摘要：5G是引領未來科技發(fā)展的基礎通信技術，更是經(jīng)濟和社會發(fā)展的基礎保障。5G芯片技術及其行業(yè)發(fā)展將會是這場科技浪潮的重點。在5G和人工智能（AI）等技術促進設備連接數(shù)量和規(guī)模爆發(fā)式增長的同時，人工智能物聯(lián)網(wǎng)（AIoT）、新型終端、新能源/無人駕駛汽車等新興領域都對芯片技術提出了新的要求。 在傳統(tǒng)摩爾定律下，尺寸微縮逼近物理與經(jīng)濟極限，新型器件、先進封裝、第3代半導體等新技術和新材料將引領半導體產(chǎn)業(yè)走向新的產(chǎn)業(yè)格局。

關鍵詞：5G；芯片；創(chuàng)新機遇

Abstract： 5G is the basic communication technology leading the future development of science and technology， as well as the basic guarantee of economic and social development. 5G chip technology and its industry development will be the focus of this wave of science and technology. While 5G， artificial intelligence （AI） and other technologies promote the explosive growth of the number and scale of device connections， emerging fields such as artificial intelligence Internet of Things （AIoT）， new terminals， new energy/ driverless vehicles all put forward new requirements for chips. With the traditional Moores Law， size reducion is approaching the physical and economic limits. New technologies and new materials such as new devices， advanced packaging， and third generation semiconductors will lead the semiconductor industry to a new industrial pattern.

Keywords： 5G； chip； innovation opportunity

1 5G促進半導體產(chǎn)業(yè)升級

2020年4月，在中國國家發(fā)展和改革委員會的新聞發(fā)布會上，“新基建”的范圍首次被明確。作為新基建七大領域之首，5G在拉動投資、促進產(chǎn)業(yè)升級、培育經(jīng)濟發(fā)展新動能等方面潛力巨大，未來將為新基建提供強大的智能引擎。

目前，5G正進入加速發(fā)展期。全球移動通信系統(tǒng)協(xié)會（GSMA）的最新報告顯示，全球已有47個國家發(fā)布106張5G商用網(wǎng)絡，有409家全球運營商投資5G網(wǎng)絡。中國的5G網(wǎng)絡建設位于全球前列。截至目前，中國累計建設的5G基站數(shù)量超過71.8萬個，占全球基站總數(shù)的70%。權威機構預測，2025年中國將會有8.07億個智能終端和80億個物聯(lián)網(wǎng)（IoT）連接，通信網(wǎng)絡產(chǎn)業(yè)將迎來新一輪發(fā)展契機。

GSMA最新發(fā)布的《2021年全球移動經(jīng)濟報告》顯示，到2025年底，5G連接數(shù)量將達到18億個，約占移動連接總數(shù)的20%。

通信產(chǎn)業(yè)每10年發(fā)展一代。相比于2G、3G和4G，5G擁有三大業(yè)務應用場景，并且業(yè)務需求已發(fā)生重大變化[1]。5G將深入各行各業(yè)，進一步解決物與物的聯(lián)接問題，促進產(chǎn)業(yè)的數(shù)字化轉型。新需求帶來端到端技術的變革，通信芯片將面臨新的挑戰(zhàn)。

（1）數(shù)據(jù)規(guī)模急劇增長

5G催生海量數(shù)據(jù)，需要提升計算力，釋放數(shù)據(jù)價值。5G海量物聯(lián)網(wǎng)的感知層、連接速率的提升和時延的降低，都將極大地驅(qū)動數(shù)據(jù)量增長。因此，通信芯片除了要具備通信功能外，還需要擁有強大的計算能力，以滿足云網(wǎng)融合下網(wǎng)絡架構深刻變革的需求。在“多系統(tǒng)、多場景、多業(yè)務”的云網(wǎng)業(yè)務需求和技術創(chuàng)新并行驅(qū)動下，云和網(wǎng)高度協(xié)同，互相支撐。在此背景下，云計算向著集中化和邊緣計算兩個方向發(fā)展，中心云向著通用化、更強的計算能力和人工智能（AI）訓練能力方向發(fā)展，邊緣云則向著領域定制、更高的能效和AI推理能力方向發(fā)展。網(wǎng)絡能力架構需要以計算和聯(lián)接為核心，這對通信芯片提出更高的智能化計算需求[2]。

（2）芯片設計復雜度不斷增加

以基帶芯片為例，5G通過復雜的編碼來實現(xiàn)頻譜利用率的提升。多通道、高頻率和大帶寬共同推動數(shù)據(jù)吞吐量的增加?；鶐酒枰獞獙?G多樣化的應用場景，兼顧低功耗訴求。這些都使得芯片設計變得非常復雜。

（3）上游芯片供應鏈面臨挑戰(zhàn)

受益于5G網(wǎng)絡，射頻前端模擬器件、面向邊緣計算的高性能處理器和光器件都具有廣闊的發(fā)展前景。然而，目前上游芯片供應鏈多樣化的供應能力有待加強。部分中國廠家雖然已經(jīng)具備一定的研發(fā)和生產(chǎn)能力，但是在產(chǎn)業(yè)規(guī)模商用和性能提升方面仍需要做進一步努力。

2 半導體技術創(chuàng)新發(fā)展趨勢

由于摩爾定律效應正在放緩，為了延續(xù)指數(shù)級的進化，業(yè)界和學界都做出大量嘗試。具體來看，架構設計更注重系統(tǒng)層面優(yōu)化和單位面積效能提升。系統(tǒng)廠家注重垂直整合，并通過系統(tǒng)集成芯片來獲取發(fā)展新動能，例如片上系統(tǒng)（SoC）和系統(tǒng)級封裝（SIP）。晶體管微縮在未來5年內(nèi)仍將持續(xù)。新材料、新封裝技術的發(fā)展，為摩爾定律的延續(xù)開辟了另一條道路。

晶體管微縮接近極限，驅(qū)動業(yè)界尋找其他路徑。目前，最先進的5 nm工藝制程已經(jīng)實現(xiàn)規(guī)模量產(chǎn)。為持續(xù)發(fā)展先進制程并給產(chǎn)業(yè)發(fā)展增添信心，在進入3 nm工藝制程后，全新的全環(huán)繞柵極（GAA）晶體管將替代鰭式場效應晶體管（FinFET），以解決制造難題，推動晶體管持續(xù)微縮。同時，設計工藝協(xié)同優(yōu)化（DTCO）、系統(tǒng)工藝協(xié)同優(yōu)化（STCO）等協(xié)同技術的引入，使得摩爾定律效應在未來5年仍得以延續(xù)。

然而，有數(shù)據(jù)顯示，先進工藝達到28 nm以后，將進入一個新的拐點：設計費用和單位芯片成本不降反升。一個5 nm工藝SoC芯片的設計費用，是16 nm工藝SoC芯片設計費用的5倍。高昂的設計費用和低良率問題，驅(qū)動著行業(yè)尋找其他路徑。

高級封裝技術將成為性能和成本持續(xù)優(yōu)化的另一創(chuàng)新路徑。靈活性和性價比也是芯片設計的重要考量因素，因此Chiplet方案獲得廣泛關注。Chiplet是將一塊大的單芯片拆分為多個小芯片，再通過高級封裝進行重組。它的優(yōu)勢是靈活性高、綜合成本低。不同功能的Die可以選擇不同的制造工藝。這種方案的Die良率更高，并且可以通過Die組合來滿足不同市場需求。結合Chiplet方案，2.5D/3D高級封裝技術的快速發(fā)展，將為芯片設計打開一扇新大門。

SoC架構的創(chuàng)新對芯片性能的提升起到關鍵作用。在架構設計時，設計師們需要在靈活性（可編程）和高效性（專用）之間做權衡。在多個異構處理單元組成的SoC中，領域定制SoC（DSSoC）方法有助于提升系統(tǒng)的開發(fā)和運行效率。DSSoC架構設計的五大技術目標包括：（1）感知計算資源和應用程序指令，跟蹤芯片間和芯片內(nèi)數(shù)據(jù)的智能調(diào)度；（2）采用完整、統(tǒng)一的工具鏈，提升編程效率；（3）完成應用到計算單元、內(nèi)存的最優(yōu)映射；（4）在計算單元之間構建低功耗、低延時的通信網(wǎng)絡；（5）快速集成異構的計算單元。

3 企業(yè)應對策略

創(chuàng)新是根本，并推動產(chǎn)業(yè)結構優(yōu)化升級。受益于5G行業(yè)市場的迅速發(fā)展，如物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)智能制造等，芯片的重要性日益凸顯，相關領域?qū)π酒男枨髮崿F(xiàn)突破性增長。芯片技術是5G技術的核心。對此，中興通訊堅持以產(chǎn)品為中心，聚焦核心技術創(chuàng)新，提升產(chǎn)業(yè)基礎集成電路（IC）能力；聚焦產(chǎn)品應用，借助中國通信產(chǎn)業(yè)市場地位發(fā)揮高水平系統(tǒng)技術能力；以龍頭企業(yè)在系統(tǒng)架構上進行創(chuàng)新驅(qū)動，構建開放式協(xié)同創(chuàng)新模式，聯(lián)動上下游多路徑發(fā)展。中興通訊一方面積極參與國際科技合作，采用業(yè)界先進技術持續(xù)提升競爭力；另一方面把握半導體技術由先進工藝轉向先進封裝/架構的技術轉折點，在成熟工藝上通過系統(tǒng)廠家的架構設計創(chuàng)新，構建產(chǎn)業(yè)發(fā)展新生態(tài)。

參考文獻

[1] 嚴斌峰， 袁曉靜， 胡博. 5G技術發(fā)展與行業(yè)應用探討 [J]. 中興通訊技術， 2019， 25（6）： 34-41. DOI： 10.12142/ZTETJ.201906006

[2] 王健， 鄭爽， 曹曉平. 智能硅基多維復用與處理芯片 [J]. 中興通訊技術， 2020， 26（2）： 51-63. DOI： 10.12142/ZTETJ.202002008

作者簡介

劉新陽，深圳市中興微電子技術有限公司副總經(jīng)理、中國通信學會通信專用集成電路委員會副主任委員、中國半導體行業(yè)協(xié)會集成電路設計分會理事會理事、集成電路產(chǎn)業(yè)技術創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟理事會理事，曾任中興通訊股份有限公司硬件研究所副所長、微電子研究院副院長、手機終端整體解決方案產(chǎn)品線產(chǎn)品總經(jīng)理；主要從事戰(zhàn)略和技術規(guī)劃、公共事務工作；擁有20余年通信集成電路設計經(jīng)驗，曾主持多個重大產(chǎn)品的研發(fā)項目，并完成產(chǎn)品的商用和批量交付。