芯片有多重要?
就像社会的 '神经系统'
芯片是 '何方神圣' ?为何如此重要?广东省半导体产业研究院黎子兰博士表示, '它实际上起到了现代社会神经系统的作用, 如果把社会比喻为人, 芯片就负责思考, 感知, 通讯, 甚至控制着一部分的能源, 比如功率芯片控制了电能, 电压, 交流, 直流等, 因此对现代社会非常关键' .
黎子兰表示, 未来所有的产业发展方向, 相当部分是由半导体芯片支撑实现的, '比如物联网, 5G, 汽车电子, 人工智能AI, AR, VR, 区块链都需要半导体芯片' , 他表示, 以汽车和手机为例, 电子产品在汽车中分布广泛, 汽车电子占汽车成本的比例逐年提升. 有资料显示, 汽车电子占整车的成本达30%以上, 未来随着电动汽车和无人驾驶技术的成熟, 汽车电子所占的成本将达到50%以上, 成为汽车智能化的关键部分. 智能手机基本上是由芯片和显示屏等部件组成, '中国生产了全球77%的手机, 并且拥有多家领先品牌, 作为优势产业, 却只有3%的芯片是国产' .
未来的电动汽车对半导体的需求激增, 功率半导体首当其冲, 目前基本依赖进口
有资料显示, 2017年中国芯片的进口额高达2600亿美元, 超过原油位列进口产品第一, 但国产芯片仅占国内市场份额10%左右.
国产芯片和发达国家的芯片
差距有多大?
全球电子产业生态系统
'国产芯片和发达国家的差距是多方面的, 立体的' , 黎子兰向南都记者表示, 中国的电子产品制造业仅次于美国, 但是电子产品的芯片却严重依赖进口. '不论是芯片的设计, 生产设备, 还是制造材料, 制造工艺等都存在很大差距' , 黎子兰说.
芯片的设计离不开设计软件即EDA, 全球前三大的EDA企业都是美国企业, 有数据显示, 美国的设计公司在市场占比高达69%. 设备上, 全球最重要的半导体设备光刻机是荷兰生产, 但设备所需的部分核心零部件是美国厂商生产. 硅片是制作集成电路的重要材料, 通过对硅片进行光刻, 离子注入等手段, 可以制成集成电路和各种半导体器件. 日本在半导体生产材料上优势明显, 有资料显示, 世界前两名集成电路用硅片制造商是日本信越和SUMCO, 占全球60%以上;这两家企业生产的大尺寸硅片(200毫米和300毫米)占全球的70%以上, 形成绝对垄断和极高的技术壁垒.
我们离 '中国芯' 有多远?
我们离 '中国芯' 还有多远?黎子兰表示, 华为的麒麟芯片很了不起, 但是半导体芯片行业覆盖面广, 细分领域多, 光有一个麒麟芯片, 或是某个点的突破是不够的, 需要很多方面, 大家共同的努力. '如果有一天, 我们能够生产出很多的芯片和产品, 别人不得不用的时候, 中国的芯片就崛起了, 如果能够做到你中有我, 我中有你, 大家都离不开的时候, '中国芯' 就到来了' .
'全球半导体芯片产业竞争最终比拼的是创新的效率, ' 黎子兰分析道, '如果你的产品性能只有其他产品的一半, 还停留在上一个技术阶段, 就卖不动了' .
发展半导体产业是产业转型升级的必经之路, '目前人工智能很重要的一个企业是半导体芯片企业英伟达, 因为人工智能对计算能力要求非常高' , 黎子兰说, 但半导体产业关联广泛, '目前我国与发达国家在各领域都存有差距, 全面追赶上有一定挑战' .
如何实现 '中国芯' ?黎子兰表示, 首先要进行合作, 半导体行业是全球顶尖专家几十年的共同结晶, 没有任何一个国家在全产业链都做到完全自主, 求创新, 求突破, 首先要寻求合作. 然后是创新, '创新是最有用的, 在创新中做出全新的或更强的产品, 别人的产品才可能基于我们的产品和技术' , 黎子兰说, '创新几乎是唯一的道路' .
未来
半导体的发展趋势
半导体芯片涉及不同的材料和功用, 根据未来应用的方向, 分成很多种类型, 最大的类别是数字电路, 还有诉求多元, 功能为王的类别, 包括模拟电路, 分离电路, 光电等.
'数字电路的主旋律是微缩, 对于数字电路, 器件越小, 数目越多, 开关速度越快. 而数字电路从一个技术代演进到另一个技术代, 大概只花两年时间, ' 2004年左右最先进的工艺尺寸是65纳米, 现在最先进的技术已达10纳米, '红细胞是7000纳米, 而半导体器件最核心的特征尺寸已经达到10纳米, 数字电路微缩是对设备和工艺的极限挑战' , 黎子兰说.
微缩: 数字电路的主旋律
器件的微缩还导致结构向三维方向发展, 这是数字电路的第二个趋势. '三种重要的数字芯片Logic, DRAM和FLASH, 特征都是三维, 今天三星推出的最新产品是96层, 这实在太了不起了' , 黎子兰表示. 1965年英特尔创始人之一高登·摩尔曾表示, 芯片的晶体管数目每两年翻一番. '摩尔定律其实是对数字电路微缩规律的总结' , 黎子兰说, '至今摩尔定律已问世50多年, 意味着至少翻了25次方, 一个芯片上的晶体管数量最多超过100亿颗, 可以实现非常强大的功能. '
高登·摩尔(Intel创始人之一)曾表示, 芯片的晶体管数目每两年翻一番
另外一类是诉求多元, 功能为王的第一, 二, 三代半导体, 包括模拟电路, 分离电路, 光电等. '因为应用广泛, 这一块对经济的重要性不亚于数字电路, 在很多方面都起到重要作用' , 黎子兰表示. 新的材料可以大幅提高原有产品的性能, 或实现原来无法实现的功能. 第三代半导体材料(如GaN)在光电显示, 电力电子, RF器件等方面极具潜力和前景. Si功率器件已到极限, 第三代半导体刚兴起, 所使用的GaN功率器件品质因子是Si的1130倍, 'GaN功率器件将带来电力电子的革命' , 黎子兰说.
'未来会超越摩尔定律, 提高性能和实现新的功能' , 黎子兰表示, 从以往单纯追求微缩, 开始转变为实现新的不同功能, '例如在microLED显示, 通讯基站和雷达电子等领域, 通过材料, 器件结构等创新实现更加庞大和先进的功能, 这是半导体芯片创新的重点, 也是机遇, 而且对设备的要求没有那么夸张' , 例如, 从九十年代商业蓝光LED出现开始, GaN材料开始引起公众关注, 应用越来越广泛. '但数字芯片和其他类型的芯片不是分离发展, 另外一个重要趋势就是将它们在系统级别进行更强的整合' .
'总而言之, 半导体芯片的未来是微缩, 超越微缩和融合' , 黎子兰表示.