当前位置: 电力网 » 电力人物 » 电力人物动态 » 正文

王阳元院士:中国集成电路产业的短板及发展之策

日期:2021-05-10    来源:科技导报  作者:王阳元

国际电力网

2021
05/10
09:52
文章二维码

手机扫码看新闻

关键词: 集成电路产业 集成电路 集成电路市场

当前,中国集成电路产业的发展正处于机遇与挑战既同在又都有新变化的历史时期,如何抓住机遇、应对挑战,首先要清晰地认识集成电路科学、技术和产业的发展规律,才能有效地利用和配置人、财、物等各种资源,使其产生最大价值,在满足市场需求和国际竞争的博弈中沿着正确的道路高速发展。

世间万物发展皆有规律,循规者兴,罔规者怠,违规者诫,逆规者亡。社会发展与技术进步,莫不如是。对未知事物需要探寻或预测其规律,对已知事物需要总结并践行其规律。

01

中国集成电路产业的现状、问题和分析

1. 简要历史回顾

1981—2019 年,中国集成电路产业发展情况如图1所示。

图1 1981—2019年中国集成电路产业发展

需说明的是,中国集成电路产业销售额的统计是设计业、制造业和封装业三业销售额的叠加,其中对集成电路产品销售额存在重复统计的部分;而 WSTS 统计的半导体市场仅对集成电路产品销售额进行统计,且仅限于对总部所在地企业销售的集成电路产品进行统计。因此,图1 中国集成电路产业销售额不是在世界集成电路市场中真正的“占比”,只是一个相对比值。如果真正按照 WSTS 的统计标准和统计渠道进行统计,即仅对企业总部所在地(国家或地区)的企业及其产品销售额进行统计,2019 年中国大陆企业集成电路产业销售额仅占世界市场的5%。这是真实的、与国际接轨的“占比”(图2)。

图2 2019年世界半导体企业(区域划分)销售额占市场总额的比例(数据来源:WSTS)

鉴于中国消费和中国制造对集成电路的巨大需求,2009 年起,中国半导体市场规模超过美洲、欧洲、日本而成为世界第一大市场。2019年,中国半导体市场规模为 1446 亿美元(实际消费部分),占世界市场的 35%(图3)。

图3 2019年世界半导体企业(区域划分)销售额占市场总额的比例(数据来源:WSTS)

如此巨大的集成电路市场,使得中国进口集成电路总额逐年增长,成为进口额第一的产品(图4)。

图4 中国集成电路进口额(数据来源:中国海关)

2019 年,中国集成电路进口额为 3055.5 亿美元,而中国实际“消费”的集成电路市场额为 1446 亿美元,两者的差额正是中国作为第一制造大国的需求,即1609.5亿美元的进口集成电路随着各种整机电子信息产品又出口到世界各地,并未成为中国实际消费集成电路市场的组成部分。

2. 现状与存在的问题

2.1 国际环境

自 2016 年美国政府换届开始,美国对中国的和平崛起采取了全面的打压和围剿政策,包括在贸易中高筑关税壁垒,在系统层面阻挠中国 5G 产品进入美国和其盟友的市场,在应用层面要求下架抖音(TikTok)和微信(WeChat),在制造层面不允许台积电等代工企业为华为麒麟芯片加工并将中芯国际列入黑名单,在产品层面断供高端集成电路(处理器、存储器),在设备方面利用“瓦森纳协议”禁止 ASML公司向中国出口EUV设备等。

这种“美国优先”的思想源于美国对世界资源的占有和掠夺。以用电为例,2020年上半年,美国居民人均每月用电342度(美国能源署数据),而中国居民人均每月用电为63.5度(国家统计局数据)。美国前总统奥巴马于2010年4月15日在白宫接受澳大利亚电视台专访时说:“如果十几亿的中国公民有着和澳大利亚和美国居民一样的生活方式,那么世界将处于非常悲惨的境地,地球会无法承受。”(If over a billion Chinese citizens have the same liv? ing patterns as Australians and Americans do right now, then all of us are in for a very miserable time, the planet just can‘t sustain it.)

当我们没有的时候,对方封锁市场,让我们得不到最先进的技术和设备;当我们萌芽的时候,对方挤占市场,摧毁幼苗,将新技术、新产品扼杀在摇篮之中;当我们强大的时候,对方设立门槛,不允许在世界市场中分一杯羹,不能形成有效的外循环。这就是美国阻遏中国发展的逻辑,为此,必须丢掉幻想,唯有自强才能彻底改变被他人制约的命运。

美国对中国集成电路产业的打压握有两个“杀手锏”:一是 EDA 软件,二是材料和设备(特别是 EUV 曝光机)。对付这两个“杀手锏”,我们唯有正面迎战,才能撕开封锁的“铁幕”,正如毛主席所言:“以斗争求和平则和平存,以妥协求和平则和平亡。”有3个成功案例佐证:

一是2018年5月上海中微半导体的刻蚀机进入了台积电供应链,美国马上放松了对刻蚀机的出口控制;

二是 MOCVD 设备被全球两大供应商(Axitron、Vecco)垄断,当上海中微半导体将国产 MOCVD 设备推向市场时,两大供应商将原价 2000 万元人民币的设备降价至 600 万元人民币,妄图将上海中微半导体挤出国内外市场;

三是笔者亲身经历的事件,1984年,中法两国时任总理签署了协议,中国采购法国的程控交换机,法国提供集成电路设计工具EDA源程序,而美国借助 “巴黎统筹委员会”要求禁止法国出口 EDA 工具。

在这种形势下,中国决定以在产业中实用为指向,以企业为集中国内人力资源的基地,发挥举国体制的优势进行攻关。在攻关队伍的建设中,引进国外专家为总设计师,笔者临危受命担任全国集成电路计算机辅助设计(ICCAD)专家委员会主任,以“不破楼兰终不还”的信念、“咬定青山不放松”的毅力,和全国118名专家学者一起开发出了中国第1部采用软件工程方法自行开发集成的、具有完全自主知识产权的、功能齐全的大型ICCAD系统,并命名为“熊猫系统”。就在“熊猫系统”获得国家科技进步一等奖不久,美国 EDA 三巨头——Cadence、Synopsys、 Mentor全都迫不及待地进入了中国市场。

2.2 国内环境

在共产党的坚强领导下,中国具有举国之力办大事的政治优势,这一点在抗击新冠病毒流行的 “战疫”中得到充分体现。

国内有着良好的发展集成电路的政治环境。党的第十九届五中全会提出,“坚定不移建设制造强国、质量强国、网络强国、数字中国”,“发展战略性新兴产业”,“加快数字化发展”。2020 年 8 月 4 日,国务院印发的《新时期促进集成电路产业和软件产业高质量发展的若干政策》中强调,集成电路产业和软件产业是信息产业的核心,是引领新一轮科技革命和产业变革的关键力量。为进一步优化集成电路产业和软件产业发展环境,深化产业国际合作,提升产业创新能力和发展质量,制定出台财税、投融资、研究开发、进出口、人才、知识产权、市场应用、国际合作等8个方面政策措施。进一步创新体制机制,鼓励集成电路产业和软件产业发展,大力培育集成电路领域和软件领域企业。

此外,在经济方面,中国是世界第二大经济体,有着可靠的对集成电路产业的投资能力。而且中国现在是世界第一制造大国,有较为完整的生产链,有广泛的能够融入世界市场的生态链。在大学教育方面,增设了“集成电路科学与工程”为一级学科,扩充了培养集成电路科技人才的平台。

在“天时、地利、人和”的环境下,面对西方霸凌主义者的挑战,我们有信心、有能力加速发展中国的集成电路产业。

2.3 产业能力

1)设计能力。

中国内陆的集成电路设计业已经超越中国台湾地区,成为全球第二大设计业聚集地,其销售额占全球集成电路设计业的比重由 2004 年的 3.56% 提升到 2019 年的 42.99%。但是,由于所设计产品多为中低档芯片,因此中国设计业的产品在 2019 年全球芯片市场的占比(按价值计算)仅为10.3%。在中国大陆市场所用的 1446 亿美元的芯片当中,国产芯片的占比仅为29.5%,即逾70%的芯片为国外产品。

2)制造能力。

2019年,中国拥有4英寸以上晶片集成电路生产线 199 条,其中 12 英寸生产线有 28 条(全球 121 条),8 英寸生产线有 35 条。不同生产线占总产能的比例如图5所示。

图5 2019年中国半导体生产线装机产能分布(数据来源:魏少军在2020全球CEO峰会上的报告《人间正道是沧桑——关于大变局下的战略定力》)

2019 年,中芯国际作为中国最大的代工模式企业,在世界半导体代工市场的占有率为 5.1%,营收为 31.16亿美元,在全球排名第5,其营收额不足排名第一台积电357.74亿美元的1/10。营收额中,90 nm 工艺以下的占50.7%,65 nm工艺的占 27.3%。中芯国际 14 nm 工艺已经进入量产阶段,2020年年底,7 nm工艺已完成开发。2019年,中芯国际的资本支出为 21 亿美元,约为三星电子资本支出的1/10。

同是代工企业的华虹半导体公司,2019 年在世界半导体代工市场的占有率为 1.5%,在全球代工企业中排名第7,其65/55 nm射频与BCD特色工艺平台达到世界先进水平,14 nm的FinFET工艺已实现全线贯通。

2019年,武汉长江存储科技有限公司开始进入小批量生产阶段;2020年,在128层 3D-NAND(快闪存储器)技术上取得突破,达到国际先进水平。

合肥长鑫存储技术有限公司在2018年进入量产阶段,产品为 19 nm、8 GB 的第四代双倍数据速率同步动态随机存取存储器(DDR4)。

3)封装能力。

中国封测企业的代表是长电科技、通富微电和天水华天,三者在世界排名中分别为第3、第6和第 7。2019年,长电科技营收额为 235.3亿元,在世界封测市场中的占有率为15%。

4)设备能力。

部分刻蚀机、大部分离子注入机、扩散氧化和清洗设备可以由国产设备供给。

2.4 产业短板

1)高端芯片对外依存度高。进口微处理器/ 控制器(占世界半导体产品市场 11%)的金额从 2014年的1052.2亿美元增长到2019年的1437.7亿美元,增加了 385.5 亿美元,增长比例为 36.6%;进口半导体存储器(占世界半导体产品市场 26%)的金额从 2014 年的 542.8 亿美元增长到 2019 年的 947.0 亿美元,增加了 404.2 亿美元,增长比例为 74.5%。

2)高端材料与设备自给率较低,在 40~45 nm 节点接近 50%,在 28 nm 节点为 30%,在 7~14 nm节点仅为 5%。电子气体及金属有机物源(MO)对外依存度超过80%,化学机械抛光(CMP)的抛光液国产化率小于 10%,溅射靶材大部分需要进口,用于大生产的300 mm的硅片至今主要依靠进口。

3)EDA 软件尚难以与“三巨头”抗衡,成系统的国产EDA软件市场份额不足5%。

4)缺少能够在世界市场中独树一帜的IDM型大企业。

5)人才,尤其是高端的、具有综合管理能力的人才严重不足。

02

创新驱动发展

以上分析的集成电路产业短板和市场占有率不高的现状,促使我们要认真思考如何以创新驱动发展。十九届五中全会提出:“增强机遇意识和风险意识,立足社会主义初级阶段基本国情,保持战略定力,办好自己的事,认识和把握发展规律,发扬斗争精神,”为此,就“十四五”发展规划和 2035 年远景目标提出一些建议。

1. “摩尔时代”向“后摩尔时代”转变

随着物联网、大数据、云计算、人工智能和量子计算的发展速度越来越快,对集成电路创新量的需求也越来越多,质的需求也越来越高。

集成电路技术的创新路径如图6所示。一般来说,人们将 16 nm 非经典 CMOS作为基础器件以后的时代称为“后摩尔时代”。随着加工尺寸的不断缩小,微电子学科正在转向纳电子学科,“摩尔时代”正在转向“后摩尔时代”,沿着延续摩尔、拓展摩尔、超越摩尔与丰富摩尔的路径不断向前发展。

图6 后摩尔时代集成电路的发展

1)延续摩尔(More Moore)。

集成电路加工的特征尺寸以及芯片上集成的晶体管数将继续沿着摩尔预测的规律发展。从图7 可以看出,最早的集成电路特征尺寸为 10 μm,随着加工技术的进步,集成电路的特征尺寸呈规律缩小,尤其在 0.8 μm 以后,该规律呈现为:相邻两代技术节点的特征尺寸呈1:1√2的关系。特征尺寸继续缩小主要表现在系统芯片 SoC(system onchip)上。特征尺寸每缩小至上一节点的 70%,芯片性能可以提高 15%,面积减少 50%,功耗降低 40%,成本减少35%。

图7 集成电路特征尺寸的缩小及相应典型产品 (根据公开资料整理)

2)拓展摩尔(More than Moore)。

拓展摩尔的主要表现形式是发展集成微纳系统(如 MEMS,NEMS)和系统封装(System in Pack? age,SiP),即将不同工艺、不同功能的器件(模拟、射频、高压、功率、传动、驱动、生物等)封装在一个集成电路中,形成多功能集成系统。

3)超越摩尔(Beyond Moore)。

主要是各种新器件的研发,包括量子器件、单电子器件、自旋器件、磁通量器件、石墨烯器件、碳纳米管、碳纳米线等。

4)丰富摩尔(Much Moore)。

建立新形态的信息科学技术及产业。

2. 增强原始创新能力

2020 年 9 月 11 日,习近平总书记在科学家座谈会上的讲话中指出:“基础研究是科技创新的源头。在激烈的国际竞争面前,在单边主义、保护主义上升的大背景下,我们必须走出适合国情的创新路子,特别是要把原始创新能力提升摆在更加突出的位置。” 一部集成电路发展史就是一部原始创新的发明史(图8)。在材料、器件结构和专用设备的创新中,正在研发、并期待进入量产阶段的关键技术有:

图8  集成电路技术与产业的重要发明和预测

专用材料:高频、高速、高功率、抗辐照、耐高温器 件 使 用 的 化 合 物 半 导 体 材 料 ,包 括 III-V 族(GaAs、GaN、InP)、II-VI 族(ZnS、CdTe)、IV-IV 族(SiC)、氧化物半导体(ZnO、Ga2O3、NiO、MoO3 )等;新型互连材料(钴 Co、钌 Ru、碳纳米管);碳基材料(石墨烯,碳纳米管);纳米线材料以及量子线材料等。

器件结构:垂直场效应晶体管(VFET)、互补场效 应 晶 体 管(CFET)、围 栅 场 效 应 晶 体 管(GAA FET)、隧道效应晶体管(TFET)、自旋场效应晶体管(SFET)、磁 阻 存 储 器(MRAM)、阻 变 存 储 器(RRAM)、相变存储器(PCRAM)、量子集成电路(quantum IC)及生物医学芯片(biomedical chip)等。

专用设备:最主要是 7 nm 以下工艺必备的 EUV,且要不断提高 EUV 的数值孔径(numerical aperture,NA)。

微电子研究中心(IMEC)发布的最新技术路线如图30所示。其中表明,在28 nm技术节点上,采用了高K金属栅(HKMG)工艺;在16 nm/14 nm节点之后,器件结构开始转向3D的FinFET。从7 nm/5 nm 节点开始,钴代替铜成为互连的新型材料,同时, 0.33 NA的EUV正式投入生产;围栅晶体管结构将部分取代FinFET结构,成为主流产品结构。

2005 年,北京大学微纳电子研究院的年轻团队就对围栅器件结构、基础理论、输运特性和可靠性进行了全面研究,取得了在世界范围内最早的研究成果。按目前预测,韩国三星公司在 3 nm 技术和台积电 2 nm 技术节点上都将采用围栅结构,且在 2~3 年内实现量产。北京大学微纳电子研究院还正在进行隧道效应晶体管等多种超低功耗器件的新结构、新原理研究,隧道效应晶体管正在中芯国际进行量产试验,有可能在3~5年内用于低功耗物联网系统中。

清华大学的可重构设计是芯片架构设计的原始创新,已开始在Intel的产品开发中得到应用。

从 4 nm/3 nm 节点开始,采用“半镶嵌”(semidamascene)技术的钌将成为主流互连材料,EUV的数值孔径将从0.33提升到0.55,纳米片(nanosheet)结构的产品开始进入批量生产流程。

在2 nm技术节点上,将采用叉片(forksheet)结构,其中n型和p型纳米片紧密地靠在一起,并且其间有一层“绝缘墙”,因其截面类似于餐叉得名。同时 ,通 过3D堆叠形成的垂直场效应晶体管(VFET)、互补场效应晶体管(CFET)结构将大大减小标准单元的面积,以这种结构设计的集成电路产品开始量产。

图9 还表明,作为延续摩尔定律的第一代技术为光刻驱动,第二代技术中加入了设计与工艺协同优化(DTCO)的内容,第三代技术则再加入系统与工艺协同优化(STCO)的举措。图10 为器件结构路线示意。

图9 IMEC最新技术路线(根据IMEC在ITF(2017—2020年)上发布的最新路线图多图综合整理)

图10 器件结构路线示意(资料来源:IMEC)

从经济角度看,也不必单纯地以缩小特征尺寸为唯一追求目标。图11为台积电不同工艺对2018 年营收的贡献,可以看出,当前,10 nm以上工艺的贡献为80%,也就是说,从企业经营的角度看,大于10 nm工艺的产品现在仍是对企业营收贡献的主流。

图11 2018年,TSMC不同工艺对营收的贡献

3. 加强基础技术研究

1)根据集成电路从研发到批量生产 10 年跨度的规律,对关键的基础技术研究要提前 10 年进行部署。要对“10年坐冷板凳”的基础技术研究人员给予特殊政策,不应追求“急功近利”的结果,更不能以论文论英雄。

2)基础研究要实行产、教、研紧密结合,特别要注重激发企业研发的活力,以扩大基础研究成果的转化渠道和缩短转化进程,实现在人才交流、成果共享等多方面的渗透、交叉与融合,不要让研究成果仅仅停留在论文上。以 FinFET 为例,由于 In? tel 成功应用,从而驱动了全球集成电路技术由 2D 登上了3D的阶梯。

3)加强低功耗器件研究。对小于 7 nm 工艺的逻辑器件而言,要坚持两条腿走路,一方面要加强新结构、新原理、新材料的创新研究,另一方面要看到今后集成电路的技术进步节点将不再以特征尺寸为标尺,而以提高系统的性能/功耗比为切入点,降低功耗成为重要指标。

4)延展基础研究的广度,争取在模拟电路、数模混合电路、射频电路、功率电路、微纳机电系统等领域取得技术和市场的领先地位。

5)加强基础研究的国际合作,融入国际化的集成电路产业链中。以中芯国际的创建为例,1999 年以前,中国的集成电路产业投资者单一,无锡工程、908工程、909工程均为国家投资;市场单一,仅为国内市场;人才单一,绝大多数技术专家和企业管理者均为国内人员。2000—2009 年,笔者在和张汝京博士创建中芯国际和任董事长期间,与海内外同仁一道,使中芯国际真正在机制、市场、技术、投资和人才各个方面都实现了国际化。

03

迈向产业强国

1. 发展目标预测

预测到2035年,发展目标达到以下水平。

1)以 2019 年世界半导体市场 4123.06 亿美元,中国集成电路产业销售额(三业叠加)7562.3亿元(1096亿美元)为基数进行测算:

2019—2035 年,世界集成电路市场年平均增长率设为5%(2009—2019年为6.18%),至2035年,市场总额达到9000亿美元;

2019—2035 年,中国集成电路产业销售额年平均增长率设为 10%(2009—2019 年为 21.04%),至 2035 年达到 5037 亿美元(设计、制、造封装三业叠加),其值为世界市场的56%(非占比)。

按 WSTS的统计标准,中国集成电路产业的销售额占世界市场的比例由 5% 提高到 30%,跻身集成电路产业强国的行列。

2)国民经济领域需求的芯片自给率提高到 80%。

3)能够独立自主地设计和生产国家安全及国防建设所需的重要与关键集成电路产品,自给率达到100%。

4)拥有大量的微电子技术专利、自主知识产权产品标准,建成具有中国特色的集成电路研发体系,为本土企业提供知识产权保护。

5)以关键设备和主要材料为标志的集成电路支撑行业能够基本满足产业发展需要,集成电路产业专用设备不再受制于人。

6)集成电路大生产技术水平与国际先进水平同步,实现 2~1 nm 技术节点工业化大生产技术突破。

7)在基础研究领域,原始创新能不断地涌现,在新器件结构、新材料、新工艺研发和生产的某些领域引领世界发展潮流。

2. 对实施举措的建议

1)以 10倍于当今的投资强度,持续加大对集成电路产业的投资力度。一是在世界半导体市场增长率下降的低谷期进行投入;二是要加强创新投入,尤其是对基础研究的、不求短期回报的投入;要加强对国家投资的调控能力,必须将有限的资金在有限的时间和有限的空间内集中使用,切不可在地域或部门的利益分配中,避免造成资金的游移、分散和迟延现象,坚决杜绝低水平重复建设。

2)以性能功耗比作为标尺,以3D集成为发展方向,沉下心来进行器件结构、材料、EDA 算法等基础研究工作,使其能够产生革命性的创新成果。要扩展研究成果转化为生产力的渠道,缩短研究成果转化为生产力的时间,使其在产业发展中产生价值,同时要注重科研成果的知识产权保护工作。

3)以举国之力攻克最重要的材料(硅圆片、电子气体)、设备(曝光机)难关,努力提高国产 EDA 软件的系统集成水平,扩大其在国内外市场的占有率。

4)建设 1~2 家 IDM 型企业,缩短设计与制造间的流程,缩短产品与系统应用的距离。该企业能够在 3~5 年内做到生产线装备和生产材料来自多元和自主可控,不再受任何霸凌者的制约。

5)国际合作是大趋势,对于一般材料和设备的研发或采购,要融入国际产业链和生态链,构建国内国际双循环的发展格局。

6)加大贯彻执行《新时期促进集成电路产业和软件产业高质量发展的若干政策》的力度,各地区、各部门要尽快出台《若干政策》中关于财税、投融资、研究开发、进出口、人才、知识产权、市场应用以及国际合作的实施细则。尤其要对从事集成电路产业和研发等相关工作的人才所得税提供优惠政策。

7)结合集成电路科学与工程学科的建立,将集成电路专业人才的培养规模扩大到当前培养人数的 10 倍。改革教育和培养方式,在培养理科博士的同时,加强工程博士的培养,尤其要注重复合型、创新型人才的培养。给予创新领军人才更大的技术路线决定权和经费使用权。要建设一支来自产业和学校共同组成的教师队伍,与产业发展进一步融合。改变对专业人才的评价体系,破除“唯论文、唯帽子、唯职称、唯学历、唯奖项”的观念,要强调人才对科学前沿、国家战略需求和经济主战场上的贡献,创造一种留住人才、保护人才的机制和环境。

3. 实现强国梦想

在人类发展的历史上,迄今国家与国家之间的竞争从未终止,无论是表现为和平方式的巧取,还是表现为战争方式的豪夺。为了维护国家利益,核心技术已经成为国家间竞争最重要的砝码。为此,任何一个国家都不会向他国出售本国的以核心技术构成的核心竞争力。在以集成电路和软件为基础的信息时代,在全球已经联网的智能社会,集成电路正在成为国家安全的重要屏障。

“强自立,弱被欺”,是历史、也是现实世界的真实写照。1820 年,中国是世界第一大国。由于没有跟上工业社会发展的步伐,1840 年鸦片战争以后,在中国上演了无数被外夷凌辱和欺侮的悲剧。进入21世纪后,中国的经济飞速发展,中国的国际政治地位不断提高,中国的和平崛起,实现以合作共赢为目的的国际外交政策,中华民族的复兴已成为当今中国发展的主旋律。相信历经 200 年的马鞍型曲折,在驾驭信息社会的浪潮中,一定能够在中华民族的复兴之路上实现强国的梦想,中华民族的才智将展现更加灿烂的辉煌。

中国、美国和日本占世界GDP的比重

返回 国际电力网 首页

能源资讯一手掌握,关注 "国际能源网" 微信公众号

看资讯 / 读政策 / 找项目 / 推品牌 / 卖产品 / 招投标 / 招代理 / 发新闻

扫码关注

0条 [查看全部]   相关评论

国际能源网站群

国际能源网 国际新能源网 国际太阳能光伏网 国际电力网 国际风电网 国际储能网 国际节能环保网 国际煤炭网 国际石油网 国际燃气网