雙層網(wǎng)絡視角下我國半導體芯片供應鏈韌性及替代路徑研究

摘要：基于2020—2023年我國半導體芯片集成電路濕法刻蝕工藝原材料及零部件的供需數(shù)據(jù)，運用復雜網(wǎng)絡建模方法構建從工藝制程節(jié)點到化學品，再到核心零部件的多層網(wǎng)絡模型，對其國產(chǎn)化進程中的供應鏈網(wǎng)絡韌性進行測度并提出潛在的替代路徑。結果表明我國半導體芯片集成電路制造濕法刻蝕供應鏈網(wǎng)絡具有無標度性和異質(zhì)性特征，化學品的國產(chǎn)化速度及比例比較高，核心零部件國產(chǎn)化率逐年提升，但進展較慢，難度較高。因不同節(jié)點角度、工藝、化學品、核心零部件的重要性不同，未來我國的國產(chǎn)化替代路徑可以從重要性及緊迫性排序角度綜合考慮。

關鍵詞：多層網(wǎng)絡；芯片；供應鏈韌性；替代路徑；國產(chǎn)化

一、前言

半導體集成電路制造的競爭，歸根到底是整個產(chǎn)業(yè)鏈或者整個工業(yè)體系的競爭。以往各國更關注產(chǎn)業(yè)全球化，以效率為導向進行產(chǎn)業(yè)布局，而現(xiàn)在產(chǎn)業(yè)供應鏈的安全成為更重要的關注目標。供應鏈的脆弱性易造成供應鏈網(wǎng)絡的中斷，并使企業(yè)遭受不利影響。隨著世界百年未有之大變局不斷向縱深發(fā)展，以智能化為特征的第四次工業(yè)革命正在加速發(fā)展演進。物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)等重大顛覆性技術和前沿技術不斷催生新產(chǎn)業(yè)、新模式、新動能，新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革蓄勢待發(fā)。作為電子信息智能的“心臟”——半導體集成電路產(chǎn)業(yè)不僅成為一項重要的戰(zhàn)略性基礎產(chǎn)業(yè)，其發(fā)展水平亦是衡量一個國家科技進步、產(chǎn)業(yè)競爭力的重要標志。半導體集成電路產(chǎn)業(yè)是一個高技術、高投入、高產(chǎn)出的行業(yè)，由于行業(yè)的特性，其采購供應商的選擇和管理也有別于其他的工業(yè)類型?，F(xiàn)代化的供應鏈管理體系可以幫助半導體企業(yè)大幅度削減資源消耗、縮減成本資金，在當今經(jīng)濟全球化及非核心技術業(yè)務外包的大形勢下，能顯著增強集成電路企業(yè)綜合競爭力。目前，美國和中國作為世界上最大的兩個經(jīng)濟體，在科技領域的競爭尤為激烈，特別是在半導體產(chǎn)業(yè)。美國在半導體設計和設備制造方面長期占據(jù)全球領先地位，而中國則是全球最大的半導體消費市場，并在近年來通過巨額投資加速自身半導體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。美國為了始終保持高科技產(chǎn)業(yè)鏈的優(yōu)勢性及領先性，自2018年以來，陸續(xù)將我國華為等企業(yè)列入“實體清單”并出臺“芯片和科學法案”，不斷地采取行政手段干預市場以達到其政治和經(jīng)濟利益的目的[1-2]。

黨的二十大報告指出，著力提升產(chǎn)業(yè)鏈供應鏈韌性和安全水平。博鰲亞洲論壇2023年年會和中國發(fā)展高層論壇2023年年會，都將產(chǎn)業(yè)鏈供應鏈列為重要議題。上述對于我國維護經(jīng)濟安全和推動高質(zhì)量發(fā)展，具有重大戰(zhàn)略意義[3]。半導體芯片制造產(chǎn)業(yè)鏈不同于其他傳統(tǒng)制造行業(yè)，傳統(tǒng)行業(yè)的產(chǎn)業(yè)鏈集中程度不是很高，可替代性較強，技術復雜程度一般。而集成電路產(chǎn)業(yè)鏈是集眾多學科技術于一體的綜合產(chǎn)業(yè)集群，不僅涉及基礎理論學科、制造技術，而且對原材料的純度、制造工藝精度，以及零部件的可靠性、穩(wěn)定性都有極高程度的要求[4]。

本文基于2020—2023年我國半導體芯片集成電路濕法刻蝕工藝化學品及零部件的供需數(shù)據(jù)，運用復雜網(wǎng)絡建模方法構建從工藝制程節(jié)點，到化學品，再到核心零部件的三級多層網(wǎng)絡模型，對其國產(chǎn)化進程中的供應鏈網(wǎng)絡韌性進行測度并提出潛在的替代路徑。

二、研究綜述

（一）供應鏈網(wǎng)絡韌性和風險防范研究

一些學者基于專利引用數(shù)據(jù)關系建立供應鏈的上下游關聯(lián)網(wǎng)絡，并基于網(wǎng)絡結構提出供應鏈韌性的測度指標。例如，周霞等人（2024）[5]基于專利引用關系構建了不同技術發(fā)展階段下的全球通信芯片產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新網(wǎng)絡，聚焦于對網(wǎng)絡韌性的測度，模擬了產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新網(wǎng)絡穩(wěn)態(tài)被突發(fā)事件風險干擾后重新平衡的過程。俞榮建等（2023）選擇了芯片技術領域四大類技術模塊的專利數(shù)據(jù)，測度我國和美歐五國芯片技術的二元技術依賴關系、國際技術依賴網(wǎng)絡結構、多層次技術依賴格局和多階段演化特征，以及探究我國芯片面臨的技術威脅。此外，也有一些學者從供應鏈網(wǎng)絡“斷鏈”角度進行模擬仿真，從而評估風險的傳導過程以及各經(jīng)濟體的角色功能。張煒等（2024）基于全球重大衛(wèi)生事件沖擊下的國際視角，采用 CoDEA 模型分步評估供應鏈初始節(jié)點、子鏈和整體鏈條韌性，并利用社會網(wǎng)絡分析法，進一步探究各節(jié)點經(jīng)濟體在風險傳導中的角色與功能。

（二）研發(fā)合作網(wǎng)絡和創(chuàng)新趕超策略研究

一些學者通過對特定產(chǎn)業(yè)（如芯片、高鐵、通信和汽車等）進行實地調(diào)研，構建各產(chǎn)業(yè)的合作研發(fā)網(wǎng)絡，以此分析創(chuàng)新趕超的路徑。李新劍（2019）通過一手調(diào)研數(shù)據(jù)對中芯國際、中國高鐵、通信行業(yè)和汽車產(chǎn)業(yè)等進行比較發(fā)現(xiàn)，要最終實現(xiàn)技術超越，必須實施自主創(chuàng)新戰(zhàn)略，并構建適應產(chǎn)業(yè)特征和技術范式的創(chuàng)新網(wǎng)絡。曲永義和李先軍（2024）從創(chuàng)新要素投入—創(chuàng)新成果生產(chǎn)—創(chuàng)新成果市場化和產(chǎn)業(yè)化的創(chuàng)新鏈邏輯出發(fā)，分析集成電路產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新鏈的全球演化特征以及當前競爭格局，利用量化評價方法對代表國家和地區(qū)集成電路產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新力予以評價，并從創(chuàng)新鏈趕超視角提出相關建議。趙程程和常旭華（2023）通過智能芯片技術創(chuàng)新聚類圖譜分析，識別中國智能芯片技術創(chuàng)新路徑，從區(qū)域層面分析中國智能芯片技術創(chuàng)新關鍵主體分布及其研發(fā)合作關系特征。

（三）集成電路國產(chǎn)化和替代路徑研究

探究我國集成電路產(chǎn)業(yè)被“卡脖子”問題和解決方案是當前學者關注的重要問題。劉建麗和李先軍（2023）結合我國集成電路產(chǎn)品被“卡脖子”的現(xiàn)實和國產(chǎn)替代情境，分析我國集成電路破解“卡脖子”困境的非對稱競爭優(yōu)勢及其突圍方向，提出破解集成電路“卡脖子”困境并實現(xiàn)有效國產(chǎn)替代的戰(zhàn)略思路。肖瑤等（2022）針對集成電路細分領域現(xiàn)場可編程門陣列（英文簡稱“FPGA”）國產(chǎn)化過程中產(chǎn)業(yè)鏈，提出產(chǎn)業(yè)鏈分析模型，運用復雜網(wǎng)絡分析法構建知識轉移網(wǎng)絡并分析網(wǎng)絡結構特征。

然而，從已有研究來看，當前研究主要集中于專利數(shù)據(jù)進行集成電路領域的問題探討，鮮有從具體工藝和原材料角度進行探究補充。本文基于我國半導體芯片集成電路濕法刻蝕工藝原材料及零部件的供需數(shù)據(jù)，從工藝制程節(jié)點，到化學品，再到核心零部件建立供應鏈的三層網(wǎng)絡模型，為更為深入洞察我國集成電路國產(chǎn)化進程中的供應鏈網(wǎng)絡韌性測度和潛在的替代路徑提供有益補充。

三、多層網(wǎng)絡模型構建與分析

（一）數(shù)據(jù)來源與說明

鑒于數(shù)據(jù)可得性和代表性，本文選取2020至2023年期間國內(nèi)某芯片制造企業(yè)濕法刻蝕工藝原材料及零部件的國產(chǎn)化進程數(shù)據(jù)進行建模分析，共包含110納米、130納米和180納米等9種工藝制程，化學品A、B、C等17種化學品（每種化學品對應兩種設備應用，總共34種化學品對應關系），過濾器、過濾網(wǎng)等41種核心零部件。本文使用唯一編碼方式對敏感數(shù)據(jù)進行代號標識處理。

（二）工藝－化學品－零部件多層網(wǎng)絡模型構建

復雜網(wǎng)絡中關系的判斷是整個復雜網(wǎng)絡分析的基礎。映射到本研究場景，某項工藝需要某些種類化學品原材料，則該項工藝和該種化學品之間就存在一條連邊關系。同理，若某項化學產(chǎn)品需要以某個核心零部件所屬設備為載體，則該種化學品和該核心零部件之間就存在一條關聯(lián)的連邊。按照這種點、邊定義方式，研究人員可以構建出工藝—化學品—零部件三層網(wǎng)絡結構，工藝和化學品之間連接關系可以用9×34維度的鄰接矩陣A表示，元素Aij=1表示第i行的工藝和第j列的化學品有關聯(lián)關系，否則Aij=0?；瘜W品和零部件之間連接關系可以用34×41維度的鄰接矩陣B表示，元素Bij=1表示第i行的化學品和第j列的核心零部件有關聯(lián)關系，否則Bij=0。且矩陣Aij≠Aji，Bij≠Bji，兩個矩陣均為非對稱矩陣。基于此構建三層網(wǎng)絡關系圖，并轉化成工藝點對化學品、化學品對核心零部件二模網(wǎng)絡，如圖1所示（a—h）。

四、結果分析

本部分將從多層網(wǎng)絡結構的微觀和宏觀層面進行分析，從微觀層面進行節(jié)點重要性排序分析，識別我國集成電路工藝－化學品－核心零部件供應鏈網(wǎng)絡中的重要環(huán)節(jié)。從宏觀層面分析我國集成電路供應鏈網(wǎng)絡的國產(chǎn)化比率演化進程以及未來可以替代的路徑。

（一）從芯片工藝對化學品節(jié)點重要性排序結果分析

第一， 2020—2023年，各工藝點及其對應的化學品復雜網(wǎng)絡中，9種工藝點之間進行復雜網(wǎng)絡特性對比，從三個重要指標（Degree centrality，Closeness centrality，Authority centrality）來看，各工藝點的復雜網(wǎng)絡指標均比較高，體現(xiàn)了各工藝點的重要性，Degree centrality 指標均大于14，Closeness centrality 均大于0.5151（其中，55nm～22nm工藝點大于0.6296），Authority centrality 均大于0.256（其中，55nm～22nm工藝點大于0.295）。在所有工藝點當中，55nm～22nm工藝段的三項指標要高于其他工藝段，說明此工藝段的重要性，因此，在國產(chǎn)化推進中，應當將55nm～22nm工藝段所涉及的化學品放到首要位置。由數(shù)據(jù)得出，此工藝區(qū)間包括55nm、40nm、28nm、22nm四個工藝節(jié)點，共同涉及的化學品有11種，分別是：化學品A、B、C、D、E、F、I、J、L、M和化學品Z。截至2023年，11種化學品當中，尚未完成國產(chǎn)化的只剩一種，即化學品Z。因此，在未來1～2年，完成化學品Z的國產(chǎn)化認證是首要任務。

第二，在工藝點與化學品所構成的復雜網(wǎng)絡中，從各化學品之間的網(wǎng)絡特性比較中可以看出，部分化學品仍處在重要節(jié)點的位置。以2023年為例：在所涉及的34個化學品節(jié)點（說明：“化學品A-單”和“化學品A-槽”屬于同一種化學品，“-單”和“-槽”分別指此化學品所應用的設備類型，單片清洗機和槽式清洗機）當中，23個化學品節(jié)點的degree centrality指標均大于2，最高為4的有11個，Closeness centrality 指標為0.5762的有11個，authority centrality指標大于0.014的有26個。其中，degree centrality為0的節(jié)點有8個，分別為化學品C-單、化學品D-槽、化學品H-槽、化學品G-單、化學品K-單、化學品N-單、化學品X-槽、化學品Y-槽，說明這些化學品只用在單片或槽式上單一類型的清洗機上。例如，化學品C-單degree centrality 為0，說明9種工藝節(jié)點均沒有涉及使用化學品C的單片清洗機。

（二）從化學品對核心零部件節(jié)點重要性排序結果分析

在化學品對核心零部件所構成的復雜網(wǎng)絡當中，指的是不同化學品對應其所應用的設備的核心零部件，化學品的應用需要以設備為載體，而核心零部件是設備運行的重要保證。根據(jù)41種核心零部件的網(wǎng)絡特性指標進行分析，degree centrality指標均大于11，最高為26的有34個，Closeness centrality指標為0.62264的有34個，authority centrality指標為0.10481的有34個，分別為：過濾器、氣動閥、手動閥、隔膜閥、電磁閥、通信板、流量計、放大器、傳送夾持手、機械手、馬達、馬達控制器、偵測傳感器、傳送皮帶、穩(wěn)壓計、循環(huán)氣泵、氣缸、主板、信號線、壓力表頭、電源、運動軌道、濃度計、液位傳感器、特氟龍支架、蓋板、過濾網(wǎng)、特氟龍螺絲、彈簧、排風管、排液管、溫度計、加熱器、離子棒，說明這34種零部件所應用的范圍較廣，在零部件國產(chǎn)化進程中，應該首先考慮其重要性，進行優(yōu)先國產(chǎn)化進程的推進與替代。

（三）從國產(chǎn)化比例和替代路徑結果分析

2020～2023年，化學品及核心零部件國產(chǎn)化比例逐年提高，尤其是化學品的國產(chǎn)化速度及比例較高，核心零部件國產(chǎn)化率逐年提升，但是，進程進展較慢，難度較高。

以2023年為例，不同工藝節(jié)點化學品種類及國產(chǎn)化數(shù)據(jù)見表1。

以上數(shù)據(jù)得出，各工藝節(jié)點化學品單一國產(chǎn)化率均大于80%，且相對成熟工藝中的高端制程國產(chǎn)化率較高，部分超過90%，化學品的國產(chǎn)化進程取得較大的進展。

五、結論與啟示

本論文基于產(chǎn)業(yè)鏈分工與合作視角及供應鏈的復雜網(wǎng)絡理論、供應鏈韌性分析了國內(nèi)領先半導體芯片制造公司發(fā)展所面臨的國際環(huán)境、發(fā)展現(xiàn)狀，并結合實際情況，著重分析了濕法刻蝕不同工藝階段原材料及主要零部件的國產(chǎn)化進程。濕法刻蝕工藝段原材料及零部件國產(chǎn)化進程的研究表明：半導體芯片制造濕法刻蝕工藝段原材料化學品國產(chǎn)化進程速度較快，取得了顯著的效果，并在未來2～3年可以全部實現(xiàn)國產(chǎn)化。主要零部件進展較為緩慢，尤其是核心零部件，需要長時間的技術積累才能生產(chǎn)出穩(wěn)定的高精度、高質(zhì)量產(chǎn)品。對于芯片制造所涉及的其他工藝環(huán)節(jié)，如干法刻蝕、薄膜沉積、曝光顯影、離子注入等，都面臨著同樣的問題，其原材料及零部件國產(chǎn)化進程都在逐步推進，雖然取得了顯著的成果，但是，與國外先進水平的差距還是很大，無論是從工藝精度還是性能穩(wěn)定性方面，都有極大的提升空間。因此，為了全面快速推進半導體芯片制造供應鏈的國產(chǎn)化進程，企業(yè)必須建立自己的國產(chǎn)化平臺，攻堅克難，不斷創(chuàng)新，造就一條我國自主可控的半導體芯片制造產(chǎn)業(yè)鏈?？偠灾?，以目標導向、問題導向和結果導向來增強我國的實力，以此來打破國外的制裁，進一步構建我國安全的半導體芯片制造產(chǎn)業(yè)鏈?；谶@一問題，本文提出了針對原材料化學品和核心零部件的國產(chǎn)化替代路徑。

針對化學品，根據(jù)其重要性及評價排序，進行分類管理。首先，制定優(yōu)先級計劃，集中資源進行國產(chǎn)化生產(chǎn)驗證。其次，建立健全國產(chǎn)化學品供應商評價制度、行業(yè)準入標準、供應商指引準則等半導體相關行業(yè)制度。再次，傳統(tǒng)化工企業(yè)應加快轉型，由傳統(tǒng)工業(yè)化學品向更高電子級化學品、高附加值化學品進行升級。最后是政策引導，鼓勵并扶持企業(yè)朝著做大做強、高質(zhì)量、高附加值的方向發(fā)展。特別是化工企業(yè)，應積極拓展上游礦產(chǎn)資源渠道，進行有效資源整合，做到自主可控。

針對核心零部件，在保證生產(chǎn)連續(xù)性的基礎上，最大限度地提高零部件國產(chǎn)化比例。同時，根據(jù)零部件的重要性及評價排序，進行分類統(tǒng)籌管理。首先，為避免生產(chǎn)中斷，核心零部件斷供時，可以臨時啟用備用設備。其次，積極拓展國內(nèi)外供應商渠道，在二級市場尋找半新品、舊品、維修品或復制品等，在一定程度上能夠解決問題，但是這類零部件可靠性較差。再次，企業(yè)自主維修及外部廠商的維修攻關。維修周期較短、零部件周轉快，但是維修成功率很難保證。然后，尋求同功能替代品。最后，聯(lián)合高校及供應商，進行專項攻關，并依托生產(chǎn)企業(yè)進行項目驗證。投資較大，周期較長，經(jīng)濟效益差，自主可控度高。

參考文獻

[1]韓爽，田伊霖，張博.2022年度美國供應鏈安全政策分析、影響與應對[J].情報雜志，2023，42（11）：41-47.

[2]楊忠，巫強，宋孟璐，等.美國《芯片與科學法案》對我國半導體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的影響及對策研究：基于創(chuàng)新鏈理論的視角[J].南開管理評論，2023，26（01）：146-160.

[3]盛朝迅.新發(fā)展格局下推動產(chǎn)業(yè)鏈供應鏈安全穩(wěn)定發(fā)展的思路與策略[J].改革，2021（02）：1-13.

[4]洪流，趙曉波，汪壽陽，等.供應鏈韌性與安全中的關鍵科學問題[J].中國科學基金，2023，37（03）：418-428.

[5]周霞，于娛，施琴芬.基于專利引用的通信芯片產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新網(wǎng)絡韌性研究[J].軟科學，2024，38（08）：94-104.

作者單位：首都經(jīng)濟貿(mào)易大學管理工程學院

■ 責任編輯：張津平 尚丹