双层网络视角下我国半导体芯片供应链韧性及替代路径研究

摘要：基于2020—2023年我国半导体芯片集成电路湿法刻蚀工艺原材料及零部件的供需数据，运用复杂网络建模方法构建从工艺制程节点到化学品，再到核心零部件的多层网络模型，对其国产化进程中的供应链网络韧性进行测度并提出潜在的替代路径。结果表明我国半导体芯片集成电路制造湿法刻蚀供应链网络具有无标度性和异质性特征，化学品的国产化速度及比例比较高，核心零部件国产化率逐年提升，但进展较慢，难度较高。因不同节点角度、工艺、化学品、核心零部件的重要性不同，未来我国的国产化替代路径可以从重要性及紧迫性排序角度综合考虑。

关键词：多层网络；芯片；供应链韧性；替代路径；国产化

一、前言

半导体集成电路制造的竞争，归根到底是整个产业链或者整个工业体系的竞争。以往各国更关注产业全球化，以效率为导向进行产业布局，而现在产业供应链的安全成为更重要的关注目标。供应链的脆弱性易造成供应链网络的中断，并使企业遭受不利影响。随着世界百年未有之大变局不断向纵深发展，以智能化为特征的第四次工业革命正在加速发展演进。物联网、人工智能、大数据等重大颠覆性技术和前沿技术不断催生新产业、新模式、新动能，新一轮科技革命和产业变革蓄势待发。作为电子信息智能的“心脏”——半导体集成电路产业不仅成为一项重要的战略性基础产业，其发展水平亦是衡量一个国家科技进步、产业竞争力的重要标志。半导体集成电路产业是一个高技术、高投入、高产出的行业，由于行业的特性，其采购供应商的选择和管理也有别于其他的工业类型。现代化的供应链管理体系可以帮助半导体企业大幅度削减资源消耗、缩减成本资金，在当今经济全球化及非核心技术业务外包的大形势下，能显著增强集成电路企业综合竞争力。目前，美国和中国作为世界上最大的两个经济体，在科技领域的竞争尤为激烈，特别是在半导体产业。美国在半导体设计和设备制造方面长期占据全球领先地位，而中国则是全球最大的半导体消费市场，并在近年来通过巨额投资加速自身半导体产业的发展。美国为了始终保持高科技产业链的优势性及领先性，自2018年以来，陆续将我国华为等企业列入“实体清单”并出台“芯片和科学法案”，不断地采取行政手段干预市场以达到其政治和经济利益的目的[1-2]。

党的二十大报告指出，着力提升产业链供应链韧性和安全水平。博鳌亚洲论坛2023年年会和中国发展高层论坛2023年年会，都将产业链供应链列为重要议题。上述对于我国维护经济安全和推动高质量发展，具有重大战略意义[3]。半导体芯片制造产业链不同于其他传统制造行业，传统行业的产业链集中程度不是很高，可替代性较强，技术复杂程度一般。而集成电路产业链是集众多学科技术于一体的综合产业集群，不仅涉及基础理论学科、制造技术，而且对原材料的纯度、制造工艺精度，以及零部件的可靠性、稳定性都有极高程度的要求[4]。

本文基于2020—2023年我国半导体芯片集成电路湿法刻蚀工艺化学品及零部件的供需数据，运用复杂网络建模方法构建从工艺制程节点，到化学品，再到核心零部件的三级多层网络模型，对其国产化进程中的供应链网络韧性进行测度并提出潜在的替代路径。

二、研究综述

（一）供应链网络韧性和风险防范研究

一些学者基于专利引用数据关系建立供应链的上下游关联网络，并基于网络结构提出供应链韧性的测度指标。例如，周霞等人（2024）[5]基于专利引用关系构建了不同技术发展阶段下的全球通信芯片产业创新网络，聚焦于对网络韧性的测度，模拟了产业创新网络稳态被突发事件风险干扰后重新平衡的过程。俞荣建等（2023）选择了芯片技术领域四大类技术模块的专利数据，测度我国和美欧五国芯片技术的二元技术依赖关系、国际技术依赖网络结构、多层次技术依赖格局和多阶段演化特征，以及探究我国芯片面临的技术威胁。此外，也有一些学者从供应链网络“断链”角度进行模拟仿真，从而评估风险的传导过程以及各经济体的角色功能。张炜等（2024）基于全球重大卫生事件冲击下的国际视角，采用 CoDEA 模型分步评估供应链初始节点、子链和整体链条韧性，并利用社会网络分析法，进一步探究各节点经济体在风险传导中的角色与功能。

（二）研发合作网络和创新赶超策略研究

一些学者通过对特定产业（如芯片、高铁、通信和汽车等）进行实地调研，构建各产业的合作研发网络，以此分析创新赶超的路径。李新剑（2019）通过一手调研数据对中芯国际、中国高铁、通信行业和汽车产业等进行比较发现，要最终实现技术超越，必须实施自主创新战略，并构建适应产业特征和技术范式的创新网络。曲永义和李先军（2024）从创新要素投入—创新成果生产—创新成果市场化和产业化的创新链逻辑出发，分析集成电路产业创新链的全球演化特征以及当前竞争格局，利用量化评价方法对代表国家和地区集成电路产业创新力予以评价，并从创新链赶超视角提出相关建议。赵程程和常旭华（2023）通过智能芯片技术创新聚类图谱分析，识别中国智能芯片技术创新路径，从区域层面分析中国智能芯片技术创新关键主体分布及其研发合作关系特征。

（三）集成电路国产化和替代路径研究

探究我国集成电路产业被“卡脖子”问题和解决方案是当前学者关注的重要问题。刘建丽和李先军（2023）结合我国集成电路产品被“卡脖子”的现实和国产替代情境，分析我国集成电路破解“卡脖子”困境的非对称竞争优势及其突围方向，提出破解集成电路“卡脖子”困境并实现有效国产替代的战略思路。肖瑶等（2022）针对集成电路细分领域现场可编程门阵列（英文简称“FPGA”）国产化过程中产业链，提出产业链分析模型，运用复杂网络分析法构建知识转移网络并分析网络结构特征。

然而，从已有研究来看，当前研究主要集中于专利数据进行集成电路领域的问题探讨，鲜有从具体工艺和原材料角度进行探究补充。本文基于我国半导体芯片集成电路湿法刻蚀工艺原材料及零部件的供需数据，从工艺制程节点，到化学品，再到核心零部件建立供应链的三层网络模型，为更为深入洞察我国集成电路国产化进程中的供应链网络韧性测度和潜在的替代路径提供有益补充。

三、多层网络模型构建与分析

（一）数据来源与说明

鉴于数据可得性和代表性，本文选取2020至2023年期间国内某芯片制造企业湿法刻蚀工艺原材料及零部件的国产化进程数据进行建模分析，共包含110纳米、130纳米和180纳米等9种工艺制程，化学品A、B、C等17种化学品（每种化学品对应两种设备应用，总共34种化学品对应关系），过滤器、过滤网等41种核心零部件。本文使用唯一编码方式对敏感数据进行代号标识处理。

（二）工艺－化学品－零部件多层网络模型构建

复杂网络中关系的判断是整个复杂网络分析的基础。映射到本研究场景，某项工艺需要某些种类化学品原材料，则该项工艺和该种化学品之间就存在一条连边关系。同理，若某项化学产品需要以某个核心零部件所属设备为载体，则该种化学品和该核心零部件之间就存在一条关联的连边。按照这种点、边定义方式，研究人员可以构建出工艺—化学品—零部件三层网络结构，工艺和化学品之间连接关系可以用9×34维度的邻接矩阵A表示，元素Aij=1表示第i行的工艺和第j列的化学品有关联关系，否则Aij=0。化学品和零部件之间连接关系可以用34×41维度的邻接矩阵B表示，元素Bij=1表示第i行的化学品和第j列的核心零部件有关联关系，否则Bij=0。且矩阵Aij≠Aji，Bij≠Bji，两个矩阵均为非对称矩阵。基于此构建三层网络关系图，并转化成工艺点对化学品、化学品对核心零部件二模网络，如图1所示（a—h）。

四、结果分析

本部分将从多层网络结构的微观和宏观层面进行分析，从微观层面进行节点重要性排序分析，识别我国集成电路工艺－化学品－核心零部件供应链网络中的重要环节。从宏观层面分析我国集成电路供应链网络的国产化比率演化进程以及未来可以替代的路径。

（一）从芯片工艺对化学品节点重要性排序结果分析

第一， 2020—2023年，各工艺点及其对应的化学品复杂网络中，9种工艺点之间进行复杂网络特性对比，从三个重要指标（Degree centrality，Closeness centrality，Authority centrality）来看，各工艺点的复杂网络指标均比较高，体现了各工艺点的重要性，Degree centrality 指标均大于14，Closeness centrality 均大于0.5151（其中，55nm～22nm工艺点大于0.6296），Authority centrality 均大于0.256（其中，55nm～22nm工艺点大于0.295）。在所有工艺点当中，55nm～22nm工艺段的三项指标要高于其他工艺段，说明此工艺段的重要性，因此，在国产化推进中，应当将55nm～22nm工艺段所涉及的化学品放到首要位置。由数据得出，此工艺区间包括55nm、40nm、28nm、22nm四个工艺节点，共同涉及的化学品有11种，分别是：化学品A、B、C、D、E、F、I、J、L、M和化学品Z。截至2023年，11种化学品当中，尚未完成国产化的只剩一种，即化学品Z。因此，在未来1～2年，完成化学品Z的国产化认证是首要任务。

第二，在工艺点与化学品所构成的复杂网络中，从各化学品之间的网络特性比较中可以看出，部分化学品仍处在重要节点的位置。以2023年为例：在所涉及的34个化学品节点（说明：“化学品A-单”和“化学品A-槽”属于同一种化学品，“-单”和“-槽”分别指此化学品所应用的设备类型，单片清洗机和槽式清洗机）当中，23个化学品节点的degree centrality指标均大于2，最高为4的有11个，Closeness centrality 指标为0.5762的有11个，authority centrality指标大于0.014的有26个。其中，degree centrality为0的节点有8个，分别为化学品C-单、化学品D-槽、化学品H-槽、化学品G-单、化学品K-单、化学品N-单、化学品X-槽、化学品Y-槽，说明这些化学品只用在单片或槽式上单一类型的清洗机上。例如，化学品C-单degree centrality 为0，说明9种工艺节点均没有涉及使用化学品C的单片清洗机。

（二）从化学品对核心零部件节点重要性排序结果分析

在化学品对核心零部件所构成的复杂网络当中，指的是不同化学品对应其所应用的设备的核心零部件，化学品的应用需要以设备为载体，而核心零部件是设备运行的重要保证。根据41种核心零部件的网络特性指标进行分析，degree centrality指标均大于11，最高为26的有34个，Closeness centrality指标为0.62264的有34个，authority centrality指标为0.10481的有34个，分别为：过滤器、气动阀、手动阀、隔膜阀、电磁阀、通信板、流量计、放大器、传送夹持手、机械手、马达、马达控制器、侦测传感器、传送皮带、稳压计、循环气泵、气缸、主板、信号线、压力表头、电源、运动轨道、浓度计、液位传感器、特氟龙支架、盖板、过滤网、特氟龙螺丝、弹簧、排风管、排液管、温度计、加热器、离子棒，说明这34种零部件所应用的范围较广，在零部件国产化进程中，应该首先考虑其重要性，进行优先国产化进程的推进与替代。

（三）从国产化比例和替代路径结果分析

2020～2023年，化学品及核心零部件国产化比例逐年提高，尤其是化学品的国产化速度及比例较高，核心零部件国产化率逐年提升，但是，进程进展较慢，难度较高。

以2023年为例，不同工艺节点化学品种类及国产化数据见表1。

以上数据得出，各工艺节点化学品单一国产化率均大于80%，且相对成熟工艺中的高端制程国产化率较高，部分超过90%，化学品的国产化进程取得较大的进展。

五、结论与启示

本论文基于产业链分工与合作视角及供应链的复杂网络理论、供应链韧性分析了国内领先半导体芯片制造公司发展所面临的国际环境、发展现状，并结合实际情况，着重分析了湿法刻蚀不同工艺阶段原材料及主要零部件的国产化进程。湿法刻蚀工艺段原材料及零部件国产化进程的研究表明：半导体芯片制造湿法刻蚀工艺段原材料化学品国产化进程速度较快，取得了显著的效果，并在未来2～3年可以全部实现国产化。主要零部件进展较为缓慢，尤其是核心零部件，需要长时间的技术积累才能生产出稳定的高精度、高质量产品。对于芯片制造所涉及的其他工艺环节，如干法刻蚀、薄膜沉积、曝光显影、离子注入等，都面临着同样的问题，其原材料及零部件国产化进程都在逐步推进，虽然取得了显著的成果，但是，与国外先进水平的差距还是很大，无论是从工艺精度还是性能稳定性方面，都有极大的提升空间。因此，为了全面快速推进半导体芯片制造供应链的国产化进程，企业必须建立自己的国产化平台，攻坚克难，不断创新，造就一条我国自主可控的半导体芯片制造产业链。总而言之，以目标导向、问题导向和结果导向来增强我国的实力，以此来打破国外的制裁，进一步构建我国安全的半导体芯片制造产业链。基于这一问题，本文提出了针对原材料化学品和核心零部件的国产化替代路径。

针对化学品，根据其重要性及评价排序，进行分类管理。首先，制定优先级计划，集中资源进行国产化生产验证。其次，建立健全国产化学品供应商评价制度、行业准入标准、供应商指引准则等半导体相关行业制度。再次，传统化工企业应加快转型，由传统工业化学品向更高电子级化学品、高附加值化学品进行升级。最后是政策引导，鼓励并扶持企业朝着做大做强、高质量、高附加值的方向发展。特别是化工企业，应积极拓展上游矿产资源渠道，进行有效资源整合，做到自主可控。

针对核心零部件，在保证生产连续性的基础上，最大限度地提高零部件国产化比例。同时，根据零部件的重要性及评价排序，进行分类统筹管理。首先，为避免生产中断，核心零部件断供时，可以临时启用备用设备。其次，积极拓展国内外供应商渠道，在二级市场寻找半新品、旧品、维修品或复制品等，在一定程度上能够解决问题，但是这类零部件可靠性较差。再次，企业自主维修及外部厂商的维修攻关。维修周期较短、零部件周转快，但是维修成功率很难保证。然后，寻求同功能替代品。最后，联合高校及供应商，进行专项攻关，并依托生产企业进行项目验证。投资较大，周期较长，经济效益差，自主可控度高。

参考文献

[1]韩爽，田伊霖，张博.2022年度美国供应链安全政策分析、影响与应对[J].情报杂志，2023，42（11）：41-47.

[2]杨忠，巫强，宋孟璐，等.美国《芯片与科学法案》对我国半导体产业发展的影响及对策研究：基于创新链理论的视角[J].南开管理评论，2023，26（01）：146-160.

[3]盛朝迅.新发展格局下推动产业链供应链安全稳定发展的思路与策略[J].改革，2021（02）：1-13.

[4]洪流，赵晓波，汪寿阳，等.供应链韧性与安全中的关键科学问题[J].中国科学基金，2023，37（03）：418-428.

[5]周霞，于娱，施琴芬.基于专利引用的通信芯片产业创新网络韧性研究[J].软科学，2024，38（08）：94-104.

作者单位：首都经济贸易大学管理工程学院

■ 责任编辑：张津平 尚丹