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把握芯片科技发展趋势促进半导体产业创新突破

芯片是信息社会的核心基石,也是各国竞相发展的重要新兴技术和产业。在某种程度上,一个国家的芯片科技水平以及在全球分工位置,意味着该国在全球科技竞争中的地位。

01 芯片科技发展的基本特质


芯片科技与半导体产业的发展,具有明显的知识经济特征。

一是基础科学为先导从1833年法拉第在硫化银的实验中首次发现半导体现象,到1947年贝尔实验室制造出第一个晶体管,再到1958年基尔比、诺伊斯等提出“微芯片”的想法并发明了硅基集成电路,科学发现与技术发明相映成辉。今天,这种科学先导作用依然显著,从蔡少棠第四元件预言到忆阻器,从量子纠缠到量子计算,莫不如此。

二是社会应用为牵引。现代计算机在二战前后被发明,与当时经济统计、弹道计算、氢弹研制等社会需要密不可分。如冯·诺依曼主持的MANIAC计算机在1951年进行首次测试,其任务就是热核爆炸,计算结果得到了1952年和1954年两次核爆的验证。今天这种应用牵引作用,更由于经济发展的智能化被千百倍放大着。

三是知识资本双密集。经过一个多世纪的发展,半导体相关科技已形成诸多细分学科和领域,每年培养大量专业技术人员。半导体产业还富含隐性知识,一个半导体领域的博士从毕业到成为独当一面核心技术团队负责人,常常要在研发一线经历10—15年以上的打磨。同时,半导体行业拥有极高的资本准入门槛。据估计,最先进的3nm芯片,其设计费用约为5—15亿美元,生产线投资规模则更是高达150—200亿美元。

四是政府市场双引擎。高昂的投入、快速的迭代,半导体产业“生而傲娇”,尽管它在美国发源,但唯有全球化才能达成今天的高度。半导体产业既需要市场的巨量需求,更需要政府的战略支撑。美国政府是早期半导体工业的首个大卖家,硅谷兴盛的背后,是联邦政府“有形之手”的倾力相助。日本为发展本国半导体产业,几乎倾注全国之力,组织了著名VLSI联盟。在发展极紫外光源(EUV)光刻机过程中,前台是荷兰ASML公司,后台则是美国、日本、中国台湾、韩国一众头部公司的大力支持。据估计,ASML只掌握了不到10%的核心技术,但它是8000个核心零部件的集成者。

今天,芯片已经形成多种多样的系列规格。从处理信号的类型上,可分为数字芯片和模拟芯片(如射频芯片、电源管理芯片等);从功能上,可以分为微处理器芯片(如CPU,图形处理器GPU)、存储芯片(包括动态随机存储器DRAM、非易失闪存NAND Flash等)……芯片科技和半导体产业已经成为国民经济的重要基石和主导产业之一,成为世界各国角逐的关键所在。


02 芯片科技的发展趋势


芯片一直呈现出微型化、高速化、低功耗的趋势,其背后是摩尔定律的作用发挥。近年来,随着摩尔定律的放缓,芯片的发展将可能迎来新的拐点。

一是现有技术的极限。50多年来,人类已使得微观器件加工面积缩小了一万亿倍!研究认为,半导体行业大约每隔20年,就会有新的危机出现,而今正处于危机循环节点。下一步是该“延续摩尔”还是“超越摩尔”,目前还莫衷一是。

二是新兴技术的突破。新架构晶体管技术(如互补场效应晶体管、垂直纳米线晶体管、负电容场效应晶体管、隧穿场效应晶体管等)、新材料晶体管技术(如第三代半导体材料、碳基纳米材料、二维半导体材料等)、新型存储芯片技术(如相变存储器、磁性存储器、阻性存储器、铁电存储器、碳纳米管存储器等)、新架构芯片技术(如存内计算、神经形态、深度神经网络、量子计算、光电集成等)快速崛起。替代的技术路线相互竞争。

三是产业组织的调适。随着芯片技术发展到特大规模集成电路(ULSI) 和芯片级系统 (System on Chip),产业组织也从系统厂商主导、到IDM(集成设备制造商)、Fabless(无工厂芯片供应商)+Foundry(代工)模式、Fab-lite(轻晶圆模式)、SIP(硅知识产权)设计,再到适应Chiplet(小芯片)和异构集成的集群虚拟垂直整合(CVVI)模式。新的商业模式将带来新机遇。

四是市场格局的变动。芯片市场规模已近5000亿美元,其中美国约占一半左右,远超过其他国家和地区,为中国的15倍。但包括中国在内的亚太地区一直在快速增长。现在75%以上的芯片生产线都在亚洲。

可以预见,未来5—10年,将是芯片科技和半导体产业发生重要变动甚至是革命性变化的关键时段。技术创新、商业模式创新以及各种力量的博弈,将会带来前所未有的机遇和挑战。


03 促进我国芯片科技发展的建议


回顾半导体产业发展的历程,不难看出,作为工业的顶尖领域,半导体产业需要长期耐心的投入,大量的基础研究注入,众多优秀人才的集聚,持续的市场反馈迭代。我国在促进芯片自主可控的发展过程中,亟待注重以下几方面。

一是加强前瞻性基础研究。据不完全统计,今天的智能手机中,曾经有至少18位诺贝尔奖获得者的工作与之相关。要注重变革性的科学选题,鼓励科学家突破现有科学范式,去实施那些有可能引领未来一个世纪的前瞻性选题。在新架构方面,着力在量子计算、光电集成、全光计算、神经形态计算、存内计算等方向上进行探索。在新材料上,除第三代半导体、二维半导体材料之外,我国在碳基纳米材料方面业已取得一定突破,可以考虑加大研发投入,巩固碳基半导体技术优势,并力争实现市场化应用。利用税收优惠政策,鼓励和引导企业和社会资本加大对基础研究的投入,通过创业企业开展应用基础研究,在快速迭代中实现性能优化,进而率先形成新的先发优势。在全社会营造尊崇STEM(科学、技术、工程与数学)的风尚,要让曾经的口号“学会数理化,走遍天下都不怕”再次广泛流传起来。

二是注重战略性需求牵引。几十年的发展历程表明了,芯片技术是在科研与市场高度互动过程中持续优化完善的。每一次产业技术的重大创新,都可能带来价值链的变动、产业格局的调整。在新基建中,注重人工智能、5G、智能物联网等快速发展对芯片的需求牵引。如在汽车领域,中国已经成为世界级汽车制造中心和最重要的市场之一,智能汽车被认为是“四个轮子上的手机”,未来对芯片的需求巨大。数据显示,汽车半导体市场将在2022年突破600亿美元,亚太地区以41%的增速领跑全球。与手机和电脑芯片相比,汽车芯片是相当不同的市场(如故障率和温度范围等),对于后来者而言,具有一定的战略机遇。在强化研发和技术创新的同时,中国汽车芯片公司还需要加强质量管控、交付能力、产品全生命周期管理等,进而造就一批隐形冠军。在需求牵引中,更要突出政府对首台套、首批次、首版次等的采购,为新产品提供新市场。同时,政府采购中也应注重竞争机制,激励不同技术路线在良性竞赛中不断优化、熟化。

三是推动全链条重点布局。半导体产业涉及从设计到应用一条相当长的链条,在诸多环节上,都或多或少存在“卡脖子”技术。这需要开展产业技术创新规律、态势与布局的深度分析,绘制产业技术路线图和技术创新地图,形成对“卡脖子”技术攻关的优先次序,在此基础上,通过重点突破,获取在全球范围内产业分工制衡的能力,实现整体突围。在上游的设计环节,继续提升基于开源架构RISC-V的芯片设计优势,支持EDA设计软件,提升在x86等架构上的跟随能力。在中游晶圆制造和封装测试环节,芯片制程决定了代工厂的先进程度,由于“瓦森纳协议”等限制,国内制造企业难以得到先进的光刻机等关键装备,与国际先进水平相差两个世代。在这一环节要以超强的战略意志,支持若干有一定基础的企业实施攻关,鼓励和引导应用和终端企业加大芯片订单投放。封装测试环节应鼓励社会资本支持该环节企业扩大优势,同时,应布局封测关键装备和仪器的研发。

四是注重领军型人才引育。实现芯片技术跃升,既需要一流的科学家,也需要卓越的工程师,更需要有远见的企业家。高校是人才培养基地,要强化创新思维养成,强化应用导向,联结产业市场,培养一流人才。在产业领域,因我国芯片企业大多较为年轻,优秀工程师往往会“研而优则管”,脱离技术前沿,从而使得整个行业极度缺乏“一万小时工作经验”的工程师。这需要弘扬“工程师文化”,使那些既会动手、也会动脑的技术人才始终居于企业的核心,潜心于技术。在全球范围内引进诸如张汝京、梁孟松这样的顶尖人才,以现代管理体制给予他们“开疆拓土”的空间。

五是实施最广泛开放创新。半导体产业在全球转移的历程表明,产业技术创新要进行最为广泛的协作。尽管当前出现了不利于全球化的一些情况,但在促进我国半导体产业发展,实现芯片技术自主可控的过程中,必须以更大魄力、更大胸怀进行开放创新。从设计到封测,从装备到软件,尽可能利用开源系统进行研发创新。要以产业创新生态系统的策略,在全球范围内打造研发、创新和应用的“朋友圈”和“生态链”。

半导体产业作为当今工业“皇冠上的明珠”之一,几十年来,众多国家和地区竞相“为之折腰”。苏联重视基础研究,但忽视了应用牵引;日本受美国打压失去了存储芯片的全球优势,但在材料及设备领域保持领先;韩国和我国台湾用了15—20年的时间,成为内存和晶圆制造的全球领导者。面对新形势,我国要充分把握芯片科技发展态势,调动一切积极因素,努力实现技术跃升,为全球半导体产业发展作出更大贡献。



素材来源:学习时报