集成电路|中科院包云岗：国产高端芯片量产在即，产业升级换“芯”指日可待_

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中科院计算技术研究所副所长包云岗博士
【文/包云岗编辑：科工力量陈辰】
国产芯片制造技术进步明显
数据显示， 2019年国内集成电路产业的产值超过7500亿人民币， 2020年则达到了8848亿元。而在整个产业发展过程中，集成电路制造行业取得的进步最为明显。据包云岗博士介绍，经过多年耕耘布建，目前国内集成电路产业已从高速发展阶段向高质量发展转型，已经具备14nm、28nm等先进制程工艺技术，并能在短期内实现规模量产。这将进一步推动全球集成电路产能向中国大陆转移，同时为国产芯片制造产业链带来新机遇。
一方面，近年来，中国集成电路市场的迅速发展，推动了整个产业的进步与技术革新。随着产品应用领域的专业化和细分化，国内在集成电路制造领域的技术水平不断实现突破，比如在先进与特色工艺的研发和产业化等方面取得显著了进展。这使得中国大陆的芯片制造与国际领先技术的差距越来越小。
另一方面，全球集成电路产能向中国大陆转移，将为国内集成电路产业实现跨越发展奠定重要基础。目前，国内外多家厂商都在大陆规划建设新增产能。而在诸多新增晶圆厂逐步建设完成后，
中国大陆将在降低成本、扩大产能、地域便利性等方面具备更强有力的保障及支持。显然，这对国内集成电路产业的整体发展及完善，起到极为重要的促进作用。
毫无疑问，集成电路是国民经济和社会发展的战略性、基础性、先导性产业，是电子信息产业的核心。近年来，中国正在不断出台产业政策，以市场化运作的方式推动集成电路产业的发展。比如2020年8月，国务院发布了《新时期促进集成电路产业和软件产业高质量发展的若干政策》，进一步明确了对集成电路产业尤其是制造业的支持。由此，国内集成电路产业发展及制造技术进步还有很大想象空间。

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工人在泗洪经济开发区一生产芯片的企业车间内忙碌。图片来源：视觉中国
14nm芯片助力产业换“芯”升级
在眼下集成电路产业发展形势下，国产芯片制造的快速进步振奋人心。 2019年第四季度，国产14nm工艺芯片实现量产，到了今年3月良品率已经达到90%-95% ，同时已经完全有能力应对下游大规模量产的需要。目前，国产14nm领域的设备、工艺、封装、材料等各技术工艺环节都已经有系统部署，均在按部就班进行迭代升级。多位行业人士预测，国产14nm芯片各个环节会快速得到完善，明年实现规模量产的可能性很大。
当然，要实现这些突破并不容易。包博士表示，国产14nm芯片攻克了许多技术难题，包括刻蚀机、薄膜沉积等关键装备实现从无到有，并批量应用在大生产线上；后道封装集成技术成果全面实现量产；抛光剂、溅射靶材等上百种关键材料，通过大生产线考核进入批量销售等等。这些成果基本覆盖了我国集成电路全产业链体系，扭转了之前工艺技术全套引进的被动局面。
此外，他还认为，中国半导体产业曾经遗憾地错过一个黄金年代，目前国际半导体行业巨头几乎都在上世纪七八十年代起步，用漫长时间和巨量人才投入才换来现在的技术积累。但纵观全球，只有美国有结构完整的计算机产业，英国、韩国、德国、法国等都只是各有所长。但现在除了美国之外，中国也已具备了构建全产业的潜力。而单从代工环节情况来看，拥有14nm工艺技术的国家和地区只有美国、台湾、韩国和中国大陆。
在市场应用方面，智能手机已经进入应用5nm芯片的时代， 14nm制程应用已经不多。但一段时间内， 14nm仍然会成为国内绝大多数中高端芯片的主要制程。数据统计， 2019年上半年，整个半导体销售市场规模约为2000亿美元。其中， 65%芯片采用14nm制程工艺， 25%左右采用10nm和12nm ，仅10%左右的芯片采用7nm 。
对此，包博士表示， 14nm是当下应用最广泛、最具市场价值的制程工艺，在AI芯片、高端处理器以及汽车等领域都具有很大的发展潜力，其中主要应用包含高端消费电子产品、高速运算、低阶功率放大器、基频、AI、新能源汽车等。更重要的是，国产14nm规模量产不仅将为我国攻坚制程更高端的芯片技术积淀经验，也将为国产芯片自给率在2025年达70%奠定有力基础。
28nm芯片在新基建中大有可为
比起14nm制程工艺的突破，国产28nm芯片规模量产同样意义非凡。据包博士介绍， 28nm工艺是集成电路制造产能中划分中低端与中高端的分界线。在当前的芯片种类里，除了对功耗要求比较高的CPU、GPU、AI芯片外，其余的工业级芯片都是用的28nm以上的技术，比如电视、空调、汽车、高铁、火箭、卫星、工业机器人、电梯、医疗设备、智能手环以及无人机等等。
“由于集成电路制造还是以中低端产能为主，当前我国向中高端迈进的需求非常迫切。而一旦完全掌握了28nm技术，就意味着市场上绝大部分的芯片需求都不会被卡脖子了。 ”包博士说， 28nm的优势也比较明显。在成本几乎相同的情况下，使用28nm工艺制程可以给产品带来更加良好的性能。例如与40nm工艺相比， 28nm栅密度更高、晶体管的速度提升了约50% ，每次开关时能耗减少了50% 。由此，综合考虑成本和技术因素， 28nm制程在未来较长一段时间将成为中端主流工艺节点。
正因如此，国务院去年发布了《新时期促进集成电路产业和软件产业高质量发展若干政策的通知》，其中提到对28nm及以下的晶圆厂/企业加大税费优惠支持力度，增加对"中国鼓励的集成电路线宽小于28nm（含），且经营期在15年以上的集成电路生产企业或项目，第一年至第十年免征企业所得税"等内容。
在市场应用方面，包博士称，国产28nm芯片国内市场广阔。目前，国内芯片制造企业产能已基本全线利用，至少达到了98% 。这是最近五年来产能利用率最高的一年。而随着数字经济快速发展，中国正在全力开展新基础建设工程，对芯片的需求十分旺盛。虽然与5nm、7nm相比， 28nm的工艺还有一定差距，但在5G、新能源汽车、特高压、大数据中心、人工智能、工业互联网等国家大力发展的领域中已经属于成熟工艺，不论在成本还是在芯片功耗、功能与性能三大指标上，都是性价比最高的工艺制程。
根据调研机构IC insights发布的《2020-2024年全球晶圆产能》报告显示， 2019年， 10nm以下先进制程的芯片产能占总产能的4.4% ，而大于28nm的成熟制程产能则占52% 。因此，加快国产28nm芯片布局，不仅有利于在这一领域站稳脚跟，而且在芯片国产替代和新基建大潮下大有可为。包博士指出，国内已经具备28nm技术节点完规模量产能力。在集成电路各产业链环节，有些企业研发已经取得了不俗成就，有些企业的产品生产线上已经得到具体应用。与此同时，国内在一些细分领域还实现了显著突破，比如在介质刻蚀领域已达到全球先进水平。

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中国芯片，未来可期。图片来源：视觉中国
提高服务能力可加速技术迭代
芯片是通信信息产业的核心，应用前景巨大。对于国产芯片是否可以满足包括5G通讯在内的通讯设备性能方面的需求，包博士表示，国产14nm芯片可以满足5G通信、高性能计算等领域的大部分需求。此外，国内也在积极开发7nm等先进工艺制程芯片，未来将有效缓解高端芯片代工领域的对外依存状况。
但芯片毕竟是硬件，只有在软件层面充分调动芯片的性能，才可以体现芯片的价值。依据国际历史经验看，通过软件的调试也可以改变芯片的特性。对此，包博士指出， “国内通讯运营商、设备提供商以及通讯方案服务商，也需要清楚当下芯片产业的变化，努力通过‘软硬件结合’的模式创新服务方案、设备架构，以适应时代的变化发展。”今年4月，国内已经实现7nm芯片试产，取得了阶段性成果。如果进展顺利，今年底或明年初时即可以实现7nm芯片批量生产。
【集成电路|中科院包云岗：国产高端芯片量产在即，产业升级换“芯”指日可待】不过，在5nm芯片工艺研发方面，国内依然面临不少困难。一方面，美国的限制一直未能出现根本性的解除，导致国内依然难以获得顶级水平的光刻机。另一方面， 5nm芯片本身也是一个巨大的技术挑战，难度要高出7nm很多。但在面临多项压力、困难下，国内也已经启动了5nm芯片工艺研发，力求在2021年底之前先打通完整工艺流程，再向实验生产阶段迈进。
至于芯片制造企业是不是应该把所有资源都投入去研制更先进工艺？包博士提示，国内也许应该分配足够的资源来提升中低端工艺的服务能力，加大投入完善中低端工艺的生态，从设备、材料、单元库、EDA、IP等都积累起来并打磨好，从而力争在国际上形成市场竞争力。当中低端工艺能成为稳定的现金流来源，再去攻克高端工艺也许更有把握。
“中低端工艺对于国内企业已基本不存在大的技术壁垒，但这部分的收入却和台积电等企业差距巨大。这是生态的差距，是服务能力的差距。相比研制先进工艺的投入，完善中低端工艺的投入要小得多，但收益却可能会更显著。”根据国内的流片经历来看，芯片制造企业的服务能力的确还有很大提升空间。如果能进一步提高服务意识和服务能力，那将会吸引一大批铁杆客户形成互信，从而加速技术的迭代优化。
国产中高端芯片未来可期
对于整个集成电路产业以及与芯片密切相关的数字通信、电子产业的看法，包博士认为，芯片作为未来工业真正的明珠，不仅是全球化最彻底的产业，也是全球最高级别的创新协作体系。现在，国内技术在满足做大量普通芯片方面并不存在卡脖子，所谓的卡脖子是在顶级芯片领域被卡了脖子。但要实现突破，芯片产业需要同时具备充足的资本和技术储备，建立一个全球创新的协作体系，以及清晰意识到芯片产业发展的规律：当前的自主研发是为了更好地融于全球市场，而不是脱离全球市场另起炉灶。
此外，除了我国芯片产业自身的奋力发展，其他相关领域如数字化、通讯以及电子产业，一定程度上也需要重新定义产业发展方向。在5G通讯快速发展的当下，相关产业要努力融于全球化产业体系，主动增加国际体系对国内产业的依赖性，从而提升自身话语权。
比如在开发通信产业方面，华为在4月举办的全球分析师大会上所传递出战略：华为将“优化产业组合、增强产业韧性”开发相关软件场景。从中可见，在当前“软硬件结合”的产业体系中，这样的战略将保证华为继续融于全球通讯体系。

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4月12日，华为轮值董事长徐直军正进行题为“乱云飞渡仍从容”的主题演讲
对于国内集成电路产业发展现状及形势走向，包博士表示：一方面是因为当前国际形势，使得中国下定决心大力发展集成电路产业，另一方面也是未来智能物联网时代将会使芯片需求扩大一个数量级，甚至每年达到上千亿颗的需求。但国内的芯片基础较差是一个既定事实，必须承认。面对这样的事实，如何去做、去满足需求，才是可以真正体现中国企业家精神的地方。
毫无疑问，集成电路产业是资金密集、换代频繁、人才尖端的全球前沿产业之一，技术难度高且试错成本大。从美、日、韩、台等国家和地区集成电路产业发展历程看，后发国家和地区赶超不会一蹴而就，需要有自主发展的决心、艰苦奋斗的恒心、赶超成功的信心，更要有强大持续的资金、迭代演进的技术、素质达标的人才、产用联动的市场。最终，集聚资本、技术、人才、市场四大合力要素，国产中高端芯片才可能成功实现赶超发展。
就国内目前的发展状况而言，在国际形势风云变幻、数字经济日新月异、产业转型升级愈发紧迫以及新基建大潮来临等情况下，国产中高端芯片的应用需求及前景势必十分广阔。另外，随着5G和AIoT时代到来，尤其是在智慧城市、自动驾驶、安防物联网等领域各项产品日趋丰富，芯片也逐渐专注于针对特殊场景的开发及优化，从而使得专用芯片即将迎来“百花齐放”时代。因此，在庞大的市场空间下，国产中高端芯片未来可期、大有可为！
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