，这些实体可能构成破坏或颠覆风险，对关键基础设施造成灾难性影响，选举干预，或(全面)对美国国家安全或美国人的安全构成风险。

• **与补贴支持相关的采购和投资限制:**2022年美国《合并申请费现代化法案》要求寻求与相关外国实体进行并购交易的公司，向联邦贸易委员会披露该外国实体收到的任何补贴信息。

• **入境和出境投资审查:**美国及其盟国家正在审查合并、收购或合作等投资是否有可能增加对中国关键供应链的依赖。如果这些风险被发现，交易可能会以国家安全为由受阻。预计白宫即将发布的一项行政命令将把半导体列为优先事项。目前，美国正迈出第一步，针对“实力倍增”技术领域的对外投资，制定通知和潜在阻止机制。

原文链接：

https://rhg.com/research/running-on-ice/

 免责声明 

本文仅代表原作者观点，不代表走出去智库立场。