仍大量依賴進(jìn)口的工業(yè)芯片為什么存在如此大的國(guó)產(chǎn)替代空間？

提及半導(dǎo)體行業(yè)，***是繞不開(kāi)的話題。

1965年，戈登摩爾提出了摩爾定律，對(duì)半導(dǎo)體行業(yè)做出精準(zhǔn)預(yù)測(cè)，國(guó)際芯片巨頭公司也展就此展開(kāi)“制程競(jìng)賽”，從材料、架構(gòu)等方面突破，從7nm發(fā)展到5nm。與此同時(shí)，國(guó)內(nèi)最先進(jìn)晶圓廠才到達(dá)14nm，面臨技術(shù)困境，***似乎遙遙無(wú)期。

但事實(shí)真的如此嗎？如果將先進(jìn)工藝制程的***之困因歸咎于技術(shù)難題，那么對(duì)于已達(dá)到國(guó)際一流水平的核心元器件，為何也未完成***？或許，我們能在光電子探測(cè)行業(yè)初創(chuàng)公司宇稱電子的成長(zhǎng)中找到答案。

仍大量依賴進(jìn)口的工業(yè)芯片

來(lái)自市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)Gartner的數(shù)據(jù)顯示，全球工業(yè)芯片市場(chǎng)2019年銷(xiāo)售規(guī)模達(dá)485.6億美元，預(yù)計(jì)2022年達(dá)到705億美元，2019-2022年復(fù)合增長(zhǎng)率在13%左右。其中美國(guó)工業(yè)芯片2019年年產(chǎn)值達(dá)到221億美元，占據(jù)全球工業(yè)芯片總產(chǎn)值的45.5%。日本緊跟其后，占據(jù)全球15.8%，而中國(guó)大陸2019年工業(yè)芯片銷(xiāo)售收入為22.61億美元，僅占比7%。

作為工業(yè)大國(guó)，我們的工業(yè)芯片生產(chǎn)情況無(wú)法與之匹配，現(xiàn)階段仍需大量進(jìn)口國(guó)外芯片才能滿足需求。

中國(guó)工程院院士吳漢明也在2020新一代信息通信產(chǎn)業(yè)院士論壇上的演講時(shí)表示，事實(shí)上芯片行業(yè)5nm、12nm等先進(jìn)工藝制程只占據(jù)全球市場(chǎng)的12%，20nm以上節(jié)點(diǎn)占據(jù)全球82%的市場(chǎng)份額，目前國(guó)內(nèi)大量工控芯片只需要40nm、55nm等早已發(fā)展成熟的工藝制程，但卻還是需要大量依賴進(jìn)口?！?nm、5nm標(biāo)桿性之重要無(wú)可厚非，但有著更多市場(chǎng)的55nm、40nm也需要更多的關(guān)注?！?/p>

吳漢明教授所指的工業(yè)芯片，其應(yīng)用層面涵蓋醫(yī)療影像設(shè)備、科研儀器、激光雷達(dá)等方面，伴隨著物聯(lián)網(wǎng)的興起，近年來(lái)需求尤為強(qiáng)勁。

致力于設(shè)計(jì)光電子探測(cè)芯片的宇稱電子就是這一行業(yè)的成員之一。雷鋒網(wǎng)了解到，宇稱電子設(shè)計(jì)的超高精度ToF PET（測(cè)量飛行時(shí)間）信號(hào)處理數(shù)?；旌希?a target="_blank">ASIC）芯片和部件，在***方面主要計(jì)劃替代進(jìn)口的ASIC。

ToF技術(shù)全稱為Time of Flight，譯為測(cè)量飛行時(shí)間，其原理是采用紅外光源發(fā)射高頻光脈沖到物體上，然后接收從物體反射回去的光脈沖，通過(guò)探測(cè)光脈沖的飛行往返時(shí)間計(jì)算被測(cè)物體與相機(jī)之間的距離。

ToF技術(shù)最早應(yīng)用在3D深感攝像頭中，用于測(cè)量鏡頭到物體之間的距離，在手機(jī)人臉識(shí)別和汽車(chē)激光雷達(dá)已得到較為廣泛的應(yīng)用，且擁有廣闊的市場(chǎng)。ToF技術(shù)又可分為直接測(cè)量飛行時(shí)間的dToF和通過(guò)測(cè)量相位偏移來(lái)測(cè)量飛行時(shí)間的iToF，其中后者的集成難度低，其精度會(huì)隨著距離的增加而持續(xù)降低，因此在對(duì)測(cè)量距離和精度要求較高的場(chǎng)合下，往往會(huì)使用dToF技術(shù)。

宇稱電子正是看準(zhǔn)dToF的市場(chǎng)前景，專注支撐dToF的關(guān)鍵技術(shù)SPAD（單光子雪崩光電二極管）的設(shè)計(jì)，并已處于領(lǐng)先地位。

國(guó)產(chǎn)芯片也能達(dá)到國(guó)際一流水平

那么，就dToF傳感器芯片而言，我國(guó)設(shè)計(jì)水平如何呢？

宇稱電子創(chuàng)始人沈煒告訴雷鋒網(wǎng)，“SPAD在國(guó)內(nèi)起步較晚，國(guó)外在上世紀(jì)90年代就開(kāi)始研究SPAD了，而SPAD技術(shù)大概到了4-5年前才開(kāi)始真正實(shí)現(xiàn)規(guī)模化商業(yè)落地，與此同時(shí)，國(guó)內(nèi)SPAD的研究則始于4-5年前。”目前SPAD大規(guī)模應(yīng)用的難點(diǎn)主要在于傳感像素的微型化，并且需要針對(duì)不同的應(yīng)用對(duì)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，但宇稱電子這家成立于2017年的初創(chuàng)公司，已有自己獨(dú)立設(shè)計(jì)的像素，在精度和光探測(cè)效率（PDE）上都已有良好的表現(xiàn)。

今年6月，宇稱電子完成了業(yè)界第一款5微米像素精度SPAD的設(shè)計(jì)并通過(guò)測(cè)試。沈煒表示，這里的5微米就是指像素的間距，也可以理解為像素的尺寸大小，精度越高，圖像就會(huì)越清晰。一般而言，用dToF測(cè)量距離時(shí)的精度需要達(dá)到10微米，例如目前iPad pro上的器件精度就在10微米左右。這也就意味著，宇稱電子5微米SPAD的設(shè)計(jì)位于業(yè)界領(lǐng)先水平。

在其他方面，宇稱電子的SiPM信號(hào)處理芯片ASIC也已完成流片，性能達(dá)到了國(guó)際一流標(biāo)準(zhǔn)。這意味著，使用國(guó)產(chǎn)化的芯片也可以使產(chǎn)品表現(xiàn)出較好性能。

成熟工業(yè)ASIC的推進(jìn)難題

既然工業(yè)芯片領(lǐng)域制程在國(guó)內(nèi)早已發(fā)展成熟，為什么還存在如此大的***空間呢？

以工業(yè)芯片中的光電子探測(cè)方向?yàn)槔鳛楣怆娮犹綔y(cè)芯片設(shè)計(jì)領(lǐng)域的成員，宇稱電子創(chuàng)始人沈煒接受雷鋒網(wǎng)采訪時(shí)表示，其實(shí)包括SPAD在內(nèi)的傳感器行業(yè)本身還沒(méi)有發(fā)展到需要特別依賴摩爾定律前沿的工藝需求，所以在設(shè)計(jì)SPAD的過(guò)程中也不會(huì)遇到缺少EUV***關(guān)鍵設(shè)備的難題。

目前的問(wèn)題在于工業(yè)芯片設(shè)計(jì)困難，整體出貨量又無(wú)法與消費(fèi)類芯片相比，所以在芯片國(guó)產(chǎn)化的熱潮中，往往被忽視。

在創(chuàng)建宇稱電子的過(guò)程中，沈煒認(rèn)為最大的困難在于單光子探測(cè)技術(shù)仍舊處在應(yīng)用的初期，想要被業(yè)界廣泛接受還需要一段時(shí)間。也正因如此，在同上下游的客戶以對(duì)接過(guò)程中，需要耗費(fèi)大量時(shí)間和精力建立關(guān)系，進(jìn)行相關(guān)技術(shù)與知識(shí)的普及，同時(shí)也需要和工藝廠商探討具體的工藝細(xì)節(jié)。

“實(shí)際上在我們的設(shè)計(jì)過(guò)程中，同樣節(jié)點(diǎn)的工藝，確實(shí)會(huì)遇到利用國(guó)產(chǎn)設(shè)備做出來(lái)的匹配度、精度或采樣速率不足的問(wèn)題。但對(duì)于一個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)師而言，提升精度的方法有很多，并不是硬著頭皮盯緊一項(xiàng)指標(biāo)，很多由于設(shè)備加工導(dǎo)致的精度不足問(wèn)題，可以通過(guò)使用獨(dú)特的芯片構(gòu)架進(jìn)行規(guī)避。只有盡量貼近整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的提升才能夠談得上整個(gè)半導(dǎo)體行業(yè)得到了發(fā)展。”

沈煒認(rèn)為，無(wú)論是設(shè)備還是設(shè)計(jì)本身，都是一個(gè)雙向提升的過(guò)程，只有充分信任彼此，才能有更多試錯(cuò)的機(jī)會(huì)，從而帶動(dòng)整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的進(jìn)步。也希望產(chǎn)業(yè)界和投資界對(duì)于工業(yè)芯片能有更多的關(guān)注。

小結(jié)

半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的***并不單純?cè)谟谑欠衲軗碛邢冗M(jìn)工藝制程和頂尖的設(shè)備，國(guó)際領(lǐng)先的國(guó)產(chǎn)核心元器件的***之困可能更多在產(chǎn)業(yè)鏈的整合推進(jìn)難題。承認(rèn)工業(yè)傳感器芯片的出貨量無(wú)法達(dá)到消費(fèi)類芯片的量級(jí)，同時(shí)也認(rèn)清時(shí)局，工業(yè)芯片***空間巨大且前景尚好。

也需要有更多像宇稱電子這類的公司在光電子探測(cè)領(lǐng)域，尤其是醫(yī)療影像PET-CT設(shè)備芯片做到國(guó)際一流的國(guó)內(nèi)公司，關(guān)注工業(yè)ASIC的***問(wèn)題。
責(zé)編AJX