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芯片产业发展现状与展望

2021-02-23 18:11 来源:www.xdsyzzs.com 发布:现代商业 阅读:

刘赟 周爽 北京信息职业技术学院

摘要 本文介绍了全球芯片产业的历史与现状,针对中美贸易战给国内芯片企业造成的现实困难,分析了芯片产业特点,初步探讨了该行业的发展策略,最后展望了芯片技术的未来发展以及中国企业的相应发展措施。

关键词 芯片产业;半导体;产业链

一、芯片产业简介

美国商务部在2018年对中国的中兴通讯公司进行制裁,不准美国相关企业向该公司出售包括芯片在内的零部件。紧接着在2019年将禁购令扩大到华为及其子公司。中国在2019年对芯片的进出口比为3.7,再结合近五年的进出口数据,可以看出芯片贸易逆差在加大。原因在于国内芯片自给率太低。总的来说,中低端芯片产品发展迅速,核心芯片产业发展严重不足。

芯片是信息化的基础原件,在现代社会生活中占据重要地位,手机、计算机、智能家用电器、交通工具、军事领域都离不开芯片。所谓芯片,就是一种集成电路,把电路中的元器件和布线都集中在一块半导体晶片上,然后封装起来行使经典的电路功能,同时还实现了小型化低功耗的目的。

中国的芯片业界最初想通过龙芯或飞腾之类国产芯片取代英特尔,但事实证明这条路是行不通的,因为英特尔和微软绑定在一起,只要还使用windows操作系统,就绕不开英特尔芯片。

2018年著名芯片公司中天微被阿里巴巴收购,推出了基于 RISC-V 架构芯片的玄铁910,应用场景局限在各种物联网设备上,还不能成为服务器的芯片。据推测随着计算能力的大幅增长,五年之内基于RISC-V的芯片就有可能用到服务器上。这样,如果美国禁止英特尔卖芯片给中国,中国相关厂商就有了应急替代品。

由于量子效应,芯片技术的升级会遇到不可逾越的极限,这些年英特尔的芯片技术发展速度就已经显著放慢了。在这种情况下,提高计算能力的方法就是发展人工智能芯片,现在国内开发此种芯片的有阿里巴巴、百度和华为。

以上所述的都属于芯片设计领域,光设计出来还不行,这只是产业链的开始阶段,最重要的是要把设计好的芯片制造出来。制造芯片的核心工具是光刻机,光刻机是多种尖端技术集成的产物,涉及到多种基础学科以及精密仪器的生产技术。光刻机利用紫外激光在晶圆上雕刻,做成一个芯片大约需要3000多个步骤,光刻机本身的零部件数超过十万。目前,全球水平最高的三家制造商分别是荷兰 ASML公司,日本的尼康以及佳能。其中荷兰的ASML一枝独秀,占据全世界光刻机售卖市场的八成以上份额。

中国大陆直到2020年夏季之前还没有能力制造7纳米制程的芯片,但现在一些电子产品,比如华为的手机芯片所使用的芯片已经是7纳米制程的,如果中国遭遇禁售,就会对国内企业产生很大影响。

上海微电子公司能让光刻机的加工精度达到22纳米,这个成果距离5纳米仍然有很大距离,但也算有了一个很好的基础,有希望进一步缩小与顶尖水平的差距。

20206月,华为海外光电子研究项目获得批准,机构位于英国剑桥园区。华为从2016年起在该领域投资了80亿美元,申请了光刻机方面的专利。但是要想自主研发和生产芯片这些还远远不够。

光刻机的研制是一个漫长的过程,存在着形形色色的技术壁垒和专利限制,供应链的零部件供给也存在封锁。日本的尼康公司就因为这些困难才衰落的。光刻机的光源波长在上世纪曾达到193纳米,再难以缩短。鉴于这种情况,尼康把攻关目标定在157纳米,倾注大量人力物力用于研发,因此失去研究远紫外线波段的机会。荷兰的ASML公司借机发力,一举攻克了远紫外线波段这个难关,成为世界上远紫外线波段光刻机唯一的供应商。

ASML本质上是一个集成商,远紫外波段光刻机集成了世界上最顶尖的技术,九成的零部件和技术都来自其它公司,这样ASML就能集中力量来整合这些技术并能针对顾客的具体要求进行调整。目前该公司在高端市场份额占到90%,至于10纳米以下的市场则完全是ASML的天下。对于中国而言,想要复制这种模式是不可能的。中国只有下定决心,走自主研发的道路,才能不再受制于人。

二、全球芯片制造产业的基本概况

中国各大厂商的芯片都由台积电代工,但台积电受到美国禁售政策的约束,到2020年九月就会停止为华为做芯片加工,台积电的大陆版中芯国际也紧跟着宣布相同的决定。美国很早就决定利用芯片产业和软件来进行产业控制。这可以用摩尔定律来理解,芯片设计最初也是符合摩尔定律的,但芯片设计的制程受到物理定律的限制,存在设计极限,因此芯片设计的难度在增加,由于流程极为繁琐,通常芯片设计的成本在持续增加。在芯片设计领域美国公司占据很大优势,目前全球一半以上的市场份额都被美国相关公司占领。

芯片设计公司按照生产方式存在两种模式,一种是芯片设计自己完成然后自己加工生产,另一种只做设计然后由别的厂家代工。就前者而言,美国的英特尔公司和德州仪器公司就是典型,它们拥有自己的芯片制造工厂,全球市场份额有46%。后一种模式的公司就更多了,比如著名的苹果公司、英伟达等占有全球68%的市场份额。

亚洲的韩国利用大产量的存储芯片生产占有27%的份额,但芯片设计方面只占1%的份额。日本的情况类似,占据7%的份额。欧洲的法国与意大利合起来占有6%。台湾有台积电主营芯片制造,联发科主营设计,代工与设计完全分开,在设计领域占有16%份额,在芯片生产方面占据6%份额。

目前中国大陆在芯片制造领域占3%,排名全球第六,在纯设计领域占13%,排名第三。鉴于当前国际形势,这已经是非常不俗的成绩了。由于芯片设计的难度在增加,对设计工程师的要求也越来越高,好在发明了仿真软件以及能提供架构服务的技术,大大降低了开发难度。在这种背景下,中国的芯片设计公司这几年开始极速发展,从前景上说,有望在近几年弯道超车,追上并赶超世界先进水平。

中国目前的芯片产业最主要的瓶颈集中在芯片制造领域。随着芯片的小型化,研发中会不断出现未曾出现过的困难,有时候甚至需要推翻原有技术路线,找到新的技术原理,这样就会加大芯片制造投入资金,为了降低成本,就需要通过加大晶圆量产数量。

芯片设计与制造面临不同的问题,芯片设计可以是开源的,但芯片制造不是,随着制程的减小,逐渐变成了相对狭窄的产业,全球只有极少数公司能够参与,技术和资金壁垒阻止大多数新手加入该领域。美国的IBM公司在2013年就把自己的芯片工厂卖给格罗方德公司,格罗方德公司是家美国代工厂,曾经全球排名第二,于2018年放弃进军7纳米制程的芯片制造,在此之前台湾的商联电就已经放弃了这个目标。

三、国内芯片企业简介

想成为合格的芯片企业,必须拥有雄厚的财力,因为芯片行业的研发需要大量资本;有了资本还需要技术积累,芯片行业的任何一个细分领域都有很高的门槛,都需要多年的经营。在芯片行业一旦形成垄断,新手基本上就失去进入该领域的机会了。目前中国的芯片公司如雨后春笋般地发展起来了,其中一些公司还得到国家优惠政策的支持,预计这些中国公司会对世界芯片产业产生巨大影响。

国内企业中华为旗下的海思目前在芯片设计领域占据第一位,以其母公司华为作依靠,资金和市场都有保障,在芯片设计领域排在世界前列,这是第一梯队的公司。

国内指纹识别技术水平最高的公司当属汇顶科技,这也是一家芯片公司,目前市场价值已经超过千亿。在存储芯片领域排在第一位的有兆易创新,目前已经能对三星公司的相关业务提出挑战,这两家公司属于第二梯队。

作为第三梯队的乐鑫公司专攻无线宽带芯片,并且把这种技术发展到极致,通过十几年的努力,乐鑫在低端无线宽带领域真正做到了价格最低和芯片代码最简洁。还有耳机芯片领域的恒玄科技,技术研发人员大多从事蓝牙技术开发,在很短时间内,就已经进入很多主流的手机公司以及互联网公司,例如谷歌和百度等。

芯片产业的发展吸引了大量资本投入其中,首先受益的是芯片生产设备领域。该领域自主生产比率仅为16%,还有很大的提升余量。北方华创的产品种类最齐全,能为业界提供除光刻机以外的所有其它设备。

化学制剂生产领域有晶瑞股份,是国内做光刻胶水平最高的企业,光刻胶是芯片光刻过程中用于提高成影效果的介质,质量不同的光刻胶价格相差十倍以上。目前除了晶瑞股份以外,北京科华的制作水平也很高。

四、政府为鼓励芯片国有化采取的措施

国内自主设计芯片的最大问题是自主专利非常缺乏,自主生产芯片的困难是缺少中高端晶圆生产线。为了缩短与国外行业的差距,只能努力经营中低端市场,不断研发增进产品技术水平,等待时机占领中高端市场。

按照工信部对芯片产业的规划,中国在2025年芯片自主制造所占比例要达到50%,这个目标相当于说届时中国芯片制造产业规模将达到全球的49%

芯片产业链分为三块,即芯片的设计、制造、封装测试。芯片设计比较偏重软件,目前在国内发展较快,随着资金和人才的持续流入,芯片设计水平逐渐升级,国内目前有25A股上市设计公司非常有特色。但国内在晶圆生产方面存在很大困难,目前在A股大陆企业没有纯晶圆生产企业,中芯国际以及华虹都在H股上市。晶圆制造完成后需要封装测试,这方面有三家公司水平很高,包括长电科技、华天科技和通富微电,除此之外,晶方科技的业务也非常精良。

为了扶持国内企业,工信部于2014年成立集成电路产业投资基金,到现在为止已经经过两期,第一期总共投资1387亿元,截止日期为20185月,投资涉及23家公司,投资领域包括全部芯片产业链,帮助这些公司增加研发力度。同时,基金通过多种投资方式,比如并购、转让、增加资金投入去,合资等使企业的股权结构更加合理,优化了企业管理模式,提高了研发和生产效率。投资结构偏重于芯片制造这个短板,达到总资金的67%,芯片设计得到17%,封装测试得到10%,剩下的6%投给了材料制造领域。

一期投资的重点是国内大企业,利用有限资金实施重点突破,例如帮助长电科技跨境并购新加坡的星科金朋,帮助通富微电并购AMD公司的封装测试厂,帮助纳思达跨境并购一家美国专营打印机芯片的企业Lexmark等。另外,中芯国际和华虹集团也得到了基金支持。

与第一期不同,第二期更关注整个产业链,因为芯片产业不是少数公司能承担发展的,需要整个生产链中各家公司互通有无、通力合作才能有所进展。二期基金给设计公司提供更多支持,因为正是芯片设计驱动了整个生产链。基金对整个产业链都做了投资,并且对每个链条上排名靠前的企业进行重点投资。

在晶圆加工领域,主要投资对象是中芯国际和华力,分别给予160亿元和116亿元。在存储器领域,重点投资了长江存储科技公司。封装测试领域重点支持长电科技和华天科技。芯片设计重点投资紫光展锐。半导体装备领域投资重点是北方华创,帮助该企业成为行业老大,其研制的刻蚀机现在已经出现在很多大工厂的生产线上。

基金以后的投资意向是继续鼓励芯片制造,投资占比高于60%,芯片设计的投资保持在17%

五、国内芯片产业发展的主要模式

国内芯片产业链的特征是设计与封测占大头,制造占小头。目前国内晶圆制造企业技术仍然比较落后,主要设备仍然有待攻关。

芯片设计公司的重要性体现在市场终端,芯片设计的内容由市场需求决定。以前国内市场需求的大部分芯片都由国外公司提供,现在市场逐渐被国内企业占据,比如华为海思就成功地占有了一部分高通公司的份额。小米手机也研发了自己的手机芯片。市场终端的需求多种多样,为生产链提出方向。

晶圆制造和封测领域的市场相对稳定,晶圆制造工厂每年都要消耗大量材料,比如高度纯净水、光刻胶以及靶材等。这些材料大部分都出自国外资本雄厚的大型化工企业,比如杜邦公司、霍尼韦尔公司等。

至于芯片设备制造方面,更是被全球几家大公司垄断。包括AMAT(美国)和ASML(荷兰)在内的五家大公司占据全球六成以上的市场份额。国产设备制造占的份额很小,而且还不是最关键的设备。芯片制造最关键的刻蚀机、光刻机以及离子注入扩散设备目前都是这些企业的天下。

总之,目前国内企业有两条路可以走,一条是晶圆制造这一块,竞争的核心是半导体耗材生产工艺改进。另一条是芯片设计这一块,竞争的关键是对芯片终端市场的争夺,需要国内企业努力提升服务质量和产品性价比,首先竞争中低端市场,这样才能有机会缩小与国际最高水平的差距。

国内的晶圆制造大都是模仿台积电或者三星的生产方式,购买同样的材料和设备,使用相同的工序生产。即使这样也还要调节参数以保持产品良率。芯片产业最大的麻烦就是自主研发的成本太高,短时间内难以投产。在这方面,需要国内企业通力合作,互通有无,努力建设完善的产业生态链,为各企业的研发与生产创造良好的技术基础。

六、芯片产业的发展前景展望

由于物理定律本身的限制,二维芯片存在技术上限,提高芯片光刻精度越来越难,业界通过多年研究探索,逐渐把芯片由平面向三维化发展,以期突破技术瓶颈,满足市场对高精度芯片的需求。

这一技术突破发生在加工工艺从28nm22nm的转变过程中,这就是英特尔于2011年推出的FinFET技术。该技术使业界的技术发展重新纳入摩尔定律所规定的轨道中,延续了摩尔定律起作用的时间长度,该技术可以被用于7纳米芯片的生产制造。

芯片3D化促使封装技术也向3D化发展。英特尔于2019年公布了自己的3D封装技术,具体方法是把逻辑模块像千层饼一样一层层叠加起来成为一个整体,实际使用过程中表现出完美的3D功能,并且还能保持低功耗。AMD公司也于2020年公布了新的封装技术,就是将传统的2.5D技术与3D技术结合在一起,据称此举使带宽密度提升10倍以上。

众所周知,CPU的主要功能集中在通用机算,数据处理效率有时难以满足数据中心要求,而GPU这种善于并行计算的处理器就应运而生了。两者各有优点,如果集成在一起就会产生强大的数据处理器。目前广为人知的Chiplet模式就是这一思路的产物。为了发展这种模式,需要研制相对应的封装技术,而英特尔与AMD的封装技术则为Chiplet提供了坚实基础。集成CPUGPU将为百亿级别超级计算机的发展奠定基础。

鉴于上文的分析,中国芯片产业要想在传统技术路线上靠近发达国家还存在很大困难,好在技术的发展并非一成不变,条条大路通罗马,芯片产业也不是铁板一块,中国企业完全可以在传统研发的基础上,适当考虑另辟蹊径,或许存在弯道超车的可能性。

参考文献

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