“芯病”怎么治？我们离“中国芯”有多远？

芯片有多重要？国产芯片和发达国家的芯片差距有多大？我们离“中国芯”有多远？芯片的发展趋势如何？7月20日在珠江科学大讲堂上，广东省半导体产业研究院黎子兰博士分析了中国半导体芯片困局和发展趋势。

芯片有多重要？

就像社会的“神经系统”

芯片是“何方神圣”？为何如此重要？广东省半导体产业研究院黎子兰博士表示，“它实际上起到了现代社会神经系统的作用，如果把社会比喻为人，芯片就负责思考、感知、通讯，甚至控制着一部分的能源，比如功率芯片控制了电能、电压、交流、直流等，因此对现代社会非常关键”。

黎子兰表示，未来所有的产业发展方向，相当部分是由半导体芯片支撑实现的，“比如物联网、5G、汽车电子、人工智能AI、AR、VR、区块链都需要半导体芯片”，他表示，以汽车和手机为例，电子产品在汽车中分布广泛，汽车电子占汽车成本的比例逐年提升。有资料显示，汽车电子占整车的成本达30%以上，未来随着电动汽车和无人驾驶技术的成熟，汽车电子所占的成本将达到50%以上，成为汽车智能化的关键部分。智能手机基本上是由芯片和显示屏等部件组成，“中国生产了全球77%的手机，并且拥有多家领先品牌，作为优势产业，却只有3%的芯片是国产”。

未来的电动汽车对半导体的需求激增，功率半导体首当其冲，目前基本依赖进口

有资料显示，2017年中国芯片的进口额高达2600亿美元，超过原油位列进口产品第一，但国产芯片仅占国内市场份额10%左右。

国产芯片和发达国家的芯片

差距有多大？

全球电子产业生态系统

“国产芯片和发达国家的差距是多方面的、立体的”，黎子兰向南都记者表示，中国的电子产品制造业仅次于美国，但是电子产品的芯片却严重依赖进口。“不论是芯片的设计、生产设备，还是制造材料、制造工艺等都存在很大差距”，黎子兰说。

芯片的设计离不开设计软件即EDA，全球前三大的EDA企业都是美国企业，有数据显示，美国的设计公司在市场占比高达69%。设备上，全球最重要的半导体设备光刻机是荷兰生产，但设备所需的部分核心零部件是美国厂商生产。硅片是制作集成电路的重要材料，通过对硅片进行光刻、离子注入等手段，可以制成集成电路和各种半导体器件。日本在半导体生产材料上优势明显，有资料显示，世界前两名集成电路用硅片制造商是日本信越和SUMCO，占全球60%以上；这两家企业生产的大尺寸硅片（200毫米和300毫米）占全球的70%以上，形成绝对垄断和极高的技术壁垒。

我们离“中国芯”有多远？

我们离“中国芯”还有多远？黎子兰表示，华为的麒麟芯片很了不起，但是半导体芯片行业覆盖面广，细分领域多，光有一个麒麟芯片，或是某个点的突破是不够的，需要很多方面，大家共同的努力。“如果有一天，我们能够生产出很多的芯片和产品，别人不得不用的时候，中国的芯片就崛起了，如果能够做到你中有我，我中有你，大家都离不开的时候，"中国芯"就到来了”。

“全球半导体芯片产业竞争最终比拼的是创新的效率，”黎子兰分析道，“如果你的产品性能只有其他产品的一半，还停留在上一个技术阶段，就卖不动了”。

发展半导体产业是产业转型升级的必经之路，“目前人工智能很重要的一个企业是半导体芯片企业英伟达，因为人工智能对计算能力要求非常高”，黎子兰说，但半导体产业关联广泛，“目前我国与发达国家在各领域都存有差距，全面追赶上有一定挑战”。

如何实现“中国芯”？黎子兰表示，首先要进行合作，半导体行业是全球顶尖专家几十年的共同结晶，没有任何一个国家在全产业链都做到完全自主，求创新、求突破，首先要寻求合作。然后是创新，“创新是最有用的，在创新中做出全新的或更强的产品，别人的产品才可能基于我们的产品和技术”，黎子兰说，“创新几乎是唯一的道路”。

未来

半导体的发展趋势

半导体芯片涉及不同的材料和功用，根据未来应用的方向，分成很多种类型，最大的类别是数字电路，还有诉求多元、功能为王的类别，包括模拟电路、分离电路、光电等。

“数字电路的主旋律是微缩，对于数字电路，器件越小，数目越多，开关速度越快。而数字电路从一个技术代演进到另一个技术代，大概只花两年时间，”2004年左右最先进的工艺尺寸是65纳米，现在最先进的技术已达10纳米，“红细胞是7000纳米，而半导体器件最核心的特征尺寸已经达到10纳米，数字电路微缩是对设备和工艺的极限挑战”，黎子兰说。

微缩：数字电路的主旋律

器件的微缩还导致结构向三维方向发展，这是数字电路的第二个趋势。“三种重要的数字芯片Logic、DRAM和FLASH，特征都是三维，今天三星推出的最新产品是96层，这实在太了不起了”，黎子兰表示。1965年英特尔创始人之一高登·摩尔曾表示，芯片的晶体管数目每两年翻一番。“摩尔定律其实是对数字电路微缩规律的总结”，黎子兰说，“至今摩尔定律已问世50多年，意味着至少翻了25次方，一个芯片上的晶体管数量最多超过100亿颗，可以实现非常强大的功能。”

高登·摩尔（Intel创始人之一）曾表示，芯片的晶体管数目每两年翻一番

另外一类是诉求多元、功能为王的第一、二、三代半导体，包括模拟电路、分离电路、光电等。“因为应用广泛，这一块对经济的重要性不亚于数字电路，在很多方面都起到重要作用”，黎子兰表示。

新的材料可以大幅提高原有产品的性能，或实现原来无法实现的功能。第三代半导体材料(如GaN)在光电显示、电力电子、RF器件等方面极具潜力和前景。Si功率器件已到极限，第三代半导体刚兴起，所使用的GaN功率器件品质因子是Si的1130倍，“GaN功率器件将带来电力电子的革命”，黎子兰说。

“未来会超越摩尔定律，提高性能和实现新的功能”，黎子兰表示，从以往单纯追求微缩，开始转变为实现新的不同功能，“例如在microLED显示、通讯基站和雷达电子等领域，通过材料、器件结构等创新实现更加庞大和先进的功能，这是半导体芯片创新的重点，也是机遇，而且对设备的要求没有那么夸张”，例如，从九十年代商业蓝光LED出现开始，GaN材料开始引起公众关注，应用越来越广泛。“但数字芯片和其他类型的芯片不是分离发展，另外一个重要趋势就是将它们在系统级别进行 更强的整合”。

“总而言之，半导体芯片的未来是微缩、超越微缩和融合”，黎子兰表示。

半导体芯片发展趋势

背景

关键核心技术是国之重器

习近平总书记在7月13日召开的中央财经委员会第二次会议上指出，关键核心技术是国之重器，对推动我国经济高质量发展、保障国家安全都具有十分重要的意义，必须切实提高我国关键核心技术创新能力，把科技发展主动权牢牢掌握在自己手里，为我国发展提供有力科技保障。随着人工智能、物联网崛起，半导体芯片迎来了前所未有的黄金时期。我国要大力发展新一代信息技术、高端装备制造、绿色低碳、生物医药、数字经济、新材料、海洋经济等战略性新兴产业，必须掌握半导体芯片的核心关键技术。