中科院計(jì)算技術(shù)研究所副所長(zhǎng)包云崗博士

【文/包云崗 編輯：科工力量 陳辰】

國(guó)產(chǎn)芯片制造技術(shù)進(jìn)步明顯

數(shù)據(jù)顯示，2019年國(guó)內(nèi)集成電路產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)值超過(guò)7500億人民幣，2020年則達(dá)到了8848億元。而在整個(gè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展過(guò)程中，集成電路制造行業(yè)取得的進(jìn)步最為明顯。據(jù)包云崗博士介紹，經(jīng)過(guò)多年耕耘布建，目前國(guó)內(nèi)集成電路產(chǎn)業(yè)已從高速發(fā)展階段向高質(zhì)量發(fā)展轉(zhuǎn)型，正在研制14nm、28nm等先進(jìn)制程工藝技術(shù)，能為國(guó)產(chǎn)芯片制造產(chǎn)業(yè)鏈帶來(lái)新機(jī)遇。

一方面，近年來(lái)，中國(guó)集成電路市場(chǎng)的迅速發(fā)展，推動(dòng)了整個(gè)產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步與技術(shù)革新。隨著產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域的專業(yè)化和細(xì)分化，國(guó)內(nèi)在集成電路制造領(lǐng)域的技術(shù)水平不斷實(shí)現(xiàn)突破，比如在先進(jìn)與特色工藝的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化等方面取得顯著了進(jìn)展。

另一方面，全球集成電路產(chǎn)能向中國(guó)大陸轉(zhuǎn)移，將為國(guó)內(nèi)集成電路產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)跨越發(fā)展奠定重要基礎(chǔ)。目前，國(guó)內(nèi)外多家廠商都在大陸規(guī)劃建設(shè)新增產(chǎn)能。而在諸多新增晶圓廠逐步建設(shè)完成后，中國(guó)大陸將在降低成本、擴(kuò)大產(chǎn)能、地域便利性等方面具備更強(qiáng)有力的保障及支持。顯然，這對(duì)國(guó)內(nèi)集成電路產(chǎn)業(yè)的整體發(fā)展及完善，起到極為重要的促進(jìn)作用。

毫無(wú)疑問(wèn)，集成電路是國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的戰(zhàn)略性、基礎(chǔ)性、先導(dǎo)性產(chǎn)業(yè)，是電子信息產(chǎn)業(yè)的核心。近年來(lái)，中國(guó)正在不斷出臺(tái)產(chǎn)業(yè)政策，以市場(chǎng)化運(yùn)作的方式推動(dòng)集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。比如2020年8月，國(guó)務(wù)院發(fā)布了《新時(shí)期促進(jìn)集成電路產(chǎn)業(yè)和軟件產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的若干政策》，進(jìn)一步明確了對(duì)集成電路產(chǎn)業(yè)尤其是制造業(yè)的支持。由此，國(guó)內(nèi)集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展及制造技術(shù)進(jìn)步還有很大想象空間。

14nm芯片助力產(chǎn)業(yè)換“芯”升級(jí)

在眼下集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展形勢(shì)下，國(guó)產(chǎn)芯片制造的快速進(jìn)步振奮人心。2019年第四季度，國(guó)產(chǎn)14nm工藝芯片實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，到了今年3月良品率已經(jīng)達(dá)到90%-95%，能應(yīng)對(duì)下游大規(guī)模量產(chǎn)的需要。多位行業(yè)人士預(yù)測(cè)，國(guó)產(chǎn)14nm芯片各個(gè)環(huán)節(jié)會(huì)得到完善，實(shí)現(xiàn)規(guī)模量產(chǎn)可以期待。

包博士表示，國(guó)產(chǎn)14nm芯片攻克了許多技術(shù)難題，包括刻蝕機(jī)、薄膜沉積等關(guān)鍵裝備，后道封裝集成技術(shù)，拋光劑、濺射靶材等上百種關(guān)鍵材料，并批量應(yīng)用在大生產(chǎn)線上。

此外，他還認(rèn)為，中國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)曾經(jīng)遺憾地錯(cuò)過(guò)一個(gè)黃金年代，目前國(guó)際半導(dǎo)體行業(yè)巨頭幾乎都在上世紀(jì)七八十年代起步，用漫長(zhǎng)時(shí)間和巨量人才投入才換來(lái)現(xiàn)在的技術(shù)積累。但縱觀全球，只有美國(guó)有結(jié)構(gòu)完整的計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)，英國(guó)、韓國(guó)、德國(guó)、法國(guó)等都只是各有所長(zhǎng)。但現(xiàn)在除了美國(guó)之外，中國(guó)也已具備了構(gòu)建全產(chǎn)業(yè)的潛力，但還需要多方努力。

在市場(chǎng)應(yīng)用方面，智能手機(jī)已經(jīng)進(jìn)入應(yīng)用5nm芯片的時(shí)代，14nm制程應(yīng)用已經(jīng)不多。但一段時(shí)間內(nèi)，14nm仍然會(huì)成為國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)中高端芯片的主要制程。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2019年上半年，整個(gè)半導(dǎo)體銷售市場(chǎng)規(guī)模約為2000億美元。其中，65%芯片采用14nm制程工藝，25%左右采用10nm和12nm，僅10%左右的芯片采用7nm。

對(duì)此，包博士表示，14nm是當(dāng)下應(yīng)用最廣泛、最具市場(chǎng)價(jià)值的制程工藝，在AI芯片、高端處理器以及汽車等領(lǐng)域都具有很大的發(fā)展?jié)摿?，其中主要?yīng)用包含高端消費(fèi)電子產(chǎn)品、高速運(yùn)算、低階功率放大器、基頻、AI、新能源汽車等。

28nm芯片在新基建中大有可為

比起14nm制程工藝的突破，國(guó)產(chǎn)28nm芯片規(guī)模量產(chǎn)同樣意義非凡。據(jù)包博士介紹，28nm工藝是集成電路制造產(chǎn)能中劃分中低端與中高端的分界線。在當(dāng)前的芯片種類里，除了對(duì)功耗要求比較高的CPU、GPU、AI芯片外，其余的工業(yè)級(jí)芯片都是用的28nm以上的技術(shù)，比如電視、空調(diào)、汽車、高鐵、火箭、衛(wèi)星、工業(yè)機(jī)器人、電梯、醫(yī)療設(shè)備、智能手環(huán)以及無(wú)人機(jī)等等。

“由于集成電路制造還是以中低端產(chǎn)能為主，當(dāng)前我國(guó)向中高端邁進(jìn)的需求非常迫切。而一旦完全掌握了28nm技術(shù)，就意味著市場(chǎng)上絕大部分的芯片需求都不會(huì)被卡脖子了?！卑┦空f(shuō)，28nm的優(yōu)勢(shì)也比較明顯。在成本幾乎相同的情況下，使用28nm工藝制程可以給產(chǎn)品帶來(lái)更加良好的性能。例如與40nm工藝相比，28nm柵密度更高、晶體管的速度提升了約50%，每次開(kāi)關(guān)時(shí)能耗減少了50%。由此，綜合考慮成本和技術(shù)因素，28nm制程在未來(lái)較長(zhǎng)一段時(shí)間將成為中端主流工藝節(jié)點(diǎn)。

正因如此，國(guó)務(wù)院去年發(fā)布了《新時(shí)期促進(jìn)集成電路產(chǎn)業(yè)和軟件產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展若干政策的通知》，其中提到對(duì)28nm及以下的晶圓廠/企業(yè)加大稅費(fèi)優(yōu)惠支持力度，增加對(duì)"中國(guó)鼓勵(lì)的集成電路線寬小于28nm（含），且經(jīng)營(yíng)期在15年以上的集成電路生產(chǎn)企業(yè)或項(xiàng)目，第一年至第十年免征企業(yè)所得稅"等內(nèi)容。

在市場(chǎng)應(yīng)用方面，包博士稱，國(guó)產(chǎn)28nm芯片國(guó)內(nèi)市場(chǎng)廣闊。目前，國(guó)內(nèi)芯片制造企業(yè)產(chǎn)能已基本全線利用，至少達(dá)到了98%。這是最近五年來(lái)產(chǎn)能利用率最高的一年。而隨著數(shù)字經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，中國(guó)正在全力開(kāi)展新基礎(chǔ)建設(shè)工程，對(duì)芯片的需求十分旺盛。雖然與5nm、7nm相比，28nm的工藝還有一定差距，但在5G、新能源汽車、特高壓、大數(shù)據(jù)中心、人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等國(guó)家大力發(fā)展的領(lǐng)域中已經(jīng)屬于成熟工藝，不論在成本還是在芯片功耗、功能與性能三大指標(biāo)上，都是性價(jià)比最高的工藝制程。

根據(jù)調(diào)研機(jī)構(gòu)IC insights發(fā)布的《2020-2024年全球晶圓產(chǎn)能》報(bào)告顯示，2019年，10nm以下先進(jìn)制程的芯片產(chǎn)能占總產(chǎn)能的4.4%，而大于28nm的成熟制程產(chǎn)能則占52%。因此，加快國(guó)產(chǎn)28nm芯片布局，不僅有利于在這一領(lǐng)域站穩(wěn)腳跟，而且在芯片國(guó)產(chǎn)替代和新基建大潮下大有可為。包博士指出，國(guó)內(nèi)已經(jīng)具備28nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)完規(guī)模量產(chǎn)能力，在一些國(guó)產(chǎn)化關(guān)鍵設(shè)備和材料上取得不錯(cuò)進(jìn)展，但仍需加大研發(fā)投入。在集成電路各產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)，有些企業(yè)研發(fā)已經(jīng)取得了不俗成就，有些企業(yè)的產(chǎn)品生產(chǎn)線上已經(jīng)得到具體應(yīng)用。與此同時(shí)，國(guó)內(nèi)在一些細(xì)分領(lǐng)域還實(shí)現(xiàn)了顯著突破，比如在介質(zhì)刻蝕領(lǐng)域已達(dá)到全球先進(jìn)水平。

提高服務(wù)能力可加速技術(shù)迭代

芯片是通信信息產(chǎn)業(yè)的核心，應(yīng)用前景巨大。對(duì)于國(guó)產(chǎn)芯片是否可以滿足包括5G通訊在內(nèi)的通訊設(shè)備性能方面的需求，包博士表示，14nm芯片可以滿足5G通信、高性能計(jì)算等領(lǐng)域的大部分需求。此外，國(guó)內(nèi)也在積極開(kāi)發(fā)7nm等先進(jìn)工藝制程芯片，未來(lái)將有效緩解高端芯片代工領(lǐng)域的對(duì)外依存狀況。

但芯片畢竟是硬件，只有在軟件層面充分調(diào)動(dòng)芯片的性能，才可以體現(xiàn)芯片的價(jià)值。依據(jù)國(guó)際歷史經(jīng)驗(yàn)看，通過(guò)軟件的調(diào)試也可以改變芯片的特性。對(duì)此，包博士指出，“國(guó)內(nèi)通訊運(yùn)營(yíng)商、設(shè)備提供商以及通訊方案服務(wù)商，也需要清楚當(dāng)下芯片產(chǎn)業(yè)的變化，努力通過(guò)‘軟硬件結(jié)合’的模式創(chuàng)新服務(wù)方案、設(shè)備架構(gòu)，以適應(yīng)時(shí)代的變化發(fā)展。 ”今年4月，國(guó)內(nèi)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)7nm芯片試產(chǎn)，取得了階段性成果。

至于芯片制造企業(yè)是不是應(yīng)該把所有資源都投入去研制更先進(jìn)工藝？包博士提示，國(guó)內(nèi)也許應(yīng)該分配足夠的資源來(lái)提升中低端工藝的服務(wù)能力，加大投入完善中低端工藝的生態(tài)，從設(shè)備、材料、單元庫(kù)、EDA、IP等都積累起來(lái)并打磨好，從而力爭(zhēng)在國(guó)際上形成市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。當(dāng)中低端工藝能成為穩(wěn)定的現(xiàn)金流來(lái)源，再去攻克高端工藝也許更有把握。

“中低端工藝對(duì)于國(guó)內(nèi)企業(yè)已基本不存在大的技術(shù)壁壘，但這部分的收入?yún)s和臺(tái)積電等企業(yè)差距巨大。這是生態(tài)的差距，是服務(wù)能力的差距。相比研制先進(jìn)工藝的投入，完善中低端工藝的投入要小得多，但收益卻可能會(huì)更顯著。 ”根據(jù)國(guó)內(nèi)的流片經(jīng)歷來(lái)看，芯片制造企業(yè)的服務(wù)能力的確還有很大提升空間。如果能進(jìn)一步提高服務(wù)意識(shí)和服務(wù)能力，那將會(huì)吸引一大批鐵桿客戶形成互信，從而加速技術(shù)的迭代優(yōu)化。

國(guó)產(chǎn)中高端芯片未來(lái)可期

對(duì)于整個(gè)集成電路產(chǎn)業(yè)以及與芯片密切相關(guān)的數(shù)字通信、電子產(chǎn)業(yè)的看法，包博士認(rèn)為，芯片作為未來(lái)工業(yè)真正的明珠，不僅是全球化最徹底的產(chǎn)業(yè)，也是全球最高級(jí)別的創(chuàng)新協(xié)作體系。現(xiàn)在，國(guó)內(nèi)技術(shù)在滿足做大量普通芯片方面并不存在卡脖子，所謂的卡脖子是在頂級(jí)芯片領(lǐng)域被卡了脖子。但要實(shí)現(xiàn)突破，芯片產(chǎn)業(yè)需要同時(shí)具備充足的資本和技術(shù)儲(chǔ)備，建立一個(gè)全球創(chuàng)新的協(xié)作體系，以及清晰意識(shí)到芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展的規(guī)律：當(dāng)前的自主研發(fā)是為了更好地融于全球市場(chǎng)，而不是脫離全球市場(chǎng)另起爐灶。

此外，除了我國(guó)芯片產(chǎn)業(yè)自身的奮力發(fā)展，其他相關(guān)領(lǐng)域如數(shù)字化、通訊以及電子產(chǎn)業(yè)，一定程度上也需要重新定義產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向。在5G通訊快速發(fā)展的當(dāng)下，相關(guān)產(chǎn)業(yè)要努力融于全球化產(chǎn)業(yè)體系，主動(dòng)增加國(guó)際體系對(duì)國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)的依賴性，從而提升自身話語(yǔ)權(quán)。

比如在開(kāi)發(fā)通信產(chǎn)業(yè)方面，華為在4月舉辦的全球分析師大會(huì)上所傳遞出戰(zhàn)略：華為將“優(yōu)化產(chǎn)業(yè)組合、增強(qiáng)產(chǎn)業(yè)韌性”開(kāi)發(fā)相關(guān)軟件場(chǎng)景。從中可見(jiàn)，在當(dāng)前“軟硬件結(jié)合”的產(chǎn)業(yè)體系中，這樣的戰(zhàn)略將保證華為繼續(xù)融于全球通訊體系。

對(duì)于國(guó)內(nèi)集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及形勢(shì)走向，包博士表示：一方面是因?yàn)楫?dāng)前國(guó)際形勢(shì)，使得中國(guó)下定決心大力發(fā)展集成電路產(chǎn)業(yè)，另一方面也是未來(lái)智能物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代將會(huì)使芯片需求擴(kuò)大一個(gè)數(shù)量級(jí)，甚至每年達(dá)到上千億顆的需求。但國(guó)內(nèi)的芯片基礎(chǔ)較差是一個(gè)既定事實(shí)，必須承認(rèn)。面對(duì)這樣的事實(shí)，如何去做、去滿足需求，才是可以真正體現(xiàn)中國(guó)企業(yè)家精神的地方。

毫無(wú)疑問(wèn)，集成電路產(chǎn)業(yè)是資金密集、換代頻繁、人才尖端的全球前沿產(chǎn)業(yè)之一，技術(shù)難度高且試錯(cuò)成本大。從美、日、韓、臺(tái)等國(guó)家和地區(qū)集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展歷程看，后發(fā)國(guó)家和地區(qū)趕超不會(huì)一蹴而就，需要有自主發(fā)展的決心、艱苦奮斗的恒心、趕超成功的信心，更要有強(qiáng)大持續(xù)的資金、迭代演進(jìn)的技術(shù)、素質(zhì)達(dá)標(biāo)的人才、產(chǎn)用聯(lián)動(dòng)的市場(chǎng)。最終，集聚資本、技術(shù)、人才、市場(chǎng)四大合力要素，國(guó)產(chǎn)中高端芯片才可能成功實(shí)現(xiàn)趕超發(fā)展。

就國(guó)內(nèi)目前的發(fā)展?fàn)顩r而言，在國(guó)際形勢(shì)風(fēng)云變幻、數(shù)字經(jīng)濟(jì)日新月異、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)愈發(fā)緊迫以及新基建大潮來(lái)臨等情況下，國(guó)產(chǎn)中高端芯片的應(yīng)用需求及前景勢(shì)必十分廣闊。另外，隨著5G和AIoT時(shí)代到來(lái)，尤其是在智慧城市、自動(dòng)駕駛、安防物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域各項(xiàng)產(chǎn)品日趨豐富，芯片也逐漸專注于針對(duì)特殊場(chǎng)景的開(kāi)發(fā)及優(yōu)化，從而使得專用芯片即將迎來(lái)“百花齊放”時(shí)代。因此，在龐大的市場(chǎng)空間下，國(guó)產(chǎn)中高端芯片未來(lái)可期、大有可為！

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