芯片或集成電路（以下簡稱IC）對于經(jīng)濟(jì)增長具有顯著的倍增器作用，據(jù)中國電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究院副總工程師安暉在2020年中國計算機(jī)大會（CNCC）技術(shù)論壇“新變局下的IC自主研發(fā)戰(zhàn)略”上介紹，1元產(chǎn)值的IC可帶動100元以上的國民經(jīng)濟(jì)增長。除此之外，僅從實(shí)用角度看IC也是生產(chǎn)生活不可或缺的戰(zhàn)略性基礎(chǔ)物資，因而有能力的國家對于集IC的科研、產(chǎn)業(yè)布局十分重視，中國也不例外。但目前中國在IC領(lǐng)域面臨著嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，能否擺脫IC領(lǐng)域的“卡脖子”境況對于中國的發(fā)展特別重要。為此政府、科研界、產(chǎn)業(yè)界等都在積極探尋中國IC的發(fā)展道路。本文是在總結(jié)CNCC上兩位特邀嘉賓的報告，以及上述CNCC技術(shù)論壇的發(fā)言內(nèi)容后形成的，主要目的是讓大眾了解中國IC事業(yè)面臨的挑戰(zhàn)和機(jī)遇，讓專業(yè)人士能夠找到IC事業(yè)的發(fā)力點(diǎn)，共同推進(jìn)中國IC事業(yè)的發(fā)展。

一、IC的發(fā)展進(jìn)程及面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)

IC從20世紀(jì)60年代開始起步，一直以來基本遵循著摩爾定律在快速發(fā)展。摩爾定律是英特爾創(chuàng)始人之一戈登?摩爾的經(jīng)驗(yàn)之談，其核心內(nèi)容為：單位面積的IC上可以容納的晶體管數(shù)目大約每經(jīng)過18個月便會增加一倍。另外一種說法是，處理器的性能每隔18個月翻一番，而價格下降一半。

IC的發(fā)展涉及設(shè)計、制造、應(yīng)用等環(huán)節(jié)，設(shè)計又涉及電子設(shè)計自動化（EDA）軟件和IP（IntelligenceProperty，知識產(chǎn)權(quán)）、結(jié)構(gòu)等；制造涉及材料、裝備（如光刻機(jī)等）、封裝、測試等環(huán)節(jié)；應(yīng)用涉及商業(yè)模式、產(chǎn)業(yè)生態(tài)鏈等。IC的發(fā)展非常迅速，在材料方面，本世紀(jì)以來，已有47種新材料進(jìn)入IC制造。器件結(jié)構(gòu)方面則是從平面到立體，如立體柵結(jié)構(gòu)的FinFET，臺積電已經(jīng)開始以5nm工藝量產(chǎn)。另外處理器經(jīng)歷了SSI、MSI、LSI、VLSI、多核VLSI等階段，即將邁向第5代。集成技術(shù)方面，從平面到三維集成的轉(zhuǎn)變，拓展了器件密度提升的維度。光刻技術(shù)方面，從光源、鏡頭的材料與結(jié)構(gòu)、圖形傳遞模式多元化的創(chuàng)新，到極紫外光刻（EUV）技術(shù)的突破，使5nm技術(shù)的實(shí)現(xiàn)有了保證。商業(yè)模式方面，從早期的IDM模式，即IC設(shè)計、制造、封裝和測試等環(huán)節(jié)集于一身（該模式下IC領(lǐng)域進(jìn)入門檻高，屬于少數(shù)人的游戲），逐漸發(fā)展出Foundry模式，即IC開始了設(shè)計、制造、封裝的相對獨(dú)立發(fā)展，給予更多玩家進(jìn)入該領(lǐng)域的機(jī)會，整個產(chǎn)業(yè)發(fā)展也更加蓬勃。

當(dāng)前IC發(fā)展面臨諸多技術(shù)挑戰(zhàn)，如：

1.FinFET器件微縮挑戰(zhàn)：5nm以下技術(shù)節(jié)點(diǎn)中，較薄的Fin引起遷移率嚴(yán)重退化；較高的Fin形成源漏外延質(zhì)量變差，通過應(yīng)變技術(shù)提高器件性能有限。

2.器件結(jié)構(gòu)：從FinFET到垂直堆疊Nano-sheet，再到Fork-sheet/CFET，以進(jìn)一步優(yōu)化面積利用率、提高集成密度。隨著IC微縮到5nm以下，預(yù)計FinFET將走到盡頭，而垂直堆疊的環(huán)繞閘極（GAA）Nano-sheet被認(rèn)為是由FinFET器件自然演變而來。為了將Nano-sheet器件的可微縮性延伸到2nm節(jié)點(diǎn)及以下，目前業(yè)界寄希望于Fork-sheet/CFET器件。

3.埋入式電源線（BPR）：將Vcc和地線埋入前端工藝中，壓縮標(biāo)準(zhǔn)單元面積、節(jié)省互連空間。埋入式電源線被認(rèn)為是5nm及以下工藝制程的重要技術(shù)。

4.光刻技術(shù)：EUV技術(shù)的持續(xù)改進(jìn)。

5.AirGap側(cè)墻技術(shù)：可降低柵極寄生電容25%以上，該技術(shù)可使7nm工藝的產(chǎn)品在性能上甚至優(yōu)于5nm工藝的產(chǎn)品。

6.新的互連技術(shù)：引入新材料，采用新集成技術(shù)來降低互連RC延遲。

另外，設(shè)計工具、制造封裝工藝等方面的改進(jìn)也面臨重大挑戰(zhàn)。

二、中國IC發(fā)展的瓶頸

中國IC產(chǎn)業(yè)處于高速成長階段，近十年年均復(fù)合增長率超過20%。2020年上半年銷售額3539億元，同比增長16.1%。產(chǎn)業(yè)從過去的“大封測、小制造、小設(shè)計”逐步過渡到現(xiàn)在的“大設(shè)計、中封測、中制造”，這是很好的發(fā)展趨勢。但中國IC產(chǎn)品的自給率低，2019年中國IC進(jìn)口額超過3000億美元，預(yù)計到2022年IC自給率可達(dá)到16.7%［3］。從技術(shù)角度看，目前我國在IC設(shè)計環(huán)節(jié)有所突破，但整體上和先進(jìn)國家差距甚大，且越往高端差距越大。以處理器IC為例，國產(chǎn)芯片的占有率如下表所示［3］，產(chǎn)業(yè)生態(tài)令人憂慮。

我國IC產(chǎn)業(yè)在通用芯片領(lǐng)域完全無法和國際優(yōu)勢廠商競爭，桌面處理器市場被Intel和AMD完全壟斷，服務(wù)器處理器市場Intel占比達(dá)96.7%。

在IC產(chǎn)業(yè)鏈的EDA、IP、裝備、設(shè)計、制造、封裝測試、掩膜制造、材料等環(huán)節(jié)上，中國在IC設(shè)計上勉強(qiáng)說得過去，而在其它環(huán)節(jié)均處于弱勢，特別是在IP、EDA、光刻機(jī)、IC制造4個環(huán)節(jié)被卡住了脖子！

而若想打破這種受制于人的困境可謂是困難重重，其困難主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

1.相關(guān)的軟件生態(tài)龐大復(fù)雜，芯片市場化壁壘高。

2.芯片制造產(chǎn)業(yè)鏈長，涉及130多種裝備、5大類500多道工藝、7大類530種材料，一環(huán)被卡，整體就會被卡。

3.中國還沒有自主的生態(tài)，芯片的生態(tài)由別國企業(yè)掌控。

4.專利和IP壁壘，很多時候很難繞過去。

5.EDA軟件風(fēng)險：使用先進(jìn)的EDA軟件才能設(shè)計出最好的芯片，但如果最好的EDA不銷售給中國，或者EDA中留有后門，后果肯定會比較嚴(yán)重。

6.從科研到產(chǎn)業(yè)，投入巨大，科研需要積累，產(chǎn)業(yè)形成需要時間，這加大了芯片產(chǎn)業(yè)趕超的難度。盡管目前政府和企業(yè)對芯片產(chǎn)業(yè)十分重視，政府出臺相關(guān)政策，同時政府和企業(yè)投入大量資金，但短期解決全部問題是不可能的。

7.學(xué)科和人才培養(yǎng)方面，IC相關(guān)技術(shù)涉及面廣，需融合電子信息、物理、化學(xué)、材料、自動工程等40多種學(xué)科，需要從業(yè)者有綜合知識背景、交叉技術(shù)技能、融合創(chuàng)新等素質(zhì)，目前的教育體系無法提供足夠的支持。

三、我國IC產(chǎn)業(yè)發(fā)展路在何方？

我國IC產(chǎn)業(yè)發(fā)展經(jīng)歷了多個發(fā)展階段，目前還處于十分被動的地位，這說明發(fā)展IC產(chǎn)業(yè)沒有所謂捷徑可走，需要沉下心來一步一步將所有難關(guān)攻克。個人的一些觀點(diǎn)如下：

1.國家層面整體規(guī)劃十分重要。由于IC涉及面廣，發(fā)展IC產(chǎn)業(yè)是一個非常龐大的系統(tǒng)工程，需要整體規(guī)劃。

2.放棄全面超越的目標(biāo)。全面超越是近期無法實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)，在產(chǎn)業(yè)鏈中形成互相制約的局面即可。

3.尋找少量關(guān)鍵點(diǎn)重點(diǎn)支持和突破。在上述思路的前提下，尋找可以迅速突破的一些點(diǎn)位，重點(diǎn)投入，重點(diǎn)突破，形成可以互“卡”、可良性發(fā)展的局面。

4.尋找新的技術(shù)增長點(diǎn)，在實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)的基礎(chǔ)上，達(dá)到局部占優(yōu)。

5.改善科研和教育體系。科研方面一方面要加強(qiáng)基礎(chǔ)科學(xué)研究，另外一方面要重視技術(shù)和工程及應(yīng)用，不唯論文；教育方面要重視能力訓(xùn)練而不是目前的知識灌輸，同時要圍繞IC工程系統(tǒng)布局相關(guān)專業(yè)和學(xué)科。培養(yǎng)一大批有家國情懷，有科學(xué)精神和具備科研、工程、產(chǎn)業(yè)能力的專業(yè)人士對于IC產(chǎn)業(yè)發(fā)展十分重要。

6.做好持久競爭的準(zhǔn)備。這是一項(xiàng)長期工程，需要做好持久投入的準(zhǔn)備，長遠(yuǎn)布局，長期堅(jiān)持才有可能達(dá)成目標(biāo)。

7.打擊學(xué)術(shù)和產(chǎn)業(yè)騙子。政府加大支持力度，會引來一些濫竽充數(shù)者，需要加大識別和打擊力度。

8.要以開放的心態(tài)發(fā)展基礎(chǔ)科研、技術(shù)和產(chǎn)業(yè)，積極參與國際合作。

9.要有信心。中國有巨大的市場需求，同時已建立起現(xiàn)代的科研、教育、工業(yè)體系，只要自己有信心，就會有巨大的發(fā)展。
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