芯片产业的挑战与机遇

芯片产业的挑战与机遇谢志峰 | Intel最高成就奖得主、中芯国际创始人之一陈大明 | 中国科学院上海科技查新咨询中心副主任建设世界科技强国，对于集成电路行业而言，就需要牢牢构建起全面发展的合力，建构完整的产业链。清醒的判断，往往源自强烈的危机意识，2018年美国挑起的“封芯”事件让国人进一步深刻认识到自主创新的重要意义。中国制造的发展依赖创新驱动，创新驱动的根本在于增强自主创新能力，对于集成电路行业发展来说更是如此。2017年，中国大陆的集成电路年进口额已达2601.43亿美元，比上一年增长14.6％，金额远超原油的1623.28亿美元。在物联网、下一代移动通信、超大规模数据中心、智能汽车、人工智能发展的大背景下，“芯”动力迎来了新机遇。随着应用终端的不断迭代和转变，车用芯片、医用芯片等行业应用细分需求将迎来新一轮的快速增长。在新一轮的竞争中，中国无疑是最大的市场，再加上北斗系统等国家战略支持，未来可期。极限挑战

不谋全局者，不足谋一域。集成电路的发展需要国家战略协同。在聚合、叠加、倍增效应作用下，集成电路的发展日新月异，应用变动弗居。对于大多数应用领域来说，转型升级是发展的唯一出路，而41

集成电路的开发则是转型升级的强大动力。新市场的发展、新技术的开发，需要最大限度凝聚信心、智慧和力量，而这首先又源自对于技术和市场融合态势的准确认知。

2018年，台积电在硅谷的年度技术研讨会上宣布其7纳米节点进入量产，采用极紫外光刻的制造将于2019年初量产，并就新封装技术进行了说明。根据台积电在研讨会上的发布，2018年上半年就投片了50多个设计案，包括CPU、GPU、人工智能加速器芯片、加密货币采矿专用集成电路芯片、网络芯片、游戏芯片、5G芯片以及车用集成电路。与16

纳米的工艺相较，7纳米节点能提升35％的速度或节省功耗65％，闸极密度提升3倍。将采用极紫外光刻微影的N7+节点，能将闸极密度进一步提升20％、功耗再降10％。“即使是在整个行业不断努力研发突破的前提下，我们也还是会在21世纪20年代初期达到2～3纳米的芯片工艺极限。”这是原国际半导体技术发展路线图组织主席保罗•加尔吉尼（Paolo Gargini）的判断。然而，在逼近摩尔定律的极限时，各种新兴的概念已经产生，这些新概念或设想大体上有三类：第一类是材料和光源、波段等要素的改进，例如

利用锗替代硅，或者利用纳米线、碳纳米管以及石墨烯等碳基材料来替代硅基。第二类是42结构上的改进，其中以从二维向三维结构的演进为代表，同时“纳米级真空通道晶体管”的概念也已提出。第三类是工艺上的优化，其中随着封装技术的演进，集成系统级芯片（实现两颗裸晶间的10纳米以下互联）的概念也已推出，系统级芯片和系统级封装或将有融合的空间。

从要素的角度看，除了材料本身（例如将芯片中的铜替换成钴）和光刻机所使用的激光光源等变化外，人们也开始进一步关注集成硅光子。以往，专业晶圆厂通常基于磷化铟制造光子器件，采用3英寸或4英寸晶圆，其工艺也与硅基器件有所不同。光子的波长比电子的大，因而电子产品向7纳米节点进军时，标准硅光子器件处在130纳米或180纳米节点。光学器件对相位比较敏感，侧壁粗糙度和损耗也很重要，因而决定光学器件的核心是光刻和蚀刻的质量。此外，CMOS工艺能否适用、纯锗的生长（锗作为探测器）、集成方法的优化、利用等离子体激活的直接连接的集体芯片转移工艺，以及光子设计等，都需要进一步的优化。

从晶体管的结构设计来看，早期电子设备的发展源于真空管，后来为晶体管所取代。当晶体管尺寸逼近物理极限时，人们再次将目光投向了真空管——将真空管和晶体管“合二为一”成为纳米级真空通道晶体管。真空通道晶体管或将比普通硅晶体管快10倍，且更耐高温和辐射，成为耐辐射深空通信、高频器件和太赫兹电子等应用中理想的晶体管。在真空通道晶体管中，电子穿过填充有惰性气体的“准真空”间隙行进，以非常高的速度移动，或可快速进行操作，远超任何固态设备的范围。在美国国家航空航天局（NASA）的艾姆斯研究中心，真空通道晶体管的开发已成为其着眼点。未来，介于无线电波和光波之间的太赫兹波段（波长范围为0.03～3毫米，电磁频谱上频率为0.1～10THz），因其穿透性强、使用安全性高、定向性好、带宽高等特点，或可广泛应用于国防、通信、医疗等领域。然而，要应用较毫米波的波长更短、频率和分辨率更高的太赫兹技术，面临着芯片制造难题：其频率或是当前硅晶体管能够达到的最高频率的数倍至10倍，而真空通道晶体管的开发或可解决这些难题。从芯片架构的设计来看，随着人工智能加速发展，业界又开始重新审视以往开发的存储器式运算架构。存储器式运算或比图像处理器（GPU）有更高的运算速度，由此实现存储处理器（processor in mem-ory，PIM）的开发。人工智能的热潮，随着相变存储器、电阻式存储器和自旋磁存储器等新兴存储器开发，或将带来全新的数据存储方式。此外，以

与模式发展本身同样重要，或者更为重要的是，看清方向后要有“板凳要坐十年冷”的持之以恒，才能夯实芯片产业发展的根基。三维的方式进行构建架构，即迭代加速

把之前在硅片表面进行的平面刻蚀技术转变成多层刻蚀技物联网、云计算、智能制术，再把这些刻蚀出的薄层硅造、人工智能等已经掀开集成进行堆叠，也已成为热点。半电路应用发展的新篇章。在新导体研究公司物理学家托马斯•市场中，芯片与终端软硬件的泰斯（Thomas Theis）指出，融合将进一步加深。终端硬件“一旦人们从技术上的思维定势的标准化、通用化、模块化，中走出来，就会发现其实还有与芯片设计的高性能、低功巨 大的研究空间有待发掘。”耗、高可靠性要求，意味着技从工艺优化的角度来看，术重点也将有所变化。例如，原子层沉积和原子层刻蚀等技对于物联网等新市场来说，封术的综合运用，或将带来新的装技术也将更为重要，以台积解决方案，实现原子尺寸上的电生产的智能手机芯片的晶圆无差别掌控。目前，原子层沉级扇出型封装、晶圆上晶圆积工艺已被广泛应用，反应物（wafer-on-wafer，WoW）泵入腔室铺满表面后，清除化（利用该技术可以直接以打线学物质并重复泵入，由此硅分的方式堆叠三颗裸晶）等为代子均匀而致密地吸附在金属物表，新技术或将在“超越摩尔”表面，并在有氧环境中生成二的进程中发挥更大作用。

氧化硅，最终非常均匀地在所新的市场需要新的技术，有图形表面致密地淀积二氧化新的技术成就新的商业模式。硅薄膜。在原子层刻蚀工艺在传统模式中，集成电路企业中，硅表面均匀吸附氯元素的发展重点倾向于规模效应的后，接触等离子体以激活氯，实现，因而通用化是其重心。从而在原子尺寸尺度下有序刻然而，在新的市场竞争中，下蚀。在该工艺中，离子能量需游增值服务的高昂利润或是各要精准控制，以免能量太大溅企业竞争的重点，由此芯片产射掉硅原子，或是能量太小无品性能和市场竞争的维度都已法有效传递。有了变化：从产品性能来看，除了集成度提升带来的性能升级外，芯片的可靠性和功耗性能也已成为同样重要的参数，追逐增值服务的应用集成服务商或将在这些性能的集成上追求极致；从市场竞争来看，应用场景的服务体验中，除了对产品本身的极致追求外，“时间就是金钱”的追求必须要求芯片开发全面加速。新技术和新市场孕育着新业态。下游行业的技术升级，离不开集成电路，因而不少行业转方式、调结构的核心任务和提质增效升级，专用集成电路的发展都是重要的主攻方向和突破口之一。这个方向与其他方向一样，只有坚持走自主创新道路，才能破解被跨国企业“卡脖子”的瓶颈。在这条路上，技术创新、模式创新和管理创新或将有更为深度的融合。集成电路的新市场和新模式，也带来了新的竞争。随着移动通信、物联网和智能时代的到来，芯片的“赛道”从原来“单车道”扩展至“多车道”，而其他各个行业中越来越多的“赛车手”也挤入了集成电路的新赛道。其中，互联网企业的芯片开发投入较为典型。目前，谷歌、阿里巴巴、微软等互联网企业，以及苹果、华为和小米等移动终端企业已经纷纷加入。其中，谷歌以数据中心部署的自主设计深度学习加速芯片TPU为切入点，已在图像处理、深度学习推理43

和训练等领域的芯片布局中领先。阿里巴巴在研发人工智能加速芯片Ali-NPU的同时，已经收购了大规模量产自主嵌入式CPU知识产权模块的物联网芯片企业中天微，投资了专注人工智能芯片的寒武纪、软件定义网络芯片企业Barefoot

Networks公司、专注安防的芯片及应用开发企业深鉴科技、主打轻量级的神经网络处理单元芯片企业耐能（Kneron）、智能终端芯片企业翱捷科技等，并在达摩院组建了芯片技术团队进行人工智能芯片的自主研发。微软以其自主设计的ToF传感器芯片（用于Xbox

Kinect 2）、HPU协处理器芯片（用于HoloLens）、MCU芯片（用于 Azure Sphere物联网平台，与联发科合作开发），已布局未来。这些企业的入局，标志着芯片行业进入了异构计算的发展时代。在此之前，在增加出货量、设计复用性的导向下，通用平台式芯片是集成电路行业巨头的主攻方向，沿着摩尔定律的路径优化工艺、提升芯片性能是最为核心的策略。不过，从移动终端的快速发展开始，根据应用做专用设计、依靠架构改进来提升性能的“异构计算”成为重要的方向，尤其是随着物联网、可穿戴设备、虚拟现实和增强现实等的发展，应用场景生态系统的构建需要多样性的产品，以满足差异化的用户需求，由此来实现服务44增值。多样性的产品需求，也许会加速产品迭代。更为差异化的需求，除了对性能的极致要求外，也意味着需要有理智的上市时间。由此，继制造外包后，设计外包的业态也将发生变化：芯片厂商完成架构设计，可以交给有丰富物理版图设计经验的设计服务企业去完成。在这一体系中，后者的竞争力就是细节上的经验积累，而双方的共同目标就是尽量缩短完成芯片设计的周期。

由此，未来专用集成电路的创新大门已经打开，垂直融合的模式将聚集更多的目光：下游的增值服务商依托大量的用户、广阔的市场和高额的资金，在上游寻找优质、高效的差异化的战略合作伙伴。垂直融合模式，与垂直分工模式有所区别：垂直分工模式依靠“微笑曲线”中间加工环节的规模效应，推动了产业链的分工；垂直融合模式则主要发生在“微笑曲线”的两端，利用下游的高利润率来弥补上游研发成本，带动产品化的加速。

无论是英特尔的垂直一体化、IBM的横向整合，还是台积电的垂直分工、ARM的授权模块，本质上都是通用化与专用化、规模经济与时间成本相平衡的结果，而适应发展的最终评价标准终究还是整个产品线

的开发效益，由此构成了可不断升级的生态系统。新一轮的应用革命蓄势待发，下游行业的新业态正在孕育，但是我国集成电路关键领域、核心技术受制于人的格局还没有从根本上改变，创新能力尤其是原创能力还需大力加强。在全球的产业生态系统中，中国14亿人口的庞大市场已经构成了巨大的消费能级，北斗系统等战略建设为智能汽车等下游应用提供了支持条件，这意味着垂直融合、开源合作等新商业模式将有更大的发挥空间，进而带动全球新模式的发展。与模式发展本身同样重要，或者更为重要的是，看清方向后要有“板凳要坐十年冷”的持之以恒，才能夯实芯片产业发展的根基。“芯”的机遇浩渺行无极，扬帆但信风。“芯”的动力是过去60年全球计算技术发展的源动力。得益于摩尔定律的推动，从大型计算机，到小型计算机，到台式计算机和笔记本电脑，再到智能手机，以及未来的物联网器件，终端产品越来越小，产品性能越来越高，用户体验越来越方便，功能使用越来越简单，产品价格越来越便宜。集成电路各环节的发展都与科技

创新息息相关，只有发动自主创新的引擎，才能有自信、有力量、有未来地立足于全球竞争。只有补上我们的短板，激活我们的潜能，才能照亮我们的道路，点燃我们的希望。初

的发展是集自然科学、高新技术、工程学、经济学、社会学新一轮的应用革命蓄势待发，下游行业的新和管理学等多学科于一体的推业态正在孕育，但是我国集成电路关键领动结果。集成电路的垂直分工域、核心技术受制于人的格局还没有从根本与整合，也就是行业的组织管理，是60载行业发展的必要路上改变，创新能力尤其是原创能力还需大力径。组织管理与技术管理的协加强。同，其成果标志是新一代的生产工艺；组织管理与市场管理的协同，其成果标志是合理的订单生产；组织管理、技术管理和市场管理的协同，其成果心不改、矢志不渝，便有了中站在历史与未来的交汇标志则是集成电路产业链的协国芯发展的坚实基础，也就有点，集成电路与其他应用的汇同发展。无论是对于领先者还了风雨无阻、一往无前的发展聚，孕育着新一轮的科技革命是后来者而言，这都是把握动力。 潜力。随着新器件的涌现，更“芯”机遇的必由之路。把握下一轮的“芯”机遇，高效的算法和系统结构需要得机遇千载难逢，机遇稍纵成为全球各界的共识。美国的到相应开发：量子计算机或可即逝。建设世界科技强国，对半导体工业联盟和半导体研究高效率地使用量子退火算法来于集成电路行业而言，就需要联盟在其联合发布的《半导体解决机器学习中的最优化问牢牢构建起全面发展的合力，研究机遇：行业愿景与指南》题；忆阻器（memristor）如能建构完整的产业链。今天集成报告中，将人工智能、物联网在存储器中应用对数据进行操电路行业每个人的努力，正在和超级计算等列为未来集成电作，取代冯•诺依曼架构的新计改变中国的智能发展生态，在路和应用创新的关键，并且指算结构或也将涌现。面对“芯”你追我赶中共同创造着属于中出以下14个领域为下一轮发展机遇，矢志于铸造中国“芯”的国芯的未来。国家要强大、行的关键：从业者不能有任何迟疑、任何业要发展、消费有升级，离不（1）先进的材料、器件和懈怠，必须把发展的主动权握开“芯”的动力，而“芯”动力则封装 （2）互联的技术和架构 在手里。源于每一位从业者之“心。（3）智能内存与存储 （4）电历史是过去的现实，现实源功率管理（5）传感和通信系是未来的历史。这是一个新的统（6）分布式计算和网络 起点，也是一场新的奋斗，一（7）认知计算 （8）仿生计算次新的进军。无论是历史的经和存储 （9）先进的架构及算法 验，还是各国（地区）的政策版权声明：本文作者系Intel最高成就奖得主、中芯国际创始人之一谢志峰与中国科学院上海科技查新咨询中心副主任陈（10）安全与隐私 （11）设计规划，或者未来的技术挑战，大明。 深入了解更多关于芯片产业的内容请阅谢志峰、陈大工具、方法和测试 （12）下一都表明了集成电路发展源头协明所著，上海科学技术出版社出版的《芯事》。代制造模式 （13）环保、安全同创新的重要性。但是，这并的材料和工艺 （14）创新的检不仅仅是技术本身的问题。过测方法 去的发展经验表明，集成电路45