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)的痛點和機會所在。
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(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)運而生了光刻技術(shù)。 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(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(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)點演進,摩爾定律越來越難以持續(xù),預(yù)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(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(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(jié)構(gòu)方面,增加?xùn)趴啬芰Γ詫崿F(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(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,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,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。”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(yīng),迎接挑戰(zhàn)的并非只有光刻、刻蝕技術(shù),其實從工具鏈、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)肟燔嚨溃陱?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(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。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)展帶來了新的機遇。 事實上,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,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(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強調(diào)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(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9%。預(yù)計到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、服務(wù)器等產(chǎn)品中,半導(dǎo)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(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(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)計到本世紀末,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,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。“這種全球化和區(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,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(chǔ)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(chǔ)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(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,他認為重點三大卡脖子制造環(huán)節(jié)在工藝、裝備/材料、設(shè)計IP核/EDA上,在此方面的產(chǎn)業(yè)鏈長,設(shè)計的領(lǐng)域?qū)挘欢a(chǎn)業(yè)型壁壘方面,他認為基礎(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和物聯(lián)網(wǎng)時代的序幕拉開,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)模達到了29.5%。2013-2020年,中國半導(dǎo)體行業(yè)的復(fù)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(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準制定和建設(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》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。
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