專利分析視角下我國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)“卡脖子”問題研究

余麗，盛瑩婕*，許景龍，隋秀峰

1.北京理工大學(xué)，中國(guó)工程科技前沿交叉戰(zhàn)略研究中心，北京 100081

2.中共廣東省黨校（廣東行政學(xué)院）圖書館，廣東 廣州 510053

引 言

集成電路（Integrated Circuit，簡(jiǎn)稱IC）是高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的核心組成部分，具有技術(shù)密集、資本密集和勞務(wù)密集的特性，對(duì)支撐經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和保障國(guó)家安全具有戰(zhàn)略性、基礎(chǔ)性和先導(dǎo)性作用[1]，始終是各國(guó)爭(zhēng)奪全球產(chǎn)業(yè)鏈分工主導(dǎo)權(quán)的角力場(chǎng)，逐漸成為衡量一個(gè)國(guó)家或地區(qū)綜合競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力的重要標(biāo) 志[2]。

新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革加速興起，促使全球集成電路產(chǎn)業(yè)進(jìn)入超級(jí)周期[3]。伴隨中美科技競(jìng)爭(zhēng)不斷加劇，美國(guó)出口管制持續(xù)升級(jí)，國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體領(lǐng)軍企業(yè)（如華為、中興、海康威視等）接連遭遇重創(chuàng)，我國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)正處于關(guān)鍵技術(shù)自主可控的歷史窗口期[4]。面對(duì)兩個(gè)大局，立足新發(fā)展階段，攻克集成電路領(lǐng)域核心技術(shù)的“卡脖子”問題，探索顛覆性技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展的重要方向，已成為當(dāng)前我國(guó)實(shí)現(xiàn)高水平科技自立自強(qiáng)的必然選擇[5]。

專利代表著一個(gè)國(guó)家或地區(qū)的研發(fā)創(chuàng)新能力[6]。本文將基于IncoPat 全球?qū)＠麛?shù)據(jù)庫(kù)，從知識(shí)產(chǎn)權(quán)的視角分析集成電路產(chǎn)業(yè)全球創(chuàng)新格局：首先，圍繞集成電路產(chǎn)業(yè)的材料、設(shè)計(jì)、制造、封裝與測(cè)試環(huán)節(jié)，基于文獻(xiàn)調(diào)研整理各細(xì)分領(lǐng)域的關(guān)鍵詞表，分別制定檢索策略（詳見文后附表1），從宏觀角度把握集成電路技術(shù)創(chuàng)新的世界格局；然后針對(duì)集成電路領(lǐng)域具有“卡脖子”效應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)，逐一整理關(guān)鍵詞表并制定檢索策略（詳見文后附表2），綜合文獻(xiàn)調(diào)研、專利分析、主題識(shí)別多種方法，從微觀角度摸清各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)與世界領(lǐng)先水平的差距；最后，剖析我國(guó)集成電路領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展的主要問題，提出創(chuàng)新發(fā)展的對(duì)策建議。

合享價(jià)值度是Incopat 系統(tǒng)提出的一種專利價(jià)值綜合評(píng)價(jià)方法[7]，它考慮了專利類型、被引證次數(shù)、同族數(shù)量、IPC 等46 個(gè)影響專利價(jià)值的參數(shù)，綜合均衡計(jì)算得出，結(jié)果相對(duì)客觀真實(shí)。本文基于合享價(jià)值度將專利分為三個(gè)區(qū)間：高價(jià)值專利（8-10 分），中價(jià)值專利（5-7 分），低價(jià)值專利（1-4 分）。同時(shí)考慮專利的創(chuàng)新性和有效性，本文僅使用專利申請(qǐng)人已授權(quán)的發(fā)明專利進(jìn)行分析。特別說明：中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)作為全球最大的晶圓代工地區(qū)擁有先進(jìn)的集成電路生產(chǎn)流程技術(shù)，已形成完善成熟的集成電路產(chǎn)業(yè)集群。為了摸清中國(guó)大陸集成電路發(fā)展的真實(shí)水平，查找與世界先進(jìn)國(guó)家和地區(qū)的技術(shù)差距，同時(shí)考慮到中國(guó)大陸與中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)在集成電路技術(shù)發(fā)展的外部環(huán)境差異，本文專利分析中涉及中國(guó)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)均未包含中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)。

1 總體發(fā)展形勢(shì)

2000年國(guó)務(wù)院發(fā)布首個(gè)關(guān)于集成電路的政策《鼓勵(lì)軟件產(chǎn)業(yè)和集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的若干政策》，中國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)進(jìn)入起步階段；2008年國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)實(shí)施集成電路裝備專項(xiàng)，數(shù)百家企業(yè)和事業(yè)單位投入數(shù)萬(wàn)名科研人員開展聯(lián)合攻關(guān)；2010年《關(guān)于加快培育和發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的決定》（32 號(hào)文）首次在國(guó)家宏觀政策中提出著力發(fā)展集成電路產(chǎn)業(yè)；2011年《進(jìn)一步鼓勵(lì)軟件產(chǎn)業(yè)和集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的若干政策》（4 號(hào)文）增加對(duì)集成電路設(shè)計(jì)企業(yè)和軟件企業(yè)的保稅政策；2014年《國(guó)家集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)綱要》首次設(shè)立國(guó)家集成電路產(chǎn)業(yè)投資基金；2020年《新時(shí)期促進(jìn)集成電路產(chǎn)業(yè)和軟件產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的若干政策》（8 號(hào)文）從財(cái)稅、投融資、研發(fā)、進(jìn)出口、人才、知識(shí)產(chǎn)權(quán)、市場(chǎng)應(yīng)用和國(guó)際合作八個(gè)方面惠及集成電路全產(chǎn)業(yè)鏈。同時(shí)，國(guó)家先后兩次啟動(dòng)國(guó)家集成電路產(chǎn)業(yè)投資基金（大基金一期和二期），共募集資金3428.5 億元，公開投資的項(xiàng)目已有80 余個(gè)[8-9]，覆蓋了芯片設(shè)計(jì)、晶圓制造、封裝測(cè)試、核心零部件、關(guān)鍵材料、生態(tài)系統(tǒng)等全產(chǎn)業(yè)鏈。

在一系列政策驅(qū)動(dòng)和資金支持下，中國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)取得了突破性進(jìn)展。圖1-a 展示了兩次大基金啟動(dòng)前后集成電路領(lǐng)域全球?qū)＠窬郑▓D中的百分比表示在指定時(shí)間范圍內(nèi)，某國(guó)或地區(qū)專利總數(shù)占全球?qū)＠倲?shù)的比例，下圖同）。公式（1）度量?jī)蓢?guó)或地區(qū)之間專利數(shù)量差距。

圖1-a 近20年IC 領(lǐng)域世界專利分布Fig.1-a The share of patents in the field of IC in last two decades

專利統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示：大基金一期啟動(dòng)之前（階段一，2000年1月1日至2014年8月31日），中國(guó)IC 專利總數(shù)明顯落后于美日韓三國(guó)，僅占世界專利總數(shù)的6%；大基金一期啟動(dòng)后（階段二，2014年9月1日至2019年9月30日），中國(guó)IC 領(lǐng)域奮起直追反超日韓，專利總數(shù)躍居世界第二，與美國(guó)差距從0.78 大幅縮小到0.04；大基金二期啟動(dòng)后（階段三，2019年10月1日-2021年9月30日），中國(guó)IC專利總數(shù)位居世界第一，且領(lǐng)先美國(guó)8 個(gè)百分點(diǎn)，進(jìn)一步擴(kuò)大了領(lǐng)先日韓的優(yōu)勢(shì)。

IC 領(lǐng)域高價(jià)值專利占比顯示（圖1-b），雖然我國(guó)IC 專利總數(shù)持續(xù)大幅增加，但三個(gè)階段高價(jià)值專利占比的增幅不明顯；美國(guó)始終保持著90%以上的高價(jià)值專利比率，技術(shù)壁壘強(qiáng)大；日本高價(jià)值專利占比在最近三年大幅下降落后于我國(guó)，但我國(guó)在IC領(lǐng)域還未形成領(lǐng)先日本高價(jià)值專利的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。

圖1-b 近20年IC 領(lǐng)域高價(jià)值專利分布Fig.1-b The share of high-value patents in the field of IC in last two decades

據(jù)半導(dǎo)體研究公司IC Insights 統(tǒng)計(jì)（圖2-a），2019年美國(guó)IC 企業(yè)占據(jù)全球55%的市場(chǎng)，而中國(guó)的全球市場(chǎng)份額僅有5%[10]。按照材料、設(shè)計(jì)、制造、封裝與測(cè)試四個(gè)環(huán)節(jié)，本文分別統(tǒng)計(jì)IC 細(xì)分領(lǐng)域的專利總數(shù)，如圖2-b 所示。

圖2-a 2019年IC 產(chǎn)業(yè)世界市場(chǎng)份額Fig.2-a The global market share of IC in 2019

圖2-b-1 IC 材料領(lǐng)域的世界專利分布Fig.2-b-1 The global share of patents in the field of IC materials

圖2-b-2 IC 設(shè)計(jì)領(lǐng)域的世界專利分布Fig.2-b-2 The global share of patents in the field of IC design

圖2-b-3 IC 制造領(lǐng)域的世界專利分布Fig.2-b-3 The global share of patents in the field of IC manufacturing

圖2-b-4 IC 封測(cè)領(lǐng)域的世界專利分布Fig.2-b-4 The global share of patents in the field of IC packaging and testing

近20年來，中國(guó)在IC 設(shè)計(jì)領(lǐng)域的專利總數(shù)始終穩(wěn)居世界第二；其他細(xì)分領(lǐng)域均是一路追趕，經(jīng)過多年技術(shù)積累，超越美日德韓等國(guó)家及中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)，逐步上升為專利總數(shù)世界第一。為了進(jìn)一步分析技術(shù)創(chuàng)新價(jià)值，本文針對(duì)IC 四個(gè)細(xì)分領(lǐng)域在階段三專利總數(shù)排名前三的國(guó)家和地區(qū)分析高價(jià)值專利占比（如圖2-c-xa 所示）和高價(jià)值專利總數(shù)（如圖2-c-xb 所示）。

圖2-c-1a IC 材料領(lǐng)域高價(jià)值專利占比分布Fig.2-c-1a The share of high-value patents in the field of IC materials

圖2-c-2a IC 設(shè)計(jì)領(lǐng)域高價(jià)值專利占比分布Fig.2-c-2a The share of high-value patents in the field of IC design

圖2-c-2b IC 設(shè)計(jì)領(lǐng)域高價(jià)值專利數(shù)量分布Fig.2-c-2b The number of high-value patents in the field of IC design

結(jié)果顯示：IC 材料領(lǐng)域，階段一中國(guó)的高價(jià)值專利占比遠(yuǎn)落后于世界先進(jìn)水平，但20年來始終堅(jiān)持IC 材料的品質(zhì)積累，在階段二和階段三中國(guó)的高價(jià)值專利占比節(jié)節(jié)攀升，逐步縮小了與美日的差距。圖2-c-1b 反映出，IC 材料領(lǐng)域，三個(gè)階段美日兩國(guó)的高價(jià)值專利數(shù)量呈現(xiàn)下滑趨勢(shì)，中國(guó)在階段三高價(jià)值專利總數(shù)已經(jīng)超越美日。

圖2-c-1b IC 材料領(lǐng)域高價(jià)值專利數(shù)量分布Fig.2-c-1b The number of high-value patents in the field of IC materials

圖2-c-3a IC 制造領(lǐng)域高價(jià)值專利占比分布Fig.2-c-3a The share of high-value patents in the field of IC manufacturing

圖2-c-3b IC 制造領(lǐng)域高價(jià)值專利數(shù)量分布Fig.2-c-3b The number of high-value patents in the field of IC manufacturing

IC 設(shè)計(jì)與制造兩個(gè)領(lǐng)域，美國(guó)憑借長(zhǎng)期的核心技術(shù)積累始終占據(jù)鰲頭；日本的高價(jià)值專利占比雖有小幅下降，但技術(shù)實(shí)力仍不可小覷；中國(guó)的高價(jià)值專利占比較為穩(wěn)定，近20年無(wú)較大波動(dòng)，與美國(guó)仍有較大差距。

高價(jià)值專利數(shù)量反映出，IC 設(shè)計(jì)領(lǐng)域，中國(guó)高價(jià)值專利數(shù)量緊跟日本；與美國(guó)差距明顯，近20年的高價(jià)值專利累計(jì)數(shù)量?jī)H占美國(guó)的24%。IC 制造領(lǐng)域，三個(gè)階段美日兩國(guó)高價(jià)值專利數(shù)量均呈現(xiàn)陡降態(tài)勢(shì)，中國(guó)則是穩(wěn)步前進(jìn)，階段三高價(jià)值專利數(shù)量已大幅領(lǐng)先美日。然而，由于前期技術(shù)積累不足，雖歷經(jīng)20年追趕，中國(guó)在IC 制造領(lǐng)域高價(jià)值專利累計(jì)數(shù)量也只占美國(guó)的59%。

IC 封裝與測(cè)試領(lǐng)域，中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)憑借晶圓代工龐大的市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)，超越日韓兩國(guó)，躋身前三甲；中國(guó)大陸的高價(jià)值專利占比落后于美國(guó)，不及中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)。圖2-c-4b 也反映出，近20年中國(guó)大陸在IC 封裝與測(cè)試領(lǐng)域的高價(jià)值專利總數(shù)僅是美國(guó)的21%、中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)的79%，技術(shù)創(chuàng)新能力與世界其他國(guó)家和地區(qū)先進(jìn)水平相比差距明顯。

圖2-c-4b IC 封裝與測(cè)試領(lǐng)域高價(jià)值專利數(shù)量分布Fig.2-c-4b The number of high-value patents in the field of IC packing and testing

圖2-c-4a 還反映出，近20年IC 封裝與測(cè)試領(lǐng)域的Top3 國(guó)家和地區(qū)的高價(jià)值專利占比均在萎縮，尤其是近三年呈現(xiàn)陡降態(tài)勢(shì)，高價(jià)值專利減少了30%。究其原因，半導(dǎo)體封裝經(jīng)歷了三次重大革 新[11]：20 世紀(jì)80年代從引腳插入式封裝到表面貼片封裝；20 世紀(jì)90年代球型矩陣封裝；當(dāng)下的芯片級(jí)封裝與系統(tǒng)封裝[12]等；創(chuàng)新周期較長(zhǎng)，技術(shù)更迭速度遠(yuǎn)不如其他細(xì)分領(lǐng)域。本文的專利檢索時(shí)間起始于2000年，IC 封裝與測(cè)試領(lǐng)域在20 世紀(jì)已積累了大量成熟技術(shù)，后期創(chuàng)新發(fā)現(xiàn)難度增加。同時(shí)，專利數(shù)據(jù)具有時(shí)滯性，從申請(qǐng)到授權(quán)平均需要3年時(shí)間，當(dāng)下熱點(diǎn)研究的封裝與測(cè)試技術(shù)可能還未成為授權(quán)專利，沒有計(jì)入本文統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

圖2-c-4a IC 封裝與測(cè)試領(lǐng)域高價(jià)值專利占比分布Fig.2-c-4a The share of high-value patents in the field of IC packing and testing

綜上，中國(guó)在IC 材料領(lǐng)域的專利總數(shù)小幅領(lǐng)先于美國(guó)，高價(jià)值專利占比持續(xù)攀升，正逐步縮小與美國(guó)的差距；IC 設(shè)計(jì)領(lǐng)域的核心技術(shù)積累不足，與美國(guó)存在較大差距；全球制造業(yè)萎縮引發(fā)創(chuàng)新動(dòng)力不足，而中國(guó)IC 制造的技術(shù)創(chuàng)新仍穩(wěn)步前行，為中國(guó)IC 制造環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)趕超帶來了新機(jī)遇；IC 封裝與測(cè)試領(lǐng)域，全球創(chuàng)新速率放緩，高價(jià)值專利產(chǎn)出遇到瓶頸，中國(guó)專利總數(shù)位居世界第三，落后于美國(guó)與中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)。

2 “卡脖子”技術(shù)能力分析

“卡脖子”技術(shù)是指技術(shù)攻克難度大、需求方難以在短時(shí)間內(nèi)突破或找到替代方案的關(guān)鍵技術(shù)，具有技術(shù)壁壘高、市場(chǎng)壟斷性強(qiáng)、處于價(jià)值鏈核心地位的特點(diǎn)[13]。

2018年《科技日?qǐng)?bào)》推出“亟待攻克的核心技術(shù)”專欄報(bào)道了35 項(xiàng)“卡脖子”技術(shù)，其中有6 項(xiàng)與集成電路相關(guān)，包括高端光刻膠[14]、極紫外光刻機(jī)[15]、EDA[16]、FPGA 芯片[16-17]、DRAM 芯片[16]和射頻前端芯片[18]。文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，中國(guó)在大尺寸硅片領(lǐng)域仍被其他國(guó)家和地區(qū)壟斷[19]，存在“卡脖子”風(fēng)險(xiǎn)。

本文將針對(duì)上述7 項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)逐一闡述當(dāng)今世界最新發(fā)展態(tài)勢(shì)，基于市場(chǎng)份額、專利總數(shù)、高價(jià)值專利占比、企業(yè)專利占比、專利主題等分析指標(biāo)（專利檢索時(shí)段為2000年1月1日至2021年9月30日），從知識(shí)產(chǎn)權(quán)的視角對(duì)比中國(guó)與世界先進(jìn)水平的差距，探究引發(fā)我國(guó)IC 領(lǐng)域“卡脖子”效應(yīng)的短板與痛點(diǎn)。

2.1 12 英寸硅片

單晶硅片的尺寸決定了半導(dǎo)體應(yīng)用中芯片的成本。硅片的尺寸越大，在單片硅上可制造的芯片數(shù)量越多，單個(gè)芯片的成本也越低[20]。目前，全球超過90%的半導(dǎo)體硅片都是大尺寸硅片，67%是12 英寸（300mm）硅片，已成為主流產(chǎn)品[21]，主要用于邏輯芯片、存儲(chǔ)芯片等高端領(lǐng)域，硅片質(zhì)量要求更高。

據(jù)IC Insights 統(tǒng)計(jì)，2018年12 英寸硅片全球前五家廠商（日本信越化學(xué)、日本SUMCO、中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)環(huán)球晶圓、德國(guó)Siltronic 和韓國(guó)SK Siltron）的市場(chǎng)總占比高達(dá)93%，而中國(guó)大陸硅片市場(chǎng)份額只占全球的5%，且主要集中在8 英寸及以下半導(dǎo)體硅片，12英寸半導(dǎo)體硅片幾乎全部依賴進(jìn)口[22]。目前，中國(guó)已擁有12 英寸硅片量產(chǎn)能力；然而無(wú)論是技術(shù)還是成本或是市場(chǎng)，與國(guó)際成熟的企業(yè)相比，中國(guó)硅片企業(yè)仍處于弱勢(shì)[23]。

圖3 顯示，日本信越化學(xué)（ShinEtsu）以絕對(duì)技術(shù)優(yōu)勢(shì)占據(jù)12 英寸硅片領(lǐng)域的龍頭，在高中低端均有專利布局；中國(guó)的12 英寸硅片專利總數(shù)大幅落后于世界頭部企業(yè)，僅有少量高價(jià)值專利，尚處在對(duì)大尺寸硅片高附加值知識(shí)產(chǎn)權(quán)的積累階段。

圖3 12 英寸硅片全球?qū)＠植糉ig.3 The global share of patents of 12-inch wafer

人工分析專利主題發(fā)現(xiàn)，12 英寸硅片的頭部企業(yè)專利大多為單晶硅制造方法、工藝與設(shè)備，聚焦新工藝（如退火晶圓、柴式拉晶法、單晶硅晶圓等）的知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)；中國(guó)專利涉及薄膜、外延、對(duì)位等硅片制造環(huán)節(jié)，較少涉及大尺寸硅片制造的成套工藝。

2.2 高端光刻膠

光刻膠是光刻工藝使用的重要材料，其純度要求較高，生產(chǎn)工藝復(fù)雜，技術(shù)壁壘高[24]。目前，國(guó)際上使用量最高的半導(dǎo)體光刻膠為KrF 光刻膠和ArF 光刻膠。KrF 光刻膠應(yīng)用于8 英寸硅片，主要制造3D NAND 產(chǎn)品；ArF 光刻膠應(yīng)用于12 英寸硅片，制造邏輯芯片、AI 芯片、5G 芯片等高端產(chǎn)品[25]。

全球光刻膠市場(chǎng)排名前三的廠商均是日系企業(yè)，分別是日本合成橡膠（JSR）、日本東京應(yīng)化（TOK）和日本信越化學(xué)（ShinEtsu）[26]。目前，我國(guó)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)G/I 線光刻膠的量產(chǎn)（廣泛應(yīng)用于6 英寸硅片），正開始小批量生產(chǎn)KrF 光刻膠，但自給率不足5%[27]，ArF 光刻膠還處于技術(shù)突破階段，尚未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)[28]。由于我國(guó)尚不具備極紫外光刻（EUV）和電子束光刻膠的研發(fā)與生產(chǎn)能力，在折射率、光敏度、分辨率、線邊緣粗糙度等光刻性能參數(shù)上與國(guó)際差距明顯[29]。

圖4 顯示，我國(guó)在KrF 與ArF 光刻膠領(lǐng)域僅有幾個(gè)專利申請(qǐng)人，其專利總數(shù)只占頭部6 家企業(yè)的8%，高端光刻膠核心技術(shù)被日系企業(yè)壟斷。

圖4 高端光刻膠全球?qū)＠植糉ig.4 The global share of patents of high-level photoresist

人工分析專利主題發(fā)現(xiàn)，ArF 與KrF 光刻膠的頭部企業(yè)專利涉足各類化合物（如膜、抗蝕劑、光阻等）研制，還包括適用于精密細(xì)加工的圖案成形方法；我國(guó)專利則停留在光刻膠制備方法的創(chuàng)新階段。

2.3 極紫外光刻機(jī)

光刻技術(shù)的不斷升級(jí)推動(dòng)了集成電路不斷升 級(jí)[30]。光刻機(jī)是實(shí)現(xiàn)光刻工藝的關(guān)鍵設(shè)備，其性能直接決定了芯片的制程。光刻機(jī)涉及精密光學(xué)、精密運(yùn)動(dòng)、高精度環(huán)境控制等多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，對(duì)技術(shù)指標(biāo)提出了非常高的要求[31]。

第五代光刻機(jī)——極紫外光刻（EUV）是目前最先機(jī)的光刻機(jī)，主要用于10nm 及以下先進(jìn)制程的芯片制造，研發(fā)周期長(zhǎng)達(dá)十余年，是光刻機(jī)皇冠上的明珠[32]。目前，全球只有荷蘭ASML（阿斯麥）公司能生產(chǎn)EUV 光刻機(jī)，徹底壟斷了EUV 國(guó)際市場(chǎng)。我國(guó)生產(chǎn)的最先進(jìn)光刻機(jī)為90nm 浸沒式光刻機(jī)，與國(guó)外先進(jìn)水平至少存在15-20年差距[33]，短時(shí)間內(nèi)還難以實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)替代。

圖5 顯示，荷蘭阿斯麥公司在極紫外光刻機(jī)（EUV）領(lǐng)域的專利數(shù)量遙遙領(lǐng)先于我國(guó)。我國(guó)EUV專利總數(shù)已超越日系頭部?jī)杉移髽I(yè)，但由于日系企業(yè)在高端光刻膠領(lǐng)域構(gòu)筑了高不可攀的技術(shù)壁壘，我國(guó)光刻材料與設(shè)備的技術(shù)水平仍遠(yuǎn)落后于世界巨頭。

圖5 EUV 光刻機(jī)全球?qū)＠植糉ig.5 The global share of patents of EUV

人工分析專利主題發(fā)現(xiàn)，頭部企業(yè)在光刻引擎與組件、光顯示裝置與設(shè)備等技術(shù)上擁有大量高價(jià)值專利；我國(guó)EUV 專利主要包括仿真系統(tǒng)、計(jì)算方法和加工技術(shù)，屬于點(diǎn)的突破，尚未掌握整機(jī)制造技術(shù)。

2.4 EDA

EDA（電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化，Electronic Design Auto- mation），涵蓋了IC 設(shè)計(jì)、布線、驗(yàn)證和仿真各個(gè)方面，被喻為“芯片之母”[34]。

全球EDA 產(chǎn)業(yè)頭部三家供應(yīng)商分別為Synopsys、Cadence 和Mentor Graphic，其市場(chǎng)總占有率接近八成，壟斷著我國(guó)芯片設(shè)計(jì)市場(chǎng)95%以上的份額[35]。不僅如此，三家龍頭企業(yè)均可提供完整的前后端技術(shù)解決方案，其技術(shù)鏈條完整性和技術(shù)水平成熟度無(wú)可匹敵。我國(guó)企業(yè)研發(fā)的EDA 工具大多還無(wú)法支持28nm 以下的先進(jìn)制程[36]，尚未實(shí)現(xiàn)全工具鏈覆蓋，缺乏平臺(tái)式的產(chǎn)品服務(wù)，與國(guó)際領(lǐng)先梯隊(duì)差距明顯。

圖6 顯示，根據(jù)申請(qǐng)人專利總數(shù)排名，EDA 領(lǐng)域我國(guó)機(jī)構(gòu)排名前500 的高價(jià)值專利僅有607 件，不敵美國(guó)前6 名企業(yè)；我國(guó)專利布局兼顧各價(jià)值層次；美系企業(yè)則聚焦核心技術(shù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)，頭部6家企業(yè)高價(jià)值專利平均占比高達(dá)95%。

圖6 EDA 全球?qū)＠植糉ig.6 The global share of patents of EDA

人工分析專利主題發(fā)現(xiàn)，我國(guó)EDA 專利涵蓋芯片設(shè)計(jì)、封裝、測(cè)試等環(huán)節(jié)，還有新興技術(shù)融合（如集成電路協(xié)同設(shè)計(jì)云平臺(tái)）。頭部企業(yè)更傾向于技術(shù)創(chuàng)新，如可定制的芯片設(shè)計(jì)方案、軟件安全性、適用于FinFET 工藝等。高端芯片設(shè)計(jì)的核心技術(shù)仍被美系企業(yè)壟斷。

2.5 FPGA 芯片

FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列，F(xiàn)ield Programmable Gate Array）芯片被稱為數(shù)字芯片領(lǐng)域的“萬(wàn)能芯片”，在物理運(yùn)算邏輯持續(xù)更迭的領(lǐng)域具有應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，如工業(yè)控制、網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)中心、汽車電子等[37]。由于技術(shù)壁壘高、更新?lián)Q代速度快，全球FPGA 市場(chǎng)長(zhǎng)期被Xilinx、Altera、Lattice、Microsemi 四家美國(guó)企業(yè)壟斷，總市場(chǎng)占有率高達(dá)97%，而國(guó)產(chǎn)FPGA 市場(chǎng)份額不足1%[38]。此外，國(guó)際巨頭Xilinx 和Altera早在2011年就推出了28nm 制程FPGA 產(chǎn)品，而我國(guó)直到2019年才實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，失去先發(fā)優(yōu)勢(shì)[39]。

圖7 顯示，F(xiàn)PGA 領(lǐng)域三家頭部公司專利總數(shù)量超過1000 項(xiàng)，形成了抵御同行競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的技術(shù)壁壘；雖然我國(guó)在FPGA 領(lǐng)域的專利申請(qǐng)機(jī)構(gòu)超過500家，但專利總數(shù)仍不敵世界三巨頭。

圖7 FPGA 全球?qū)＠植糉ig.7 The global share of patents of FPGA

2.6 DRAM 芯片

存儲(chǔ)芯片是大數(shù)據(jù)時(shí)代的基石。DRAM（動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)，Dynamic Random Access Memory）芯片長(zhǎng)期被國(guó)外壟斷[40]，頭部公司三星電子（Samsung Tech）、SK 海力士（SK Hynix）和美光科技（Micron Tech）總市場(chǎng)占有率高達(dá)95%[41]。三家企業(yè)均為IDM（Integrated Device Manufacture）廠商[42]，芯片設(shè)計(jì)與制造工藝同步發(fā)展，具有率先推進(jìn)和驗(yàn)證新技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。中國(guó)大陸企業(yè)在DRAM 全球市場(chǎng)占有率幾乎為零。

目前，中國(guó)大陸企業(yè)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)1Xnm 芯片量產(chǎn)（19nm 制程），但相比國(guó)際最先進(jìn)的1anm（采用EUV 技術(shù)實(shí)現(xiàn)10nm 制程）落后4年[43]。加上美國(guó)對(duì)高端光刻機(jī)EUV 的出口限制，中國(guó)短期難以有效填補(bǔ)在高端存儲(chǔ)器領(lǐng)域的空白。

圖8 顯示，美系公司IBM 和Micron Tech 憑借多年的技術(shù)積累引領(lǐng)DRAM 世界先進(jìn)水平；兩大企業(yè)的DRAM 專利數(shù)量均超越中國(guó)總數(shù)；尤其是Micron Tech 的高價(jià)值專利占比高達(dá)96%。韓國(guó)Samsung Tech 和SK Hynix 的DRAM 專利布局均衡，兼顧高中低各個(gè)層次。

圖8 DRAM 全球?qū)＠植糉ig.8 The global share of patents of DRAM

2.7 RFFE 芯片

RFFE（射頻前端，Radio Frequency Front End）芯片是實(shí)現(xiàn)手機(jī)及各類移動(dòng)終端通信功能的核心元器件。無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)每升級(jí)一代，就帶來了更多的頻段和制式，對(duì)應(yīng)需要更多的射頻芯片[44]。

全球射頻前端芯片市場(chǎng)長(zhǎng)期被Skyworks、Broadcom、Qorvo 等美國(guó)企業(yè)占據(jù)，全球市場(chǎng)總占有率高達(dá)93%，甚至沒有一家亞洲廠商能夠進(jìn)入產(chǎn)業(yè)頂尖行列[45]。三大領(lǐng)軍企業(yè)全部采用了IDM 經(jīng)營(yíng)模式，擁有設(shè)計(jì)、制造和封測(cè)的全產(chǎn)業(yè)鏈能力，綜合實(shí)力令人難以望其項(xiàng)背[46]。在國(guó)產(chǎn)化浪潮以及5G 強(qiáng)勁需求帶動(dòng)下，我國(guó)射頻前端芯片廠商正在突破各個(gè)細(xì)分領(lǐng)域，如射頻開關(guān)、射頻PA（PowerAmplifier，功率放大器）和濾波器等，逐步實(shí)現(xiàn)了中低端機(jī)型射頻前端進(jìn)口替代[18]。然而，中國(guó)大陸企業(yè)主要集中在無(wú)晶圓設(shè)計(jì)領(lǐng)域，受到芯片集成化發(fā)展趨勢(shì)的影響，中國(guó)整體技術(shù)水平與國(guó)際領(lǐng)軍企業(yè)仍有巨大差距。

圖9 顯示，中國(guó)射頻前端芯片專利申請(qǐng)人有172 家，其專利總數(shù)已超越美國(guó)頭部四家企業(yè)，在高中低區(qū)間均有專利布局。日本Murata 憑借自身雄厚的技術(shù)實(shí)力占據(jù)射頻前端芯片專利申請(qǐng)人榜首。

圖9 RFFE 全球?qū)＠植糉ig.9 The global share of patents of FRFE

3 問題與對(duì)策

統(tǒng)計(jì)上述7 項(xiàng)“卡脖子”專利的我國(guó)企業(yè)專利占比、我國(guó)高價(jià)值專利占比、領(lǐng)域內(nèi)專利數(shù)量第一的企業(yè)高價(jià)值專利占比三項(xiàng)指標(biāo)，如表1 所示，表現(xiàn)出三類特征：

表1 “卡脖子”技術(shù)的專利質(zhì)量分析Table 1 The patent quality analysis of “Bottlenecks of Technology”

（1）專利總數(shù)偏少，原始創(chuàng)新能力不足。如12英寸硅片和高端光刻膠領(lǐng)域，我國(guó)專利申請(qǐng)機(jī)構(gòu)總數(shù)和專利總數(shù)均為個(gè)位數(shù)，導(dǎo)致企業(yè)專利占比和高價(jià)值專利占比虛高。圖1 和圖2 已反映出，上述兩個(gè)領(lǐng)域的專利布局與世界頭部企業(yè)差距明顯，技術(shù)創(chuàng)新活躍度不高。同時(shí)，我國(guó)EUV 領(lǐng)域的專利申請(qǐng)人多達(dá)137 個(gè)，但專利總數(shù)不敵阿斯麥一家公司；且企業(yè)專利占比最低，高價(jià)值專利比率偏小。說明我國(guó)在EUV 領(lǐng)域研究投入仍顯不足，科研成果尚不能實(shí)現(xiàn)高價(jià)值轉(zhuǎn)化。

關(guān)鍵材料和前道設(shè)備的專利布局薄弱，為我國(guó)集成電路整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的良性發(fā)展帶來巨大隱患。其他國(guó)家和地區(qū)頭部企業(yè)依靠長(zhǎng)期的技術(shù)積累和鏈?zhǔn)讲季中纬闪藦?qiáng)大壁壘，而我國(guó)專利大多是點(diǎn)技術(shù)的突破，尚未形成支撐細(xì)分領(lǐng)域的鏈?zhǔn)綄＠Ｗo(hù)機(jī)制，短時(shí)間內(nèi)難以實(shí)現(xiàn)一個(gè)細(xì)分領(lǐng)域全產(chǎn)業(yè)鏈的覆蓋。如硅片生產(chǎn)需要的涂層來自日本、設(shè)備來自德國(guó)，2020年我國(guó)集成電路進(jìn)口數(shù)量高達(dá)5435 億個(gè)[47]，EUV 更是缺乏購(gòu)入渠道。

集成電路的行業(yè)性質(zhì)決定了其高度全球化的特點(diǎn)，從材料、制造、封裝到應(yīng)用，每一個(gè)環(huán)節(jié)都不是孤立存在的。需要具有開放式創(chuàng)新思維，引導(dǎo)行業(yè)組織、產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟和領(lǐng)軍企業(yè)利用全球的市場(chǎng)、技術(shù)、資本和人才資源，推進(jìn)產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)開放式創(chuàng)新，加強(qiáng)國(guó)際交流與深層次合作，積極引進(jìn)海外高端人才，形成合力推動(dòng)實(shí)現(xiàn)技術(shù)水平和市場(chǎng)規(guī)模的同步提升。

（2）高價(jià)值專利占比偏低，核心技術(shù)積累匱乏。如EDA 與FPGA 芯片領(lǐng)域，專利申請(qǐng)人均已超過500，專利總數(shù)也已超越世界頭部企業(yè)，但是高價(jià)值專利占比遠(yuǎn)落后于國(guó)際先進(jìn)水平。說明我國(guó)在EDA 與FPGA 領(lǐng)域，雖然科技創(chuàng)新密集活躍，但仍未掌握關(guān)鍵核心技術(shù)，受制于人的局面沒有得到根本改變。

EDA 與FPGA 領(lǐng)域低附加值科技創(chuàng)新產(chǎn)能過剩，無(wú)法有效解決“卡脖子”問題。顛覆性技術(shù)有可能改變傳統(tǒng)技術(shù)路線和產(chǎn)業(yè)壁壘[48]，為產(chǎn)業(yè)絕地反擊帶來新的機(jī)遇。如超越硅基的先進(jìn)材料正在為打造速度更快、體積更小的元器件創(chuàng)造機(jī)遇[49]，系統(tǒng)級(jí)封裝（System in Package, SiP）可實(shí)現(xiàn)一顆芯片兼具多種功能[50]，光子計(jì)算為實(shí)現(xiàn)超高速率、超低功耗的AI 芯片提供了新的技術(shù)路徑，半導(dǎo)體量子點(diǎn)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模實(shí)用化量子計(jì)算的最佳候選體系之 一[51]。

后摩爾時(shí)代，突破潛在顛覆性技術(shù)將極有可能為我國(guó)集成電路行業(yè)實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)自主可控帶來新的發(fā)展機(jī)遇[52]。需要瞄準(zhǔn) 5G、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、智能網(wǎng)聯(lián)汽車等現(xiàn)實(shí)應(yīng)用需求，開拓一系列顛覆性技術(shù)研究領(lǐng)域，搶占集成電路技術(shù)創(chuàng)新競(jìng)爭(zhēng)高地。

（3）專利布局均衡的細(xì)分領(lǐng)域尚未形成規(guī)模效應(yīng)。如DRAM 與RFFE 領(lǐng)域，我國(guó)高價(jià)值專利占比最接近世界頭部企業(yè)，在低中高三個(gè)價(jià)值區(qū)間均有專利分布。雖然我國(guó)在DRAM 芯片領(lǐng)域的企業(yè)專利占比最高，在RFFE 芯片領(lǐng)域的專利總數(shù)已超越頭部公司，但是企業(yè)之間的專利數(shù)量相差不大，尚未形成絕對(duì)的領(lǐng)導(dǎo)企業(yè)，還不具備與世界巨頭競(jìng)爭(zhēng)國(guó)際市場(chǎng)份額的能力。

DRAM 與RFFE 領(lǐng)域由于缺乏市場(chǎng)份額，產(chǎn)品得不到大規(guī)模的應(yīng)用，技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)迭代更新，核心競(jìng)爭(zhēng)能力仍被巨頭公司牢牢控制。日益復(fù)雜的宏觀政治環(huán)境與技術(shù)“脫鉤”導(dǎo)致全球市場(chǎng)逐步萎縮，進(jìn)一步加大了我國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)進(jìn)軍國(guó)際高端市場(chǎng)的阻力。

隨著5G 逐步普及，汽車智能化進(jìn)程有序推進(jìn)，AI、云計(jì)算等新技術(shù)日趨成熟，集成電路需求迅速擴(kuò)張，為我國(guó)IC 產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了廣闊的市場(chǎng)空間[53]。需要構(gòu)建“以國(guó)內(nèi)大循環(huán)為主體的新國(guó)際國(guó)內(nèi)雙循環(huán)”格局，通過政策支持取得市場(chǎng)突破，依托中國(guó)大陸海量數(shù)據(jù)和豐富的應(yīng)用場(chǎng)景，利用好中國(guó)大陸超大規(guī)模市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)，形成持續(xù)的市場(chǎng)拉動(dòng)，通過市場(chǎng)實(shí)時(shí)反饋指導(dǎo)技術(shù)的迭代更新并維持創(chuàng)新的連續(xù)性，從而促進(jìn)中國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)細(xì)分領(lǐng)域進(jìn)入到全球主流供應(yīng)鏈體系。

4 總結(jié)與展望

本文從知識(shí)產(chǎn)權(quán)的視角，首先宏觀統(tǒng)計(jì)了集成電路領(lǐng)域全球?qū)＠植记闆r，我國(guó)通過實(shí)施大基金一期與二期，極大激發(fā)了集成電路產(chǎn)業(yè)的整體技術(shù)創(chuàng)新活躍度，專利數(shù)量實(shí)現(xiàn)了從大幅落后到縮小差距再到局部領(lǐng)先的大邁進(jìn)，尤其是集成電路材料領(lǐng)域高質(zhì)量專利占比逐步縮小了與世界先進(jìn)水平的差距。

接著，本文逐一分析了我國(guó)集成電路領(lǐng)域7 項(xiàng)“卡脖子”技術(shù)的全球?qū)＠季智闆r，對(duì)比頭部企業(yè)知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)內(nèi)容，查找各項(xiàng)技術(shù)與世界先進(jìn)水平的差距，總結(jié)了我國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)存在的三方面問題：一是大尺寸硅片、高端光刻膠和EUV 領(lǐng)域的專利總數(shù)偏少，原始創(chuàng)新能力不足；二是EDA 和FPGA 領(lǐng)域的高價(jià)值專利占比偏低，核心技術(shù)積累匱乏；三是DRAM 和RFFE 領(lǐng)域的專利分散，市場(chǎng)集中度不高。

面對(duì)百年未有之大變局，我國(guó)集成電路需要以開放式創(chuàng)新思維擁抱產(chǎn)業(yè)變革帶來的新機(jī)遇，在大尺寸硅片、高端光刻膠和EUV 領(lǐng)域積極融入國(guó)際創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)中，全方位加強(qiáng)國(guó)際科技合作；緊抓新一輪世界科技革命的重大機(jī)遇，突破潛在的顛覆性技術(shù)，在EDA 和FPGA 領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)自主可控；扭住擴(kuò)大內(nèi)需的戰(zhàn)略基點(diǎn)，借助5G、數(shù)據(jù)中心、智慧物聯(lián)、智能家居等新興產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展的契機(jī)，培育壯大DRAM 與RFFE 領(lǐng)域的國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，走出一條適合中國(guó)國(guó)情的集成電路創(chuàng)新發(fā)展路徑。

利益沖突聲明

所有作者聲明不存在利益沖突關(guān)系。

附表1：

續(xù)表

附表2：