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后摩爾時代集成電路產業特性及發展趨勢

b8oT_TruthSemiG ? 來源:求是緣半導體 ? 作者:求是緣半導體 ? 2021-01-10 10:52 ? 次閱讀

摘要:摩爾時代集成電路產業追尋更小、更密、更快的方向發展,導致費用、人才、技術門檻極高,形成壟斷。集成電路產業正在從摩爾時代邁入后摩爾時代,產業發展向高度集成、分散應用、多產品樣式、材料多樣性、淡化線寬和尺寸的方向發展。基于晶圓制程是制約我國集成電路產業發展瓶頸的現狀,建議融合臺灣技術與人才,集中資金和人力主攻8寸晶圓制程,對12寸晶圓制程采取緊盯策略,實現我國集成電路產業的全面健康有序發展。

近年智能手機人工智能、仿生機器人物聯網MEMS等各類行業應用飛速發展,集成電路發展從傳統的追求更小、更密、更快,向定制化、異構化、可升級、低功耗、低成本等各種差異化方向發展,集成電路產業正在從摩爾時代邁入后摩爾時代。認清后摩爾時代的產業特點,選擇合適的發展方向,對推動我國集成電路產業健康有序發展,保障國家戰略安全具有非常重要的意義[1]。

摩爾時代集成電路產業發展狀況

1958年,美國德州儀器TI)生產出第一款工業級集成電路至今近70年,全球集成電路產業發展基本遵循1956年英特爾創始人戈登?摩爾提出的摩爾定律:集成電路上所集成的電路的數目,每隔18個月就翻一番;微處理器的性能每隔18個月提高一倍,而價格下降一倍;用一美元所能買到的計算機性能,每隔18個月翻兩番。摩爾定律引導集成電路行業往更小、更密、更快的方向發展,也遇到了越來越高的門檻和障礙,限制了行業發展,帶來如下困境。

(1)先進晶圓廠的建設費用高漲,7nm及以下工藝晶圓廠的建設費用超百億美元,極少的企業或國家能承擔此費用。

(2)先進工藝的流片成本高漲,7nm及以下工藝的流片費用超千萬美元,給新產品的研發帶來極高成本和風險。

(3)先進設計、先進工藝,需要大量高學歷、豐富經驗的優秀工程師,從業門檻高。

(4)產品具有迭代性,后進入者會遇到專利壁壘,引發專利戰,限制了技術創新。

摩爾時代的產業特性使產業的集中度在世界范圍內逐步提高,形成少數壟斷企業,壟斷區域,壟斷國家。2017年,全球集成電路產業4700億美元營收中,十大跨國公司占據80%營收,具有不可撼動的壟斷地位。細化到產業鏈各環節看,集中度更為明顯:EDA設計軟件領域,美國MentorCadence和Synopsys占據90%以上的市場份額,處于絕對壟斷地位;設計領域前10強,除了排名第4的聯發科(中國臺灣),排名第5的海思(中國大陸),排名第9的展銳(中國大陸),排名第10的聯永科技(中國臺灣)。

其余6家Broadcom、Qualcomm、NAVIDIA、AMD、Xilinx、Marvell全部是美國公司,美國公司占據70%的份額;流片代工領域,臺灣的臺積電占據49.2%份額,韓國三星占據18%份額,美國格羅方德占據8.7%份額;封裝測試領域,前三名則分別是臺灣的日月光,美國的安靠,中國大陸的長電科技,該細分領域中國臺灣居于壟斷地位,中國大陸緊跟其后;集成電路基礎材料,則是日本居于壟斷;高端設備領域,荷蘭ASML在光刻機領域絕對領先,其他刻蝕、注入機、沉積等設備,日本和美國具有壟斷地位。

摩爾時代集成電路產業的壟斷性,使得包括中國在內的后發國家在追尋摩爾定律往更小、更密、更快的方向發展,追趕美國等先進國家地區極其困難。此外,集成電路進入10nm工藝后,傳統技術理論逐步失效,單純靠減小線寬、增加器件密度、提高運算速度的摩爾定律遇到了瓶頸,發展滯緩[2] [3]。

后摩爾時代集成電路產業特性及發展趨勢

智能手機、人工智能、仿生機器人、物聯網、MEMS等應用的飛速發展,對集成電路的要求復雜化。集成電路要求定制化、集成化、可升級、低功耗、低成本,甚至需要植入生物體等,而非簡單的更小、更密、更快,都對集成電路的技術發展提出了新的要求。摩爾定律已經無法適應新形勢的發展,產業界最近幾年提出了“超越摩爾定律”,進入后摩爾時代,產業發展思路發生改變,并為后進國家提供了彎道超車的機會[4] [5]。后摩爾時代集成電路產業具有如下特性。

(1)高度集成,在單顆集成電路上實現整個系統功能,包括電源處理器、存儲器、傳感器、無源元件、有源器件、發射器和接收器等。

(2)分散應用,應用場景從單一的電子信息行業,跨入包括生物醫藥、化學、機械在內的多行業,具有定制化、多品種、小批量的趨勢。

(3)多產品樣式,將異質的數字和非數字功能集成到一個緊湊的系統中,從傳統摩爾時代的標準樣式,發展出SOC、SIP、PIP,3D立體封裝等異形結構。

(4)材料多樣化,集成電路應用材料從單一硅鍺材料,到磁性材料、壓電材料、有機材料,甚至生物材料等新材料。

(5)淡化對線寬和尺寸的追求,不再盲目追求高成本的小納米線寬和大晶園尺寸。

基于上述技術特點,后摩爾時代與摩爾時代相比,集成電路產業發展具有如下趨勢。

(1)“超越摩爾定律”與摩爾定律,不構成替代及競爭,兩者應用領域不同,協同發展。

(2)集成電路的發展從摩爾時代單純依靠電子產業,轉而涉及更多橫向產業,如新材料、光學、生物學、熱學等,產業的發展從單一追求深度向同步追求廣度發展。

(3)摩爾時代,集成電路應用單一,主要是計算和存儲,個別龍頭企業可壟斷全行業;而后摩爾時代,應用場景劇增及碎片化,應用差異大,需要眾多差異性的企業。

(4)后摩爾時代,大量新應用,使得集成電路技術創新從追求更小、更密、更快的單一創新,轉向更廣泛的創新,得以避開傳統競爭領域的專利障礙。

(5)后摩爾時代,可以在門檻相對較低的微米尺寸以及較小尺寸的晶圓上實現流片,對晶圓工廠的要求大大降低,從而降低了集成電路產業化的門檻。

我國集成電路產業現狀

我國集成電路產業誕生于六十年代,1965年第一塊集成電路誕生,發展經歷波折。2018年,中國集成電路市場規模1.3萬億人民幣,同比增長9.3%,消費全球將近一半的集成電路,是全球規模最大,增長最快的市場,但產業發展不均衡,總體落后國際先進技術20年[6]。

從中國整個集成電路產業鏈來看,上游設計領域發展較好,擁有世界排名第5的華為海思,排名第9的展銳,以及中興微電子、華潤矽科、士蘭微等一大批優秀企業。中游晶圓制程,擁有中芯國際、華潤上華、華虹半導體、上海先進、士蘭微等一批具備一定實力的企業,目前國內投產12寸線8條,最先進制程為14nm,無論規模還是先進程度都遠落后于全球排名1的臺灣臺積電,排名第2的臺灣聯華電子以及排名第3的韓國三星,是制約我國集成電路產業發展的瓶頸。

下游IC封裝、測試領域,我國則具備一定實力,長電科技世界排名第3,華天排名第6,封測能力全球第二,除了兩家大陸封測企業,全球前十的企業其余8家都在中國臺灣。外圍EDA設計工具、精密設備、材料等方面,中國大陸及臺灣則落后較多,追趕困難。

上述數據表明我國是全球舉足輕重的集成電路消費大國和生產大國,但產業鏈發展不均衡,晶圓制程成為制約我國集成電路產業發展的瓶頸[7]。

晶圓制程發展方向探究[8][9][10]

晶圓制程是制約我國集成電路產業發展的瓶頸,在晶圓制程選擇上,傳統摩爾時代追求更小、更密、更快,小納米的12寸晶圓制程,但目前具有較大風險。

(1)產能過剩的風險

從全球晶圓廠產能建設情況來看,12寸晶圓廠是目前主流建設方向。圖1展示了最近10年全球12寸晶圓廠的增長情況(數據來源IC insights),從2010年的73座,增加到2017年的108座,預計2020年底,全球12寸晶圓廠將達到117座,近10年年均增長5~10座。

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圖1 近10年全球12寸線數量

按照目前單線產能5萬片/月計算,2020年全球12寸晶圓產能將達到海量的600萬片/月。12寸晶圓目前主要用于標準工藝生產,主要集中在處理器(CPUGPU)、存儲器等領域,服務少數大客戶,容易出現周期性波動。韓國三星近10余年通過逆操作,在產能過剩期反向加大產能投資,獲得了絕對的霸主地位,但三星周期性的經歷巨虧,需要政府輸血的行為,并不具備可復制性。2009-2017年,全球關閉了92條線,其中就包括了9條最先進的12寸線,產能過剩風險是12寸線面臨的最大風險,值得政府及投資人警惕。

(2)投產周期長、風險大、易爛尾

一條12寸線要發揮作用,從建設開始,到生產運轉,到批次良率穩定,至少需要5年以上的打磨的,所以才有集成電路產業10年磨一劍的說法。人們要消除廠房蓋好、設備進場、人員滿編、樣品出來,即算完工的誤區。國內某條12寸線,從樣品出來到磨合量產商用,足足用了3年時間,至今良率仍遠不如臺積電。

目前我國穩定運行的12寸晶圓廠有12座,除了中芯國際的3座,其他皆為外資。2019年,有15座12寸晶圓廠在建,投資額合計4400億元,在建產能超過80萬/月。在建12寸晶圓廠中,一半以上是國內企業,除了中芯國際和華虹有12寸量產經驗,其他包括華力微、晉華、長鑫、紫光等都是新入企業。對于12寸晶圓廠這種投產周期5年以上,資金上百億,運行精度高,需要數百名專業工程師維護的項目,眾多環節中出現一個紕漏,就會帶來整條線的停工或良率下降,因此風險極高。

(3)人才缺失風險

12寸晶圓廠對人才技術經驗要求高,國內在建的12寸線,將嚴重缺乏有經驗的工藝工程師。豐富經驗的工程師,主要集中在臺灣地區及韓國,引入較困難。

后摩爾時代集成電路產業特性及發展趨勢表明,看似落后的微米工藝,8寸晶圓制程反而在傳感器、物聯網、模擬電路領域應用更廣,發展前景更好。

表1 2018年全球8寸晶圓產能前十工廠

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如表1所示,中國大陸8寸晶圓領域并不落后,擁有中芯國際、華虹這類代表企業,是可以努力追趕成為國際領頭的。后摩爾時代,為了應對下游多樣化的應用需求,需要低成本、快速響應、定制化的產品,8寸晶圓的建廠成本、晶圓成本、生產周期等,相較12寸晶圓具有明顯優勢,因此未來需求更大。建議采用如下策略。

(1)集中資金和人力主攻8寸晶圓制程,對12寸晶圓制程采取緊盯策略,試點運行,不宜大面積推廣。具備下列兩個條件再鋪開12寸:國內8寸晶圓發展壯大,培育出大量有管理、技術、工藝經驗的工程師及管理人員;在下游應用客戶中涌現一大批國內12寸晶圓用戶,為產能找到自主可控的出口。

(2)臺灣地區在該領域擁有全球73%的產能,擁有臺積電、聯華電子這樣的頭部企業,臺灣企業的核心價值在于擁有一大批有經驗的工程師。目前,臺灣地區的產能近半數已投資到中國大陸,并帶來了近10萬的工程技術人員。發揮兩岸關系,引進和融入臺灣人才,通過人才帶來技術,實現兩岸互助共贏[11]。

總結

集成電路產業正在從摩爾時代邁入后摩爾時代,晶圓制程成為制約我國集成電路產業發展的瓶頸。在晶圓制程選擇上,傳統摩爾時代追求的更小、更密、更快,小納米12寸晶圓制程具有產能過剩、投產風險大、人才缺失的風險,而看似落后的微米8寸晶圓制程反而發展前景更好。本文建議(1)集中資金和人力主攻8寸晶圓制程,對12寸晶圓制程采取緊盯策略,試點運行,等國內8寸晶圓發展壯大,培育出大量工程師及管理人員,應用領域培育出12寸晶圓的用戶,再發展小納米12寸晶圓制程也將比較順利。(2)臺灣是全球集成電路晶圓制程的高地,發揮兩岸關系,融合臺灣技術與人才,實現兩岸互助共贏。

最后,致謝中電海康無錫科技有限公司程學農院長、華潤微電子有限公司研發總監趙海、無錫市半導體行業協會(WXSIA)、江蘇省半導體行業協會(JSSIA)等專家給予的探討與支持。

參考文獻:

[1]田恬.超越摩爾定律[J].科技導報,2014,32(07):11+3.

[2]張百尚,商惠敏.國內外芯片產業技術現狀與趨勢分析[J].科技管理研究,2019,39(17):131-134.

[3]王一鳴.集成電路芯片產業分工模式的新演進與模塊化研發[J].科學管理研究,2019,37(03):65-69.

[4]賴凡,徐學良,蔡明理.試析“超越摩爾定律”的技術[J].微電子學,2012,42(05):706-709.

[5]孫玲,黎明,吳華強,周鵬,黃森,張麗佳,潘慶,李建軍,張兆田.后摩爾時代的微電子研究前沿與發展趨勢[J/OL].中國科學基金:1-8.

[6]李傳志.我國集成電路產業鏈:國際競爭力、制約因素和發展路徑[J].山西財經大學學報,2020,42(04):61-79.

[7]劉建麗,李先軍.當前促進中國集成電路產業技術突圍的路徑分析[J].財經智庫,2019,4(04):42-57+142.

[8]張競揚.7nm半導體的制程技術分析[J].集成電路應用,2017,34(02):47-50.

[9]馬鈺婷.從英特爾10納米出貨看芯片產業發展[J].上海信息化,2019(06):40-44.

[10]雷瑾亮,張劍,馬曉輝.集成電路產業形態的演變和發展機遇[J].中國科技論壇,2013(07):34-39.

[11]劉劍濱.地方應用型本科高校產教融合發展路徑探索[J].教育現代化,2019,6(68):107-111.

責任編輯:xj

原文標題:后摩爾時代我國集成電路晶圓制程發展方向 | 技術專欄

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