中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)在新的技術(shù)革命下有什么樣的發(fā)展機(jī)會

伴隨 5G、AIoT的發(fā)展和國際關(guān)系的日漸緊張之下，集成電路產(chǎn)業(yè)逐漸受到一致關(guān)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(dǎo)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(diǎn)和機(jī)會所在。

摩爾定律放緩催生新材料新架構(gòu)

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(dāng)時(shí)提出價(jià)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(xiàng)定律被修改為兩年一翻番。時(shí)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(rèn)為，在制程節(jié)點(diǎn)20nm以后叫做后摩爾時(shí)代，2nm和1nm是否還會走下去，這是業(yè)界仍未知的領(lǐng)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(jī)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(xué)鍍銅和機(jī)械平面化的雙鑲嵌結(jié)構(gòu)（dual damascence process）技術(shù)；其二，受到設(shè)備物理限制，Si柵極和SiO2柵極電介質(zhì)材料被金屬柵極和高K電介質(zhì)取代；其三，受到光刻限制，193nm以上的制程工藝，應(yīng)運(yùn)而生了光刻技術(shù)。 實(shí)際上，正是因?yàn)槭艿竭@種限制，光刻工藝和刻蝕工藝便成為了后摩爾時(shí)代芯片圖形發(fā)展的兩個重要技術(shù)。通過公式得知，光刻工藝技術(shù)受到NA、k1、λ幾個參數(shù)影響，在制程節(jié)點(diǎn)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(shí)，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(fù)雜光學(xué)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(shù)，目前納米壓印、X光光刻、電子束直寫作為先進(jìn)光刻技術(shù)正在高速發(fā)展之中，但這些技術(shù)在3-5內(nèi)仍然有發(fā)展空間，并不會馬上成為主流技術(shù)。 默克中總裁兼高性能材料業(yè)務(wù)中國區(qū)董事總經(jīng)理Allan Gabor認(rèn)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(jié)構(gòu)。在此方面，吳漢明也預(yù)測，隨著工藝節(jié)點(diǎn)演進(jìn)，摩爾定律越來越難以持續(xù)，預(yù)計(jì)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(shí)代有著四大發(fā)展模式，具體的方式包括：馮 -硅模式 ，二進(jìn)制基礎(chǔ)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(shù)） ；類硅模式，現(xiàn)行架構(gòu)下 NC T FET （負(fù)電容）、 TFET （隧穿）、相變 FET、SET （單電子）等電荷變換的非 CMOS技術(shù) ；類腦模式 3D封裝模擬神經(jīng)元特性，存算一體等計(jì)算，并行性、低功耗的特點(diǎn)，人工智能的主要途徑 ；新興模式，狀態(tài)變換（信息強(qiáng)相關(guān)電態(tài) /自旋取向 ）、新器件技術(shù)（自旋器件 /量子 ）和新興架構(gòu)（量子計(jì)算 /神經(jīng)形態(tài)計(jì)算 ）。 因而邏輯器件將會擁有三個趨勢，其一是結(jié)構(gòu)方面，增加?xùn)趴啬芰?，以?shí)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(shí)現(xiàn)更高的導(dǎo)通電流和性能；其三，架構(gòu)方面，類似平面NAND閃存向三位NAND閃存演進(jìn)，未來的邏輯器件也會從二維集成技術(shù)走向三維堆棧工藝。 “摩爾定律放緩是不爭的事實(shí)，但據(jù)OpenAI預(yù)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?！鄙虾ｌ菰?a href="http://ttokpm.com/v/" target="_blank">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(yīng)，迎接挑戰(zhàn)的并非只有光刻、刻蝕技術(shù)，其實(shí)從工具鏈、產(chǎn)業(yè)鏈、產(chǎn)學(xué)研上來講都是需要做好抓手，快速升級的領(lǐng)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(shù)產(chǎn)業(yè)的核心，是支撐經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的戰(zhàn)略性、基礎(chǔ)性、先導(dǎo)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?cè)肟燔嚨?，年?fù)合增長率已超過20%。2019年我國集成電路產(chǎn)業(yè)規(guī)模實(shí)現(xiàn)7000多億元，同比增長15.8%，遠(yuǎn)勝于全球整體的負(fù)增長局面。而在今年上半年新冠疫情的影響下，我國半導(dǎo)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(jī)。中國半導(dǎo)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(xué)表示，半導(dǎo)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(yùn)行來看，一方面對終端需求、物流等領(lǐng)域?qū)Π雽?dǎo)體行業(yè)造成了一定負(fù)面影響，另一方面，隨著線上辦公、視頻會議、網(wǎng)絡(luò)授課等需求，以及5G等新興應(yīng)用的興起，也為產(chǎn)業(yè)發(fā)展帶來了新的機(jī)遇。 事實(shí)上，通過數(shù)據(jù)端來看，根據(jù)中國半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會的統(tǒng)計(jì)，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(jìn)出口同樣保持著良好的增長勢頭，發(fā)展體現(xiàn)了極強(qiáng)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(xiàn)。 “半導(dǎo)體行業(yè)依靠全球市場和全球供應(yīng)鏈而蓬勃發(fā)展，我們需要關(guān)注開放的貿(mào)易與創(chuàng)新，這既是成功的基石，也是消費(fèi)者繼續(xù)享受科技福祉的必要前提”， 美國半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會輪值主席、安森美半導(dǎo)體總裁兼CEO Keith D.Jackson強(qiáng)調(diào)了全球產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)作的重要性，他認(rèn)為沒有一個國家能夠獨(dú)立提供整個產(chǎn)業(yè)鏈，中國政府恪守承諾堅(jiān)定不移地實(shí)行開放政策，穩(wěn)定對外貿(mào)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(dǎo)體行業(yè)協(xié)會常務(wù)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(dǎo)體市場增長近20倍，年均增速達(dá)9%。預(yù)計(jì)到2030年，全球半導(dǎo)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(jī)、服務(wù)器等產(chǎn)品中，半導(dǎo)體價(jià)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(dǎo)體增長重要驅(qū)動力。 值得一提的是，全球半導(dǎo)體貿(mào)易值為產(chǎn)值的3～4倍，半導(dǎo)體供應(yīng)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(jī)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(jìn)口金額達(dá)3055.5億美元，出口金額達(dá)1345億美元。

美國半導(dǎo)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(fèi)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(dǎo)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(yù)計(jì)到本世紀(jì)末，這一比例將增長到約28%。此外，中國半導(dǎo)體企業(yè)創(chuàng)新能力正在不斷加強(qiáng)，參與全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的程度不斷加深，尤其是在晶圓廠和OSAT領(lǐng)域。 日本、韓國、中國臺灣等地都逐漸成為了全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈中重要的一員?！斑@種全球化和區(qū)域?qū)I(yè)化推動著半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展至今，競爭力是推動半導(dǎo)體進(jìn)步的一個重要原因。歷史表明，其他國家在半導(dǎo)體行業(yè)的崛起確實(shí)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(dǎo)體行業(yè)正在開花

目前中國半導(dǎo)體行業(yè)落后已經(jīng)成為了不爭的事實(shí)，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(dāng)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(chǔ)研究的經(jīng)費(fèi)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(chǔ)研究比先進(jìn)國家的差距非常大。 因此，吳漢明認(rèn)為，集成電路產(chǎn)業(yè)技術(shù)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(rèn)為重點(diǎn)三大卡脖子制造環(huán)節(jié)在工藝、裝備/材料、設(shè)計(jì)IP核/EDA上，在此方面的產(chǎn)業(yè)鏈長，設(shè)計(jì)的領(lǐng)域?qū)?；而產(chǎn)業(yè)型壁壘方面，他認(rèn)為基礎(chǔ)研究薄弱，產(chǎn)業(yè)技術(shù)儲備匱乏。 不過好消息是，經(jīng)過半導(dǎo)體技術(shù)的演進(jìn)和行業(yè)的變遷，全球半導(dǎo)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(zhuǎn)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(zhuǎn)移的原因主要是由于手機(jī)和物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的序幕拉開，而這最終導(dǎo)致產(chǎn)業(yè)鏈從IP廠商和輕設(shè)計(jì)廠商的浮現(xiàn)。

盛美半導(dǎo)體設(shè)備股份有限公司董事長王暉認(rèn)為半導(dǎo)體設(shè)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(dǎo)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(dǎo)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(dá)到了29.5%。2013-2020年，中國半導(dǎo)體行業(yè)的復(fù)合增長率達(dá)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(jī)、系統(tǒng)、信息服務(wù)領(lǐng)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?！?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(biāo)準(zhǔn)制定和建設(shè)…… 從集成電路產(chǎn)教融合發(fā)展聯(lián)盟成立到國務(wù)院印發(fā)《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》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(jī)會。