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芯片产业“积弱”,破局重生路在何方?
2020/8/6  阅读:498  文章来源:中商资讯

长期以来,中国芯片产业呈现“积弱”现状,而芯片自研的缺失已经严重限制了中国科技发展,也毁掉很多具备优秀基因的科技企业,我们正面临着空前的压力。

越来越多的民族企业逐渐意识芯片核心技术缺失的后果,并试图改变这一现状,张汝京就成立中芯国际,开创了芯片国产化的先河;华为成立海思,自主研发芯片……尽管中国在芯片产业上奋起直追,但一个残酷的现实是,中国最先进的芯片技术依旧远远落后,其原因既涉及技术瓶颈,又与核心产业环节的缺失有关。

积弱的“芯片”产业

国家海关数据统计显示,2018年,中国芯片进口总量为3120亿美元,占全球集成电路5000亿美元市场规模的近60%,进口额度超过石油,位列国内进口商品第一位。

实际上,中国芯片关键核心技术对外依赖度高,80%的高端芯片都靠进口。一旦台积电断供,中国芯片将落后西方5-10年,甚至更多。

芯片生产主要由设计、制造、封测三个环节构成。

从设计上看,中国最领先的芯片设计公司是华为海思,当了十几年“备胎”的海思也是近几年刚走上发展的快车道,逐渐摆脱美国影响。

从制造上看,全球最大的芯片制造巨头是台积电,已经能够实现5纳米制备工艺的量产,与此相对的是中国最好的芯片制造公司中芯国际,刚刚能够完成14纳米制备工艺量产,与世界顶尖的制备工艺相差甚远。

从芯片生产的核心设备光刻机上看,荷兰ASML公司是全球唯一能够达到7纳米精度的光刻机供应商,其在45纳米高端光刻机市场的市占率达到80%,而中国最好的光刻机生产商上海微电子才刚刚能生产90纳米的低精度光刻机。

中国芯片产业为何落后至此?

首先,芯片行业是个极耗时间与金钱的行业,可能几十年都不一定有成绩出现,数百亿的投入打水漂更是常见,无形中提升了芯片行业的准入门槛。

其次,由于《瓦森纳协定》,中国难以接触最新的芯片技术,也买不到近两代的芯片设备。

《瓦森纳协定》又称瓦森纳安排机制,目前共有包括美国、日本、英国、俄罗斯等40个成员国,“瓦森纳安排”规定成员国自行决定是否发放敏感产品和技术的出口许可证,但实际上出口安排完全受美国控制,“瓦森纳安排”已经成为对华高科技出口管制的主要“指导性文件”。

当然,除了美国的限制,摩尔定律本身面临停滞的挑战,使得中国芯片产业的发展难上加难。

摩尔定律之难

所谓摩尔定律指的是集成电路特征尺寸随时间按照指数规律缩小的法则,简单来说就是集成电路芯片上所集成的电路的数目,每隔18个月就翻一番。

摩尔定律是由英特尔创始人之一Gordon Moore提出的,在此前的50年间,半导体制备进程一直遵循着这一定律。但摩尔定律并非数学、物理定律,而是对发展趋势的一种分析预测。摩尔定律的本质是经济规律,随着制程的升级,同样的芯片制造成本会越低,因为单位面积晶体管数量的增加使得相同芯片所需的面积减小,因此一旦制程升级过慢,芯片成本将会居高不下。

然而,经过这么多年的发展,随着半导体制程特征尺寸缩小越来越困难,即将达到一个瓶颈,且研发成本越来越高,投资风险加大,越来越多的人士认为摩尔定律达到了极限濒临失效。

据了解,当特征尺寸缩小到10nm的时候,会产生诸多量子效应,使晶体管的特性难以控制,如量子隧穿效应会非常严重,导致晶体管漏电严重;另外,随着光刻精度的提升,特别是5nm后,势必需要波长更小的紫外光以及对紫外光敏感的光刻胶,使成本更高。

针对“摩尔定律达到极限”这一课题,业界给出了三大演进发展方向,分别是“More Moore”、“More than Moore”、“Beyond CMOS”。

More Moore指的是沿着摩尔定律继续发展,每两到三年左右晶体管数量翻倍,当然对于特征尺寸缩小至10nm之后的出现的漏电问题,届时对于晶体管的优化将从性能提升转变为漏电优化。

More than Moore指的超越摩尔定律,转为应用需求驱动,即优化其他功能组件,开发新的应用功能。

Beyond CMOS指的是发明在硅基CMOS遇到物理极限时所能倚重的新型器件。

在笔者看来,摩尔定律三大演进发展方向的本质是摩尔定律在5nm后很难再延续。

事半功倍的升维打击

以史为镜,可知兴替。

互联网时代,无数次的红海竞争最终被更高维度的新技术产业所覆盖,正如曾经PC端市场竞争陷入红海,无数PC厂家谁也无法征服谁,但智能手机的出现取代了部分PC应用场景,智能手机以一骑绝城态势冲击着PC产业,同时开启了移动互联时代。

半导体芯片产业同样如此,追赶解决不了半导体产业的停滞问题,未来科技的制高点不是追赶就能到达的,另辟赛道或许才是破局的关键。在More Moore, More than Moore和beyond Moore之中将会孕育新的世界级半导体产业,我们不应止于追赶,更应该下定决心大胆变道超车。

值得担忧的是,当下对新赛道的重视度依旧有限。大基金二期总规模超2000亿,如果按照1:5的撬动比,大基金二期的资金总额将超过万亿元,然而大基金的主要目标依旧是继续支持集成电路龙头企业做大做强,对于新半导体产业赛道的支持,特别是新工艺的支持有多大还是一个问号。

据悉,“大基金”是在2014年9月由工信部、财政部的指导下设立,其成立目的是为了扶持中国本土芯片产业,减少对海外的依赖。从某种程度上讲,大基金的扶持方向代表着半导体产业未来的发展方向。

三大演进方向,芯片产业破局可期

在笔者看来中国芯片产业在5年内以需求为导向的能够商业化的三大新产业有机会改变当下中国芯片产业窘境。

首先,伴随AI崛起,以忆阻器为代表的模拟计算芯片。

当下全球AI芯片市场,国内AI芯片厂商与国外巨头基本处于同一起跑线,AI领域的应用目前处于技术和需求融合的高速发展阶段,还没有形成稳定模式。而随着人工智能相关技术的革新,应用场景会向多元化进阶,国内AI芯片市场将会愈发宽广。

6月2日,寒武纪在科创板首发过会,成为A股AI芯片第一股。而国内资本也非常关注人工智能芯片的发展,大批企业获投,如壁仞科技获得11亿元的A轮融资,AI芯片市场被激活,有望超越世界。

其次,以碳纳米管,石墨烯等新材料为代表的10倍提升现有芯片能力的新材料体系有望成为新的产业,改变芯片行业格局。

很多国外厂商目前已经减少甚至停止投入研究新材料,面对高额的研发费用和遥遥无期的成果,很多国外企业不堪重负。

与此同时,国内新材料研发捷报频传,已经走在了世界第一梯队。北京大学张志勇-彭练矛教授的科研团队,通过独创的制备工艺,在4英寸的基底上,制备出密度为120/μm、纯度高达六个九,也就是99.9999%的碳纳米管阵列。在密度和纯度这两个重要的指标上,比过去的类似的研究高出了1-2个量级。同时,研究人员还批量制作出了相应的晶体管和环形振荡器来验证这种新工艺的批量生产潜力。实验发现,这些晶体管和环形震荡器的性能,首次超过了同等尺寸下的传统硅芯片里面的器件,证明了碳芯片确实有可能比硅芯片更强。

最后,以与人体结合的柔性半导体芯片为代表的柔性电子与印刷电子方向。

传统的芯片加工采用减材制造技术,即通过等离子刻蚀或酸液腐蚀将不需要的材料去除,从而形成功能材料的图形结构。而微电子打印的本质是增材制造技术,不依赖于基地材料性质,相比传统芯片只能在硅基半导体晶圆上制备,微电子打印机可以在塑料、纸张、布料等低成本柔性材料表面制造电子器件与电路。

实际上,中国在印刷电子领域有了长足的发展,从印刷设备、到电子墨水再到基地材料都在逐步扩展,幂方科技等国内公司已研发出微电子打印机,可以打印出太阳能电池、电子元器件、显示器件、传感器等。

因此,柔性电子打破了传统的制备工艺,随着柔性电子的产业化,人与计算机将进一步融合,甚至这不是猜测,已经成为了现实,国内已经有公司研发出智能皮肤,通过柔性电子技术以及可全天佩戴的可穿戴系统,与身体同步收集信息。

这三大演进方向在不久的未来或许可以打破国产芯片的窘境,换道超车势在必行。

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