中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)如何再上臺階？

“工藝是基礎(chǔ)，設(shè)計是龍頭。工藝研發(fā)模式、產(chǎn)品設(shè)計思路都將發(fā)生根本性變化，設(shè)計必須與工藝緊密結(jié)合?！比涨霸谏虾Ｅe行的“第六屆中國IC設(shè)計公司成就獎”頒獎典禮上，中國半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會IC設(shè)計分會理事長魏少軍教授在題為“對中國半導(dǎo)體行業(yè)再上臺階的思考”的演講中指出，他根據(jù)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈各發(fā)展態(tài)勢的預(yù)測和對技術(shù)市場的思考做出了上述判斷。

——“工藝技術(shù)正在走向后摩爾時代，主流器件結(jié)構(gòu)將發(fā)生根本變化，平面體硅CMOS工藝走向盡頭，F(xiàn)inFET和FDSOI等新器件將引發(fā)一系列變化，包括產(chǎn)品的形態(tài)及產(chǎn)業(yè)環(huán)境等。工藝的高度復(fù)雜和不可預(yù)見因素及代工廠支持能力的下降，將重塑代工廠和設(shè)計企業(yè)之間的關(guān)系?！?BR>
魏少軍指出了半導(dǎo)體行業(yè)正在發(fā)生的幾個發(fā)展趨勢，首先是器件結(jié)構(gòu)發(fā)生根本變化。目前研發(fā)和關(guān)注度最為廣泛的FinFET技術(shù)最早由UCBerkeley的華人科學(xué)家胡正明教授發(fā)明。本世紀(jì)初，在擔(dān)任臺積電CTO期間曾向公司提出發(fā)展FinFET的設(shè)想，但沒有得到重視。隨后英特爾公司接受了這一建議并投入巨資研發(fā)。“2011年英特爾宣布推出22nm的FinFET技術(shù)，并預(yù)測到2012年Q4其出貨中有25%的產(chǎn)品采用FinFET，但實際延遲已經(jīng)超過一年，F(xiàn)inFET技術(shù)的復(fù)雜度超過了之前的預(yù)想?！蔽荷佘姳硎尽?BR>
其次，成本越來越高?！皬?5nm、45nm一直發(fā)展到22nm、16nm，芯片研發(fā)成本越來越高，22nm工藝節(jié)點是一條達(dá)到盈虧平衡的產(chǎn)線預(yù)計投資需要高達(dá)80~100億美元，16nm工藝節(jié)點時可能達(dá)到120~150億美元。”魏少軍預(yù)測說，“電子工程專輯的早前的文章中也已經(jīng)指出：將來只有少數(shù)高端芯片設(shè)計公司可以負(fù)擔(dān)昂貴的研發(fā)費用，而更少的代工廠具備制造新一代的產(chǎn)品的能力。所以現(xiàn)在只有很少的公司下定決心在22nm以下工藝節(jié)點投入，目前只有英特爾、TSMC、三星、IBM等?！备哳~投資將導(dǎo)致只有少數(shù)高端芯片設(shè)計公司可以負(fù)擔(dān)昂貴的研發(fā)費用，而更少的公司能夠擁有最先進(jìn)的制造工藝。

“工藝是基礎(chǔ)，設(shè)計是龍頭。工藝研發(fā)模式、產(chǎn)品設(shè)計思路都將發(fā)生根本性變化，設(shè)計必須與工藝緊密結(jié)合?！比涨霸谏虾Ｅe行的“第六屆中國IC設(shè)計公司成就獎”頒獎典禮上，中國半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會IC設(shè)計分會理事長魏少軍教授在題為“對中國半導(dǎo)體行業(yè)再上臺階的思考”的演講中指出，他根據(jù)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈各發(fā)展態(tài)勢的預(yù)測和對技術(shù)市場的思考做出了上述判斷。(2013年度中國IC設(shè)計公司成就獎獲獎名單和ChinaFabless2013頒獎現(xiàn)場精彩圖集)

——“工藝技術(shù)正在走向后摩爾時代，主流器件結(jié)構(gòu)將發(fā)生根本變化，平面體硅CMOS工藝走向盡頭，F(xiàn)inFET和FDSOI等新器件將引發(fā)一系列變化，包括產(chǎn)品的形態(tài)及產(chǎn)業(yè)環(huán)境等。工藝的高度復(fù)雜和不可預(yù)見因素及代工廠支持能力的下降，將重塑代工廠和設(shè)計企業(yè)之間的關(guān)系?！?BR>
魏少軍指出了半導(dǎo)體行業(yè)正在發(fā)生的幾個發(fā)展趨勢，首先是器件結(jié)構(gòu)發(fā)生根本變化。目前研發(fā)和關(guān)注度最為廣泛的FinFET技術(shù)最早由UCBerkeley的華人科學(xué)家胡正明教授發(fā)明。本世紀(jì)初，在擔(dān)任臺積電CTO期間曾向公司提出發(fā)展FinFET的設(shè)想，但沒有得到重視。隨后英特爾公司接受了這一建議并投入巨資研發(fā)?！?011年英特爾宣布推出22nm的FinFET技術(shù)，并預(yù)測到2012年Q4其出貨中有25%的產(chǎn)品采用FinFET，但實際延遲已經(jīng)超過一年，F(xiàn)inFET技術(shù)的復(fù)雜度超過了之前的預(yù)想?！蔽荷佘姳硎尽?BR>
其次，成本越來越高?！皬?5nm、45nm一直發(fā)展到22nm、16nm，芯片研發(fā)成本越來越高，22nm工藝節(jié)點是一條達(dá)到盈虧平衡的產(chǎn)線預(yù)計投資需要高達(dá)80~100億美元，16nm工藝節(jié)點時可能達(dá)到120~150億美元。”魏少軍預(yù)測說，“電子工程專輯的早前的文章中也已經(jīng)指出：將來只有少數(shù)高端芯片設(shè)計公司可以負(fù)擔(dān)昂貴的研發(fā)費用，而更少的代工廠具備制造新一代的產(chǎn)品的能力。所以現(xiàn)在只有很少的公司下定決心在22nm以下工藝節(jié)點投入，目前只有英特爾、TSMC、三星、IBM等。”高額投資將導(dǎo)致只有少數(shù)高端芯片設(shè)計公司可以負(fù)擔(dān)昂貴的研發(fā)費用，而更少的公司能夠擁有最先進(jìn)的制造工藝。趨勢三，先進(jìn)工藝產(chǎn)能越來越緊張。魏少軍指出，2008年以來，一批傳統(tǒng)的IDM公司已經(jīng)或?qū)⑼Ｖ菇ㄔO(shè)新的生產(chǎn)線，逐漸轉(zhuǎn)型為IC設(shè)計企業(yè)，預(yù)計需要外協(xié)的產(chǎn)能價值約為300億美元，產(chǎn)能需求將十分旺盛。三星、臺積電、GLOBALFOUNDRIES等企業(yè)每年投巨資擴產(chǎn)正是預(yù)見到未來5~10年產(chǎn)能緊張的前景。他認(rèn)為，事實上從2012年下半年以來，先進(jìn)工藝的產(chǎn)能已經(jīng)出現(xiàn)供不應(yīng)求的現(xiàn)象。我國設(shè)計企業(yè)因此而出現(xiàn)增長放緩的現(xiàn)象?！翱赡艿搅?2nm工藝節(jié)點以后，芯片設(shè)計企業(yè)想找個制造點都找不到，這是很可怕的事情?！?BR>
趨勢四，通用產(chǎn)品逐漸成為主流。在22nm工藝節(jié)點上，每平方毫米的平均邏輯門數(shù)達(dá)到156.6萬個，在20×20mm2面積上可以集成6.26億個邏輯門，或25億只晶體管。魏少軍認(rèn)為高額的制造和研發(fā)成本，將不再適合“多品種、小批量”的ASIC，而且沒有足夠的銷量就無法攤銷高額的NRE成本。所以他預(yù)測未來通用的產(chǎn)品逐漸成為主流，而傳統(tǒng)的ASIC將慢慢退出歷史舞臺，除了少數(shù)幾種數(shù)量巨大的ASSP，如移動通信終端芯片，或數(shù)字電視芯片等，其他芯片無法使用先進(jìn)工藝，將慢慢消亡?！啊链謇顺薄蛧鴥?nèi)的‘許氏循環(huán)’都在談專用-通用器件循環(huán)發(fā)展，下一輪將是通用器件主導(dǎo)的發(fā)展，通用、平臺化成為大趨勢。”

趨勢五，系統(tǒng)級封裝及多元件封裝。封裝今后將成為芯片設(shè)計的一個重要內(nèi)容。

趨勢六：新型產(chǎn)業(yè)模式。加工成本的攀升將迫使IC設(shè)計企業(yè)在更換代工廠時越來越謹(jǐn)慎。因此，設(shè)計公司與代工廠的捆綁會越來越緊密。魏少軍指出這些緊密關(guān)系表現(xiàn)為以下幾點：高額的研發(fā)成本將要求EDA廠商更多地為設(shè)計公司提供定制服務(wù)，一對一的“貼身服務(wù)”將成為設(shè)計服務(wù)公司的策略；由于IP核的服務(wù)對象更多地集中到大企業(yè)和量大面廣的產(chǎn)品，IP核供應(yīng)商與設(shè)計公司的關(guān)系更為緊密；系統(tǒng)公司越是依賴于設(shè)計公司的芯片產(chǎn)品，就越希望對其加強控制；基于特定合作伙伴，業(yè)務(wù)緊密捆綁，資本相互滲透的虛擬IDM逐漸浮出水平。

“隨著半導(dǎo)體工藝特征尺寸越來越小，IC設(shè)計對于工藝的依賴程度越來越高，同時設(shè)計軟件的作用也越來越重要。芯片設(shè)計人員對于IC設(shè)計的知識不能局限在芯片層面，還應(yīng)包括軟件、系統(tǒng)甚至應(yīng)用?！彼麖娬{(diào)說。

——“必須從系統(tǒng)整機的角度重新審視芯片產(chǎn)品的發(fā)展策略。處理器無疑處在核心的位置，接口電路必須跟上輸入/輸出設(shè)備的創(chuàng)新，嵌入式軟件的作用不可忽視，3D集成將成為產(chǎn)品設(shè)計的重要途徑?！?BR>
魏少軍認(rèn)為，從系統(tǒng)架構(gòu)看，系統(tǒng)架構(gòu)越來越疏松，更多輸入輸出接口整合到處理器中，還有工藝、封裝的因素，以及軟件、服務(wù)和商業(yè)模式的發(fā)展，這樣的架構(gòu)影響會越來越大。再來單獨看系統(tǒng)架構(gòu)每一部分的發(fā)展。首先是處理器，魏少軍預(yù)測未來核心數(shù)可能達(dá)到128~256顆，2020年~2025年間工藝可能走到7~5nm節(jié)點，位寬從現(xiàn)在的32位走向64位。

“現(xiàn)在還出現(xiàn)了一個新名詞：supercomputeronchip，單芯片超算，運算速度可達(dá)到每秒100萬億次浮點運算。未來這樣的芯片技術(shù)成本降低將可走入家庭應(yīng)用，終端（計算機、手機等）市場總量在20億只/年?！彼f，“此外，新的專用處理器將隨著云計算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的發(fā)展而出現(xiàn)，同時形成新的架構(gòu)如可重構(gòu)處理器等，個人云個人網(wǎng)也將從概念成為現(xiàn)實，相應(yīng)的，安全機制成為更大挑戰(zhàn)?！?BR>
再看接口電路，這一部分沒有太大挑戰(zhàn)，仍然向著更高、更快、更寬演進(jìn)。而存儲器方面，已經(jīng)出現(xiàn)很多年的eDRAM很快能夠?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用，“例如英特爾Haswell處理器中，該公司可將128MB的eDRAM做到0.029μm2，17.5Mb/mm2，位單元顯著小于SRAM，甚至可以實現(xiàn)3D封裝。而浮柵型Flash將逐漸退出市場，工業(yè)界的主流是Charge-TrapMemory(CTM)，其他新型存儲器如ReRAM預(yù)計將于2020年能夠?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用。在這一領(lǐng)域，英特爾將引領(lǐng)處理器和eDRAM的集成，并將進(jìn)一步鞏固其在處理器領(lǐng)域的地位。”輸入設(shè)備方面，例如新型圖像傳感器將向著高分辨率和低照度兩個方向發(fā)展；智能天線則支持高寬帶無線接收、發(fā)送；新型觸摸屏、觸覺識別以及手勢識別、人眼跟蹤、動作跟蹤等進(jìn)一步改善，各類傳感器、健康傳感器等將大量集成到終端中去。輸出設(shè)備方面，各種高分辨率、高動態(tài)范圍、高亮度、3D顯示燈新型顯示器；支持高寬帶無線傳輸?shù)耐队皟x；谷歌眼鏡、三星智能手表等等都會對輸出設(shè)備產(chǎn)生巨大的影響。采用Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體的功率器件將是未來重要的一個發(fā)展點。

因此魏少軍預(yù)測，到2020年將擁有廣大市場的潛在產(chǎn)品包括單芯片超算芯片、eDRAM及輔助芯片、5GModem、新型閃存、智能觸屏控制器、4G/5G功放、單芯片基站、個人云、圖像識別、嵌入式FPGA和RF芯片等等。這些市場領(lǐng)域前景巨大，就看中國IC廠商是否能夠成功抓住機遇。同時魏少軍也給出了幾個發(fā)展的關(guān)鍵因素。

第一，先進(jìn)制造工藝。魏少軍指出，體硅COMS平面晶體管在20nm已經(jīng)走到盡頭，無法獲得等比例縮小的性能、成本和功耗優(yōu)勢。而耗盡型器件可以改善器件的電學(xué)性能并延續(xù)等比例縮小，且與傳統(tǒng)CMOS工藝兼容，但產(chǎn)業(yè)鏈和生態(tài)環(huán)境亟待完善。FinFET則是未來的選擇，可以延續(xù)等比例縮小，但是知識產(chǎn)權(quán)的限制、工藝的復(fù)雜度都不是短期內(nèi)可以克服的問題。

他表示，與CMOS器件相比，F(xiàn)inFET的技術(shù)優(yōu)勢在于，在相同的工作電壓下，器件延遲下降約30%，意味著性能更高。換句話說，在同樣的延遲下，工作電壓可以降低20%，意味著更低的功耗。此外還具有附加成本低、低電壓工作下速度快、泄露電流小等優(yōu)勢。而FDSOI技術(shù)與28nmLPBulk相比，在同樣的主頻下，功耗下降30%；相同功耗下，主頻可以提升30%。因此他認(rèn)為FinFET技術(shù)和FDSOI相比，前者更適合高性能應(yīng)用，后者則更適合低功耗、低漏電流應(yīng)用。

第二，基于先進(jìn)工藝的設(shè)計?！安捎酶冗M(jìn)的工藝已經(jīng)不能獲得成本優(yōu)勢，單個芯片上可以集成的晶體管數(shù)量巨大，導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)雜性大幅度提升，研發(fā)費用逐漸攀高，成為影響成本的關(guān)鍵因素。此外軟件成為集成電路技術(shù)的重要組成部分，低功耗成為集成電路發(fā)展技術(shù)的發(fā)展重點，芯片設(shè)計必須具備工藝知識和團(tuán)隊。而最重要的是，是否具備基于新器件的設(shè)計技術(shù)，如果不會就只能前進(jìn)到28nm。”魏少軍指出

第三，設(shè)計與工藝的緊密結(jié)合。魏少軍表示，“設(shè)計企業(yè)不能認(rèn)為基于代工廠給出的設(shè)計接口，其設(shè)計一定成功并給出滿意的成品率。成品率問題必須在設(shè)計階段就給予足夠的重視并成為重要的設(shè)計準(zhǔn)則?？芍谱餍允窃O(shè)計公司必須面對的難題?！倍词乖O(shè)計成功，設(shè)計人員也不能指望很快上量。在代工廠一側(cè)，由于IP的成熟度和工藝浮動造成的成品率問題仍然需要比較長的時間解決。因此他強調(diào)，“設(shè)計團(tuán)隊必須對工藝有深入的了解，并將工藝浮動的影響作為重要的設(shè)計參數(shù)在設(shè)計過程中給予考慮。所以設(shè)計企業(yè)與代工廠之間的緊密合作必不可少，設(shè)計企業(yè)必須建立強有力的工藝和產(chǎn)品工程隊伍，特別是優(yōu)秀的可制造型設(shè)計和成品率設(shè)計專家團(tuán)隊。這需要設(shè)計企業(yè)每年多支出數(shù)千萬到上億元的成本?！?BR>
第四，異質(zhì)器件封裝及設(shè)計；以及第五，芯片軟件供應(yīng)商。魏少軍指出，目前IC設(shè)計企業(yè)中，軟件設(shè)計人員數(shù)量已經(jīng)超過芯片設(shè)計人員，但是企業(yè)對軟件的理解并沒有隨之提升，仍然只是將其作為一種賣芯片的服務(wù)。“這是本末倒置的。今后軟件的價值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于芯片，應(yīng)該是以賣軟件為主，而非芯片。”

——“工藝是基礎(chǔ)，設(shè)計是龍頭。工藝研發(fā)模式、產(chǎn)品設(shè)計思路都將發(fā)生根本性變化，設(shè)計必須與工藝緊密結(jié)合。同時選對發(fā)展技術(shù)路線是關(guān)鍵，人才隊伍建設(shè)是基礎(chǔ)。中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)要上一新臺階，就必須有更大的思路和更有力的舉措?！?BR>
那么中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)要想再上一個臺階，究竟該如何做？魏少軍為IC設(shè)計廠商指出了幾條明路。首先是提高制造能力?！爸圃焓腔A(chǔ)，其他方面再好都只是個美好愿望。中國目前制造產(chǎn)能僅占市場總量10%多一點，但是市場需求占全球市場的28%。然而先進(jìn)的工藝制造不是某個廠商單打獨斗就能實現(xiàn)的，必須依賴聯(lián)合研發(fā)。”他表示，“所以接下來建立先進(jìn)工藝聯(lián)合研發(fā)機制。例如2011年美國成立的Global450Consortium（G450）組織。該組織由IBM公司出資36億美元發(fā)起，聯(lián)手三星、GLOBALFOUNDRIES和臺積電，推動22nm-14nm及14nm以下半導(dǎo)體工藝技術(shù)研究。同時由英特爾主導(dǎo)，與IBM、三星、GLOBALFOUNDRIES和臺積電共同投入3.75億美元，推動450mm硅片工藝研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化?！绷硗庖粋€重要的舉措是芯片、軟件和整機聯(lián)動，加強嵌入式軟件研發(fā)能力。魏少軍提出，“瞄準(zhǔn)影響國家安全和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重大戰(zhàn)略需求；以重大系統(tǒng)、重大應(yīng)用為牽引，建立戰(zhàn)略產(chǎn)品目錄清單，圍繞清單產(chǎn)品聚集資源，集中投入，有所不為才能有所為?！彼ㄗh的戰(zhàn)略產(chǎn)品主要包括，整機方面是移動通信、計算機、互聯(lián)網(wǎng)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)及其他具有重大帶動作用的大系統(tǒng)；主要器件包括CPU（含超級計算機、服務(wù)器、桌面計算機和移動終端嵌入式CPU等）、DSP、FPGA、存儲器（含DRAM、eDRAM、Flash、SRAM等）各類接口電路；主要軟件則有嵌入式操作系統(tǒng)、應(yīng)用軟件等。同時應(yīng)強化芯片、軟件與整機的聯(lián)動，包括應(yīng)用牽引、系統(tǒng)整機引導(dǎo)；芯片、軟件企業(yè)早期介入整機定義；根據(jù)整機需求研發(fā)芯片、軟件；產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)聯(lián)動。推動01、02和03三個科技重大專項相互滲透、相互支撐。

最后就是人才隊伍建設(shè)。魏少軍表示，IC產(chǎn)業(yè)是智力密集型產(chǎn)業(yè)，人才是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)。為此，應(yīng)堅持以人為本的原則，探索新形勢下的人才隊伍建設(shè)和人才引起機制建立行之有效的激勵機制，保證產(chǎn)業(yè)發(fā)展所需的智力資源。“一方面，要充分利用“千人計劃”等國家引智工程，按照引進(jìn)海外高層次人才的有關(guān)要求，吸引國際優(yōu)秀人才到我國工作，特別要注意成建制團(tuán)隊的引起，挖掘國際智力資源為我所用。另一方面，加強本土集成電路專業(yè)人才的培養(yǎng)，改革集成電路培養(yǎng)課程，注重基礎(chǔ)能力的培養(yǎng)，提升工程碩士的培養(yǎng)質(zhì)量，加大工程博士的培養(yǎng)數(shù)量。”