中科院計算技術(shù)研究所副所長包云崗博士

【文/包云崗 編輯：科工力量 陳辰】

國產(chǎn)芯片制造技術(shù)進步明顯

數(shù)據(jù)顯示，2019年國內(nèi)集成電路產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)值超過7500億人民幣，2020年則達到了8848億元。而在整個產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中，集成電路制造行業(yè)取得的進步最為明顯。據(jù)包云崗博士介紹，經(jīng)過多年耕耘布建，目前國內(nèi)集成電路產(chǎn)業(yè)已從高速發(fā)展階段向高質(zhì)量發(fā)展轉(zhuǎn)型，正在研制14nm、28nm等先進制程工藝技術(shù)，能為國產(chǎn)芯片制造產(chǎn)業(yè)鏈帶來新機遇。

一方面，近年來，中國集成電路市場的迅速發(fā)展，推動了整個產(chǎn)業(yè)的進步與技術(shù)革新。隨著產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域的專業(yè)化和細分化，國內(nèi)在集成電路制造領(lǐng)域的技術(shù)水平不斷實現(xiàn)突破，比如在先進與特色工藝的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化等方面取得顯著了進展。

另一方面，全球集成電路產(chǎn)能向中國大陸轉(zhuǎn)移，將為國內(nèi)集成電路產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)跨越發(fā)展奠定重要基礎(chǔ)。目前，國內(nèi)外多家廠商都在大陸規(guī)劃建設(shè)新增產(chǎn)能。而在諸多新增晶圓廠逐步建設(shè)完成后，中國大陸將在降低成本、擴大產(chǎn)能、地域便利性等方面具備更強有力的保障及支持。顯然，這對國內(nèi)集成電路產(chǎn)業(yè)的整體發(fā)展及完善，起到極為重要的促進作用。

毫無疑問，集成電路是國民經(jīng)濟和社會發(fā)展的戰(zhàn)略性、基礎(chǔ)性、先導(dǎo)性產(chǎn)業(yè)，是電子信息產(chǎn)業(yè)的核心。近年來，中國正在不斷出臺產(chǎn)業(yè)政策，以市場化運作的方式推動集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。比如2020年8月，國務(wù)院發(fā)布了《新時期促進集成電路產(chǎn)業(yè)和軟件產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的若干政策》，進一步明確了對集成電路產(chǎn)業(yè)尤其是制造業(yè)的支持。由此，國內(nèi)集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展及制造技術(shù)進步還有很大想象空間。

14nm芯片助力產(chǎn)業(yè)換“芯”升級

在眼下集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展形勢下，國產(chǎn)芯片制造的快速進步振奮人心。2019年第四季度，國產(chǎn)14nm工藝芯片實現(xiàn)量產(chǎn)，到了今年3月良品率已經(jīng)達到90%-95%，能應(yīng)對下游大規(guī)模量產(chǎn)的需要。多位行業(yè)人士預(yù)測，國產(chǎn)14nm芯片各個環(huán)節(jié)會得到完善，實現(xiàn)規(guī)模量產(chǎn)可以期待。

包博士表示，國產(chǎn)14nm芯片攻克了許多技術(shù)難題，包括刻蝕機、薄膜沉積等關(guān)鍵裝備，后道封裝集成技術(shù)，拋光劑、濺射靶材等上百種關(guān)鍵材料，并批量應(yīng)用在大生產(chǎn)線上。

此外，他還認為，中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)曾經(jīng)遺憾地錯過一個黃金年代，目前國際半導(dǎo)體行業(yè)巨頭幾乎都在上世紀七八十年代起步，用漫長時間和巨量人才投入才換來現(xiàn)在的技術(shù)積累。但縱觀全球，只有美國有結(jié)構(gòu)完整的計算機產(chǎn)業(yè)，英國、韓國、德國、法國等都只是各有所長。但現(xiàn)在除了美國之外，中國也已具備了構(gòu)建全產(chǎn)業(yè)的潛力，但還需要多方努力。

在市場應(yīng)用方面，智能手機已經(jīng)進入應(yīng)用5nm芯片的時代，14nm制程應(yīng)用已經(jīng)不多。但一段時間內(nèi)，14nm仍然會成為國內(nèi)絕大多數(shù)中高端芯片的主要制程。數(shù)據(jù)統(tǒng)計，2019年上半年，整個半導(dǎo)體銷售市場規(guī)模約為2000億美元。其中，65%芯片采用14nm制程工藝，25%左右采用10nm和12nm，僅10%左右的芯片采用7nm。

對此，包博士表示，14nm是當下應(yīng)用最廣泛、最具市場價值的制程工藝，在AI芯片、高端處理器以及汽車等領(lǐng)域都具有很大的發(fā)展?jié)摿?，其中主要?yīng)用包含高端消費電子產(chǎn)品、高速運算、低階功率放大器、基頻、AI、新能源汽車等。

28nm芯片在新基建中大有可為

比起14nm制程工藝的突破，國產(chǎn)28nm芯片規(guī)模量產(chǎn)同樣意義非凡。據(jù)包博士介紹，28nm工藝是集成電路制造產(chǎn)能中劃分中低端與中高端的分界線。在當前的芯片種類里，除了對功耗要求比較高的CPU、GPU、AI芯片外，其余的工業(yè)級芯片都是用的28nm以上的技術(shù)，比如電視、空調(diào)、汽車、高鐵、火箭、衛(wèi)星、工業(yè)機器人、電梯、醫(yī)療設(shè)備、智能手環(huán)以及無人機等等。

“由于集成電路制造還是以中低端產(chǎn)能為主，當前我國向中高端邁進的需求非常迫切。而一旦完全掌握了28nm技術(shù)，就意味著市場上絕大部分的芯片需求都不會被卡脖子了?！卑┦空f，28nm的優(yōu)勢也比較明顯。在成本幾乎相同的情況下，使用28nm工藝制程可以給產(chǎn)品帶來更加良好的性能。例如與40nm工藝相比，28nm柵密度更高、晶體管的速度提升了約50%，每次開關(guān)時能耗減少了50%。由此，綜合考慮成本和技術(shù)因素，28nm制程在未來較長一段時間將成為中端主流工藝節(jié)點。

正因如此，國務(wù)院去年發(fā)布了《新時期促進集成電路產(chǎn)業(yè)和軟件產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展若干政策的通知》，其中提到對28nm及以下的晶圓廠/企業(yè)加大稅費優(yōu)惠支持力度，增加對"中國鼓勵的集成電路線寬小于28nm（含），且經(jīng)營期在15年以上的集成電路生產(chǎn)企業(yè)或項目，第一年至第十年免征企業(yè)所得稅"等內(nèi)容。

在市場應(yīng)用方面，包博士稱，國產(chǎn)28nm芯片國內(nèi)市場廣闊。目前，國內(nèi)芯片制造企業(yè)產(chǎn)能已基本全線利用，至少達到了98%。這是最近五年來產(chǎn)能利用率最高的一年。而隨著數(shù)字經(jīng)濟快速發(fā)展，中國正在全力開展新基礎(chǔ)建設(shè)工程，對芯片的需求十分旺盛。雖然與5nm、7nm相比，28nm的工藝還有一定差距，但在5G、新能源汽車、特高壓、大數(shù)據(jù)中心、人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等國家大力發(fā)展的領(lǐng)域中已經(jīng)屬于成熟工藝，不論在成本還是在芯片功耗、功能與性能三大指標上，都是性價比最高的工藝制程。

根據(jù)調(diào)研機構(gòu)IC insights發(fā)布的《2020-2024年全球晶圓產(chǎn)能》報告顯示，2019年，10nm以下先進制程的芯片產(chǎn)能占總產(chǎn)能的4.4%，而大于28nm的成熟制程產(chǎn)能則占52%。因此，加快國產(chǎn)28nm芯片布局，不僅有利于在這一領(lǐng)域站穩(wěn)腳跟，而且在芯片國產(chǎn)替代和新基建大潮下大有可為。包博士指出，國內(nèi)已經(jīng)具備28nm技術(shù)節(jié)點完規(guī)模量產(chǎn)能力，在一些國產(chǎn)化關(guān)鍵設(shè)備和材料上取得不錯進展，但仍需加大研發(fā)投入。在集成電路各產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)，有些企業(yè)研發(fā)已經(jīng)取得了不俗成就，有些企業(yè)的產(chǎn)品生產(chǎn)線上已經(jīng)得到具體應(yīng)用。與此同時，國內(nèi)在一些細分領(lǐng)域還實現(xiàn)了顯著突破，比如在介質(zhì)刻蝕領(lǐng)域已達到全球先進水平。

提高服務(wù)能力可加速技術(shù)迭代

芯片是通信信息產(chǎn)業(yè)的核心，應(yīng)用前景巨大。對于國產(chǎn)芯片是否可以滿足包括5G通訊在內(nèi)的通訊設(shè)備性能方面的需求，包博士表示，14nm芯片可以滿足5G通信、高性能計算等領(lǐng)域的大部分需求。此外，國內(nèi)也在積極開發(fā)7nm等先進工藝制程芯片，未來將有效緩解高端芯片代工領(lǐng)域的對外依存狀況。

但芯片畢竟是硬件，只有在軟件層面充分調(diào)動芯片的性能，才可以體現(xiàn)芯片的價值。依據(jù)國際歷史經(jīng)驗看，通過軟件的調(diào)試也可以改變芯片的特性。對此，包博士指出，“國內(nèi)通訊運營商、設(shè)備提供商以及通訊方案服務(wù)商，也需要清楚當下芯片產(chǎn)業(yè)的變化，努力通過‘軟硬件結(jié)合’的模式創(chuàng)新服務(wù)方案、設(shè)備架構(gòu)，以適應(yīng)時代的變化發(fā)展。 ”今年4月，國內(nèi)已經(jīng)實現(xiàn)7nm芯片試產(chǎn)，取得了階段性成果。

至于芯片制造企業(yè)是不是應(yīng)該把所有資源都投入去研制更先進工藝？包博士提示，國內(nèi)也許應(yīng)該分配足夠的資源來提升中低端工藝的服務(wù)能力，加大投入完善中低端工藝的生態(tài)，從設(shè)備、材料、單元庫、EDA、IP等都積累起來并打磨好，從而力爭在國際上形成市場競爭力。當中低端工藝能成為穩(wěn)定的現(xiàn)金流來源，再去攻克高端工藝也許更有把握。

“中低端工藝對于國內(nèi)企業(yè)已基本不存在大的技術(shù)壁壘，但這部分的收入?yún)s和臺積電等企業(yè)差距巨大。這是生態(tài)的差距，是服務(wù)能力的差距。相比研制先進工藝的投入，完善中低端工藝的投入要小得多，但收益卻可能會更顯著。 ”根據(jù)國內(nèi)的流片經(jīng)歷來看，芯片制造企業(yè)的服務(wù)能力的確還有很大提升空間。如果能進一步提高服務(wù)意識和服務(wù)能力，那將會吸引一大批鐵桿客戶形成互信，從而加速技術(shù)的迭代優(yōu)化。

國產(chǎn)中高端芯片未來可期

對于整個集成電路產(chǎn)業(yè)以及與芯片密切相關(guān)的數(shù)字通信、電子產(chǎn)業(yè)的看法，包博士認為，芯片作為未來工業(yè)真正的明珠，不僅是全球化最徹底的產(chǎn)業(yè)，也是全球最高級別的創(chuàng)新協(xié)作體系。現(xiàn)在，國內(nèi)技術(shù)在滿足做大量普通芯片方面并不存在卡脖子，所謂的卡脖子是在頂級芯片領(lǐng)域被卡了脖子。但要實現(xiàn)突破，芯片產(chǎn)業(yè)需要同時具備充足的資本和技術(shù)儲備，建立一個全球創(chuàng)新的協(xié)作體系，以及清晰意識到芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展的規(guī)律：當前的自主研發(fā)是為了更好地融于全球市場，而不是脫離全球市場另起爐灶。

此外，除了我國芯片產(chǎn)業(yè)自身的奮力發(fā)展，其他相關(guān)領(lǐng)域如數(shù)字化、通訊以及電子產(chǎn)業(yè)，一定程度上也需要重新定義產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向。在5G通訊快速發(fā)展的當下，相關(guān)產(chǎn)業(yè)要努力融于全球化產(chǎn)業(yè)體系，主動增加國際體系對國內(nèi)產(chǎn)業(yè)的依賴性，從而提升自身話語權(quán)。

比如在開發(fā)通信產(chǎn)業(yè)方面，華為在4月舉辦的全球分析師大會上所傳遞出戰(zhàn)略：華為將“優(yōu)化產(chǎn)業(yè)組合、增強產(chǎn)業(yè)韌性”開發(fā)相關(guān)軟件場景。從中可見，在當前“軟硬件結(jié)合”的產(chǎn)業(yè)體系中，這樣的戰(zhàn)略將保證華為繼續(xù)融于全球通訊體系。

對于國內(nèi)集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及形勢走向，包博士表示：一方面是因為當前國際形勢，使得中國下定決心大力發(fā)展集成電路產(chǎn)業(yè)，另一方面也是未來智能物聯(lián)網(wǎng)時代將會使芯片需求擴大一個數(shù)量級，甚至每年達到上千億顆的需求。但國內(nèi)的芯片基礎(chǔ)較差是一個既定事實，必須承認。面對這樣的事實，如何去做、去滿足需求，才是可以真正體現(xiàn)中國企業(yè)家精神的地方。

毫無疑問，集成電路產(chǎn)業(yè)是資金密集、換代頻繁、人才尖端的全球前沿產(chǎn)業(yè)之一，技術(shù)難度高且試錯成本大。從美、日、韓、臺等國家和地區(qū)集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展歷程看，后發(fā)國家和地區(qū)趕超不會一蹴而就，需要有自主發(fā)展的決心、艱苦奮斗的恒心、趕超成功的信心，更要有強大持續(xù)的資金、迭代演進的技術(shù)、素質(zhì)達標的人才、產(chǎn)用聯(lián)動的市場。最終，集聚資本、技術(shù)、人才、市場四大合力要素，國產(chǎn)中高端芯片才可能成功實現(xiàn)趕超發(fā)展。

就國內(nèi)目前的發(fā)展狀況而言，在國際形勢風(fēng)云變幻、數(shù)字經(jīng)濟日新月異、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級愈發(fā)緊迫以及新基建大潮來臨等情況下，國產(chǎn)中高端芯片的應(yīng)用需求及前景勢必十分廣闊。另外，隨著5G和AIoT時代到來，尤其是在智慧城市、自動駕駛、安防物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域各項產(chǎn)品日趨豐富，芯片也逐漸專注于針對特殊場景的開發(fā)及優(yōu)化，從而使得專用芯片即將迎來“百花齊放”時代。因此，在龐大的市場空間下，國產(chǎn)中高端芯片未來可期、大有可為！

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