中科大副院长、浙大教授:国内高端IC芯片破局已刻不容缓

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据Lightcounting(是一家国际性的市场调查并提供分析报告的组织)粗略估算:2016年光电子芯片总产值为30亿美元,到2020年粗略估算将达到60亿美元。据Lightcounting(是一家国际性的市场调查并提供分析报告的组织)粗略估算:2016年光电子芯片总产值为30亿美元,到2020年粗略估算将达到60亿美元。在眼下的智能化、信息化时代,芯片从来没有像现在这么重要,更是撑起了一个庞大的市场。

不过令人窘迫的是,在这么大的蛋糕面前,尽管我国已消化了近1/3市场需求而成为全球最大的芯片消费国,但繁荣背后却有一个残酷的事实:我国国产芯片的自给率不到30%,产值不足全球的7%,市场份额更是不到10%,也就是说中国“芯”90%以上依赖进口。截至2016年底,中国芯片的进口金额达到1.3万亿人民币左右,而同期的原油进口不到0.7万亿。中国在芯片进口上的花费已经接近原油的两倍。

众所周知,高端IC芯片复杂程度高,国内目前连4G芯片都做不了,绝大多数都还是2G/3G计算级别。

 

 

浙江大学教授/博导、浙江大学—美国UCF大学ESD联合实验室常务副主任韩雁说:“我国高端射频芯片的开发面临困境,这里有一个显而易见的恶性循环:因为工艺落后——客户到国外流片——国内工艺缺乏流片验证提升——工艺更加落后。”

 

 

具体来说,这个循环就是:由于国内芯片加工制造工艺落后,导致很多设计公司纷纷选择到国外流片,因此造成国内相关厂商严重缺乏流片验证而无法升级,最终又会让国内的芯片工艺迟迟得不到提高。

 

 

目前,芯片产业的流片费用动辄几百万元甚至上千万元,这样的费用对任何一家公司来说都是难以企及的高价,由不得不慎重(一般来说,普通芯片最多半年流片一次,而高端芯片如10nm或像麒麟970一样的AI芯片等,由于研发过程漫长,从研发到流片需要数年时间)。因此,国内很多芯片设计公司为提高成功率,纷纷选择去国外或合资企业流片。英特尔、富士通、Tower Jazz、GlobalFoundries、三星、台积电、MagnaChip等等,往往是业内的首选,从而造成内地厂家很难有生意。

既然国内晶圆代工厂没有生意,自然就生存艰难。尽管近年来有紫光、中芯国际、华力微等重点企业异军突起,但无论从工艺还是经验来看,距离国际一线厂商还有很长的路要走。

如此的循环,长此以往,将对我们的芯片制造产业带来极大的限制和阻碍。

国内芯片加工工艺粗糙不稳定从1971年开始,芯片制造工艺经历了10微米、6微米、3微米、1.5微米、1微米、800纳米、600纳米、350纳米、250纳米、180纳米、130纳米、90纳米、65纳米、45纳米、32纳米、22纳米、14纳米,一直到目前主流的10纳米高端工艺。而更高一级的 7nm(GlobalFoundries公司)近期也传出进展顺利。

尽管10nm工艺已经成为高端芯片加工的标志,但国内工艺大多还依然停留在微米级别(0.18um、0.35um等),也使得大部分硬件设备用的也都还是微米级芯片。这也是我们所说的第一个故事背后的真实场景,令人无奈。

 

 

光刻技术是芯片制造产业的核心,决定着芯片的元件特征尺寸。伴随半导体产业“摩尔定律”的延续,极紫外光刻(Extreme Ultraviolet Lithography, EUVL)被公认为是最具潜力的下一代光刻技术。不过技术最先进、性能最稳定的光刻机设备100%被欧美国家垄断,且严禁技术转让。

目前国内光刻机最多可做到28nm,另外13nm技术正在研发中。但是,国际上已经实现了10nm,而7nm技术也即将研发成功。这就是差距。

由于缺乏精密的国产加工设备,国内芯片制造设备都需要从美国进口,这就要受到他们“出口限制令”的制约,比如不能用于军事产品的生产、不能研发指标非常先进的芯片

专用芯片才是未来新的增长点

一直以来,关于通用芯片和专用芯片的争论就从来没有停止过。虽然从通用性和可修改性来说,通用芯片具有很大优势,但从针对性和功耗等方面考虑,专用芯片才是未来新的增长点。

国家特聘专家、中国科学技术大学微电子学院副院长林福江说:“功耗是(芯片产业)现在最大的问题,哪一款芯片能把功耗降下来,它的寿命就能延长,竞争力自然就上来了,功耗是所有芯片现在最大的瓶颈。

 

 

“通用芯片要考虑到通用性和修改的灵活性,在设计的时候需要加入很多预留的模块,所以功耗会很高,同时卖的也贵。但专用芯片因为是有明确目的和用途,所以才设计之初就把很多东西直接加进去。

“虽然专用芯片的灵活性不高,但因为是专门设的,很多东西已经硬化、块化,所以它的速度快、功耗低,相应的价格也低,卖的便宜。

“也就是说,在达到相同的性能下通用芯片势必要消耗更多资源,而专用芯片就不需要,因此未来发展专用芯片将是必然趋势。”

浙江大学教授韩雁也持同样观点,她说:“专用芯片比通用芯片体积(面积)小、功耗低,大批量生产时成本低。尤其是面向数字模拟混合电路的话,只能做专用芯片,不能用通用芯片。”

就业形势下的硬件之殇

“现在大多数学生都不太愿意做硬件,而更愿意转行去做软件!”

这恐怕是很多高校、科研院所的普遍现象,原因很简单:做硬件赚钱少,工资低!

摩根士丹利在年初的一份调查中宣称,一家成功的半导体企业往往能够获得40%甚至更高的利润率,而电脑、电子产品和其他硬件行业的利润率往往甚至不足20%。

显然,这一数据在国内并不准确,因为国内的利润率远远达不到40%。毕竟高端芯片设计、架构等握在英特尔、ARM、高通这些巨头手里,而加工制造工艺在三星、英特尔、台积电等大厂手上,缺乏核心技术和精密工艺的国内芯片企业,利润率可想而知。

韩雁教授一直致力于做基础硬件,自嘲自己是“做砖头”而别人是盖楼。虽然工作成绩斐然,不过她也有自己的担忧。

韩雁说:“因为做软件的成本低(有时候甚至可以在家办公而不需要租办公室),因此相对的利润就大,开出的工资也高。

“而做硬件的恰恰相反,受制于硬件设备巨大的购置成本和测试、流片等工序的巨额支出,在过高的成本压力下,工资自然高不到哪去。”

林福江教授对此也深有感触:“虽然说现在是智能硬件的时代,毕竟IOT物联网、手机/通讯、自动驾驶、消费电子等对传感器、芯片的依赖性极大,但现在很多人不愿做IC设计、不愿意学微电子,也不愿意做设备硬件,转而学那些时髦的、能赚快钱的专业领域,让人痛心疾首。

“只能说有些学生眼光不够长远,心态略显浮躁吧!”林福江表示无奈。

不过,从就业形势上看,很多学生不愿意做硬件,也能被软件业接纳。这说明软件业仍然没有饱和,作为社会需要,也可以理解,无需勉强。

芯片产业很多人不愿意动手这是不对的

总的来说,核心芯片技术由五大元素组成,这五元素分别包括:系统(ASIC)、通讯(RFIC)、建模(MDL)、微波(MMIC)和模拟(AMS),其中建模是核心元素。

在这五大元素中,实测分析建模是射频芯片设计基础中的基础。任何芯片在设计环节之后、进入批量化和商业化生产之前,必须要经过数次甚至数十次的实测分析,尽量找出设计中的BUG,找出不合理之处,才能有效的降低成本和提高流片成功率。

但目前的情况是,跟理论知识相比,国内很多人的动手能力不强,甚至可以说很弱。

林福江说:“(在射频芯片的设计中),国内很多人不愿意动手,这是不对的。只有理论不行,还要多学技能多动手,我们的动手能力需要不断增强。”

对未来芯片发展走向,林福江教授认为,“芯片单位面积上可以容纳元器件数量的极限值”将是一个很关键的突破口。

“这个极限值是和芯片最小尺寸相关的,现在器件的最小尺寸已经到三纳米了,已经是极限了。尺寸小,器件也小了,最小尺寸已经到了极限,从分子往上就是单电子、单原子。”林福江说,“在达到极限值之后,未来的芯片技术将要朝着哪个方向发展,现在还不好说。”

总结:全情投入、加强团结芯片产业才有前途

让我们再看一下文章开头第二个故事的疑问:既然做芯片的不如做项链的,那为什么还有人坚持做下去呢?

 

 

浙江大学教授韩雁的答案是:为了国家的芯片产业不再受制于人,我们需要奉献!

    

2017年11月15日 10:43
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