本
文
摘
要
人类社会进入到信息化时代，随处可见的都是高科技技术产品，小到遥控器，大到汽车几乎都离不开人类工业文明的发展成果。而这些成果有不少掌握在国外公司手中，不仅赚取巨大的销售额，还垄断了行业市场。
对方随意修改规则便能影响消费市场获取技术支持，因此自研成为了突破的重点目标。其中在五大顶尖技术方面急需突破，一旦突破，将不惧任何国家垄断，有哪五大技术呢？
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光刻机作为芯片产业的核心装备，有人称它为“人类最精密复杂的机器”。同时，光刻机也被称为半导体工业皇冠上的明珠。光刻机产业链主要包括上游设备及材料、中游光刻机生产及下游光刻机应用三大环节。光刻机技术极为复杂，在所有半导体制造设备中技术含量最高。主要涉及系统集成、精密光学、精密运动、精密物料传输、高精度微环境控制等多项先进技术，生产一台光刻机往往涉及到上千家供应商。
目前，光刻机市场竞争格局明确，主要由阿斯麦、日本尼康和佳能三家把持，其中阿斯麦更是全球绝对龙头，市占率83.3%，几乎垄断了高端光刻机（EUV）市场。日本尼康和佳能产品主要为中低端机型。国产光刻机领域中，上海微电子一枝独秀。国产光刻机市场前景广阔，同时，为了避免在芯片产能爬坡时被外界的设备供应“卡脖子”，国产光刻机正在逐步突破。近年来，我国科技取得了巨大突破，五年内有望解决高端芯片短缺问题。
现代社会离不开芯片的支持，任何的智能终端产品都需要搭载芯片，而光刻机就是制造芯片的重要工具。在芯片制造过程中，需要将设计好的芯片图案复刻在晶圆表面，但即便是28nm，14nm的成熟芯片也会集成几十亿根晶体管。如何在有限的单位面积内曝光更多的晶体管数量，让每根晶体管纵横交错，甚至在上百个层级中错落有致，这就需要光刻机运用深紫外或极紫外光源来实现了。以EUV光刻机为例，波长为13.5nm，运用多重曝光可以轻松完成7nm及以下的高端芯片制造。只不过目前只有荷兰ASML一家公司掌握EUV光刻机量产技术，也是许多国家争相突破和发展的目标。
“10nm”“7nm”“5nm”这些词大家想必都不陌生。2018年，中微半导体成功研制7nm的刻蚀机，这是国产造芯的一大进步。（但是成功研制刻蚀机并不代表我们就有能够制造7nm制程的芯片的实力，原因后面会讲到。）这些数字指的是什么？为什么我们需要所谓7nm的光刻机呢？
芯片界有一个著名的定律——摩尔定律，即集成电路上可以容纳的晶体管数目大约每24个月增加一倍，当然对应的理论性能也能增加一倍。但如何在同样尺寸的芯片上增加晶体管数量呢？当然就是把晶体管做小，提高晶体管密度。
“7nm”中的数字最初指的就是晶体管中的沟道长度，它也是区分半导体加工技术换代的重要标志（当然现在的命名更多的是代表技术迭代，其实是要长于7nm的）。想把晶体管越做越小，自然需要更精密的刻刀——光刻机，所谓7nm光刻机就是光刻机能刻蚀的最大分辨率。
除了光学设计部分的难题，一台光刻机需要实现的还有大量挑战极限的事情。比如镜片吸收光会产生热量，因而要对系统进行冷却，那如何解决过程中的振动导致精度问题呢?高分辨率的光刻自然需要高分辨率的光刻胶，如何制备呢？锡微流体如何精确控制大小与流速？整个体系如何确保高精密的机械控制？如何保证整体的可靠性呢？这一切问题都需要系统中任一部分完美配合才能达到，因此EUV光刻机要比你想象的大——大约一辆公共汽车那么大。整个机器包含10万个部件和2公里长的电缆。每台机器发货需要40个集装箱、3架货机或者20辆卡车。
而且，要制造芯片仅有一台光刻机可不够，它的工作环境非常挑剔。首先光刻需要的房间全部为纯净的黄光，因为短波长的光会造成光刻胶变性，无法实现功能。因此黄光对于光刻，就像暗房对于胶片一样。此外，光刻所需的无尘环境要求每立方米的空气中不能有超过10个颗粒，并且颗粒大小小于0.5微米，每小时要净化30万立方米的空气。厂房对地基要求也很严格，不能有任何微小的振动，因而某种意义上讲厂房需要类似“悬浮”。光刻需要的电能也达到非常恐怖的量级，一台EUV工作24小时，耗电量达到3万度。这就是为什么我们拥有了7nm的刻蚀能力，也不等于能够制造7nm的芯片。毫不夸张地说，光刻机是在挑战人类文明的极限，是人类工艺的巅峰之作。
02光 刻 胶
光刻胶又称光致抗蚀剂，是指通过紫外光、电子束、离子束、X射线等的照射或辐射，其溶解度发生变化的耐蚀剂刻薄膜材料，在半导体工业、PCB、平板显示等领域得到广泛应用。目前，全球缺芯背景下晶圆厂产能扩张正逐步迎来落地，半导体光刻胶市场需求稳步向上。光刻胶同样是半导体行业的关键技术之一，属于原材料的一种，而且和光刻机的联系非常密切。光刻胶作为一种光敏化学材料，需要涂抹在晶圆表面，用于保护衬底基座，并且在接收光刻机的曝光光源时承担媒介的作用，将芯片图案转移到晶圆上。
我国光刻胶产业链中，上游主要为原材料及设备，包括树脂、溶剂、单体、光引发剂、生产设备以及检测设备等；中游为光刻胶，主要包括PCB光刻胶、面板光刻胶、半导体光刻胶；下游为应用领域，光刻胶广泛应用于PCB、半导体、面板显示、芯片等。目前，光刻胶生产制造主要被日本JSR、东京应化、信越化学、住友化学等制造商所垄断，尤其在高分辨率的KrF和ArF光刻胶领域，其核心技术基本由美国和日本制造商所掌握。中国本土企业在光刻胶市场的份额较低，与国外光刻胶制造商仍存在差距。数据显示，东京应化市场占比最大达27%，杜邦、JSR、住友化学市场占比分别为17%、13%、13%。
虽然我们反复强调光刻胶在半导体制产业中的重要地位，但当前的国产替代进度，真的不怎么样。首先，摆在光刻胶面前第一道绕不过去的坎，就是上文所说的产品配套测试需要的光刻机。可这恰恰也是中国目前遭到限制的领域之一，而且比光刻胶还要严格。无论是国内企业还是阿斯麦（AMSL，荷兰公司，美资控股）方面都做了不小的努力，试图寻求一种方法绕过美国的封锁，但至今收效甚微。
另一方面，国内也不只是无法生产光刻胶，整体产业链都比较薄弱，供应链整合能力不强。树脂、单体等上游核心原材料的国产化率也并不高，现有工艺与国际先进水平有不小的差距，作为光刻胶核心原材料的专用化学品本身同样依赖进口。国内企业只在PCB光刻胶上游有一定竞争力，但在面板和半导体光刻胶上游，供应商仍然普遍受困于技术积累不足、产能低、投入水平不高、打不开市场等问题。
再次，客户高度特化的需求同样是个问题。在技术发展以及加速升级的驱动下，当前光刻胶下游的终端应用产品，表现出了趋向定制化和多样化的特征：下游不同客户的需求差异明显，即使同一客户的不同应用需求也不一致。这就导致光刻胶的整体生产缺乏统一的工艺，每一类光刻胶使用的原料在化学结构、性能上均有所区别，要求使用不同品质等级的专用化学品。这就迫使制造商需要有能力设计出符合不同需求设计不同配方，并有相应的生产工艺完成生产。这属于行业的核心技术之一，对企业的技术能力要求比较高，目前本土企业还比较欠缺。
越高端的芯片同样需要越高端的光刻胶支持，日本JSR、富士化学、东京应化、信越化学这些日企掌握了全球9成以上的光刻胶市场，对中高端的DUV，EUV光刻胶有极大的话语权。所以如果想要顺利完成高端芯片的制造，那么突破光刻胶核心技术也是一大关键。
03EDA 工 业 软 件
从一般意义上讲，所有跟电子设备和装备相关的设计，仿真，验证，实验等相关都可以纳入EDA的范畴，类似于CAE。从纳米级的器件晶体管，到IC集成电路，PCB，显卡，收音机，家用电器，手机电脑，车载电子系统，天线，大型相控阵雷达，其实都和EDA相关。目前大家对EDA的解读主要在于集成电路设计，这个属于行业理解范畴，而通常讲的EDA，主要是指EDA软件，是工业软件一个子类，也是一直以来国内发展最弱的工业软件之一。
EDA行业的上游主要包括硬件设备、操作系统、开发工具及其他辅助性软件等供应商。EDA行业中游为EDA企业。EDA行业的下游主要包括集成电路设计、制造、封测企业。国内EDA市场一直被国际三巨头控制，国内企业面临的专利壁垒主要来自Synopsys，Mentor Graphics和Cadence虽然在中国大陆不具有明显的专利布局优势，但两家公司进入中国大陆较早，扎根本地市场程度较深，国内公司对其产品具有较高的依赖性。
一款芯片诞生之初离不开设计，就像盖一栋高楼大厦之前，需要设计好图纸。按照图纸来规划楼层的框架，每一个空间面积内的细节分布也需要通过精密的设计来完成。同样的道理，芯片具备怎样的功能，性能和制程都离不开EDA工业软件。使用EDA来完成芯片设计过程中的布局、布线、版图等一系列工作。那么EDA到底难在哪里呢？原因主要有以下3点：
EDA是集成电路相关知识的沉淀，产品的成熟、完善需要较长时间。客户对于新产品接受度低，从而导致新产品缺乏工程应用场景来打磨产品。海外EDA龙头与IP商、代工厂组成生态圈，增加后来者赶超的难度。近年来，受益于产业政策、产业环境、投资支持、行业需求、人才回流等各方面利好的影响，中国EDA市场逐渐兴起。根据中国半导体行业协会的数据，2020年中国 EDA市场规模约93.1亿元，同比增长27.7%，占全球市场份额的9.4%。随着中国集成电路产业的快速发展，中国的集成电路设计企业数量快速增加，EDA工具作为集成电路设计的基础工具，也将受益于高度活跃的下游市场，不断扩大市场规模。
但目前国内集成电路在先进工艺节点的技术发展上，较国际最先进水平仍有较大差距，先进设备等关键生产元素的获取也受到了一定限制。尽管不需要投入太多的硬件设施搞研发，可EDA涉及到大量的专利技术，对于后来者而言，是一道必须绕过的门槛，在更多的路径上进行探索。
04高 端 医 疗 器 械
医疗器械作为现代医疗卫生体系建设的重要支柱之一，具有高度的战略性、带动性和成长性。我国高度重视医疗器械产业的创新发展，主管部门出台多项政策鼓励国产医疗器械加快创新，推动高端医疗器械国产化，促进新技术的推广和应用，推动国内高端医疗器械产业快速发展。高端医疗器械涉及到医药、机械、电子、塑料等多个行业，是一个多学科交叉、知识密集、资金密集的高技术产业。目前，我国高端医疗器械产品主要包括影像设备、治疗设备、体外诊断和植入介入产品四类，具有使用量大、应用面广、技术含量高的特点。
在医疗器械的产业链中，上游为电子器件供应、材料供应等基础设备支撑，中游为医疗器械的制造和检测，下游为医疗机构、实验室等其他终端市场。高端医疗器械行业涉及到医药、机械、电子、塑料等多个行业，是一个多学科交叉、知识密集、资金密集的高技术产业。目前，我国高端医疗器械目前仍然主要依赖进口，仅占市场约30%。2020年，我国提出需要加快补齐高端医疗器械短板，加快关键核心技术攻关，实现高端医疗器械自主可控，全国各地、各部门纷纷响应号召，加速高端国产设备研发。
我国医疗器械整体国产化率较低的主要原因是：核心技术不足，核心产品和技术的国内自主可控化程度低。尤其是高端医疗器械核心技术，如呼吸机核心部件涡轮风机、传感器、芯片等依赖欧美进口的配件，国产涡轮风机和传感器关键性能指标较进口医疗器械配件差，无法及时捕捉患者呼吸频率变化而迅速加、减压力，且无法达到呼吸机对可靠性、安全性的严格要求。只有提高国产供应商的各种元器件研发水平，才能保证医疗器械的整体质量。供应链的国产化和本地化是国产医疗器械走向自主可控和摆脱进口的必由之路，除保持在注塑、机械、电子行业的传统优势外，还需要向芯片、精密控制等高端技术攻关。
由于国产医疗设备产业发展长期落后于发达国家，医院在采购高端医疗设备时没有足够的选择余地，外企对医疗设备售后服务市场的垄断之所以冲不破，也与本土企业和医疗机构的“内忧”尚未得到解决有很大关系。
医疗行业是人类最复杂的学科之一，涉及到方方面面的科学技术多如牛毛，也因此造就了庞大的高端医疗器械市场。类似达芬奇手术机器人、核磁共振仪、高速离心机、冷冻电子显微镜、高效液相色谱仪等等都是顶级的高端医疗器械设备，而他们都有不少共同点，价格昂贵，且核心市场被国外公司垄断。
达芬奇手术机器人是美国直观医疗公司制造的设备，一台售价大约2500万人民币，可以帮助外科医生完成精密的手术，在工作台上操作机械臂，反应灵敏的同时还能过滤不自觉的抖动，让操作十分精细。这样一台手术机器人有价无市，被全球各大医院抢购，还未必能买得到。可由于高端医疗器械对专业学科知识要求太高，对企业的研发环境，人才储备等提出了很大的要求，导致目前为止还是国外公司占主要话语权。
05工 业 机 器 人
工业机器人是在工业生产中使用的机器人的总称，是一种通过编程或示教实现自动运行，具有多关节或多自由度，能对环境和工作对象作出自主判断和决策，并能够代替人工完成各类繁重、乏味或有害环境 *** 力劳动的自动化机器。工业机器人是我国智能制造2025的核心抓手之一，是我国机器换人、制造业产业升级的核心环节。
工业机器人上游为控制器减速器、伺服系统、减速器、传感器、末端执行器等核心零部件生产，中游为工业机器人本体生产及基于终端行业特定需求的工业机器人系统集成，下游应用主要包括汽车、3C电子、家电制造等对自动化、智能化需求高的终端行业。目前工业机器人的市场份额计划都被日本企业垄断，全球十大工业机器人企业中日本占到了7家。伴随着我国信息化的高速发展，近年来我国的传感器行业发展飞快。从竞争格局来看，我国传感器行业TOP5占据了国内传感器市场40%以上的份额，行业竞争格局逐渐成熟。
现代化社会的构建离不开工业制造，基础的制造业覆盖汽车、轮船、飞机、手机等等上百种行业。这些行业所需的零部件是怎么制造出来的呢？汽车的框架，底盘等关键部件又是如何组装的呢？答案是工业机器人。
相信很多人都看过这样一个场景，一条汽车制造生产线的周围有许多机器人手臂在忙活着，动作灵敏，精细，在机器人的操作下完成复杂的零部件组装工作，这就是工业机器人，也是发展高端制造业的必备设施。可是我国工业机器人行业的发展还面临着以下问题：
核心零部件国产化率低，制约国产机器人发展：三大核心零部件仍然是制约国产机器人发展的最大瓶颈。三大核心零部件占工业机器人成本70%左右。尽管近年来核心零部件的国产化率逐步提升，但仍然制约着整机制造的利润水平、性能提升，导致大部分国产整机企业处于亏损状态。随着外资品牌价格逐渐降低，国产品牌面临更加严峻的局面。竞争加剧，平均价格持续下降，国产品牌盈利状况较差：2018年以来，以工业机器人四大家族为代表的国外工业机器人企业加大了在中国产能布局，全球工业机器人产业链向中国大陆转移，增加了国内竞争强度。同时，全球工业机器人平均价格整体持续下行。在工业机器人产业链上，整机制造业毛利率最低，在10%-20%左右。在国产品牌核心零部件国产化率尚低的情况下，工业机器人价格持续下行，导致盈亏平衡点销售数量持续上移，对国产品牌盈利能力形成较大冲击。高端技术人才较为缺乏，人才培养重研发轻应用：工业机器人行业属于技术密集型行业，对从业人员的行业经验和技术水平具有较高要求。在核心零部件和本机制造领域，掌握核心技术的研发技术人员及具备丰富经验积累的装配人员较为缺乏；在系统集成领域，缺乏具备跨学科能力的专业人才，现场调试、维护操作与运行管理等应用型人才的培养力度依然有所欠缺。新一轮经济周期下实体经济面临下行压力，导致自动化需求下降：新一轮经济周期下，尤其是2018年以来，全球实体经济增长乏力、国内汽车行业下滑，中小企业景气度不高，削弱了汽车工业、通用工业企业的固定资产投资计划，自动化资本支出需求下滑。机器人标准、检测认证等体系有待进一步健全：中国工业机器人产业起步较晚，原有部分标准已滞后于市场发展，能够有效覆盖和引导产业发展的产品标准、检测认证等体系尚未健全完善，不利于引导整体产业的健康有序发展。在科技领域，技术变革将激发新的增量市场，对产业格局产生较大的影响。随着新兴技术的发展，未来国产机器人品牌可抓住市场新机会，与外资品牌形成差异化竞争，立足并发展于全球市场。
06结 语
在各类顶尖技术中，大部分都集中在了半导体，这是人类工业文明的基础，也是科技创新的重要基石。光刻机、光刻胶、EDA工业软件这些或许只是冰山一角，还有更多的半导体技术仍需展开探索。如果能掌握核心技术，打破国外供应商垄断，相信行业市场将迎来另一番局面。
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