王陽元院士談中國集成電路的發展_風聞
半导体行业观察-半导体行业观察官方账号-专注观察全球半导体最新资讯、技术前沿、发展趋势。2021-06-29 08:37
源：文章轉載自《科技導報》，作者：王陽元，謝謝。日前，一條#院士説不解決卡脖子問題死不瞑目#的話題衝上熱搜榜單，網友紛紛在話題下留言致敬偉大的科學家，這位引發網友熱議的院士就是微納電子學家王陽元。
對於如何推進中國集成電路產業發展，王陽元院士在《科技導報》第3期發表的《掌握規律，創新驅動，紮實推進中國集成電路產業發展》給出了他的見解，論文論述了總結了集成電路投資、技術和市場的發展規律，分析了中國集成電路產業的現狀、產業能力和產業短板，給出了今後集成電路基礎研究和生產技術的發展方向。
以下內容節選自本文第一部分“集成電路產業的規律性研究”。
當前，中國集成電路產業的發展正處於機遇與挑戰既同在又都有新變化的歷史時期，如何抓住機遇、應對挑戰，首先要清晰地認識集成電路科學、技術和產業的發展規律，才能有效地利用和配置人、財、物等各種資源，使其產生最大價值，在滿足市場需求和國際競爭的博弈中沿着正確的道路高速發展。
世間萬物發展皆有規律，循規者興，罔規者怠，違規者誡，逆規者亡。社會發展與技術進步，莫不如是。
對未知事物需要探尋或預測其規律，對已知事物需要總結並踐行其規律。
1958年發明的集成電路，迄今已逾甲子。在這60餘年的發展軌跡中，集成電路技術及其產業顯現出如下特點和發展規律。
集成電路產業具有戰略性和市場性的特徵
當今世界正處於“百年未有之大變局”時代，在重塑信息時代的世界格局中，集成電路扮演了舉足輕重的角色。
關鍵的、核心的集成電路可以成就一個新興企業乃至一個產業，也可以讓這個企業或產業的前進腳步突然停止。華為的“麒麟”和相關5G產品與美國的較量即是一例。
兩彈的戰略性表現於“有限需求”，其“市場”應用的可能性甚微；而集成電路的戰略性恰恰表現於“市場”，即產品生態鏈建設的深度與廣度。
集成電路的生態鏈越深（即電子信息產品對其他產業的影響深度，系統軟件和應用軟件的開發深度）、越廣（即涉及生產與生活的廣度，使用信息產品人羣的廣度），其戰略性的表現也愈加凸顯。
集成電路的市場性源於兩個方面，一是人們對信息產品不斷增長的需求，二是其生產規模。
一條300 mm晶片生產線的集成電路年產量為109~1010數量級，2019年，中國共生產集成電路2.018×1011個，進口4.451×1011個，而當今世界核武器大國存儲的核武器數量僅為103數量級。
如果沒有龐大的市場需求和市場消化，1010數量級的集成電路產品無法維持集成電路生產線的正常運轉。
就生產鏈而言，同具有戰略性的核武器與集成電路均是各種材料在各種設備上通過不同工藝製造形成的集合，但核武器的研發與製造是不需要通過市場交易的、獨立自主的封閉形態；而集成電路生產鏈則表現為開放的特徵，即上千種材料和上百台套的設備只能實現部分自主供給，其餘部分需要通過市場交換完成。
在市場交換的過程中，任何一種材料、一種設備都可能成為制約競爭者的手段，如日本的氟聚酰亞胺、氟化氫、光刻膠“斷供”韓國，荷蘭阿斯麥爾公司（ASML）的極紫外（EUV）曝光機不能獲得出口中國的許可，台積電的工藝不能為華為代工等。
也就是説，集成電路生產鏈中也存在着無數具有戰略性特徵的環節，而集成電路產品又是無數信息產品中戰略性特徵的核心。
對於“要不來”“買不來”“討不來”的關鍵核心技術，必須憑藉舉國體制的優勢來攻堅克難，努力培育戰略科技力量和戰略儲備能力；對於集成電路生產線所需的一般性材料和設備，正如習近平總書記於2020年9月11日在科學家座談會上的講話所説：“我們要更加主動地融入全球創新網絡，在開放合作中提升自身科技創新能力。越是面臨封鎖打壓，越不能搞自我封閉、自我隔絕，而是要實施更加開放包容、互惠共享的國際科技合作戰略。”
集成電路投資具有密集性和持續性的特徵
集成電路產業投資的特點是投資巨大、投資連續和長期回報。因此，集成電路生產線建設一定不能遍地開花。
投資強度高且日趨集中
以Intel、三星和台積電近年來的資本支出為例，2017年起，3個企業每年資本支出均超過100億美元，其中三星電子的資本支出更是超過200億美元，相當於組建一個包括航母（含艦載機）、巡洋艦、驅逐艦與核潛艇組成的中型航母戰鬥羣的造價（150億~200億美元）。
這種高強度投資導致了行業日趨集中於少數企業，形成了“大者恒大、強者恆強”的局面。
2002—2003年，採用130 nm工藝的企業有26家；2016年，採用16/14 nm工藝加工的集成電路企業鋭減為7家，其中包括中國的中芯國際和華虹；到2018年，具有10 nm加工能力的企業只剩下三星、台積電和Intel這3家。
根據Intel資料補充整理
因此，這種進入門檻極高的產業，尤其是集成電路生產線的建設，一定要在政策的指導下以及政府的規劃與牽頭下進行投資，低水平的重複建設只會造成資源的浪費。
世界排名前5的半導體企業，其資本支出之和佔全部半導體企業資本支出的比例一直呈增長趨勢。
20世紀90年代中期，該比例為25%；2010年，該比例超過50%；2012年以後，該比例超過60%，並向70%的方向發展。
來源：IC Insights
其啓示是，發展集成電路產業一定要將有限的資源集中使用，才能充分產生可期望的效益，一定要有統籌全局的規劃和調控舉措，堅決避免無視投資規律、僅憑主觀願望就匆匆“上馬”不切實際的建設項目的狀況，從而避免“村村點火，户户冒煙”的“小而散”現象，甚至“爛尾工程”的出現。
投資要有持續增長的能力
1）建設新生產線
集成電路產業的投資不是“一錘子買賣”，不是一次投資就可以成為表現“工作業績”的資本，更不是急於求得高額回報的短期商業行為。
決不能在技術、產品、市場、人才及設備均不成熟的條件下，就審批項目、開工建廠。
對於台積電這樣的代工廠（foundry）而言，其主要投資用於建設生產線和進行工藝開發；對於Intel和三星這樣的“集成器件製造商”（IDM）而言，除建設工廠和開發工藝外，其部分投資還用於產品設計和產品開發。
隨着集成電路工藝水平的不斷提高，自20世紀70年代至今，集成電路生產線建設的投資逐年增加。
2012年，建設一條300 mm硅片、32 nm工藝、月產35000片晶片的生產線，其工藝加工設備費用為30億美元，工藝檢測及晶片傳輸設備費用為2.2億美元，超純水、特種氣體、電力及空氣淨化設施費用為2.4億美元，2.2萬m2廠房（不含土地費用）建設費用為0.4億美元（僅佔總投資1.1%），合計35億美元。
2017年，建一條7 nm工藝的生產線費用達到了54億美元；2022年，建一條5~3 nm工藝生產線的費用預計將高達200~250億美元。
2）開發新工藝
廠房建成，設備就位，不等於生產線能夠正常運轉，還必須要在生產線上開發適應生產線運行並保證產品一定成品率的工藝。
如果每道工藝的成品率為99%，則經過N道工藝後，產品成品率就僅有0.99n。假設N=50，則最終成品率僅為60%，仍然達不到企業運轉進入良性循環的要求。
為此，要對每道工序進行反覆試驗和調校，直至得到最佳工藝參數。這一過程需要投入大量人力和物力，是研發工藝必要的投資和成本。
當某個技術節點的工藝達到成熟並可進行量產時，工藝研發人員又需開發下一技術節點的工藝，否則，既不能滿足市場需求，又有可能被競爭對手超越。
180 nm工藝的研發費用為1.39億美元；28 nm工藝的研發費用增長5.7倍，至7.96億美元；而14 nm工藝的研發費用進一步上升，達到24.96億美元。
這就是集成電路產業需要持續投資的原因所在。
3）開發新產品
集成電路生產鏈大致可以分為3個環節：設計、製造和封裝。
除包含了全部生產環節的IDM企業外，在企業形態上還有獨立的無生產線的設計企業（Fabless）、僅提供代工生產的代工企業和僅進行封裝的封裝企業。
無論是IDM還是Fabless，都需要對產品設計投入必要的研發資金。隨着工藝技術的進步，相應的產品設計成本也在逐年增加。
適合65 nm工藝的主流產品設計成本為0.29億美元；28 nm產品的設計成本漲至0.7億美元；當加工工藝達到20 nm時，每個芯片上所集成的晶體管數以億計，其設計複雜度隨之增加，設計成本也達到2.3億美元。
根據International Business Strategies（IBS）數據整理
當今，7 nm工藝的產品已實現量產，其設計成本達到4.46億美元，其中電子設計自動化（EDA）軟件成本約佔45%，預計5 nm集成電路產品的設計成本約為6.2億美元，3 nm工藝GPU的設計成本將超過15億美元。
集成電路市場具有延展性和波動性的特徵
無所不在的應用市場
集成電路最初的市場是政府和軍方，20世紀70年代起，企業成為集成電路應用的主力。
21世紀初，各種電子信息產品的出現，使得個人消費羣體成為構築集成電路市場的主流。
由於集成電路可以集信息獲取、存儲、處理、傳輸和執行功能於一身，其應用範圍已經滲透到當今社會的每一個角落，正在迅速地改變着人類的生產和生活方式。
北斗衞星可以精確地授時和導航，高鐵的建成迅速縮短城際間的距離，從青海發射的導彈經過近3000 km的飛行可以準確擊中位於南海的靶標，無人駕駛汽車在不遠的將來將行駛於大街小巷，數字貨幣替代現金已經在中國成為主要的支付手段，在手機上出示健康碼成為疫情期間出入公共場所的必要條件，網紅可以“直播帶貨”，某些總統也喜好“推特治國”。
不斷增長的系統需求是集成電路市場持續延展的強勁動力。
週期性波動的集成電路市場
自1981年IBM的個人計算機（PC）問世後，催生了個人電腦的市場，集成電路市場也隨之逐步擴大，但PC尚未進入普通家庭，能夠使用電腦的人羣還屬小眾，集成電路市場總額在1000億美元以內。
自20世紀90年代中期個人電子信息產品（例如，彩電、錄音機、數碼相機、尋呼機、移動電話等）的逐漸普及後，集成電路市場隨之逐漸突破了2000億美元。
其後，隨着移動網絡和智能手機的進一步普及，從2017年起，世界半導體市場總額（集成電路市場約佔半導體市場的85%）達到了4000億美元以上。
在2020年12月初，世界半導體貿易統計組織（WSTS）預測，2020年世界半導體市場為4331.45億美元。
世界集成電路市場的增長率一直呈週期性的波動狀態，表現為每10年左右的增長率大致呈現“M”型態勢，在兩個峯值（峯值大小的絕對值不盡相同，出現的時間也有前有後）之間有一個低谷存在。
低谷出現的原因有：宏觀經濟的影響，如地區性或全球性的經濟危機和經濟衰退；部分電子信息系統產品的需求飽和，半導體產品銷售隨之萎縮；低迷時期生產廠商加大的產能顯現，出現供大於求，產品價格下跌。
在半導體市場增長率呈低谷時，是生產商增加投入的最佳時期。
集成電路技術具有革命性和規律性的特徵
集成電路技術的革命性
集成電路市場的不斷擴大源於集成技術革命性的進步。
在人類社會的發展中，信息存儲、信息處理和信息傳輸經歷了人工時代、機械時代和電子時代3個革命性的歷史階段，當今，“電子”成為了信息存儲、處理和傳輸的主體，集成電路則是承載和控制“電子”運行的主要載體，成為了信息技術革命的主力軍。
在電子管和晶體管時代，作為無源器件的電阻、電容和電感由不同材料製成，而在集成電路中，有源和無源器件均由同一半導體材料構成，這是又一次革命性的轉變。
集成電路的發明人基爾比（Jack S. Kilby）在2001年訪問北京大學時，曾對筆者説：“由於電容、電阻、晶體管等所有部件都可以用一種材料製造，我想可以先在一塊半導體材料上將它們做出來，然後進行互聯形成一個完整的電路。”
雖然基爾比的第1個集成電路樣品現在看起來非常粗糙、簡陋，第2個集成電路專利僅有1個晶體管和4個阻容元件，但其中藴含具有革命性意義的智慧卻值得我們深思、傳承和發揚光大。
正是有了由“一個晶體管”構築的集成電路思想火花，才有了今天數以億計晶體管集成在一個芯片上的中央處理器（CPU）、圖形處理器（GPU）、動態隨機存取存儲器（DRAM）、現場可編程門陣列（FPGA）、Flash等無數的集成電路產品。
在1958年基爾比申請了第1個集成電路專利後，仙童公司的諾伊斯申請了平面工藝製造的集成電路專利，為此後的集成電路平面工藝奠定了基礎。
2000年，加利福尼亞大學伯克利分校胡正明教授團隊發明了鰭式場效應晶體管（fin field effect transistor，FinFET），將集成電路製造工藝從2D推向了革命性的3D進程，使得集成電路製造工藝登上了歷史的新台階。
同樣，為了獲得更高的存儲密度，防止鄰近存儲單元之間的串擾（cross talk），自2015年起，NANDFlash的生產也採用Vertical Scaling 的堆疊技術開始轉入3D時代。
2018年，堆疊層數為96層Flash的存儲容量達到了1.33 TB四層式存儲單元（QLC，4 bit/cell）；2019年，東芝採用BiCS（bit cost scalable）工藝開發出112層、容量為512 Gb三層式存儲單元（TLC，3 bit/cell）的快閃存儲器。
在封裝領域，硅通孔（through silicon via，TSV）技術的應用可以使CPU、GPU、存儲器、傳感器等不同種類的芯片以3D方式封裝在一塊集成電路當中。
採用浸沒式、多圖形曝光的方法，可以用波長193 nm的光源實現20~14 nm工藝產品的生產。採用“大馬士革”工藝實現了銅代替鋁的互連。
60餘年來，每一項具有革命性技術的發明都成為了集成電路產業發展的驅動器。
集成電路應用的革命性
集成電路因其廣泛的應用，使得許多領域產生了革命性變化。
（1）鑑於新冠疫情的影響，2020年11月20日，亞太經合組織（APEC）領導人非正式會議在雲端以視頻的方式進行。
（2）中國人民解放軍火箭軍於2015年12月31日正式成立。
2020年8月26日，一枚東風-26B彈道導彈與一枚東風-21D彈道導彈分別從青海、浙江2個不同方向射向解放軍在南海進行軍事演習的封鎖區域，並精準命中了移動靶標。
（3）同等亮度的LED燈比白熾燈節約了80%以上的能耗。
2010年，中國白熾燈產量和國內銷量分別為38.5億隻和10.7億隻。據中國照明學會測算，中國照明用電約佔全社會用電量的12%，如果把白熾燈全部替換為節能燈，可節用電480億kW·h，相當於減少4800萬t二氧化碳的排放。
2009年7月，聯合國秘書長潘基文在綠色照明項目簽字儀式上説：“改變一個燈泡，同時改變我們的思維方式，我們就可以改變整個世界。”
（4）以MP3格式來錄放聲音的電子信息產品使得唱片業（78轉、45轉、331/3轉的黑膠唱片）、磁帶式錄音機退出了歷史舞台。
（5）數字攝影、攝像（數碼相機，手機）顛覆了膠捲產業，市場上已不見了“柯達”“富士”“樂凱”等膠捲的蹤影。
（6）微信、短信、電子郵件替代了手寫書信，貼着郵票的信封和裏面的信件變成了歷史收藏；矗立在路旁的綠色郵筒和騎自行車穿梭於大街小巷的郵遞員成為了過去的事情。
（7）互聯網和電子信息的閲讀方式導致傳統紙媒發行率大幅下降。
2009年，第六次全國國民閲讀調查顯示，中國成年人報紙閲讀率為63.9%；而根據2018年第十六次全國國民閲讀調查的結果，報紙閲讀率降為35.1%。2012年，全國報紙零售發行量為3006.58萬份，到2014年下降到1568.77萬份，2年內下降了50%。
（8）2019年，全國網上零售總額達106324億元；至2020年6月，中國網絡購物用户達7.49億，網絡支付用户達8.05億。
（9）中國互聯網絡信息中心於2020年9月30日發佈了《第46次中國互聯網絡發展狀況統計報告》，至2020上半年，中國網民達到9.4億（城鎮6.54億，農村2.85億），互聯網普及率為67%。
在控制新冠疫情的過程中，遠程會診、非接觸體温檢測、“健康碼”一碼通行等舉措發揮了重要作用。
簡言之，集成電路的應用極大豐富了信息獲取的多樣性（聽覺、視覺、觸覺）、信息存儲的綜合性（文字、數據、圖像、音頻、視頻）、信息處理的複雜性（大數據、雲計算、人工智能）和信息傳輸的時效性與廣域性，開創了全新、全面革命的信息時代。
集成電路技術進步的規律性
1）集成電路市場增長率與GDP相關
從1975—2019年世界GDP增長率與世界半導體市場增長率的比較可以看出，兩個增長率之間存在較強的相關性。
這説明GDP總量直接影響着半導體產業的發展，反之，半導體產業的發展及其電子信息產業的發展又成為GDP總量漲落的重要因素。
世界半導體市場增長率與GDP增長率的關係
來源：世界銀行、WSTS
從2000—2019年中國GDP總量、中國電子信息產業銷售額、中國集成電路市場和中國集成電路產業銷售額的比較中，大致可以看出以下幾點：
（1）中國電子信息製造業的銷售額在2000年為GDP總量的13.28%，到2019年，該比例上升至17.59%，説明電子信息製造業一直呈快速發展態勢，這與中國已經成為電子信息產品製造大國息息相關。
（2）集成電路市場的增長曲線與電子信息產品銷售額的增長曲線呈平行關係，其比值一直接近1∶10。
（3）中國集成電路產業銷售額增長曲線的斜率逐漸大於集成電路市場增長曲線的斜率，説明國產集成電路在國內市場中的比例逐漸增大。
2）集成電路市場增長率與資本支出增長率相關
集成電路技術進步與市場擴展密切相關，而技術進步的基礎是研究開發，研發則需要巨大的資金投入。投資帶動研發，研發帶動新產品生產和相應投資，新產品帶動新的系統應用，新系統應用帶動集成電路市場的不斷增長。集成電路產業的資本支出增長率與集成電路市場增長率高度相關。
3）摩爾定律
1965 年4月19日，任職於仙童半導體公司（Fairchild Semiconductor）的戈登·摩爾（Gordon E. Moore）在《Electronics》雜誌上發表了《Cramming more components onto integrated circuits》一文，提出集成電路在最低元件成本下的複雜度大約每年增加一倍。
1975年，摩爾在電氣與電子工程師協會（IEEE）組織的IEDM會議上發表了題為《Progress In Digital Integrated Electronics》的論文，將上述每年增長一倍的推斷進行了修正，改為每兩年增長一倍。
這就是大家熟知的“摩爾定律”。
對於這個“定律”有兩點需要澄清：一是這個規律僅僅是摩爾預測的發展“規律”，並非物理學、數學等嚴格定義的科學“定律”；二是網傳集成電路上的晶體管數每18個月翻一番，只是對DRAM產品發展的統計規律，並不是戈登·摩爾本人的説法，他真實的説法是Intel CPU上的晶體管數每24個月翻一番。
4）每10年左右取得一代集成電路技術進步
隨着主流光刻技術光源波長的縮短，集成電路主流設計工具、加工特徵尺寸、硅圓片直徑、主要封裝形式等技術約每10年左右取得一代明顯的進步。
以下兩圖從不同角度統計，都説明集成電路從最初研發到批量生產需要10年的時間跨度。
