中科院包雲崗：國產高端芯片量產在即，產業升級換“芯”指日可待-科工力量

中科院計算技術研究所副所長包雲崗博士

【文/包雲崗 編輯：科工力量 陳辰】

國產芯片製造技術進步明顯

數據顯示，2019年國內集成電路產業的產值超過7500億人民幣，2020年則達到了8848億元。而在整個產業發展過程中，集成電路製造行業取得的進步最為明顯。據包雲崗博士介紹，經過多年耕耘布建，目前國內集成電路產業已從高速發展階段向高質量發展轉型，正在研製14nm、28nm等先進製程工藝技術，能為國產芯片製造產業鏈帶來新機遇。

一方面，近年來，中國集成電路市場的迅速發展，推動了整個產業的進步與技術革新。隨着產品應用領域的專業化和細分化，國內在集成電路製造領域的技術水平不斷實現突破，比如在先進與特色工藝的研發和產業化等方面取得顯著了進展。

另一方面，全球集成電路產能向中國大陸轉移，將為國內集成電路產業實現跨越發展奠定重要基礎。目前，國內外多家廠商都在大陸規劃建設新增產能。而在諸多新增晶圓廠逐步建設完成後，中國大陸將在降低成本、擴大產能、地域便利性等方面具備更強有力的保障及支持。顯然，這對國內集成電路產業的整體發展及完善，起到極為重要的促進作用。

毫無疑問，集成電路是國民經濟和社會發展的戰略性、基礎性、先導性產業，是電子信息產業的核心。近年來，中國正在不斷出台產業政策，以市場化運作的方式推動集成電路產業的發展。比如2020年8月，國務院發佈了《新時期促進集成電路產業和軟件產業高質量發展的若干政策》，進一步明確了對集成電路產業尤其是製造業的支持。由此，國內集成電路產業發展及製造技術進步還有很大想象空間。

14nm芯片助力產業換“芯”升級

在眼下集成電路產業發展形勢下，國產芯片製造的快速進步振奮人心。2019年第四季度，國產14nm工藝芯片實現量產，到了今年3月良品率已經達到90%-95%，能應對下游大規模量產的需要。多位行業人士預測，國產14nm芯片各個環節會得到完善，實現規模量產可以期待。

包博士表示，國產14nm芯片攻克了許多技術難題，包括刻蝕機、薄膜沉積等關鍵裝備，後道封裝集成技術，拋光劑、濺射靶材等上百種關鍵材料，並批量應用在大生產線上。

此外，他還認為，中國半導體產業曾經遺憾地錯過一個黃金年代，目前國際半導體行業巨頭幾乎都在上世紀七八十年代起步，用漫長時間和巨量人才投入才換來現在的技術積累。但縱觀全球，只有美國有結構完整的計算機產業，英國、韓國、德國、法國等都只是各有所長。但現在除了美國之外，中國也已具備了構建全產業的潛力，但還需要多方努力。

在市場應用方面，智能手機已經進入應用5nm芯片的時代，14nm製程應用已經不多。但一段時間內，14nm仍然會成為國內絕大多數中高端芯片的主要製程。數據統計，2019年上半年，整個半導體銷售市場規模約為2000億美元。其中，65%芯片採用14nm製程工藝，25%左右採用10nm和12nm，僅10%左右的芯片採用7nm。

對此，包博士表示，14nm是當下應用最廣泛、最具市場價值的製程工藝，在AI芯片、高端處理器以及汽車等領域都具有很大的發展潛力，其中主要應用包含高端消費電子產品、高速運算、低階功率放大器、基頻、AI、新能源汽車等。

28nm芯片在新基建中大有可為

比起14nm製程工藝的突破，國產28nm芯片規模量產同樣意義非凡。據包博士介紹，28nm工藝是集成電路製造產能中劃分中低端與中高端的分界線。在當前的芯片種類裏，除了對功耗要求比較高的CPU、GPU、AI芯片外，其餘的工業級芯片都是用的28nm以上的技術，比如電視、空調、汽車、高鐵、火箭、衞星、工業機器人、電梯、醫療設備、智能手環以及無人機等等。

“由於集成電路製造還是以中低端產能為主，當前我國向中高端邁進的需求非常迫切。而一旦完全掌握了28nm技術，就意味着市場上絕大部分的芯片需求都不會被卡脖子了。”包博士説，28nm的優勢也比較明顯。在成本幾乎相同的情況下，使用28nm工藝製程可以給產品帶來更加良好的性能。例如與40nm工藝相比，28nm柵密度更高、晶體管的速度提升了約50%，每次開關時能耗減少了50%。由此，綜合考慮成本和技術因素，28nm製程在未來較長一段時間將成為中端主流工藝節點。

正因如此，國務院去年發佈了《新時期促進集成電路產業和軟件產業高質量發展若干政策的通知》，其中提到對28nm及以下的晶圓廠/企業加大税費優惠支持力度，增加對"中國鼓勵的集成電路線寬小於28nm（含），且經營期在15年以上的集成電路生產企業或項目，第一年至第十年免徵企業所得税"等內容。

在市場應用方面，包博士稱，國產28nm芯片國內市場廣闊。目前，國內芯片製造企業產能已基本全線利用，至少達到了98%。這是最近五年來產能利用率最高的一年。而隨着數字經濟快速發展，中國正在全力開展新基礎建設工程，對芯片的需求十分旺盛。雖然與5nm、7nm相比，28nm的工藝還有一定差距，但在5G、新能源汽車、特高壓、大數據中心、人工智能、工業互聯網等國家大力發展的領域中已經屬於成熟工藝，不論在成本還是在芯片功耗、功能與性能三大指標上，都是性價比最高的工藝製程。

根據調研機構IC insights發佈的《2020-2024年全球晶圓產能》報告顯示，2019年，10nm以下先進製程的芯片產能佔總產能的4.4%，而大於28nm的成熟製程產能則佔52%。因此，加快國產28nm芯片佈局，不僅有利於在這一領域站穩腳跟，而且在芯片國產替代和新基建大潮下大有可為。包博士指出，國內已經具備28nm技術節點完規模量產能力，在一些國產化關鍵設備和材料上取得不錯進展，但仍需加大研發投入。在集成電路各產業鏈環節，有些企業研發已經取得了不俗成就，有些企業的產品生產線上已經得到具體應用。與此同時，國內在一些細分領域還實現了顯著突破，比如在介質刻蝕領域已達到全球先進水平。

提高服務能力可加速技術迭代

芯片是通信信息產業的核心，應用前景巨大。對於國產芯片是否可以滿足包括5G通訊在內的通訊設備性能方面的需求，包博士表示，14nm芯片可以滿足5G通信、高性能計算等領域的大部分需求。此外，國內也在積極開發7nm等先進工藝製程芯片，未來將有效緩解高端芯片代工領域的對外依存狀況。

但芯片畢竟是硬件，只有在軟件層面充分調動芯片的性能，才可以體現芯片的價值。依據國際歷史經驗看，通過軟件的調試也可以改變芯片的特性。對此，包博士指出，“國內通訊運營商、設備提供商以及通訊方案服務商，也需要清楚當下芯片產業的變化，努力通過‘軟硬件結合’的模式創新服務方案、設備架構，以適應時代的變化發展。 ”今年4月，國內已經實現7nm芯片試產，取得了階段性成果。

至於芯片製造企業是不是應該把所有資源都投入去研製更先進工藝？包博士提示，國內也許應該分配足夠的資源來提升中低端工藝的服務能力，加大投入完善中低端工藝的生態，從設備、材料、單元庫、EDA、IP等都積累起來並打磨好，從而力爭在國際上形成市場競爭力。當中低端工藝能成為穩定的現金流來源，再去攻克高端工藝也許更有把握。

“中低端工藝對於國內企業已基本不存在大的技術壁壘，但這部分的收入卻和台積電等企業差距巨大。這是生態的差距，是服務能力的差距。相比研製先進工藝的投入，完善中低端工藝的投入要小得多，但收益卻可能會更顯著。 ”根據國內的流片經歷來看，芯片製造企業的服務能力的確還有很大提升空間。如果能進一步提高服務意識和服務能力，那將會吸引一大批鐵桿客户形成互信，從而加速技術的迭代優化。

國產中高端芯片未來可期

對於整個集成電路產業以及與芯片密切相關的數字通信、電子產業的看法，包博士認為，芯片作為未來工業真正的明珠，不僅是全球化最徹底的產業，也是全球最高級別的創新協作體系。現在，國內技術在滿足做大量普通芯片方面並不存在卡脖子，所謂的卡脖子是在頂級芯片領域被卡了脖子。但要實現突破，芯片產業需要同時具備充足的資本和技術儲備，建立一個全球創新的協作體系，以及清晰意識到芯片產業發展的規律：當前的自主研發是為了更好地融於全球市場，而不是脱離全球市場另起爐灶。

此外，除了我國芯片產業自身的奮力發展，其他相關領域如數字化、通訊以及電子產業，一定程度上也需要重新定義產業發展方向。在5G通訊快速發展的當下，相關產業要努力融於全球化產業體系，主動增加國際體系對國內產業的依賴性，從而提升自身話語權。

比如在開發通信產業方面，華為在4月舉辦的全球分析師大會上所傳遞出戰略：華為將“優化產業組合、增強產業韌性”開發相關軟件場景。從中可見，在當前“軟硬件結合”的產業體系中，這樣的戰略將保證華為繼續融於全球通訊體系。

對於國內集成電路產業發展現狀及形勢走向，包博士表示：一方面是因為當前國際形勢，使得中國下定決心大力發展集成電路產業，另一方面也是未來智能物聯網時代將會使芯片需求擴大一個數量級，甚至每年達到上千億顆的需求。但國內的芯片基礎較差是一個既定事實，必須承認。面對這樣的事實，如何去做、去滿足需求，才是可以真正體現中國企業家精神的地方。

毫無疑問，集成電路產業是資金密集、換代頻繁、人才尖端的全球前沿產業之一，技術難度高且試錯成本大。從美、日、韓、台等國家和地區集成電路產業發展歷程看，後發國家和地區趕超不會一蹴而就，需要有自主發展的決心、艱苦奮鬥的恆心、趕超成功的信心，更要有強大持續的資金、迭代演進的技術、素質達標的人才、產用聯動的市場。最終，集聚資本、技術、人才、市場四大合力要素，國產中高端芯片才可能成功實現趕超發展。

就國內目前的發展狀況而言，在國際形勢風雲變幻、數字經濟日新月異、產業轉型升級愈發緊迫以及新基建大潮來臨等情況下，國產中高端芯片的應用需求及前景勢必十分廣闊。另外，隨着5G和AIoT時代到來，尤其是在智慧城市、自動駕駛、安防物聯網等領域各項產品日趨豐富，芯片也逐漸專注於針對特殊場景的開發及優化，從而使得專用芯片即將迎來“百花齊放”時代。因此，在龐大的市場空間下，國產中高端芯片未來可期、大有可為！

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