中國半導體產(chǎn)業(yè)的機會

伴隨 5G、AIoT的發(fā)展和國際關系的日漸緊張之下，集成電路產(chǎn)業(yè)逐漸受到一致關注。 2020 年 10 月 14 日， “第三屆全球IC企業(yè)家大會暨第十八屆中國國際半導體博覽會”（IC China 2020 ）于上海開幕，會上各位專家指出了行業(yè)的痛點和機會所在。

摩爾定律放緩催生新材料新架構

摩爾定律是產(chǎn)業(yè)一直以來遵循的重要法則，回溯1965年當時提出價格不變情況下，集成電路可容納的元器件數(shù)量每年都會翻番，性能也會提升一倍。十年后，這項定律被修改為兩年一翻番。時至今日，多核眾核、功耗、密度、頻率已逐漸失效，只有晶體管密度還在繼續(xù)前向發(fā)展。

中國工程院院士吳漢明認為，在制程節(jié)點20nm以后叫做后摩爾時代，2nm和1nm是否還會走下去，這是業(yè)界仍未知的領域，未來的挑戰(zhàn)非常大。但從另一個角度來看，對于中國集成電路來說，發(fā)展速度變慢也是一個機會。

摩爾定律在發(fā)展過程中曾經(jīng)主要遭遇了三大瓶頸，其一，受到材料限制，發(fā)明了電化學鍍銅和機械平面化的雙鑲嵌結構（dual damascence process）技術；其二，受到設備物理限制，Si柵極和SiO2柵極電介質材料被金屬柵極和高K電介質取代；其三，受到光刻限制，193nm以上的制程工藝，應運而生了光刻技術。

實際上，正是因為受到這種限制，光刻工藝和刻蝕工藝便成為了后摩爾時代芯片圖形發(fā)展的兩個重要技術。通過公式得知，光刻工藝技術受到NA、k1、λ幾個參數(shù)影響，在制程節(jié)點32nm-45nm下產(chǎn)生了浸沒工藝、10nm-16nm下使用多重曝光工藝、5nm-7nm則使用極紫外線（EUV）工藝。

但與此同時，EUV光刻也面臨著光源、光刻膠和掩膜版三大挑戰(zhàn)。掩模的整體產(chǎn)率約94.8%，但EUV掩模僅64.3%左右，EUV淹模比復雜光學掩模還貴三至八倍（40層到50層交替的硅和鉬層組成）。

除了上述的光刻技術，目前納米壓印、X光光刻、電子束直寫作為先進光刻技術正在高速發(fā)展之中，但這些技術在3-5內仍然有發(fā)展空間，并不會馬上成為主流技術。

默克中總裁兼高性能材料業(yè)務中國區(qū)董事總經(jīng)理Allan Gabor認為，展望未來，伴隨摩爾定律的逐漸失效，正在催生新材料和新結構。在此方面，吳漢明也預測，隨著工藝節(jié)點演進，摩爾定律越來越難以持續(xù)，預計將走到2025年。在這些挑戰(zhàn)下，新材料、新工藝將是未來成套工藝研發(fā)的主旋律。

后摩爾時代有著四大發(fā)展模式，具體的方式包括：馮 -硅模式 ，二進制基礎的 MOSFET和CMOS （平面） 及泛CMOS （立體柵FinFET、納米線環(huán)柵NWFET、 碳納米管CNTFET等技術） ；類硅模式，現(xiàn)行架構下 NC T FET （負電容）、 TFET （隧穿）、相變 FET、SET （單電子）等電荷變換的非 CMOS技術 ；類腦模式 3D封裝模擬神經(jīng)元特性，存算一體等計算，并行性、低功耗的特點，人工智能的主要途徑 ；新興模式，狀態(tài)變換（信息強相關電態(tài) /自旋取向 ）、新器件技術（自旋器件 /量子 ）和新興架構（量子計算 /神經(jīng)形態(tài)計算 ）。

因而邏輯器件將會擁有三個趨勢，其一是結構方面，增加柵控能力，以實現(xiàn)更低的漏電流，降低器件功耗；其二是材料方面，增加溝道的遷移率，以實現(xiàn)更高的導通電流和性能；其三，架構方面，類似平面NAND閃存向三位NAND閃存演進，未來的邏輯器件也會從二維集成技術走向三維堆棧工藝。

“摩爾定律放緩是不爭的事實，但據(jù)OpenAI預估AI算力約每3.5個月翻倍，算力需求正已10倍年增長增加，甚至在摩爾定律不放緩下都難以滿足日益增速的算力需求。”上海燧原科技有限公司創(chuàng)始人兼CEO趙立東如是說。

因此，一個小小的摩爾定律所引發(fā)的蝴蝶效應，迎接挑戰(zhàn)的并非只有光刻、刻蝕技術，其實從工具鏈、產(chǎn)業(yè)鏈、產(chǎn)學研上來講都是需要做好抓手，快速升級的領域。

全球產(chǎn)業(yè)合作具有非凡意義

“集成電路產(chǎn)業(yè)是信息技術產(chǎn)業(yè)的核心，是支撐經(jīng)濟社會發(fā)展的戰(zhàn)略性、基礎性、先導性產(chǎn)業(yè)，目前是新基建的基石，是信息社會的糧食”，工業(yè)和信息化部電子信息司副司長楊旭東在開幕致辭中如是說。

通過一組數(shù)據(jù)來看，目前我國集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展已駛入快車道，年復合增長率已超過20%。2019年我國集成電路產(chǎn)業(yè)規(guī)模實現(xiàn)7000多億元，同比增長15.8%，遠勝于全球整體的負增長局面。而在今年上半年新冠疫情的影響下，我國半導體產(chǎn)業(yè)依然保持了16%的增長。

今年是特殊的一年，疫情的沖擊，既是危、也是機。中國半導體行業(yè)理事長、中芯國際集成電路制造有限公司董事長周子學表示，半導體作為高度國際化的產(chǎn)業(yè)，在新冠疫情向全球蔓延情況下，也不可避免受到一定沖擊。從前三季度信息產(chǎn)業(yè)運行來看，一方面對終端需求、物流等領域對半導體行業(yè)造成了一定負面影響，另一方面，隨著線上辦公、視頻會議、網(wǎng)絡授課等需求，以及5G等新興應用的興起，也為產(chǎn)業(yè)發(fā)展帶來了新的機遇。

事實上，通過數(shù)據(jù)端來看，根據(jù)中國半導體行業(yè)協(xié)會的統(tǒng)計，上半年中國集成電路產(chǎn)業(yè)銷售額為3539億元，同比增長16.1%，上半年中國集成電路進出口同樣保持著良好的增長勢頭，發(fā)展體現(xiàn)了極強的韌性。他表示，在全國許多產(chǎn)業(yè)處于非常不利的情況下，還能有這樣的增長，對國家也是一個重大的貢獻。

“半導體行業(yè)依靠全球市場和全球供應鏈而蓬勃發(fā)展，我們需要關注開放的貿易與創(chuàng)新，這既是成功的基石，也是消費者繼續(xù)享受科技福祉的必要前提”， 美國半導體行業(yè)協(xié)會輪值主席、安森美半導體總裁兼CEO Keith D.Jackson強調了全球產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)作的重要性，他認為沒有一個國家能夠獨立提供整個產(chǎn)業(yè)鏈，中國政府恪守承諾堅定不移地實行開放政策，穩(wěn)定對外貿易和投資，是令人鼓舞和振奮人心的，這篤定了外資公司的信心。

全球市場仍然是國產(chǎn)發(fā)展不容小覷的方向，通過中國半導體行業(yè)協(xié)會常務副理事長、中國電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究院院長張立展出的一組數(shù)據(jù)顯示，在過去35年中，全球半導體市場增長近20倍，年均增速達9%。預計到2030年，全球半導體市場規(guī)模有望增長到萬億美元規(guī)模。存量市場上，如手機、服務器等產(chǎn)品中，半導體價值量持續(xù)提升；新興市場上，如5G、人工智能、智能汽車等，成為半導體增長重要驅動力。

值得一提的是，全球半導體貿易值為產(chǎn)值的3～4倍，半導體供應鏈呈現(xiàn)高度全球化的態(tài)勢。比如硅片生產(chǎn)主要集中在日本、中國臺灣，晶圓制造集中在中國臺灣、中國大陸、韓國、日本、美國，封裝測試主要集中在中國大陸、馬來西亞、新加坡，整機組裝集中在中國大陸、中國臺灣、馬來西亞、越南、墨西哥等。2019年中國大陸集成電路進口金額達3055.5億美元，出口金額達1345億美元。

美國半導體行業(yè)協(xié)會總裁兼CEO John Neuffer在會上指出，中國是世界上最大的電子消費國，也是美國芯片制造商最大的市場。2019年，中國市場占美國半導體公司收入的36%。如今，中國已經(jīng)擁有了17%的芯片產(chǎn)量，預計到本世紀末，這一比例將增長到約28%。此外，中國半導體企業(yè)創(chuàng)新能力正在不斷加強，參與全球半導體產(chǎn)業(yè)的程度不斷加深，尤其是在晶圓廠和OSAT領域。

日本、韓國、中國臺灣等地都逐漸成為了全球半導體產(chǎn)業(yè)鏈中重要的一員?！斑@種全球化和區(qū)域專業(yè)化推動著半導體行業(yè)發(fā)展至今，競爭力是推動半導體進步的一個重要原因。歷史表明，其他國家在半導體行業(yè)的崛起確實帶來了新的挑戰(zhàn)，但全球產(chǎn)業(yè)鏈的成功表明我們有能力去面對這種競爭。”

中國半導體行業(yè)正在開花

目前中國半導體行業(yè)落后已經(jīng)成為了不爭的事實，但從歷史來看，從第一塊硅單晶誕生、第一塊硅集成電路誕生到年產(chǎn)量100萬塊的過程當中，我國與美國以及日本的差距并不大；但從年產(chǎn)量1000萬塊開始，我國產(chǎn)業(yè)就與其他國家產(chǎn)生了巨大的差距。

究其原因，從數(shù)據(jù)來看，中國的基礎研究的經(jīng)費投入比例為5%，相對其他國家的12%-24%，比較少。另外，這部分的研發(fā)大部分投入都是在試錯方面，基礎研究比先進國家的差距非常大。

因此，吳漢明認為，集成電路產(chǎn)業(yè)技術創(chuàng)新上擁有兩大壁壘，分別為戰(zhàn)略性壁壘和產(chǎn)業(yè)型壁壘。戰(zhàn)略性壁壘方面，他認為重點三大卡脖子制造環(huán)節(jié)在工藝、裝備/材料、設計IP核/EDA上，在此方面的產(chǎn)業(yè)鏈長，設計的領域寬；而產(chǎn)業(yè)型壁壘方面，他認為基礎研究薄弱，產(chǎn)業(yè)技術儲備匱乏。

不過好消息是，經(jīng)過半導體技術的演進和行業(yè)的變遷，全球半導體產(chǎn)業(yè)正在不斷遷移至中國大陸，中國大陸已逐漸成為產(chǎn)業(yè)第三次轉移的核心。根據(jù)芯微原電子（上海）股份有限公司董事長兼總裁戴偉民的介紹，轉移的原因主要是由于手機和物聯(lián)網(wǎng)時代的序幕拉開，而這最終導致產(chǎn)業(yè)鏈從IP廠商和輕設計廠商的浮現(xiàn)。

盛美半導體設備股份有限公司董事長王暉認為半導體設備公司的興起與成長緊緊跟隨全球芯片制造中心的遷移，而此遷移的路線依然與全球半導體產(chǎn)業(yè)遷移的道路相同，未來10年中國將成為全球半導體芯片制造的重心。

通過數(shù)據(jù)來看，國產(chǎn)芯片本土市場正在逐漸增加，2019年市場規(guī)模達到了29.5%。2013-2020年，中國半導體行業(yè)的復合增長率達到了15.7%。不僅如此，我國集成電路市場已覆蓋芯片、軟件、整機、系統(tǒng)、信息服務領域，中國已經(jīng)逐漸成為全球集成電路企業(yè)發(fā)展的沃土。

“中國發(fā)展離不開世界，世界發(fā)展也需要中國?！?/p>

我國積極參與X86、ARM、MIPS等全球生態(tài)，我國阿里、中興微、華米等5家企業(yè)成為RSIC-V的白金會員，中國積極參與全球各類標準制定和建設……

從集成電路產(chǎn)教融合發(fā)展聯(lián)盟成立到國務院印發(fā)《新時期促進集成電路產(chǎn)業(yè)和軟件產(chǎn)業(yè)高質量發(fā)展的若干政策》等多個政策利好的發(fā)布，中國的集成電路正在把握住摩爾定律放緩以及5G、物聯(lián)網(wǎng)爆發(fā)的這波機會。

責任編輯：haq