芯片有多重要?

就像社會的“神經(jīng)系統(tǒng)”

芯片是“何方神圣”?為何如此重要?廣東省半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)研究院黎子蘭博士表示，“它實(shí)際上起到了現(xiàn)代社會神經(jīng)系統(tǒng)的作用，如果把社會比喻為人，芯片就負(fù)責(zé)思考、感知、通訊，甚至控制著一部分的能源，比如功率芯片控制了電能、電壓、交流、直流等，因此對現(xiàn)代社會非常關(guān)鍵”。

黎子蘭表示，未來所有的產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向，相當(dāng)部分是由半導(dǎo)體芯片支撐實(shí)現(xiàn)的，“比如物聯(lián)網(wǎng)、5G、汽車電子、人工智能AI、AR、VR、區(qū)塊鏈都需要半導(dǎo)體芯片”，他表示，以汽車和手機(jī)為例，電子產(chǎn)品在汽車中分布廣泛，汽車電子占汽車成本的比例逐年提升。有資料顯示，汽車電子占整車的成本達(dá)30%以上，未來隨著電動汽車和無人駕駛技術(shù)的成熟，汽車電子所占的成本將達(dá)到50%以上，成為汽車智能化的關(guān)鍵部分。智能手機(jī)基本上是由芯片和顯示屏等部件組成，“中國生產(chǎn)了全球77%的手機(jī)，并且擁有多家領(lǐng)先品牌，作為優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)，卻只有3%的芯片是國產(chǎn)”。

未來的電動汽車對半導(dǎo)體的需求激增，功率半導(dǎo)體首當(dāng)其沖，目前基本依賴進(jìn)口

有資料顯示，2017年中國芯片的進(jìn)口額高達(dá)2600億美元，超過原油位列進(jìn)口產(chǎn)品第一，但國產(chǎn)芯片僅占國內(nèi)市場份額10%左右。

國產(chǎn)芯片和發(fā)達(dá)國家的芯片

差距有多大?

全球電子產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)

“國產(chǎn)芯片和發(fā)達(dá)國家的差距是多方面的、立體的”，黎子蘭向南都記者表示，中國的電子產(chǎn)品制造業(yè)僅次于美國，但是電子產(chǎn)品的芯片卻嚴(yán)重依賴進(jìn)口。“不論是芯片的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)設(shè)備，還是制造材料、制造工藝等都存在很大差距”，黎子蘭說。

芯片的設(shè)計(jì)離不開設(shè)計(jì)軟件即EDA，全球前三大的EDA企業(yè)都是美國企業(yè)，有數(shù)據(jù)顯示，美國的設(shè)計(jì)公司在市場占比高達(dá)69%。設(shè)備上，全球最重要的半導(dǎo)體設(shè)備光刻機(jī)是荷蘭生產(chǎn)，但設(shè)備所需的部分核心零部件是美國廠商生產(chǎn)。硅片是制作集成電路的重要材料，通過對硅片進(jìn)行光刻、離子注入等手段，可以制成集成電路和各種半導(dǎo)體器件。日本在半導(dǎo)體生產(chǎn)材料上優(yōu)勢明顯，有資料顯示，世界前兩名集成電路用硅片制造商是日本信越和SUMCO，占全球60%以上;這兩家企業(yè)生產(chǎn)的大尺寸硅片(200毫米和300毫米)占全球的70%以上，形成絕對壟斷和極高的技術(shù)壁壘。
 

我們離“中國芯”有多遠(yuǎn)?

我們離“中國芯”還有多遠(yuǎn)?黎子蘭表示，華為的麒麟芯片很了不起，但是半導(dǎo)體芯片行業(yè)覆蓋面廣，細(xì)分領(lǐng)域多，光有一個(gè)麒麟芯片，或是某個(gè)點(diǎn)的突破是不夠的，需要很多方面，大家共同的努力。“如果有一天，我們能夠生產(chǎn)出很多的芯片和產(chǎn)品，別人不得不用的時(shí)候，中國的芯片就崛起了，如果能夠做到你中有我，我中有你，大家都離不開的時(shí)候，‘中國芯’就到來了”。

“全球半導(dǎo)體芯片產(chǎn)業(yè)競爭最終比拼的是創(chuàng)新的效率，”黎子蘭分析道，“如果你的產(chǎn)品性能只有其他產(chǎn)品的一半，還停留在上一個(gè)技術(shù)階段，就賣不動了”。

發(fā)展半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)是產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的必經(jīng)之路，“目前人工智能很重要的一個(gè)企業(yè)是半導(dǎo)體芯片企業(yè)英偉達(dá)，因?yàn)槿斯ぶ悄軐τ?jì)算能力要求非常高”，黎子蘭說，但半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)關(guān)聯(lián)廣泛，“目前我國與發(fā)達(dá)國家在各領(lǐng)域都存有差距，全面追趕上有一定挑戰(zhàn)”。

如何實(shí)現(xiàn)“中國芯”?黎子蘭表示，首先要進(jìn)行合作，半導(dǎo)體行業(yè)是全球頂尖專家?guī)资甑墓餐Y(jié)晶，沒有任何一個(gè)國家在全產(chǎn)業(yè)鏈都做到完全自主，求創(chuàng)新、求突破，首先要尋求合作。然后是創(chuàng)新，“創(chuàng)新是最有用的，在創(chuàng)新中做出全新的或更強(qiáng)的產(chǎn)品，別人的產(chǎn)品才可能基于我們的產(chǎn)品和技術(shù)”，黎子蘭說，“創(chuàng)新幾乎是唯一的道路”。
 

未來半導(dǎo)體的發(fā)展趨勢

半導(dǎo)體芯片涉及不同的材料和功用，根據(jù)未來應(yīng)用的方向，分成很多種類型，最大的類別是數(shù)字電路，還有訴求多元、功能為王的類別，包括模擬電路、分離電路、光電等。

“數(shù)字電路的主旋律是微縮，對于數(shù)字電路，器件越小，數(shù)目越多，開關(guān)速度越快。而數(shù)字電路從一個(gè)技術(shù)代演進(jìn)到另一個(gè)技術(shù)代，大概只花兩年時(shí)間，”2004年左右最先進(jìn)的工藝尺寸是65納米，現(xiàn)在最先進(jìn)的技術(shù)已達(dá)10納米，“紅細(xì)胞是7000納米，而半導(dǎo)體器件最核心的特征尺寸已經(jīng)達(dá)到10納米，數(shù)字電路微縮是對設(shè)備和工藝的極限挑戰(zhàn)”，黎子蘭說。

微縮：數(shù)字電路的主旋律

器件的微縮還導(dǎo)致結(jié)構(gòu)向三維方向發(fā)展，這是數(shù)字電路的第二個(gè)趨勢。“三種重要的數(shù)字芯片Logic、DRAM和FLASH，特征都是三維，今天三星推出的最新產(chǎn)品是96層，這實(shí)在太了不起了”，黎子蘭表示。1965年英特爾創(chuàng)始人之一高登·摩爾曾表示，芯片的晶體管數(shù)目每兩年翻一番。“摩爾定律其實(shí)是對數(shù)字電路微縮規(guī)律的總結(jié)”，黎子蘭說，“至今摩爾定律已問世50多年，意味著至少翻了25次方，一個(gè)芯片上的晶體管數(shù)量最多超過100億顆，可以實(shí)現(xiàn)非常強(qiáng)大的功能。”

高登·摩爾(Intel創(chuàng)始人之一)曾表示，芯片的晶體管數(shù)目每兩年翻一番

另外一類是訴求多元、功能為王的第一、二、三代半導(dǎo)體，包括模擬電路、分離電路、光電等。“因?yàn)閼?yīng)用廣泛，這一塊對經(jīng)濟(jì)的重要性不亞于數(shù)字電路，在很多方面都起到重要作用”，黎子蘭表示。新的材料可以大幅提高原有產(chǎn)品的性能，或?qū)崿F(xiàn)原來無法實(shí)現(xiàn)的功能。第三代半導(dǎo)體材料(如GaN)在光電顯示、電力電子、RF器件等方面極具潛力和前景。Si功率器件已到極限，第三代半導(dǎo)體剛興起，所使用的GaN功率器件品質(zhì)因子是Si的1130倍，“GaN功率器件將帶來電力電子的革命”，黎子蘭說。

“未來會超越摩爾定律，提高性能和實(shí)現(xiàn)新的功能”，黎子蘭表示，從以往單純追求微縮，開始轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)現(xiàn)新的不同功能，“例如在microLED顯示、通訊基站和雷達(dá)電子等領(lǐng)域，通過材料、器件結(jié)構(gòu)等創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)更加龐大和先進(jìn)的功能，這是半導(dǎo)體芯片創(chuàng)新的重點(diǎn)，也是機(jī)遇，而且對設(shè)備的要求沒有那么夸張”，例如，從九十年代商業(yè)藍(lán)光LED出現(xiàn)開始，GaN材料開始引起公眾關(guān)注，應(yīng)用越來越廣泛。“但數(shù)字芯片和其他類型的芯片不是分離發(fā)展，另外一個(gè)重要趨勢就是將它們在系統(tǒng)級別進(jìn)行更強(qiáng)的整合”。

“總而言之，半導(dǎo)體芯片的未來是微縮、超越微縮和融合”，黎子蘭表示。