中科大副院長、浙大教授:國內高端IC芯片破局已刻不容緩

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據Lightcounting(是一家國際性的市場調查并提供分析報告的組織)粗略估算:2016年光電子芯片總產值為30億美元,到2020年粗略估算將達到60億美元。據Lightcounting(是一家國際性的市場調查并提供分析報告的組織)粗略估算:2016年光電子芯片總產值為30億美元,到2020年粗略估算將達到60億美元。在眼下的智能化、信息化時代,芯片從來沒有像現在這么重要,更是撐起了一個龐大的市場。

不過令人窘迫的是,在這么大的蛋糕面前,盡管我國已消化了近1/3市場需求而成為全球最大的芯片消費國,但繁榮背后卻有一個殘酷的事實:我國國產芯片的自給率不到30%,產值不足全球的7%,市場份額更是不到10%,也就是說中國“芯”90%以上依賴進口。截至2016年底,中國芯片的進口金額達到1.3萬億人民幣左右,而同期的原油進口不到0.7萬億。中國在芯片進口上的花費已經接近原油的兩倍。

眾所周知,高端IC芯片復雜程度高,國內目前連4G芯片都做不了,絕大多數都還是2G/3G計算級別。

 

 

浙江大學教授/博導、浙江大學—美國UCF大學ESD聯合實驗室常務副主任韓雁說:“我國高端射頻芯片的開發面臨困境,這里有一個顯而易見的惡性循環:因為工藝落后——客戶到國外流片——國內工藝缺乏流片驗證提升——工藝更加落后。”

 

 

具體來說,這個循環就是:由于國內芯片加工制造工藝落后,導致很多設計公司紛紛選擇到國外流片,因此造成國內相關廠商嚴重缺乏流片驗證而無法升級,最終又會讓國內的芯片工藝遲遲得不到提高。

 

 

目前,芯片產業的流片費用動輒幾百萬元甚至上千萬元,這樣的費用對任何一家公司來說都是難以企及的高價,由不得不慎重(一般來說,普通芯片最多半年流片一次,而高端芯片如10nm或像麒麟970一樣的AI芯片等,由于研發過程漫長,從研發到流片需要數年時間)。因此,國內很多芯片設計公司為提高成功率,紛紛選擇去國外或合資企業流片。英特爾、富士通、Tower Jazz、GlobalFoundries、三星、臺積電、MagnaChip等等,往往是業內的首選,從而造成內地廠家很難有生意。

既然國內晶圓代工廠沒有生意,自然就生存艱難。盡管近年來有紫光、中芯國際、華力微等重點企業異軍突起,但無論從工藝還是經驗來看,距離國際一線廠商還有很長的路要走。

如此的循環,長此以往,將對我們的芯片制造產業帶來極大的限制和阻礙。

國內芯片加工工藝粗糙不穩定從1971年開始,芯片制造工藝經歷了10微米、6微米、3微米、1.5微米、1微米、800納米、600納米、350納米、250納米、180納米、130納米、90納米、65納米、45納米、32納米、22納米、14納米,一直到目前主流的10納米高端工藝。而更高一級的 7nm(GlobalFoundries公司)近期也傳出進展順利。

盡管10nm工藝已經成為高端芯片加工的標志,但國內工藝大多還依然停留在微米級別(0.18um、0.35um等),也使得大部分硬件設備用的也都還是微米級芯片。這也是我們所說的第一個故事背后的真實場景,令人無奈。

 

 

光刻技術是芯片制造產業的核心,決定著芯片的元件特征尺寸。伴隨半導體產業“摩爾定律”的延續,極紫外光刻(Extreme Ultraviolet Lithography, EUVL)被公認為是最具潛力的下一代光刻技術。不過技術最先進、性能最穩定的光刻機設備100%被歐美國家壟斷,且嚴禁技術轉讓。

目前國內光刻機最多可做到28nm,另外13nm技術正在研發中。但是,國際上已經實現了10nm,而7nm技術也即將研發成功。這就是差距。

由于缺乏精密的國產加工設備,國內芯片制造設備都需要從美國進口,這就要受到他們“出口限制令”的制約,比如不能用于軍事產品的生產、不能研發指標非常先進的芯片。

專用芯片才是未來新的增長點

一直以來,關于通用芯片和專用芯片的爭論就從來沒有停止過。雖然從通用性和可修改性來說,通用芯片具有很大優勢,但從針對性和功耗等方面考慮,專用芯片才是未來新的增長點。

國家特聘專家、中國科學技術大學微電子學院副院長林福江說:“功耗是(芯片產業)現在最大的問題,哪一款芯片能把功耗降下來,它的壽命就能延長,競爭力自然就上來了,功耗是所有芯片現在最大的瓶頸。

 

 

“通用芯片要考慮到通用性和修改的靈活性,在設計的時候需要加入很多預留的模塊,所以功耗會很高,同時賣的也貴。但專用芯片因為是有明確目的和用途,所以才設計之初就把很多東西直接加進去。

“雖然專用芯片的靈活性不高,但因為是專門設的,很多東西已經硬化、塊化,所以它的速度快、功耗低,相應的價格也低,賣的便宜。

“也就是說,在達到相同的性能下通用芯片勢必要消耗更多資源,而專用芯片就不需要,因此未來發展專用芯片將是必然趨勢。”

浙江大學教授韓雁也持同樣觀點,她說:“專用芯片比通用芯片體積(面積)小、功耗低,大批量生產時成本低。尤其是面向數字模擬混合電路的話,只能做專用芯片,不能用通用芯片。”

就業形勢下的硬件之殤

“現在大多數學生都不太愿意做硬件,而更愿意轉行去做軟件!”

這恐怕是很多高校、科研院所的普遍現象,原因很簡單:做硬件賺錢少,工資低!

摩根士丹利在年初的一份調查中宣稱,一家成功的半導體企業往往能夠獲得40%甚至更高的利潤率,而電腦、電子產品和其他硬件行業的利潤率往往甚至不足20%。

顯然,這一數據在國內并不準確,因為國內的利潤率遠遠達不到40%。畢竟高端芯片設計、架構等握在英特爾、ARM、高通這些巨頭手里,而加工制造工藝在三星、英特爾、臺積電等大廠手上,缺乏核心技術和精密工藝的國內芯片企業,利潤率可想而知。

韓雁教授一直致力于做基礎硬件,自嘲自己是“做磚頭”而別人是蓋樓。雖然工作成績斐然,不過她也有自己的擔憂。

韓雁說:“因為做軟件的成本低(有時候甚至可以在家辦公而不需要租辦公室),因此相對的利潤就大,開出的工資也高。

“而做硬件的恰恰相反,受制于硬件設備巨大的購置成本和測試、流片等工序的巨額支出,在過高的成本壓力下,工資自然高不到哪去。”

林福江教授對此也深有感觸:“雖然說現在是智能硬件的時代,畢竟IOT物聯網、手機/通訊、自動駕駛、消費電子等對傳感器、芯片的依賴性極大,但現在很多人不愿做IC設計、不愿意學微電子,也不愿意做設備硬件,轉而學那些時髦的、能賺快錢的專業領域,讓人痛心疾首。

“只能說有些學生眼光不夠長遠,心態略顯浮躁吧!”林福江表示無奈。

不過,從就業形勢上看,很多學生不愿意做硬件,也能被軟件業接納。這說明軟件業仍然沒有飽和,作為社會需要,也可以理解,無需勉強。

芯片產業很多人不愿意動手這是不對的

總的來說,核心芯片技術由五大元素組成,這五元素分別包括:系統(ASIC)、通訊(RFIC)、建模(MDL)、微波(MMIC)和模擬(AMS),其中建模是核心元素。

在這五大元素中,實測分析建模是射頻芯片設計基礎中的基礎。任何芯片在設計環節之后、進入批量化和商業化生產之前,必須要經過數次甚至數十次的實測分析,盡量找出設計中的BUG,找出不合理之處,才能有效的降低成本和提高流片成功率。

但目前的情況是,跟理論知識相比,國內很多人的動手能力不強,甚至可以說很弱。

林福江說:“(在射頻芯片的設計中),國內很多人不愿意動手,這是不對的。只有理論不行,還要多學技能多動手,我們的動手能力需要不斷增強。”

對未來芯片發展走向,林福江教授認為,“芯片單位面積上可以容納元器件數量的極限值”將是一個很關鍵的突破口。

“這個極限值是和芯片最小尺寸相關的,現在器件的最小尺寸已經到三納米了,已經是極限了。尺寸小,器件也小了,最小尺寸已經到了極限,從分子往上就是單電子、單原子。”林福江說,“在達到極限值之后,未來的芯片技術將要朝著哪個方向發展,現在還不好說。”

總結:全情投入、加強團結芯片產業才有前途

讓我們再看一下文章開頭第二個故事的疑問:既然做芯片的不如做項鏈的,那為什么還有人堅持做下去呢?

 

 

浙江大學教授韓雁的答案是:為了國家的芯片產業不再受制于人,我們需要奉獻!

    

2017年11月15日 10:43
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