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芯片困局中看曙光：“摩爾定律”將抵極限 中國的機(jī)會(huì)幾何？

點(diǎn)擊：  作者：閆江    來源：新材料在線  發(fā)布時(shí)間:2021-08-09 11:44:30

 

 北方工業(yè)大學(xué)高精尖創(chuàng)新研究院院長閆江

 

“當(dāng)“摩爾定律”轉(zhuǎn)變或消失，將會(huì)帶來技術(shù)上的革命，或者開辟新的領(lǐng)域，這就是我們的機(jī)會(huì)。”

 

1965年的一天，英特爾公司名譽(yù)董事長戈登•摩爾在準(zhǔn)備一份計(jì)算機(jī)儲(chǔ)存器發(fā)展趨勢的報(bào)告時(shí)，有個(gè)震驚業(yè)界的發(fā)現(xiàn)，芯片一般在18-24個(gè)月迭代一次，晶體管數(shù)量也將較上一代提升1倍，性能也將提升一倍。經(jīng)過長期觀察，這一規(guī)律被證實(shí)，這一發(fā)現(xiàn)被稱為“摩爾定律”。

 

因?yàn)?span lang="EN-US">“摩爾定律”，隨著晶體管數(shù)量持續(xù)增加，芯片可容納的晶體管數(shù)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(jīng)達(dá)到了5納米級別。

 

28nm、14nm、7nm、5nm…一張小小的芯片內(nèi)，晶體管數(shù)量越來越多，只要相鄰的晶體管互相不產(chǎn)生接觸，制程就可以繼續(xù)小下去。如今，有人認(rèn)為，0.1-1nm會(huì)是摩爾定律的最終節(jié)點(diǎn)，再往下，生產(chǎn)將失去經(jīng)濟(jì)效益。

 

全球半導(dǎo)體巨頭已經(jīng)隨著“摩爾定律”逼近了物理極限，臺(tái)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(guān)卡。

 

如今，人們好奇，中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)（不含中國臺(tái)灣地區(qū)，下同）到底“卡”在了哪？是否在后“摩爾定律”時(shí)代有新發(fā)展機(jī)會(huì)呢？

 

2009年，在國外學(xué)習(xí)工作十多年，曾在英飛凌半導(dǎo)體公司擔(dān)任高級資深工程師的閆江回到國內(nèi)，他進(jìn)入了中國科學(xué)院大學(xué)微電子研究所，并被聘為北方工業(yè)大學(xué)高精尖創(chuàng)新研究院院長。

 

閆江對中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀以及與國外的差距有著深刻的認(rèn)識(shí)。他向新材料在線^®分析了國內(nèi)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的困境，以及其在后“摩爾定律”時(shí)代的機(jī)會(huì)。

 

新材料在線^®：現(xiàn)在到處“缺芯”，芯片還被“卡脖子”，您怎么看中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的機(jī)會(huì)？

 

閆江：“卡脖子”問題其實(shí)早就存在，但當(dāng)時(shí)別人沒有把手伸到你脖子上，就沒有意識(shí)到這是個(gè)問題，企業(yè)依然可以很自在的活著，等到那雙手掐住脖子了，才意識(shí)到這個(gè)問題的嚴(yán)重性。

 

我們國家很早放開半導(dǎo)體這個(gè)領(lǐng)域，這是導(dǎo)致我們的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)比較被動(dòng)的原因之一。國內(nèi)的半導(dǎo)體技術(shù)在沒有政策保護(hù)的情況下，跟國際大企業(yè)同臺(tái)競技，給國內(nèi)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)造成很大壓力；另外，國外的產(chǎn)品大量的進(jìn)入中國市場，所有的國內(nèi)終端都能買到性價(jià)比最好的芯片，造成芯片依賴進(jìn)口。

 

以手機(jī)芯片來說，國內(nèi)的手機(jī)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(nèi)芯片，無疑沒人愿意“吃螃蟹”。

 

其實(shí)我們很早就意識(shí)到，這個(gè)問題的嚴(yán)重性，但是這個(gè)行業(yè)是需要高投入的，而且需要長期的財(cái)力支持，所以被擱置了。

 

這幾年，是中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的黃金期。中美貿(mào)易摩擦，芯片被“卡脖子”，疫情影響導(dǎo)致芯片產(chǎn)業(yè)鏈危機(jī)。加上如今國家有足夠的財(cái)力投入到這上面，這就為國內(nèi)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)帶來了機(jī)會(huì)。

 

但是，芯片產(chǎn)品的開發(fā)需要周期的。把芯片開發(fā)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(yè)價(jià)值，就必須實(shí)現(xiàn)從1-100的飛躍。在大批量的生產(chǎn)時(shí)，其良率、可靠性、穩(wěn)定性要達(dá)到商業(yè)競爭，這時(shí)候已經(jīng)不是創(chuàng)新層面的問題了，需要很細(xì)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(shè)一張12寸的晶圓片被設(shè)計(jì)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(gè)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(jià)值，至少要到85%才能具備價(jià)值。

 

新材料在線^®：那現(xiàn)在中國半導(dǎo)體做得怎么樣？

 

閆江：當(dāng)國家層面開始下定決心大力發(fā)展半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)時(shí)，大家都轟轟烈烈地上去搞半導(dǎo)體。

 

半導(dǎo)體的生態(tài)鏈分三大塊，設(shè)計(jì)、制造、封測。這幾年，國內(nèi)起來了一大批做設(shè)計(jì)的企業(yè)，大大小小的估計(jì)有兩三千家，因?yàn)樵O(shè)計(jì)這一塊的門檻相對較低，找?guī)讉€(gè)有經(jīng)驗(yàn)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(nèi)在封測這一塊的發(fā)展，從財(cái)報(bào)上看是比較好一點(diǎn)的，因?yàn)橹械投说姆庋b市場，國外企業(yè)很早已經(jīng)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(yōu)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(dǎo)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(cái)報(bào)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(yè)來說，如果不往高端走，就很難活下去。比如一家半導(dǎo)體公司，只做65nm、90nm的芯片，肯定活不下去，因?yàn)?span lang="EN-US">“摩爾定律”不等人。國際上先進(jìn)的制程已經(jīng)到達(dá)5nm了，14nm都算陳舊的技術(shù)了。

 

我所知道的國內(nèi)相對比較先進(jìn)的一家半導(dǎo)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?yàn)閹讉€(gè)關(guān)鍵工藝沒有掌握好，良率可能低于50%。在半導(dǎo)體行業(yè)，要保持一定的良率比如70%以上，才能賺到錢，低于這個(gè)，就賺不到錢。

 

新材料在線^®：您認(rèn)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(tuán)隊(duì)里的人員架構(gòu)要非常齊備。需要有非常完善、非常強(qiáng)大的研發(fā)團(tuán)隊(duì)，需要有工藝開發(fā)、工藝整合、仿真等等一系列人才，而且要有一個(gè)強(qiáng)有力的領(lǐng)導(dǎo)人才帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)。

 

第二是技術(shù)的傳承與積累。傳承就是上一代的芯片制造經(jīng)驗(yàn)?zāi)軌騻鞒械较乱淮酒闹圃焐希?span lang="EN-US">90nm、65nm、45nm到28nm、14nm等，有上一代的制造經(jīng)驗(yàn)，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(nèi)就缺乏這種技術(shù)的傳承，因?yàn)榍懊鎺状募夹g(shù)都是“拿來”的，缺乏核心的研發(fā)團(tuán)隊(duì)，沒有經(jīng)歷過真正的技術(shù)開發(fā)過程，在很多關(guān)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(wěn)定性控制好。如果一個(gè)團(tuán)隊(duì)做過10nm的光刻工藝控制，到了7nm的時(shí)候，如果使用的同樣的光刻機(jī)，他們就會(huì)懂得怎么樣的改變條件去配合光刻。

 

現(xiàn)在的情況是我們與中國臺(tái)灣地區(qū)或者國際上的大廠對標(biāo)，我們就要設(shè)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(chuàng)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(shù)量上來說，國際大廠的研發(fā)隊(duì)伍人數(shù)以2000-3000來計(jì)算，而我們只有200-300，這就造成了數(shù)量上的差別。按道理來說，我們更落后，我們應(yīng)該召集更多研發(fā)人員才對，但是現(xiàn)在卻是研發(fā)人員數(shù)量還比不上國際大廠。

 

第三個(gè)要素是設(shè)備。國內(nèi)的半導(dǎo)體公司難以買到國際第一流的制造設(shè)備，如阿斯麥的EVU光刻機(jī)。設(shè)備大廠開發(fā)出一臺(tái)設(shè)備，一般會(huì)配套相應(yīng)的工藝工程師。這個(gè)工藝工程師很厲害，對設(shè)備特別清楚，可以針對客戶的要求，幫助客戶開發(fā)工藝。所以，往往設(shè)備大廠配備出一定數(shù)量的工藝工程師，都流向了采購設(shè)備數(shù)量多的大客戶，如英特爾、臺(tái)積電等。

 

我們受控別人的地方太多。

 

新材料在線^®：現(xiàn)在到處“缺芯”，芯片還被“卡脖子”，您怎么看中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的機(jī)會(huì)？

 

閆江：別人卡我們脖子的地方很多，我們卻沒有一項(xiàng)能卡別人的脖子。

 

不過，在第三代半導(dǎo)體上，我們可以集中精力和優(yōu)勢去布局。它的襯底、工藝和做襯底材料的設(shè)備都是我們自己做的。所以我們?nèi)绻诘谌雽?dǎo)體襯底制備和裝備、工藝、器件方面能集中精力和優(yōu)勢做的話，可能會(huì)有一些成就。

 

第三代半導(dǎo)體未來發(fā)展前景很好，特別是在國內(nèi)的應(yīng)用市場巨大，不管是電網(wǎng)、高鐵還是新能源車，其各種功率器件都要用到。它在技術(shù)上比硅基半導(dǎo)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(dǎo)體主力部隊(duì)目前是將主要精力放在硅基半導(dǎo)體方面，因?yàn)槲磥砗荛L一段時(shí)間內(nèi)，硅基半導(dǎo)體的市場主導(dǎo)地位是不會(huì)發(fā)生改變的。第三代半導(dǎo)體的產(chǎn)值現(xiàn)在相對于硅基半導(dǎo)體而言，還只是個(gè)小零頭，所以國際主力部隊(duì)只它作為邊緣產(chǎn)品在做。我認(rèn)為，如果國內(nèi)集中精力攻關(guān)第三代半導(dǎo)體，肯定會(huì)比國外走得快，未來，就可以取得很大的話語權(quán)。

 

其實(shí)硅基半導(dǎo)體我個(gè)人不是很看好，大家都在談“后摩爾定律”時(shí)代，“摩爾定律”的終點(diǎn)是0.1nm還是多少還沒有定論，但我個(gè)人認(rèn)為1nm會(huì)是最后一個(gè)節(jié)點(diǎn)。只要兩個(gè)相鄰的晶體管不碰到一起，就可以持續(xù)做小，但是一張晶圓片內(nèi)，已經(jīng)排了數(shù)百億個(gè)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(jīng)濟(jì)效益了。

 

當(dāng)“摩爾定律”走到盡頭，行業(yè)就會(huì)換軌道了。但也要保證18-24個(gè)月內(nèi)提供新一代產(chǎn)品，性能翻倍，成本降低。這個(gè)時(shí)候晶體管的集成度已經(jīng)固定了，就要通過別的手段實(shí)現(xiàn)芯片性能翻倍，這就走到了十字路口，有很多新的機(jī)會(huì)。所以我們要先做一些前沿的探索工作。

 

另外，先進(jìn)封裝也可能會(huì)是未來的一個(gè)方向。比如3D封裝，人們利用3D封裝技術(shù)把多顆芯片疊加在一起，同樣可以實(shí)現(xiàn)芯片性能的提升。傳統(tǒng)是在PCB板上分布放置芯片，導(dǎo)致功耗、速度受到影響，現(xiàn)在3D封裝在一起，功耗、速度、面積都會(huì)發(fā)生很大變化，也可以實(shí)現(xiàn)24個(gè)月性能翻一番的目標(biāo)。

 

但我們也不能把硅基半導(dǎo)體都放棄了，那樣就更“卡脖子”了。

 

新材料在線^®：未來半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)將如何發(fā)展？

 

閆江：未來有很多變數(shù)，我們有幸能見證“摩爾定律”的轉(zhuǎn)變或消失，這個(gè)會(huì)帶來很多技術(shù)上的革命，或者開辟新的領(lǐng)域，這就是我們的機(jī)會(huì)，我們要抓住。

 

我們在3D封裝、第三代半導(dǎo)體或者其他技術(shù)上，要有自己獨(dú)特的創(chuàng)新。國家在科研領(lǐng)域投入了太多的錢了，但產(chǎn)業(yè)幾乎沒有出來原創(chuàng)性的東西。傳統(tǒng)的東西不要跟了，沒意義，我們應(yīng)該嘗試在新的領(lǐng)域開辟出一片天地，打造自己的制高點(diǎn)，與別人抗衡。

 

從產(chǎn)業(yè)培育的角度來說，怎么樣去做應(yīng)該好好想想。現(xiàn)在大家有點(diǎn)一窩蜂，比如在設(shè)計(jì)板塊，大家就盯著幾個(gè)中低端的產(chǎn)品，“硬骨頭”沒有人愿意“啃”。以射頻前端芯片為例，國內(nèi)幾個(gè)廠家做的都是低端的產(chǎn)品，整個(gè)射頻芯片95%市場是由國外占據(jù)，人家放開那5%的小口子是利潤很薄的，所以才給了國內(nèi)廠家機(jī)會(huì)，結(jié)果大家在中低端產(chǎn)品的紅海里面廝殺。

 

現(xiàn)在是國產(chǎn)半導(dǎo)體發(fā)展的黃金期，這給了國內(nèi)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)很大的國產(chǎn)替代機(jī)會(huì)，但國內(nèi)的公司應(yīng)該以建立更高的發(fā)展目標(biāo)，走向國際，而不是只吃國內(nèi)的“軟飯”。

 

我覺得我們浪費(fèi)了很多的時(shí)間窗口、很多的資源，上述提到的某些領(lǐng)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(diǎn)，在這些領(lǐng)域扎根后，成長為參天大樹。

 

我比較擔(dān)憂的是，眼下國內(nèi)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)陽光、雨水、化肥都充足，站遠(yuǎn)處看，郁郁蔥蔥，走近一看，雜草叢生。

 

來源：新材料在線微信號(hào)