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14nm將在明年實現全面量產：院士發聲、半導體三大趨勢生變

點擊：  作者：記者    來源：今日頭條  發布時間:2021-08-14 10:22:53

 

近期，某國產芯片制造廠表示，明年有望實現關鍵技術突破，具備14nm量產的能力，相比之下，此前的14nm產線多為本土量產能力與海外技術設備的結合，而這一次，中國將有機會突破全產線、全供應鏈的國產化。

 

 

中國工程院院士、浙江大學微納電子學院院長 吳漢明

 

中國工程院院士吳漢明指出，后摩爾時代，產業技術發展趨緩，但另一方面，對于中國，創新的空間和追趕機會正在增加。最近國內的企業在裝備上投入了不少資源，使得我們的裝備也有一些開始進入大生產線的能力，像包括刻蝕、CVD、熱處理、CMP、清洗機等等，開始進入芯片制造大生產線。

 

這意味著中國國產芯片發展迎來黃金時期。過去已經有本土制造企業實現了14nm芯片的量產，在國際貿易多變的當下，如果這一次能實現完全的自主可控，對中國半導體產業的意義是非常大的。

 

以28nm為分界線，芯片制造分為先進和成熟兩種工藝，制程越小，意味著單顆芯片所集成的晶體管數量越多，工藝也越先進。14nm屬于先進工藝芯片，但相比于半導體競爭的焦點——3nm、5nm來說，它仍然是一種成熟的技術。

 

當下，越來越多的業內人發現，一些相對成熟的芯片正成為產業需求的焦點，在物聯網興起、半導體產業轉移、摩爾定律趨緩的背景之下，這一次14nm芯片若能自主量產，它的產業意義，遠大于學術、技術意義。

 

14nm芯片國產化必要且緊迫

 

從應用上看，14nm芯片主要用于高端消費電子產品、人工智能芯片、應用處理器、車載電子等，這類芯片正在電子領域大量流通。國際上，2015年格羅方德公司在實現14nm的量產，2017年聯華電子實現量產。本土企業也具備一定量產能力，2019年，國產代工廠中芯國際實現14nm芯片的量產。

 

吳漢明認為，當前芯片制造工藝面臨三大挑戰，第一，圖形轉移的挑戰，當下主要先進工藝都是用波長193nm的光源，曝光出20nm-30nm的圖形，現在集成電路的光刻工程師卻能用波長193nm的光源曝光出數十納米的圖形，突破了光學的限制。

 

第二，新材料的挑戰。芯片的性能提升主要依賴新材料和新工藝。至今，大約有銅、鍺等64種材料陸續進入芯片制造，每一種材料都需要數千次工藝實驗。

 

第三，提升良率的挑戰，吳漢明指出，這也是所有芯片制造企業的終極挑戰，只有量產且通過一定良率的工藝才能被稱為成熟的成套工藝。

 

目前集成電路產業鏈的總體分為四大塊：設計、IP和EDA技術架構、裝備材料、芯片制造。吳漢明指出，“放眼中國的集成電路產業鏈建設，光刻機、檢測等裝備是主要需要攻關的方向。”

 

對于14nm芯片，國內是有能力量產的，雖然國產能力正受到國際貿易波動的限制，但是可以說中國對14nm的量產技術已經掌握。將14nm芯片完全國產化的任務，是必要又迫切的。

 

以工業互聯網、物聯網為場景的芯片需求持續增長

 

在物聯網興起的背景下，半導體產業正在發生轉移。

 

當連接不只在人與人之間，人類生產、生活領域的各種物品都能實現聯網，并與人連接起來，人類社會將出現什么樣革命性的變化。人們對物聯網時代的預想正在成為現實，而這當中，工業、汽車、醫療設備的開發，將激發大量基礎元器件的需求，這些元器件將成為供應鏈中不可或缺的關鍵一環。

 

宏觀來看，萬物互聯、物聯網的爆發，正在代替原有以手機為中心的移動互聯網時代，芯片作為基礎元器件，它的供給側正悄然發生變化，這種變化之下，產業對14nm的需求將會非常大。

 

從產業上看，智能硬件成本的下降，應用的適配，讓智能終端正規模化、普遍化地進入個人和家庭生活，物聯網也進入了產業增長期。數據顯示，人均持有智能終端數量在2010年是1.84個，至2020年增長到6.58個。

 

從消費者需求端和購買意愿來看，中國擁有龐大的智能硬件市場，在2020年，中國物聯網市場規模已經超過萬億元，根據IDC數據，在2024年中國物聯網市場支出預計將達到3000億美元。

 

政策上看，國家正推進傳統產業數字化的進程，包括《工業互聯網創新發展行動計劃（2021-2023年）》、《5G應用“揚帆”行動計劃（2021-2023年）》，以及《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》里也都提出了對物聯網發展的要求。而在實際應用場景中，自動化、智能化的流水線，以水利系統智慧城市的建立會需要大量的物聯網設備，從而激發對基礎元器件的需求。

 

中國是芯片的需求大國，占全球芯片需求量的45%。從半導體產業的數據上看，以工業互聯網、物聯網為場景的芯片增速上漲。

 

14nm芯片正成為需求焦點

 

在物聯網時代的所有芯片中，14nm芯片正在成為需求的焦點。

 

物聯網被大量應用在汽車、工業等制造業中，這些場景對芯片的工藝要求并不高，但對性價比、可靠性要求很高，這恰恰是14nm能滿足的。例如，汽車芯片，需要長期驗證、高可靠性、適應各種極端條件，但是并不需要芯片像搭載手機里一樣，必須微縮至5nm、7nm。

 

物聯網所需的芯片用量遠遠大于消費電子，而且對芯片的制程和工藝要求比手機低很多。為了研制下一代手機芯片，國際大廠在制程上追趕5nm、3nm，將摩爾定律逼至極限，但一些車用、工業用的芯片甚至只需要14nm、28nm、45nm工藝水平，它對性價比的要求是更高的，對芯片適配業務、適應場景的能力要求也更高。

 

當前，這一波大規模的全球芯片短缺潮，自去年下半年來，疫情以及隨之而來的自然災害，日本工廠火災、美國暴雪、東南亞封國等，正在讓全球芯片供應了承受很大的壓力，首先是供給端開始收縮，上下游之間的溝通效率降低、代工廠轉單速度變慢，又逢2020年下半年電子產業的需求開始復蘇。

 

這些現象恰恰在車用、工業用的芯片中表現十分突出。去年下半年，車用芯片首先開始告急，然后發展到工業芯片、家居行業的芯片，半導體供應鏈上，從代工、涉及到封裝都進入了短缺狀態。這種全線緊張的局面在芯片歷史上幾乎從未有過，而缺貨的產品，很多是依賴于14nm工藝的芯片。

 

吳漢明認為，芯片產業面臨的主要挑戰是產業鏈太長、太寬，它必然依賴于全球的流通和全球化的正是因為這種流通，使得集成電路才能沿著摩爾定律發展到當今欣欣向榮的狀態。

 

摩爾定律趨緩促使 14nm芯片成為高端芯片主流

 

14nm的重要性并非只在產業實踐中體現。當下，行至極限的摩爾定律也在告訴我們這樣一個事實：

 

摩爾定律是半導體產業的基本規律，即單位面積芯片上的晶體管數量每兩年能實現翻番。摩爾定律延伸的結果是，芯片的成本在幾十年內降低了百萬倍，給社會經濟帶來巨大的效益。

 

吳漢明認為，整個集成電路產業技術發展最核心的四個要點，就是體積小、功能多、耗電小和成本低。

 

吳漢明指出，上世紀70年代，晶體管價格1美元/個，這個價格如今能購買上萬個晶體管，如今一部手機中的芯片，加起來有百億級規模的晶體管，若回到上世紀70年代，同樣一部手機要花費百億美元。

 

吳漢明表示，從晶體管的不斷增加來看，產業仍然在遵循著摩爾定律，但是從單位成本來看，在2014年左右，芯片工藝演進至28nm時，100萬晶體管的價格大約是2.7美分，當演進到20nm時，價格反而漲到2.9美分，晶體管的漲價現象，已經違背了當初的摩爾定律。從經濟的角度來看，這是摩爾定律正在趨緩的表現。

 

當前，為了研制下一代手機芯片，國際大廠在制程上追趕5nm、3nm，將摩爾定律逼至極限，但一些車用、工業用的芯片甚至只需要14nm、28nm、45nm工藝水平。

 

從2020年全世界的集成電路的產品來看，采用10nm節點以下的品類只占17%，83%的產品都采用相對成熟的技術節點，應該高度重視相對成熟的工藝技術。

 

根據相關統計數據，在2019年上半年，半導體銷售的市場規模約為2000億美元，其中65％芯片采用14nm制程工藝。可以說14nm仍將是絕大多數中高端芯片的主流制程，是當前最具市場價值的制程工藝之一。

 

吳漢明指出，后摩爾時代的產業技術發展趨緩，創新空間和追趕機會大，我們一定要重視本土化和產能（至少增長率要高于全球平均增長率），樹立產業技術導向的科技文化。因此希望有個舉國體制下新型市場經濟體系的公共技術研發平臺建設。

 

未來，物聯網的崛起、產業的轉移、摩爾定律的趨緩，意味著產業可以用14nm滿足一般性的芯片需要，重新降維設計產品，國產芯片制造產業鏈將出現新的發展機遇。

 

來源：經濟觀察報頭條號