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后摩尔时代我国集成电路晶圆制程发展方向 | 技术专栏
qiushiyuan | 2021-01-11 10:58:34    阅读:3149   发布文章

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Gary Wu摄于贵州黄果树坝陵河大桥

刘剑滨学长,主要研究方向为集成电路、物联网技术应用及产业化。现为无锡浙江大学校友会副会长,求是缘半导体联盟会员。


摘要:摩尔时代集成电路产业追寻更小、更密、更快的方向发展,导致费用、人才、技术门槛极高,形成垄断。集成电路产业正在从摩尔时代迈入后摩尔时代,产业发展向高度集成、分散应用、多产品样式、材料多样性、淡化线宽和尺寸的方向发展。基于晶圆制程是制约我国集成电路产业发展瓶颈的现状,建议融合台湾技术与人才,集中资金和人力主攻8寸晶圆制程,对12寸晶圆制程采取紧盯策略,实现我国集成电路产业的全面健康有序发展。


近年智能手机、人工智能、仿生机器人、物联网、MEMS等各类行业应用飞速发展,集成电路发展从传统的追求更小、更密、更快,向定制化、异构化、可升级、低功耗、低成本等各种差异化方向发展,集成电路产业正在从摩尔时代迈入后摩尔时代。认清后摩尔时代的产业特点,选择合适的发展方向,对推动我国集成电路产业健康有序发展,保障国家战略安全具有非常重要的意义[1]


摩尔时代集成电路产业发展状况


1958年,美国德州仪器(TI)生产出第一款工业级集成电路至今近70年,全球集成电路产业发展基本遵循1956年英特尔创始人戈登•摩尔提出的摩尔定律:集成电路上所集成的电路的数目,每隔18个月就翻一番;微处理器的性能每隔18个月提高一倍,而价格下降一倍;用一美元所能买到的计算机性能,每隔18个月翻两番。摩尔定律引导集成电路行业往更小、更密、更快的方向发展,也遇到了越来越高的门槛和障碍,限制了行业发展,带来如下困境。


(1)先进晶圆厂的建设费用高涨,7nm及以下工艺晶圆厂的建设费用超百亿美元,极少的企业或国家能承担此费用。


(2)先进工艺的流片成本高涨,7nm及以下工艺的流片费用超千万美元,给新产品的研发带来极高成本和风险。


(3)先进设计、先进工艺,需要大量高学历、丰富经验的优秀工程师,从业门槛高。


(4)产品具有迭代性,后进入者会遇到专利壁垒,引发专利战,限制了技术创新。


摩尔时代的产业特性使产业的集中度在世界范围内逐步提高,形成少数垄断企业,垄断区域,垄断国家。2017年,全球集成电路产业4700亿美元营收中,十大跨国公司占据80%营收,具有不可撼动的垄断地位。细化到产业链各环节看,集中度更为明显:EDA设计软件领域,美国Mentor、Cadence和Synopsys占据90%以上的市场份额,处于绝对垄断地位;设计领域前10强,除了排名第4的联发科(中国台湾),排名第5的海思(中国大陆),排名第9的展锐(中国大陆),排名第10的联永科技(中国台湾),其余6家Broadcom、Qualcomm、NAVIDIA、AMD、Xilinx、Marvell全部是美国公司,美国公司占据70%的份额;流片代工领域,台湾的台积电占据49.2%份额,韩国三星占据18%份额,美国格罗方德占据8.7%份额;封装测试领域,前三名则分别是台湾的日月光,美国的安靠,中国大陆的长电科技,该细分领域中国台湾居于垄断地位,中国大陆紧跟其后;集成电路基础材料,则是日本居于垄断;高端设备领域,荷兰ASML在光刻机领域绝对领先,其他刻蚀、注入机、沉积等设备,日本和美国具有垄断地位。


摩尔时代集成电路产业的垄断性,使得包括中国在内的后发国家在追寻摩尔定律往更小、更密、更快的方向发展,追赶美国等先进国家地区极其困难。此外,集成电路进入10nm工艺后,传统技术理论逐步失效,单纯靠减小线宽、增加器件密度、提高运算速度的摩尔定律遇到了瓶颈,发展滞缓[2] [3]


后摩尔时代集成电路产业特性及发展趋势


智能手机、人工智能、仿生机器人、物联网、MEMS等应用的飞速发展,对集成电路的要求复杂化。集成电路要求定制化、集成化、可升级、低功耗、低成本,甚至需要植入生物体等,而非简单的更小、更密、更快,都对集成电路的技术发展提出了新的要求。摩尔定律已经无法适应新形势的发展,产业界最近几年提出了“超越摩尔定律”,进入后摩尔时代,产业发展思路发生改变,并为后进国家提供了弯道超车的机会[4] [5]。后摩尔时代集成电路产业具有如下特性。


(1)高度集成,在单颗集成电路上实现整个系统功能,包括电源、处理器、存储器、传感器、无源元件、有源器件、****和接收器等。


(2)分散应用,应用场景从单一的电子信息行业,跨入包括生物医****、化学、机械在内的多行业,具有定制化、多品种、小批量的趋势。


(3)多产品样式,将异质的数字和非数字功能集成到一个紧凑的系统中,从传统摩尔时代的标准样式,发展出SOC、SIP、PIP,3D立体封装等异形结构。


(4)材料多样化,集成电路应用材料从单一硅锗材料,到磁性材料、压电材料、有机材料,甚至生物材料等新材料。


(5)淡化对线宽和尺寸的追求,不再盲目追求高成本的小纳米线宽和大晶园尺寸。


基于上述技术特点,后摩尔时代与摩尔时代相比,集成电路产业发展具有如下趋势。


(1)“超越摩尔定律”与摩尔定律,不构成替代及竞争,两者应用领域不同,协同发展。


(2)集成电路的发展从摩尔时代单纯依靠电子产业,转而涉及更多横向产业,如新材料、光学、生物学、热学等,产业的发展从单一追求深度向同步追求广度发展。


(3)摩尔时代,集成电路应用单一,主要是计算和存储,个别龙头企业可垄断全行业;而后摩尔时代,应用场景剧增及碎片化,应用差异大,需要众多差异性的企业。


(4)后摩尔时代,大量新应用,使得集成电路技术创新从追求更小、更密、更快的单一创新,转向更广泛的创新,得以避开传统竞争领域的专利障碍。


(5)后摩尔时代,可以在门槛相对较低的微米尺寸以及较小尺寸的晶圆上实现流片,对晶圆工厂的要求大大降低,从而降低了集成电路产业化的门槛。


我国集成电路产业现状


我国集成电路产业诞生于六十年代,1965年第一块集成电路诞生,发展经历波折。2018年,中国集成电路市场规模1.3万亿人民币,同比增长9.3%,消费全球将近一半的集成电路,是全球规模最大,增长最快的市场,但产业发展不均衡,总体落后国际先进技术20年[6]


从中国整个集成电路产业链来看,上游设计领域发展较好,拥有世界排名第5的华为海思,排名第9的展锐,以及中兴微电子、华润矽科、士兰微等一大批优秀企业。中游晶圆制程,拥有中芯国际、华润上华、华虹半导体、上海先进、士兰微等一批具备一定实力的企业,目前国内投产12寸线8条,最先进制程为14nm,无论规模还是先进程度都远落后于全球排名1的台湾台积电,排名第2的台湾联华电子以及排名第3的韩国三星,是制约我国集成电路产业发展的瓶颈。下游IC封装、测试领域,我国则具备一定实力,长电科技世界排名第3,华天排名第6,封测能力全球第二,除了两家大陆封测企业,全球前十的企业其余8家都在中国台湾。外围EDA设计工具、精密设备、材料等方面,中国大陆及台湾则落后较多,追赶困难。


上述数据表明我国是全球举足轻重的集成电路消费大国和生产大国,但产业链发展不均衡,晶圆制程成为制约我国集成电路产业发展的瓶颈[7]


晶圆制程发展方向探究[8][9][10]


晶圆制程是制约我国集成电路产业发展的瓶颈,在晶圆制程选择上,传统摩尔时代追求更小、更密、更快,小纳米的12寸晶圆制程,但目前具有较大风险。


(1)产能过剩的风险


从全球晶圆厂产能建设情况来看,12寸晶圆厂是目前主流建设方向。图1展示了最近10年全球12寸晶圆厂的增长情况(数据来源IC insights),从2010年的73座,增加到2017年的108座,预计2020年底,全球12寸晶圆厂将达到117座,近10年年均增长5~10座。


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图1 近10年全球12寸线数量


按照目前单线产能5万片/月计算,2020年全球12寸晶圆产能将达到海量的600万片/月。12寸晶圆目前主要用于标准工艺生产,主要集中在处理器(CPU、GPU)、存储器等领域,服务少数大客户,容易出现周期性波动。韩国三星近10余年通过逆操作,在产能过剩期反向加大产能投资,获得了绝对的霸主地位,但三星周期性的经历巨亏,需要政府输血的行为,并不具备可复制性。2009-2017年,全球关闭了92条线,其中就包括了9条最先进的12寸线,产能过剩风险是12寸线面临的最大风险,值得政府及投资人警惕。


(2)投产周期长、风险大、易烂尾


一条12寸线要发挥作用,从建设开始,到生产运转,到批次良率稳定,至少需要5年以上的打磨的,所以才有集成电路产业10年磨一剑的说法。人们要消除厂房盖好、设备进场、人员满编、样品出来,即算完工的误区。国内某条12寸线,从样品出来到磨合量产商用,足足用了3年时间,至今良率仍远不如台积电。


目前我国稳定运行的12寸晶圆厂有12座,除了中芯国际的3座,其他皆为外资。2019年,有15座12寸晶圆厂在建,投资额合计4400亿元,在建产能超过80万/月。在建12寸晶圆厂中,一半以上是国内企业,除了中芯国际和华虹有12寸量产经验,其他包括华力微、晋华、长鑫、紫光等都是新入企业。对于12寸晶圆厂这种投产周期5年以上,资金上百亿,运行精度高,需要数百名专业工程师维护的项目,众多环节中出现一个纰漏,就会带来整条线的停工或良率下降,因此风险极高。


(3)人才缺失风险


12寸晶圆厂对人才技术经验要求高,国内在建的12寸线,将严重缺乏有经验的工艺工程师。丰富经验的工程师,主要集中在台湾地区及韩国,引入较困难。


后摩尔时代集成电路产业特性及发展趋势表明,看似落后的微米工艺,8寸晶圆制程反而在传感器、物联网、模拟电路领域应用更广,发展前景更好。


表1 2018年全球8寸晶圆产能前十工厂

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如表1所示,中国大陆8寸晶圆领域并不落后,拥有中芯国际、华虹这类代表企业,是可以努力追赶成为国际领头的。后摩尔时代,为了应对下游多样化的应用需求,需要低成本、快速响应、定制化的产品,8寸晶圆的建厂成本、晶圆成本、生产周期等,相较12寸晶圆具有明显优势,因此未来需求更大。建议采用如下策略。


(1)集中资金和人力主攻8寸晶圆制程,对12寸晶圆制程采取紧盯策略,试点运行,不宜大面积推广。具备下列两个条件再铺开12寸:国内8寸晶圆发展壮大,培育出大量有管理、技术、工艺经验的工程师及管理人员;在下游应用客户中涌现一大批国内12寸晶圆用户,为产能找到自主可控的出口。


(2)台湾地区在该领域拥有全球73%的产能,拥有台积电、联华电子这样的头部企业,台湾企业的核心价值在于拥有一大批有经验的工程师。目前,台湾地区的产能近半数已投资到中国大陆,并带来了近10万的工程技术人员。发挥两岸关系,引进和融入台湾人才,通过人才带来技术,实现两岸互助共赢[11]


总结


集成电路产业正在从摩尔时代迈入后摩尔时代,晶圆制程成为制约我国集成电路产业发展的瓶颈。在晶圆制程选择上,传统摩尔时代追求的更小、更密、更快,小纳米12寸晶圆制程具有产能过剩、投产风险大、人才缺失的风险,而看似落后的微米8寸晶圆制程反而发展前景更好。本文建议(1)集中资金和人力主攻8寸晶圆制程,对12寸晶圆制程采取紧盯策略,试点运行,等国内8寸晶圆发展壮大,培育出大量工程师及管理人员,应用领域培育出12寸晶圆的用户,再发展小纳米12寸晶圆制程也将比较顺利。(2)台湾是全球集成电路晶圆制程的高地,发挥两岸关系,融合台湾技术与人才,实现两岸互助共赢。


最后,致谢中电海康无锡科技有限公司程学农院长、华润微电子有限公司研发总监赵海、无锡市半导体行业协会(WXSIA)、江苏省半导体行业协会(JSSIA)等专家给予的探讨与支持。


参考文献: 

[1]田恬.超越摩尔定律[J].科技导报,2014,32(07):11+3. 

[2]张百尚,商惠敏.国内外芯片产业技术现状与趋势分析[J].科技管理研究,2019,39(17):131-134. 

[3]王一鸣.集成电路芯片产业分工模式的新演进与模块化研发[J].科学管理研究,2019,37(03):65-69. 

[4]赖凡,徐学良,蔡明理.试析“超越摩尔定律”的技术[J].微电子学,2012,42(05):706-709.

[5]孙玲,黎明,吴华强,周鹏,黄森,张丽佳,潘庆,李建军,张兆田.后摩尔时代的微电子研究前沿与发展趋势[J/OL].中国科学基金:1-8.

[6]李传志.我国集成电路产业链:国际竞争力、制约因素和发展路径[J].山西财经大学学报,2020,42(04):61-79. 

[7]刘建丽,李先军.当前促进中国集成电路产业技术突围的路径分析[J].财经智库,2019,4(04):42-57+142. 

[8]张竞扬.7nm半导体的制程技术分析[J].集成电路应用,2017,34(02):47-50.

[9]马钰婷.从英特尔10纳米出货看芯片产业发展[J].上海信息化,2019(06):40-44. 

[10]雷瑾亮,张剑,马晓辉.集成电路产业形态的演变和发展机遇[J].中国科技论坛,2013(07):34-39. 

[11]刘剑滨.地方应用型本科高校产教融合发展路径探索[J].教育现代化,2019,6(68):107-111.


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