国产高端芯片量产在即,中国解决“芯”痛还要多久?

 

国产高端芯片量产在即,中国解决“芯”痛还要多久?

来源:综合科工力量、观察者网、环球视野、浙江日报等消息

在全球缺芯潮下,国产高端芯片量产在即的消息无疑为我国芯片行业打上一剂强心针。14nm芯片助力产业换“芯”升级,28nm芯片在新基建中大有可为,中国解决“芯”痛指日可待。

最近一两年,中国高端芯片似乎出现了希望的曙光。
 
早在2019年第四季度,国产14nm工艺芯片就实现小批量量产,到今年3月良品率已经达到90%-95%。
 
今年6月下旬,中国电子信息产业发展研究院电子信息研究所所长温晓君在接受媒体采访时表示,国产14nm芯片明年底可以实现量产,国产芯片已经迎来最好的时刻。
 
7月初,中科院计算技术研究所副所长包云岗博士在接受观察者网采访时也表示,国产28nm芯片有望在今年底量产,国产14nm芯片将在明年底实现规模化量产。
 
振奋人心的消息相继传来,痛了多年的中国“芯”,是否有能力在中高端市场站稳脚跟了?离解决“芯”痛还有多久?
 
国产高端芯片量产在即,中国解决“芯”痛还要多久?

2021年7月4日,江苏宿迁,工人在泗洪经济开发区一生产芯片的企业车间内忙碌。图/视觉中国

国产高端芯片量产在即,中国解决“芯”痛还要多久?

14nm芯片量产意味着什么?
作为现代电子信息技术产业高速发展的源动力,芯片已广泛渗透及融合到国民经济和社会发展每个领域,是数字经济、信息消费乃至国家长远发展的重要支撑。
 
然而,我国核心处理器芯片在全球市场份额至今仍不到 1%,电子产品严重依赖从美国、韩国等国家和地区进口处理器芯片,面临重大“卡脖子”风险。
 
据统计,在2019年上半年,整个半导体销售市场规模约为2000亿美元,其中65%芯片采用14nm制程工艺,25%左右采用10nm和12nm,采用7nm的仅10%左右。
 
其中,14-12nm能满足大量高端芯片需求,比如5G、人工智能、新能源汽车、台式电脑的CPU、高速运算、基频、高端消费电子产品;智能手机已经进入应用5nm芯片的时代,14nm制程应用已经不多。
 
目前,国产14nm领域的设备、工艺、封装、材料等各技术工艺环节都已经有系统部署,均在按部就班进行迭代升级。
 
公开信息显示,2019年第四季度,国产14nm工艺芯片实现小批量量产,到了今年3月良品率已经达到90%-95%,同时已经完全有能力应对下游大规模量产的需要。
 
国产高端芯片量产在即,中国解决“芯”痛还要多久?
 
如果14nm芯片能规模化量产,就意味着有能力应对国内下游产业大规模需求,这显然会是国产芯片里程碑式的进步。
 
包云岗表示,14nm是当下应用最广泛、最具市场价值的制程工艺,在AI芯片、高端处理器以及汽车等领域都具有很大的发展潜力,其中主要应用包含高端消费电子产品、高速运算、低阶功率放大器、基频、AI、新能源汽车等。
 
更重要的是,国产14nm规模量产不仅将为我国攻坚制程更高端的芯片技术积淀经验,也将为国产芯片自给率在2025年达到70%奠定有力基础。
 
更直接来说,搞定28nm与14nm芯片,将进一步推动全球集成电路产能向中国大陆转移,同时为国产芯片制造产业链带来新机遇。并且,除了那些少数极高端芯片外,中国大部分芯片安全就有了保障。
 

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28nm芯片还有价值吗?
14nm芯片量产突破在即,28nm还能有所作为吗?
 
在很多人看来,芯片工艺是越先进越好。事实确实如此,但市场急需的往往不是先进芯片,而是成熟工艺芯片产能。
包云岗表示,比起14nm制程工艺的突破,国产28nm芯片规模量产同样意义非凡。
 
28nm工艺是集成电路制造产能中划分中低端与中高端的分界线。在当前的芯片种类里,除了对功耗要求比较高的CPU、GPU、AI芯片外,其余的工业级芯片都是用的28nm以上的技术,比如电视、空调、汽车、高铁、火箭、卫星、工业机器人、电梯、医疗设备、智能手环以及无人机等等。
 
“由于集成电路制造还是以中低端产能为主,当前我国向中高端迈进的需求非常迫切。而一旦完全掌握了28nm技术,就意味着市场上绝大部分的芯片需求都不会被卡脖子了。”包云岗说,28nm的优势也比较明显。
 
在成本几乎相同的情况下,使用28nm工艺制程可以给产品带来更加良好的性能。
 
例如与40nm工艺相比,28nm栅密度更高、晶体管的速度提升了约50%,每次开关时能耗减少了50%。由此,综合考虑成本和技术因素,28nm制程在未来较长一段时间将成为中端主流工艺节点。
 
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去年,国务院发布了《新时期促进集成电路产业和软件产业高质量发展若干政策的通知》,其中提到对28nm及以下的晶圆厂/企业加大税费优惠支持力度,增加“中国鼓励的集成电路线宽小于28nm(含),且经营期在15年以上的集成电路生产企业或项目,第一年至第十年免征企业所得税”等内容。
 
在市场应用方面,包云岗称,国产28nm芯片国内市场广阔。目前,国内芯片制造企业产能已基本全线利用,至少达到了98%。这是最近五年来产能利用率最高的一年。而随着数字经济快速发展,中国正在全力开展新基建工程,对芯片的需求十分旺盛。
 
虽然与5nm、7nm相比,28nm的工艺还有一定差距,但在5G、新能源汽车、特高压、大数据中心、人工智能、工业互联网等国家大力发展的领域中已经属于成熟工艺,不论在成本还是在芯片功耗、功能与性能三大指标上,都是性价比最高的工艺制程。
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2019年6月24日,秦皇岛经济技术开发区一家汽车电器生产企业的职工展示一款汽车电器设备的芯片。(新华社记者杨世尧摄)

就拿今年全球最紧缺的智能家电、智能汽车领域芯片来说,这部分芯片基本都只需要8英寸晶圆、28/14nm等成熟工艺。
 
根据调研机构IC insights发布的《2020-2024年全球晶圆产能》报告,2019年,10nm以下先进制程的芯片产能占总产能的4.4%,而大于28nm的成熟制程产能则占52%。
 
因此,加快国产28nm芯片布局,不仅有利于在这一领域站稳脚根,而且在芯片国产替代和新基建大潮下大有可为。
 
包云岗认为,国内已经具备28nm技术节点规模量产能力。在集成电路各产业链环节,有些企业研发已经取得了不俗成就,有些企业的产品生产线上已经得到具体应用。与此同时,国内在一些细分领域还实现了显著突破,比如在介质刻蚀领域已达到全球先进水平。
 

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国产芯片制造:在困境中寻求迭代与创新
2019年国内集成电路产业的产值超过7500亿元人民币,2020年则达到了8848亿元。而在整个产业发展过程中,芯片制造行业取得的进步最为明显。
 
回顾过去,中国半导体产业曾经遗憾地错过一个黄金年代,目前国际半导体行业巨头几乎都在上世纪七八十年代起步,用漫长时间和巨量人才投入才换来现在的技术积累。
 
一方面,近年来,中国集成电路市场的迅速发展,推动了整个产业的进步与技术革新。
 
随着产品应用领域的专业化和细分化,国内在集成电路制造领域的技术水平不断实现突破,比如在先进与特色工艺的研发和产业化等方面取得了显著进展。这使得中国大陆的芯片制造与国际领先技术的差距越来越小。
 
另一方面,全球集成电路产能向中国大陆转移,将为国内集成电路产业实现跨越发展奠定重要基础。
 
目前,国内外多家厂商都在大陆规划建设新增产能。而在诸多新增晶圆厂逐步建设完成后,中国大陆将在降低成本、扩大产能、地域便利性等方面具备更强有力的保障及支持。显然,这对国内集成电路产业的整体发展及完善,起到极为重要的促进作用。
 
近年来,中国正在不断出台产业政策,以市场化运作的方式推动集成电路产业的发展。
比如2020年8月,国务院发布了《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》,进一步明确了对集成电路产业尤其是制造业的支持。 

尽管一系列支持措施提供了有利的发展环境,但实现这些突破也还是不容易。
包云岗表示,国产14nm芯片攻克了许多技术难题,包括刻蚀机、薄膜沉积等关键装备实现从无到有,并批量应用在大生产线上;后道封装集成技术成果全面实现量产;抛光剂、溅射靶材等上百种关键材料,通过大生产线考核进入批量销售等等。
 
这些成果基本覆盖了我国集成电路全产业链体系,扭转了之前工艺技术全套引进的被动局面。
 
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纵观全球,原本只有美国有结构完整的计算机产业,英国、韩国、德国、法国等都只是各有所长。
但现在除了美国之外,中国也已具备了构建全产业的潜力。而单从代工环节情况来看,拥有14nm工艺技术的国家和地区只有美国、中国台湾、韩国和中国大陆。
 
公开信息显示,今年4月,国内已经实现7nm芯片试产,取得了阶段性成果。如果进展顺利,今年底或明年初时即可以实现7nm芯片批量生产。
 
不过,在5nm芯片工艺研发方面,国内依然面临不少困难。
一方面,美国的限制一直未能出现根本性的解除,导致国内依然难以获得顶级水平的光刻机。另一方面,5nm芯片本身也是一个巨大的技术挑战,难度要高出7nm很多。
 
但即使面临多项压力、困难,国内也已经启动了5nm芯片工艺研发,力求在2021年底之前先打通完整工艺流程,再向实验生产阶段迈进。
 

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后发制人,还需下苦力
现在,国内技术在满足做大量普通芯片方面并不存在卡脖子,所谓的卡脖子是在顶级芯片领域被卡了脖子。但要实现突破,想要后发制人,还需要下苦力。
 
温晓君坦言,我国14nm技术蓬勃发展,并交出了不俗的成绩单,但是想要后发制人,实现追赶,也并不是一朝一夕能够完成的。
 
一方面,集成电路产业是资金超密集、换代特频繁、人才极尖端的全球前沿产业之一,技术难度高、试错成本高、排错难度大。
 
业内领先厂商在14nm上已经有多年的生产经验,产线折旧已经完成,我国企业在成本上与其他厂商竞争并没有优势。因此,在技术追赶上我们和世界第一流的代工企业存在着代差。
 
另一方面,从日、韩、台等国家和地区集成电路产业发展历程看,后发国家和地区赶超不是一蹴而就,需要有自主发展的决心、艰苦奋斗的恒心、赶超成功的信心,更要有强大持续的资金、迭代演进的技术、素质达标的人才、产用联动的市场,集聚资本、技术、人才、市场四大要素合力,才可能实现成功的赶超发展。
 
温晓君表示,14nm芯片量产以后,后续扩大产能还需要做好资金支持,包括光刻机、清洗设备、抛光仪器等所需设备不仅价格昂贵,且在使用过程中需要耗费大量的水和电;
 
其次,需要在原材料、元器件等供应商层面上做好整合工作,提前做好客户导入,确保产能得到充分利用。
 
分析人士认为,由于支撑新一代芯片技术的新材料制造需要整个芯片供应链的支持,还需要包括光刻机在内的先进设备和生产工具的支持,中国要迈向高端芯片制造仍有挑战,需要给产业和人才发展的时间。
 
另有不少业内人士指出,依据国际历史经验看,通过软件的调试也可以改变芯片的特性。
比如,让国内通讯运营商、设备提供商以及通讯方案服务商结合当下芯片产业的变化,努力通过“软硬件结合”的模式创新服务方案、设备架构,以适应时代的变化发展。
 
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包云岗则提供了另外一种思路。他表示,当中低端工艺能成为稳定的现金流来源,再去攻克高端工艺也许更有把握。
国内也许应该分配足够的资源来提升中低端工艺的服务能力,加大投入完善中低端工艺的生态,从设备、材料、单元库、EDA、IP等都积累起来并打磨好,从而力争在国际上形成市场竞争力。
 
“中低端工艺对于国内企业已基本不存在大的技术壁垒,但这部分的收入却和台积电等企业差距巨大。这是生态的差距,是服务能力的差距。相比研制先进工艺的投入,完善中低端工艺的投入要小得多,但收益却可能会更显著。”他认为,根据国内的流片经历来看,芯片制造企业的服务能力的确还有很大提升空间。
 
如果能进一步提高服务意识和服务能力,那将会吸引一大批铁杆客户形成互信,从而加速技术的迭代优化。
 

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国产中高端芯片未来可期
目前,我国已将芯片制造技术提升到国家战略地位,从而支持2030年国家先进制造目标的实现。按照计划,我国今年本土芯片供应占比将提升至40%,到2025年,将进一步提升至70%。
 
在国际形势风云变幻、数字经济日新月异、产业转型升级愈发紧迫以及新基建大潮来临等情况下,我国正在寻求刺激芯片颠覆性新技术发展的途径,包括向整个芯片行业提供广泛的激励措施,以及从目前的硅片芯片跃升至使用新材料制造的“第三代”芯片。
 
上海交通大学副校长、中国科学院院士毛军发在南京举行的2021世界半导体大会上表示,中国可以通过“异构集成”或单独制造组件集成,来保持芯片行业领先地位。“异构整合是后摩尔定律时代行业的新方向,这为中国在集成电路行业弯道超车提供机会。”
 
据毛军发介绍,芯片现有两条主要发展路线,一是延续摩尔定律,二是绕道摩尔定律。如今摩尔定律正面临各种挑战,而绕道摩尔定律有很多途径,异构集成电路就是其中之一。
 
使用新的芯片材料和异构集成的方式被视为最有可能产生颠覆性创新的两个领域。下一代芯片即第三代芯片的新材料包括碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)。
 
包云岗则认为,芯片作为未来工业真正的明珠,不仅是全球化最彻底的产业,也是全球最高级别的创新协作体系。
 
因此,芯片产业需要建立一个全球创新的协作体系,以及清晰意识到芯片产业发展的规律:当前的自主研发是为了更好地融入全球市场,而不是脱离全球市场另起炉灶。
 
无论是市场需求庞大、政策持续利好,还是技术创新另辟蹊径,截止到目前,中国半导体市场上已经涌现出中芯国际、韦尔股份、卓胜微、三安光电、北方华创、闻泰科技、华润微、兆易创新、中环股份等一批市值达千亿人民币的企业,逐步构建起中国芯片制造的技术生态和世界影响力。
 

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