中國(guó)工程院院士、浙江大學(xué)微納電子學(xué)院院長(zhǎng) 吳漢明

 

中國(guó)工程院院士吳漢明指出，后摩爾時(shí)代，產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展趨緩，但另一方面，對(duì)于中國(guó)，創(chuàng)新的空間和追趕機(jī)會(huì)正在增加。最近國(guó)內(nèi)的企業(yè)在裝備上投入了不少資源，使得我們的裝備也有一些開(kāi)始進(jìn)入大生產(chǎn)線的能力，像包括刻蝕、CVD、熱處理、CMP、清洗機(jī)等等，開(kāi)始進(jìn)入芯片制造大生產(chǎn)線。

 

這意味著中國(guó)國(guó)產(chǎn)芯片發(fā)展迎來(lái)黃金時(shí)期。過(guò)去已經(jīng)有本土制造企業(yè)實(shí)現(xiàn)了14nm芯片的量產(chǎn)，在國(guó)際貿(mào)易多變的當(dāng)下，如果這一次能實(shí)現(xiàn)完全的自主可控，對(duì)中國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的意義是非常大的。

 

以28nm為分界線，芯片制造分為先進(jìn)和成熟兩種工藝，制程越小，意味著單顆芯片所集成的晶體管數(shù)量越多，工藝也越先進(jìn)。14nm屬于先進(jìn)工藝芯片，但相比于半導(dǎo)體競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)——3nm、5nm來(lái)說(shuō)，它仍然是一種成熟的技術(shù)。

 

當(dāng)下，越來(lái)越多的業(yè)內(nèi)人發(fā)現(xiàn)，一些相對(duì)成熟的芯片正成為產(chǎn)業(yè)需求的焦點(diǎn)，在物聯(lián)網(wǎng)興起、半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移、摩爾定律趨緩的背景之下，這一次14nm芯片若能自主量產(chǎn)，它的產(chǎn)業(yè)意義，遠(yuǎn)大于學(xué)術(shù)、技術(shù)意義。

 

 

從應(yīng)用上看，14nm芯片主要用于高端消費(fèi)電子產(chǎn)品、人工智能芯片、應(yīng)用處理器、車載電子等，這類芯片正在電子領(lǐng)域大量流通。國(guó)際上，2015年格羅方德公司在實(shí)現(xiàn)14nm的量產(chǎn)，2017年聯(lián)華電子實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。本土企業(yè)也具備一定量產(chǎn)能力，2019年，國(guó)產(chǎn)代工廠中芯國(guó)際實(shí)現(xiàn)14nm芯片的量產(chǎn)。

 

吳漢明認(rèn)為，當(dāng)前芯片制造工藝面臨三大挑戰(zhàn)，第一，圖形轉(zhuǎn)移的挑戰(zhàn)，當(dāng)下主要先進(jìn)工藝都是用波長(zhǎng)193nm的光源，曝光出20nm-30nm的圖形，現(xiàn)在集成電路的光刻工程師卻能用波長(zhǎng)193nm的光源曝光出數(shù)十納米的圖形，突破了光學(xué)的限制。

 

第二，新材料的挑戰(zhàn)。芯片的性能提升主要依賴新材料和新工藝。至今，大約有銅、鍺等64種材料陸續(xù)進(jìn)入芯片制造，每一種材料都需要數(shù)千次工藝實(shí)驗(yàn)。

 

第三，提升良率的挑戰(zhàn)，吳漢明指出，這也是所有芯片制造企業(yè)的終極挑戰(zhàn)，只有量產(chǎn)且通過(guò)一定良率的工藝才能被稱為成熟的成套工藝。

 

目前集成電路產(chǎn)業(yè)鏈的總體分為四大塊：設(shè)計(jì)、IP和EDA技術(shù)架構(gòu)、裝備材料、芯片制造。吳漢明指出，“放眼中國(guó)的集成電路產(chǎn)業(yè)鏈建設(shè)，光刻機(jī)、檢測(cè)等裝備是主要需要攻關(guān)的方向。”

 

對(duì)于14nm芯片，國(guó)內(nèi)是有能力量產(chǎn)的，雖然國(guó)產(chǎn)能力正受到國(guó)際貿(mào)易波動(dòng)的限制，但是可以說(shuō)中國(guó)對(duì)14nm的量產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)掌握。將14nm芯片完全國(guó)產(chǎn)化的任務(wù)，是必要又迫切的。

 

在物聯(lián)網(wǎng)興起的背景下，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)正在發(fā)生轉(zhuǎn)移。

 

當(dāng)連接不只在人與人之間，人類生產(chǎn)、生活領(lǐng)域的各種物品都能實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)，并與人連接起來(lái)，人類社會(huì)將出現(xiàn)什么樣革命性的變化。人們對(duì)物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的預(yù)想正在成為現(xiàn)實(shí)，而這當(dāng)中，工業(yè)、汽車、醫(yī)療設(shè)備的開(kāi)發(fā)，將激發(fā)大量基礎(chǔ)元器件的需求，這些元器件將成為供應(yīng)鏈中不可或缺的關(guān)鍵一環(huán)。

 

宏觀來(lái)看，萬(wàn)物互聯(lián)、物聯(lián)網(wǎng)的爆發(fā)，正在代替原有以手機(jī)為中心的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，芯片作為基礎(chǔ)元器件，它的供給側(cè)正悄然發(fā)生變化，這種變化之下，產(chǎn)業(yè)對(duì)14nm的需求將會(huì)非常大。

 

從產(chǎn)業(yè)上看，智能硬件成本的下降，應(yīng)用的適配，讓智能終端正規(guī)?；⑵毡榛剡M(jìn)入個(gè)人和家庭生活，物聯(lián)網(wǎng)也進(jìn)入了產(chǎn)業(yè)增長(zhǎng)期。數(shù)據(jù)顯示，人均持有智能終端數(shù)量在2010年是1.84個(gè)，至2020年增長(zhǎng)到6.58個(gè)。

 

從消費(fèi)者需求端和購(gòu)買意愿來(lái)看，中國(guó)擁有龐大的智能硬件市場(chǎng)，在2020年，中國(guó)物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)規(guī)模已經(jīng)超過(guò)萬(wàn)億元，根據(jù)IDC數(shù)據(jù)，在2024年中國(guó)物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)支出預(yù)計(jì)將達(dá)到3000億美元。

 

政策上看，國(guó)家正推進(jìn)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)數(shù)字化的進(jìn)程，包括《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃（2021-2023年）》、《5G應(yīng)用“揚(yáng)帆”行動(dòng)計(jì)劃（2021-2023年）》，以及《中華人民共和國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》里也都提出了對(duì)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的要求。而在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中，自動(dòng)化、智能化的流水線，以水利系統(tǒng)智慧城市的建立會(huì)需要大量的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，從而激發(fā)對(duì)基礎(chǔ)元器件的需求。

 

中國(guó)是芯片的需求大國(guó)，占全球芯片需求量的45%。從半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的數(shù)據(jù)上看，以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)為場(chǎng)景的芯片增速上漲。

 

 

在物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的所有芯片中，14nm芯片正在成為需求的焦點(diǎn)。

 

物聯(lián)網(wǎng)被大量應(yīng)用在汽車、工業(yè)等制造業(yè)中，這些場(chǎng)景對(duì)芯片的工藝要求并不高，但對(duì)性價(jià)比、可靠性要求很高，這恰恰是14nm能滿足的。例如，汽車芯片，需要長(zhǎng)期驗(yàn)證、高可靠性、適應(yīng)各種極端條件，但是并不需要芯片像搭載手機(jī)里一樣，必須微縮至5nm、7nm。

 

物聯(lián)網(wǎng)所需的芯片用量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于消費(fèi)電子，而且對(duì)芯片的制程和工藝要求比手機(jī)低很多。為了研制下一代手機(jī)芯片，國(guó)際大廠在制程上追趕5nm、3nm，將摩爾定律逼至極限，但一些車用、工業(yè)用的芯片甚至只需要14nm、28nm、45nm工藝水平，它對(duì)性價(jià)比的要求是更高的，對(duì)芯片適配業(yè)務(wù)、適應(yīng)場(chǎng)景的能力要求也更高。

 

當(dāng)前，這一波大規(guī)模的全球芯片短缺潮，自去年下半年來(lái)，疫情以及隨之而來(lái)的自然災(zāi)害，日本工廠火災(zāi)、美國(guó)暴雪、東南亞封國(guó)等，正在讓全球芯片供應(yīng)了承受很大的壓力，首先是供給端開(kāi)始收縮，上下游之間的溝通效率降低、代工廠轉(zhuǎn)單速度變慢，又逢2020年下半年電子產(chǎn)業(yè)的需求開(kāi)始復(fù)蘇。

 

這些現(xiàn)象恰恰在車用、工業(yè)用的芯片中表現(xiàn)十分突出。去年下半年，車用芯片首先開(kāi)始告急，然后發(fā)展到工業(yè)芯片、家居行業(yè)的芯片，半導(dǎo)體供應(yīng)鏈上，從代工、涉及到封裝都進(jìn)入了短缺狀態(tài)。這種全線緊張的局面在芯片歷史上幾乎從未有過(guò)，而缺貨的產(chǎn)品，很多是依賴于14nm工藝的芯片。

 

吳漢明認(rèn)為，芯片產(chǎn)業(yè)面臨的主要挑戰(zhàn)是產(chǎn)業(yè)鏈太長(zhǎng)、太寬，它必然依賴于全球的流通和全球化的正是因?yàn)檫@種流通，使得集成電路才能沿著摩爾定律發(fā)展到當(dāng)今欣欣向榮的狀態(tài)。

 

 

14nm的重要性并非只在產(chǎn)業(yè)實(shí)踐中體現(xiàn)。當(dāng)下，行至極限的摩爾定律也在告訴我們這樣一個(gè)事實(shí)：

 

摩爾定律是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的基本規(guī)律，即單位面積芯片上的晶體管數(shù)量每?jī)赡昴軐?shí)現(xiàn)翻番。摩爾定律延伸的結(jié)果是，芯片的成本在幾十年內(nèi)降低了百萬(wàn)倍，給社會(huì)經(jīng)濟(jì)帶來(lái)巨大的效益。

 

吳漢明認(rèn)為，整個(gè)集成電路產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展最核心的四個(gè)要點(diǎn)，就是體積小、功能多、耗電小和成本低。

 

吳漢明指出，上世紀(jì)70年代，晶體管價(jià)格1美元/個(gè)，這個(gè)價(jià)格如今能購(gòu)買上萬(wàn)個(gè)晶體管，如今一部手機(jī)中的芯片，加起來(lái)有百億級(jí)規(guī)模的晶體管，若回到上世紀(jì)70年代，同樣一部手機(jī)要花費(fèi)百億美元。

 

吳漢明表示，從晶體管的不斷增加來(lái)看，產(chǎn)業(yè)仍然在遵循著摩爾定律，但是從單位成本來(lái)看，在2014年左右，芯片工藝演進(jìn)至28nm時(shí)，100萬(wàn)晶體管的價(jià)格大約是2.7美分，當(dāng)演進(jìn)到20nm時(shí)，價(jià)格反而漲到2.9美分，晶體管的漲價(jià)現(xiàn)象，已經(jīng)違背了當(dāng)初的摩爾定律。從經(jīng)濟(jì)的角度來(lái)看，這是摩爾定律正在趨緩的表現(xiàn)。

 

當(dāng)前，為了研制下一代手機(jī)芯片，國(guó)際大廠在制程上追趕5nm、3nm，將摩爾定律逼至極限，但一些車用、工業(yè)用的芯片甚至只需要14nm、28nm、45nm工藝水平。

 

從2020年全世界的集成電路的產(chǎn)品來(lái)看，采用10nm節(jié)點(diǎn)以下的品類只占17%，83%的產(chǎn)品都采用相對(duì)成熟的技術(shù)節(jié)點(diǎn)，應(yīng)該高度重視相對(duì)成熟的工藝技術(shù)。

 

根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，在2019年上半年，半導(dǎo)體銷售的市場(chǎng)規(guī)模約為2000億美元，其中65％芯片采用14nm制程工藝?？梢哉f(shuō)14nm仍將是絕大多數(shù)中高端芯片的主流制程，是當(dāng)前最具市場(chǎng)價(jià)值的制程工藝之一。

 

吳漢明指出，后摩爾時(shí)代的產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展趨緩，創(chuàng)新空間和追趕機(jī)會(huì)大，我們一定要重視本土化和產(chǎn)能（至少增長(zhǎng)率要高于全球平均增長(zhǎng)率），樹立產(chǎn)業(yè)技術(shù)導(dǎo)向的科技文化。因此希望有個(gè)舉國(guó)體制下新型市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)體系的公共技術(shù)研發(fā)平臺(tái)建設(shè)。

 

未來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)的崛起、產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)移、摩爾定律的趨緩，意味著產(chǎn)業(yè)可以用14nm滿足一般性的芯片需要，重新降維設(shè)計(jì)產(chǎn)品，國(guó)產(chǎn)芯片制造產(chǎn)業(yè)鏈將出現(xiàn)新的發(fā)展機(jī)遇。