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芯片困局中看曙光：“摩爾定律”將抵極限 中國的機會幾何？

點擊：5385  作者：閆江    來源：新材料在線  發布時間:2021-08-09 11:44:30

 

 北方工業大學高精尖創新研究院院長閆江

 

“當“摩爾定律”轉變或消失，將會帶來技術上的革命，或者開辟新的領域，這就是我們的機會。”

 

1965年的一天，英特爾公司名譽董事長戈登•摩爾在準備一份計算機儲存器發展趨勢的報告時，有個震驚業界的發現，芯片一般在18-24個月迭代一次，晶體管數量也將較上一代提升1倍，性能也將提升一倍。經過長期觀察，這一規律被證實，這一發現被稱為“摩爾定律”。

 

因為“摩爾定律”，隨著晶體管數量持續增加，芯片可容納的晶體管數量越來越有限，于是晶體管越做越小。至今，全球最頂尖的芯片制程已經達到了5納米級別。

 

28nm、14nm、7nm、5nm…一張小小的芯片內，晶體管數量越來越多，只要相鄰的晶體管互相不產生接觸，制程就可以繼續小下去。如今，有人認為，0.1-1nm會是摩爾定律的最終節點，再往下，生產將失去經濟效益。

 

全球半導體巨頭已經隨著“摩爾定律”逼近了物理極限，臺積電、英特爾等在搶占更頂尖的制程高地，而中國大陸的芯片制程卻甚至卡在28nm的關卡。

 

如今，人們好奇，中國半導體產業（不含中國臺灣地區，下同）到底“卡”在了哪？是否在后“摩爾定律”時代有新發展機會呢？

 

2009年，在國外學習工作十多年，曾在英飛凌半導體公司擔任高級資深工程師的閆江回到國內，他進入了中國科學院大學微電子研究所，并被聘為北方工業大學高精尖創新研究院院長。

 

閆江對中國半導體產業的現狀以及與國外的差距有著深刻的認識。他向新材料在線^®分析了國內半導體產業的困境，以及其在后“摩爾定律”時代的機會。

 

新材料在線^®：現在到處“缺芯”，芯片還被“卡脖子”，您怎么看中國半導體產業的機會？

 

閆江：“卡脖子”問題其實早就存在，但當時別人沒有把手伸到你脖子上，就沒有意識到這是個問題，企業依然可以很自在的活著，等到那雙手掐住脖子了，才意識到這個問題的嚴重性。

 

我們國家很早放開半導體這個領域，這是導致我們的半導體產業比較被動的原因之一。國內的半導體技術在沒有政策保護的情況下，跟國際大企業同臺競技，給國內半導體產業造成很大壓力；另外，國外的產品大量的進入中國市場，所有的國內終端都能買到性價比最好的芯片，造成芯片依賴進口。

 

以手機芯片來說，國內的手機終端品牌要與蘋果、三星競爭，必須讓操作軟件、零部件能跟的上國際品牌，而采用國內芯片，無疑沒人愿意“吃螃蟹”。

 

其實我們很早就意識到，這個問題的嚴重性，但是這個行業是需要高投入的，而且需要長期的財力支持，所以被擱置了。

 

這幾年，是中國半導體產業發展的黃金期。中美貿易摩擦，芯片被“卡脖子”，疫情影響導致芯片產業鏈危機。加上如今國家有足夠的財力投入到這上面，這就為國內半導體產業帶來了機會。

 

但是，芯片產品的開發需要周期的。把芯片開發出來，具備基本的功能，這只是從0到1的突破。但芯片要具備商業價值，就必須實現從1-100的飛躍。在大批量的生產時，其良率、可靠性、穩定性要達到商業競爭，這時候已經不是創新層面的問題了，需要很細致地去打磨，需要工匠精神。

 

良率很重要，它直接和成本捆綁。假設一張12寸的晶圓片被設計1萬顆芯片，如果能切出1萬顆合格的芯片，那它的成本就要被1萬除，如果一個同等面積的晶圓片只有1顆芯片是合格的，它的成本就只能被1除。如果良率只有5%，就沒有競爭價值，至少要到85%才能具備價值。

 

新材料在線^®：那現在中國半導體做得怎么樣？

 

閆江：當國家層面開始下定決心大力發展半導體產業時，大家都轟轟烈烈地上去搞半導體。

 

半導體的生態鏈分三大塊，設計、制造、封測。這幾年，國內起來了一大批做設計的企業，大大小小的估計有兩三千家，因為設計這一塊的門檻相對較低，找幾個有經驗的海外人才，投一筆不大的資金就可以做起來了。

 

這幾年國內在封測這一塊的發展，從財報上看是比較好一點的，因為中低端的封裝市場，國外企業很早已經放掉了，中低端封裝的利潤比較低，既耗工，又耗能量。比如日月光公司，選擇在上海落地，利用中國大陸特殊的優惠政策，以及便宜的勞力來做中低端的封裝。

 

而制造這一塊主要是國家行為。如中芯國際、華力等半導體公司都是政府投的資金。制造這一塊是最難的，別看有些公司財報很好，但如果把政府的資金去掉后，是沒有賺錢的。

 

對于制造這一塊的企業來說，如果不往高端走，就很難活下去。比如一家半導體公司，只做65nm、90nm的芯片，肯定活不下去，因為“摩爾定律”不等人。國際上先進的制程已經到達5nm了，14nm都算陳舊的技術了。

 

我所知道的國內相對比較先進的一家半導體公司，制程仍然比較落后。比如其28nm的高K金屬柵芯片，良率遲遲上不去。因為幾個關鍵工藝沒有掌握好，良率可能低于50%。在半導體行業，要保持一定的良率比如70%以上，才能賺到錢，低于這個，就賺不到錢。

 

新材料在線^®：您認為我們存在的短板是什么？

 

閆江：人才是第一要素。以制造這一塊來說，團隊里的人員架構要非常齊備。需要有非常完善、非常強大的研發團隊，需要有工藝開發、工藝整合、仿真等等一系列人才，而且要有一個強有力的領導人才帶領團隊。

 

第二是技術的傳承與積累。傳承就是上一代的芯片制造經驗能夠傳承到下一代芯片的制造上，如90nm、65nm、45nm到28nm、14nm等，有上一代的制造經驗，下一代的制造才能比較順利，如果沒做過14nm，砸錢也做不出7nm，連門檻都摸不到的。

 

我們國內就缺乏這種技術的傳承，因為前面幾代的技術都是“拿來”的，缺乏核心的研發團隊，沒有經歷過真正的技術開發過程，在很多關鍵工藝上如外延、刻蝕、光刻工藝，不懂怎么把工藝窗口拉大，把工藝的精度、穩定性控制好。如果一個團隊做過10nm的光刻工藝控制，到了7nm的時候，如果使用的同樣的光刻機，他們就會懂得怎么樣的改變條件去配合光刻。

 

現在的情況是我們與中國臺灣地區或者國際上的大廠對標，我們就要設法知道人家是怎么做的，然后照著人家的樣子來做，沒有辦法創造新的思路，被人牽著鼻子走，所以人才很重要。

 

而且在人才數量上來說，國際大廠的研發隊伍人數以2000-3000來計算，而我們只有200-300，這就造成了數量上的差別。按道理來說，我們更落后，我們應該召集更多研發人員才對，但是現在卻是研發人員數量還比不上國際大廠。

 

第三個要素是設備。國內的半導體公司難以買到國際第一流的制造設備，如阿斯麥的EVU光刻機。設備大廠開發出一臺設備，一般會配套相應的工藝工程師。這個工藝工程師很厲害，對設備特別清楚，可以針對客戶的要求，幫助客戶開發工藝。所以，往往設備大廠配備出一定數量的工藝工程師，都流向了采購設備數量多的大客戶，如英特爾、臺積電等。

 

我們受控別人的地方太多。

 

新材料在線^®：現在到處“缺芯”，芯片還被“卡脖子”，您怎么看中國半導體產業的機會？

 

閆江：別人卡我們脖子的地方很多，我們卻沒有一項能卡別人的脖子。

 

不過，在第三代半導體上，我們可以集中精力和優勢去布局。它的襯底、工藝和做襯底材料的設備都是我們自己做的。所以我們如果在第三代半導體襯底制備和裝備、工藝、器件方面能集中精力和優勢做的話，可能會有一些成就。

 

第三代半導體未來發展前景很好，特別是在國內的應用市場巨大，不管是電網、高鐵還是新能源車，其各種功率器件都要用到。它在技術上比硅基半導體還要難一些。

 

全球大廠還沒有把精力放在這上面。國際半導體主力部隊目前是將主要精力放在硅基半導體方面，因為未來很長一段時間內，硅基半導體的市場主導地位是不會發生改變的。第三代半導體的產值現在相對于硅基半導體而言，還只是個小零頭，所以國際主力部隊只它作為邊緣產品在做。我認為，如果國內集中精力攻關第三代半導體，肯定會比國外走得快，未來，就可以取得很大的話語權。

 

其實硅基半導體我個人不是很看好，大家都在談“后摩爾定律”時代，“摩爾定律”的終點是0.1nm還是多少還沒有定論，但我個人認為1nm會是最后一個節點。只要兩個相鄰的晶體管不碰到一起，就可以持續做小，但是一張晶圓片內，已經排了數百億個晶體管，做得越小，難度越大。到1nm后，再往更小做，或許就失去經濟效益了。

 

當“摩爾定律”走到盡頭，行業就會換軌道了。但也要保證18-24個月內提供新一代產品，性能翻倍，成本降低。這個時候晶體管的集成度已經固定了，就要通過別的手段實現芯片性能翻倍，這就走到了十字路口，有很多新的機會。所以我們要先做一些前沿的探索工作。

 

另外，先進封裝也可能會是未來的一個方向。比如3D封裝，人們利用3D封裝技術把多顆芯片疊加在一起，同樣可以實現芯片性能的提升。傳統是在PCB板上分布放置芯片，導致功耗、速度受到影響，現在3D封裝在一起，功耗、速度、面積都會發生很大變化，也可以實現24個月性能翻一番的目標。

 

但我們也不能把硅基半導體都放棄了，那樣就更“卡脖子”了。

 

新材料在線^®：未來半導體產業將如何發展？

 

閆江：未來有很多變數，我們有幸能見證“摩爾定律”的轉變或消失，這個會帶來很多技術上的革命，或者開辟新的領域，這就是我們的機會，我們要抓住。

 

我們在3D封裝、第三代半導體或者其他技術上，要有自己獨特的創新。國家在科研領域投入了太多的錢了，但產業幾乎沒有出來原創性的東西。傳統的東西不要跟了，沒意義，我們應該嘗試在新的領域開辟出一片天地，打造自己的制高點，與別人抗衡。

 

從產業培育的角度來說，怎么樣去做應該好好想想?，F在大家有點一窩蜂，比如在設計板塊，大家就盯著幾個中低端的產品，“硬骨頭”沒有人愿意“啃”。以射頻前端芯片為例，國內幾個廠家做的都是低端的產品，整個射頻芯片95%市場是由國外占據，人家放開那5%的小口子是利潤很薄的，所以才給了國內廠家機會，結果大家在中低端產品的紅海里面廝殺。

 

現在是國產半導體發展的黃金期，這給了國內半導體產業很大的國產替代機會，但國內的公司應該以建立更高的發展目標，走向國際，而不是只吃國內的“軟飯”。

 

我覺得我們浪費了很多的時間窗口、很多的資源，上述提到的某些領域，我們可以提前布局，集中精力去做，比如功率器件，我們找一些能夠切入的點，在這些領域扎根后，成長為參天大樹。

 

我比較擔憂的是，眼下國內半導體產業陽光、雨水、化肥都充足，站遠處看，郁郁蔥蔥，走近一看，雜草叢生。

 

來源：新材料在線微信號