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中国芯片发展出路在哪?卡脖子的不止“光刻机”

admin 2020-11-06 105 浏览 0 评论

芯片或集成电路(以下简称IC)对于经济增长具有显著的倍增器作用,据中国电子信息产业发展研究院副总工程师安晖在2020年中国计算机大会(CNCC)技术论坛“新变局下的IC自主研发战略”上介绍,1元产值的IC可带动100元以上的国民经济增长。除此之外,仅从实用角度看IC也是生产生活不可或缺的战略性基础物资,因而有能力的国家对于集IC的科研、产业布局十分重视,中国也不例外。但目前中国在IC领域面临着严峻挑战,能否摆脱IC领域的“卡脖子”境况对于中国的发展特别重要。为此政府、科研界、产业界等都在积极探寻中国IC的发展道路。本文是在总结CNCC上两位特邀嘉宾的报告,以及上述CNCC技术论坛的发言内容后形成的,主要目的是让大众了解中国IC事业面临的挑战和机遇,让专业人士能够找到IC事业的发力点,共同推进中国IC事业的发展。


一. IC的发展进程及面临的技术挑战


IC从20世纪60年代开始起步,一直以来基本遵循着摩尔定律在快速发展。摩尔定律是英特尔创始人之一戈登•摩尔的经验之谈,其核心内容为:单位面积的IC上可以容纳的晶体管数目大约每经过18个月便会增加一倍。另外一种说法是,处理器的性能每隔18个月翻一番,而价格下降一半。


IC的发展涉及设计、制造、应用等环节,设计又涉及电子设计自动化(EDA)软件和IP(Intelligence Property,知识产权)、结构等;制造涉及材料、装备(如光刻机等)、封装、测试等环节;应用涉及商业模式、产业生态链等。IC的发展非常迅速,在材料方面,本世纪以来,已有47种新材料进入IC制造[1]。器件结构方面则是从平面到立体,如立体栅结构的FinFET,台积电已经开始以5nm工艺量产。另外处理器经历了SSI、MSI、LSI、VLSI、多核VLSI等阶段,即将迈向第5代[2]。集成技术方面,从平面到三维集成的转变,拓展了器件密度提升的维度。光刻技术方面,从光源、镜头的材料与结构、图形传递模式多元化的创新,到极紫外光刻(EUV)技术的突破,使5nm技术的实现有了保证。商业模式方面,从早期的IDM模式,即IC设计、制造、封装和测试等环节集于一身(该模式下IC领域进入门槛高,属于少数人的游戏),逐渐发展出Foundry模式,即IC开始了设计、制造、封装的相对独立发展,给予更多玩家进入该领域的机会,整个产业发展也更加蓬勃。


当前IC发展面临诸多技术挑战,如[1]:


1. FinFET器件微缩挑战:5nm以下技术节点中,较薄的Fin引起迁移率严重退化;较高的Fin形成源漏外延质量变差,通过应变技术提高器件性能有限。


2. 器件结构:从FinFET到垂直堆叠Nano-sheet,再到Fork-sheet/CFET,以进一步优化面积利用率、提高集成密度。随着IC微缩到5 nm以下,预计FinFET将走到尽头,而垂直堆叠的环绕闸极(GAA)Nano-sheet被认为是由FinFET器件自然演变而来。为了将Nano-sheet器件的可微缩性延伸到2nm节点及以下,目前业界寄希望于Fork-sheet/CFET器件。


3. 埋入式电源线(BPR):将Vcc和地线埋入前端工艺中,压缩标准单元面积、节省互连空间。埋入式电源线被认为是5nm及以下工艺制程的重要技术。


4. 光刻技术:EUV技术的持续改进。


5. Air Gap侧墙技术:可降低栅极寄生电容25%以上,该技术可使7nm工艺的产品在性能上甚至优于5nm工艺的产品。


6. 新的互连技术:引入新材料,采用新集成技术来降低互连RC延迟。


另外,设计工具、制造封装工艺等方面的改进也面临重大挑战。


二. 中国IC发展的瓶颈


中国IC产业处于高速成长阶段,近十年年均复合增长率超过20%。2020年上半年销售额3539亿元,同比增长16.1%。产业从过去的“大封测、小制造、小设计”逐步过渡到现在的“大设计、中封测、中制造”,这是很好的发展趋势。但中国IC产品的自给率低,2019年中国IC进口额超过3000亿美元,预计到2022年IC自给率可达到16.7%[3]。从技术角度看,目前我国在IC设计环节有所突破,但整体上和先进国家差距甚大,且越往高端差距越大。以处理器IC为例,国产芯片的占有率如下表所示[3],产业生态令人忧虑。

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我国IC产业在通用芯片领域完全无法和国际优势厂商竞争,桌面处理器市场被Intel和AMD完全垄断,服务器处理器市场Intel占比达96.7%。

在IC产业链的EDA、IP、装备、设计、制造、封装测试、掩膜制造、材料等环节上,中国在IC设计上勉强说得过去,而在其它环节均处于弱势,特别是在IP、EDA、光刻机、IC制造4个环节被卡住了脖子!

而若想打破这种受制于人的困境可谓是困难重重,其困难主要体现在以下几点:

1. 相关的软件生态庞大复杂,芯片市场化壁垒高。

2. 芯片制造产业链长,涉及130多种装备、5大类500多道工艺、7大类530种材料,一环被卡,整体就会被卡。

3. 中国还没有自主的生态,芯片的生态由别国企业掌控。

4. 专利和IP壁垒,很多时候很难绕过去。

5. EDA软件风险:使用先进的EDA软件才能设计出最好的芯片,但如果最好的EDA不销售给中国,或者EDA中留有后门,后果肯定会比较严重。

6. 从科研到产业,投入巨大,科研需要积累,产业形成需要时间,这加大了芯片产业赶超的难度。尽管目前政府和企业对芯片产业十分重视,政府出台相关政策,同时政府和企业投入大量资金,但短期解决全部问题是不可能的。

7. 学科和人才培养方面,IC相关技术涉及面广,需融合电子信息、物理、化学、材料、自动工程等40多种学科,需要从业者有综合知识背景、交叉技术技能、融合创新等素质,目前的教育体系无法提供足够的支持。

三. 我国IC产业发展路在何方?

我国IC产业发展经历了多个发展阶段,目前还处于十分被动的地位,这说明发展IC产业没有所谓捷径可走,需要沉下心来一步一步将所有难关攻克。个人的一些观点如下:

1. 国家层面整体规划十分重要。由于IC涉及面广,发展IC产业是一个非常庞大的系统工程,需要整体规划。

2. 放弃全面超越的目标。全面超越是近期无法实现的目标,在产业链中形成互相制约的局面即可。

3. 寻找少量关键点重点支持和突破。在上述思路的前提下,寻找可以迅速突破的一些点位,重点投入,重点突破,形成可以互“卡”、可良性发展的局面。

4. 寻找新的技术增长点,在实现上述目标的基础上,达到局部占优。

5. 改善科研和教育体系。科研方面一方面要加强基础科学研究,另外一方面要重视技术和工程及应用,不唯论文;教育方面要重视能力训练而不是目前的知识灌输,同时要围绕IC工程系统布局相关专业和学科。培养一大批有家国情怀,有科学精神和具备科研、工程、产业能力的专业人士对于IC产业发展十分重要。

6. 做好持久竞争的准备。这是一项长期工程,需要做好持久投入的准备,长远布局,长期坚持才有可能达成目标。

7. 打击学术和产业骗子。政府加大支持力度,会引来一些滥竽充数者,需要加大识别和打击力度。

8. 要以开放的心态发展基础科研、技术和产业,积极参与国际合作。

9. 要有信心。中国有巨大的市场需求,同时已建立起现代的科研、教育、工业体系,只要自己有信心,就会有巨大的发展。

当然,个人的思路肯定存在非常大的局限,国内外很多专家都对这个话题发表过专业观点。在今年10月份刚刚召开的CCF CNCC上,就有数位国内外顶级专家学者专门就芯片话题做了精彩论述,本文中的观点很多也是引用上述专家报告中的内容。读者如果对此话题有兴趣,推荐到CNCC网站上观看,具体信息如下:

[1] IC的创新与发展,刘明,中国科学院院士、中科院微电子所。视频回放地址:https://dl.ccf.org.cn/audioVideoZx/detail.html?_ack=1&id=5149819262617600。

[2] 第四代计算机体系结构的终结与新的前进道路,John Hennessy,斯坦福大学第十任校长,图灵奖获得者。视频回放地址:https://dl.ccf.org.cn/audioVideoZx/detail.html?_ack=3&id=5149819263518720。

[3] 新变局下的IC自主研发战略,技术论坛,视频回放地址:https://dl.ccf.org.cn/audioVideoZx/detail.html?_ack=2&id=5149819278166016。

上述视频会给你更准确、严谨、前沿的信息,解开您心中的疑惑。

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