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        后摩爾時(shí)代的特色工藝及中國發(fā)展機(jī)遇

        2022-05-30 10:48:04張波
        民主與科學(xué) 2022年5期
        關(guān)鍵詞:摩爾定律集成電路半導(dǎo)體

        張波

        我國是集成電路的市場大國,大部分市場被國外產(chǎn)品占據(jù),國產(chǎn)替代空間巨大;特色工藝產(chǎn)品與市場應(yīng)用緊密相關(guān),特殊的產(chǎn)品屬性給予了我們許多發(fā)展空間與突破口;目前復(fù)雜的國際政治與產(chǎn)業(yè)生態(tài),給自主可控芯片發(fā)展提供了改革開放40余年來前所未有的機(jī)遇;經(jīng)過幾代炎黃子孫的不懈努力,我們在特色工藝領(lǐng)域已具備加速發(fā)展的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)。在這些因素的協(xié)同作用下,相信我國特色工藝已具備最佳的發(fā)展機(jī)遇。

        半導(dǎo)體工藝技術(shù)的發(fā)展,怎么也繞不開摩爾定律。1965年,時(shí)任美國仙童半導(dǎo)體(Fairchild Semiconductor)公司研發(fā)主管的摩爾(Gordon E. Moore)博士為《電子學(xué)》雜志撰寫了一篇文章“Cramming More Components onto integrated circuits”,預(yù)測集成電路的集成度(單芯片集成晶體管數(shù)目)每年增加一倍。1975年,已參與創(chuàng)建英特爾(Intel)公司的摩爾博士在IEDM(國際電子器件年會)以“Progress in digital integrated electronics”為題做主題報(bào)告,進(jìn)一步將集成電路集成度的發(fā)展速度修訂為每兩年增加一倍。這就是半導(dǎo)體業(yè)界著名的“摩爾定律”(Moore's Law)。

        一、半導(dǎo)體行業(yè)進(jìn)入后摩爾時(shí)代

        摩爾定律自誕生以來一直指引著半導(dǎo)體工藝技術(shù)的發(fā)展,這也是英特爾公司很長一段時(shí)間堅(jiān)持兩年一代工藝和Tick-Tock發(fā)展戰(zhàn)略的主要依據(jù)。

        長期以來,集成電路集成度的提升依賴于工藝線寬的不斷縮小,從早期的10微米工藝線寬逐步縮小到現(xiàn)在的7納米、5納米工藝節(jié)點(diǎn),這是以摩爾定律為引領(lǐng)的單一維度創(chuàng)新發(fā)展。但隨著集成電路工藝線寬持續(xù)降低,特別是半導(dǎo)體微細(xì)加工工藝進(jìn)入納米尺度后,建廠成本、工藝研發(fā)和產(chǎn)品研制等費(fèi)用急劇增加。一條先進(jìn)的集成電路生產(chǎn)線建廠成本已高達(dá)150億~200億美元,超過新一代航空母艦(130億美元)或一座新核電站(40億~80億美元)的建設(shè)成本;一個(gè)采用5納米工藝節(jié)點(diǎn)的先進(jìn)集成電路產(chǎn)品開發(fā)成本也已超過5億美元。因此,從2005年開始,集成電路工藝技術(shù)逐漸從單一追求尺寸依賴的先進(jìn)工藝,向先進(jìn)工藝(More Moore)、非尺寸依賴的特色工藝(More than Moore)和先進(jìn)封裝(System in Package:SiP)三個(gè)維度并舉發(fā)展,半導(dǎo)體行業(yè)進(jìn)入后摩爾時(shí)代。

        二、半導(dǎo)體特色工藝

        More than Moore,國內(nèi)很多人稱之為“超越摩爾定律”,但這種直譯無法反映More than Moore的全部內(nèi)涵。根據(jù)More than Moore白皮書的定義:More than Moore是指不完全靠尺寸縮小,而是通過功能的增加,實(shí)現(xiàn)器件價(jià)值或者性能的提升。美國X-Fab公司是一家專注于More than Moore方向的國際著名半導(dǎo)體制造企業(yè),其對More than Moore的定義是:在CMOS工藝基礎(chǔ)上,采用特色技術(shù),集成模擬功能,以提升器件性能和性價(jià)比。

        在本文中,我們延續(xù)“極大規(guī)模集成電路制造裝備及成套工藝”國家科技重大專項(xiàng)(02專項(xiàng))總體技術(shù)專家組對More than Moore的理解,將嵌入式非易失性存儲(eNVM)工藝、RF-CMOS工藝、BiCMOS(Bipolar-CMOS)工藝、BCD(Bipolar-CMOS-DMOS)工藝、絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)工藝、微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)工藝,乃至GaAs、GaN、SiC工藝等不完全靠尺寸縮小來提升半導(dǎo)體器件性能的工藝統(tǒng)稱為“非尺寸依賴的特色工藝”,簡稱 “特色工藝”。

        特色工藝與先進(jìn)工藝是相對概念。先進(jìn)工藝是指遵循摩爾定律,追求線寬不斷縮小的高端芯片制造工藝,一般用于制造量大通用的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品,如邏輯計(jì)算芯片和數(shù)據(jù)存儲芯片等;特色工藝一般是指為滿足多樣化的非標(biāo)應(yīng)用需求,通過調(diào)整材料、工藝和器件結(jié)構(gòu)等方式,實(shí)現(xiàn)特定功能(如信號的感知、保護(hù)、放大、轉(zhuǎn)換等)的芯片制造方法。常見的特色工藝產(chǎn)品類別有圖像傳感器、微機(jī)械系統(tǒng)、功率器件(IGBT、功率MOS等)、射頻器件、顯示驅(qū)動(dòng)芯片、接口芯片、電源管理芯片、嵌入式存儲器、生物芯片等。

        三、特色工藝的特點(diǎn)

        特色工藝除了非尺寸依賴的特點(diǎn)外,還具有以下特點(diǎn):

        (1)特色工藝的工藝線寬較先進(jìn)工藝更大,建廠與產(chǎn)線維護(hù)成本較先進(jìn)工藝更低。

        (2)相較先進(jìn)工藝,特色工藝的工藝技術(shù)相對成熟,工藝與產(chǎn)品研發(fā)投入相對較少。

        (3)特色工藝多基于成熟工藝,國內(nèi)設(shè)備、材料、零部件產(chǎn)業(yè)鏈基礎(chǔ)相對較好,在目前復(fù)雜的國際環(huán)境下更具發(fā)展優(yōu)勢。

        (4)特色工藝平臺眾多,多種工藝平臺共存。由于特色工藝產(chǎn)品與應(yīng)用場景密切相關(guān),對工藝制造的需求截然不同,形成特色工藝平臺繁多、多種工藝平臺共存的特殊局面。如X-FAB的模擬工藝平臺,包含了0.13微米到1微米7種工藝節(jié)點(diǎn),每個(gè)工藝節(jié)點(diǎn)又針對不同應(yīng)用需求開發(fā)了特定的工藝平臺,如0.18微米CMOS工藝,有XH018、XP018、XS018、XT018和XC018等5種特色工藝平臺,分別采用外延和SOI技術(shù),集成不同的器件模塊,滿足傳感、汽車、工業(yè)、醫(yī)療、通訊及消費(fèi)領(lǐng)域的不同需求。

        (5)特色工藝產(chǎn)品繁雜。特色工藝產(chǎn)品通常屬于模擬器件,不同應(yīng)用場景對應(yīng)不同的產(chǎn)品性能需求,導(dǎo)致特色工藝產(chǎn)品繁雜,不僅類型眾多,同類器件還存在多個(gè)品種。如美國安森美(ON Semi)公司僅功率MOS器件就高達(dá)2500余種,其配套的柵極驅(qū)動(dòng)芯片也多達(dá)154種;國際功率半導(dǎo)體行業(yè)龍頭企業(yè)德國英飛凌(Infineon)公司的功率MOS產(chǎn)品,覆蓋了電壓范圍從12V到950V乃至1700V,產(chǎn)品類型從平面柵、溝槽柵、分離柵到超級結(jié)(Superjunction),材料從硅到碳化硅,質(zhì)量等級從工業(yè)級到汽車級的諸多品類,曾經(jīng)多達(dá)3300余種,此外還有不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的柵極驅(qū)動(dòng)芯片400余種。

        (6)特色工藝產(chǎn)品難以形成壟斷企業(yè)。由于特色工藝產(chǎn)品與應(yīng)用密切相關(guān),品種繁雜,往往無法如先進(jìn)工藝產(chǎn)品那樣形成壟斷企業(yè)。功率半導(dǎo)體分立器件領(lǐng)域市場占比最大的德國英飛凌公司,收購美國國際整流器(IR)公司以后,其市場占有率最高也不足20%;全球前十大功率半導(dǎo)體分立器件廠商總共也只占據(jù)60%左右的市場份額,這給后來者留下了足夠的發(fā)展空間。功率半導(dǎo)體分立器件如此,領(lǐng)域擴(kuò)大到整個(gè)模擬芯片仍是如此。根據(jù)國際著名咨詢機(jī)構(gòu)IC Insights統(tǒng)計(jì),2020年全球前十大模擬芯片廠商銷售了354億美元,占據(jù)全球大約62%的市場份額,其中銷售量最大的美國德州儀器(TI)公司占據(jù)全球模擬芯片19%的市場份額,整個(gè)模擬芯片領(lǐng)域仍未形成壟斷。

        四、中國的發(fā)展機(jī)遇

        正是特色工藝所具有的上述特點(diǎn),帶來了中國的發(fā)展機(jī)遇。

        1.中國是全球規(guī)模最大、增速最快的集成電路市場

        改革開放40余年,我國建立了門類齊全的現(xiàn)代工業(yè)體系,實(shí)力迅速壯大并躍升為世界第一制造大國,也是全世界唯一擁有聯(lián)合國產(chǎn)業(yè)分類中全部工業(yè)門類的國家。2020年中國制造業(yè)增加值為3.85萬億美元,占全球28.58%,超過美國(排名第二)和日本(排名第三)兩國制造業(yè)增加值的總和,遙遙領(lǐng)先于世界其他國家。這也促使我國成為全球規(guī)模最大、增速最快的集成電路市場。據(jù)海關(guān)統(tǒng)計(jì),2020年我國集成電路進(jìn)口額3500.4億美元,占全球半導(dǎo)體銷售額4404億美元的79.5%。

        2.特色工藝產(chǎn)品國產(chǎn)替代空間巨大

        但我們必須看到,我國進(jìn)口的3500.4億美元集成電路中,單塊集成電路均價(jià)僅為0.64美元。意味著我國進(jìn)口的集成電路產(chǎn)品,除了動(dòng)輒上百美元的高端CPU外,還有大量無需先進(jìn)工藝的半導(dǎo)體分立器件、電源管理集成電路、通用處理器、控制器等集成電路產(chǎn)品。由此可見,特色工藝產(chǎn)品,國產(chǎn)替代空間巨大。

        長期以來,國外產(chǎn)品先行占領(lǐng)市場且技術(shù)先進(jìn),加之對國產(chǎn)芯片存在不信任的心理,導(dǎo)致國產(chǎn)芯片常面臨“產(chǎn)品做出來沒人用”的窘?jīng)r,發(fā)展步履艱難。特色工藝產(chǎn)品多屬于模擬芯片范疇,更需在“試錯(cuò)”中迭代發(fā)展,這次中美貿(mào)易摩擦特別是中興、華為事件,疊加芯片市場缺貨行情,讓國產(chǎn)芯片有了更多“試錯(cuò)”的機(jī)會,打開了國產(chǎn)替代的空間。

        也許有人會說,講“國產(chǎn)替代”站位不高,應(yīng)該強(qiáng)調(diào)“先進(jìn)器件引領(lǐng)系統(tǒng)發(fā)展”。確實(shí),引領(lǐng)系統(tǒng)發(fā)展是我們“芯片人”的使命,但如果沒看見“國產(chǎn)替代”這樣一個(gè)大市場,不踏踏實(shí)實(shí)一步步做起,夯實(shí)基礎(chǔ),我國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)就很難做大做強(qiáng)。

        3.我國已具備較好的特色工藝發(fā)展基礎(chǔ)

        2021年3月發(fā)布的我國國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要中,第一次將集成電路特色工藝和先進(jìn)工藝突破并列,特色工藝的發(fā)展機(jī)遇已經(jīng)被國家和行業(yè)所認(rèn)識。如中芯國際在堅(jiān)持先進(jìn)工藝突破的同時(shí)也在大力發(fā)展特色工藝,上海華虹宏力堅(jiān)定地持續(xù)推進(jìn)特色工藝,華潤微電子已將特色工藝作為自身發(fā)展之本,杭州士蘭微在特色工藝上不斷提升自己的研發(fā)與量產(chǎn)能力,還有中國電子的積塔半導(dǎo)體、廣州粵芯等多條新建12英寸特色工藝生產(chǎn)線。國內(nèi)新建或在建的特色工藝芯片生產(chǎn)線不僅有垂直整合型IDM模式,還有大量的芯片代工廠,這給我國特色工藝產(chǎn)品設(shè)計(jì)公司提供了發(fā)展平臺。

        4.我國發(fā)展特色工藝及產(chǎn)品所面臨的挑戰(zhàn)

        特色工藝平臺眾多,產(chǎn)品種類繁雜。國際領(lǐng)先的半導(dǎo)體特色產(chǎn)品企業(yè)通過數(shù)十年的發(fā)展和產(chǎn)業(yè)并購,產(chǎn)品系列豐富。相較而言,我國相關(guān)企業(yè)產(chǎn)品體系單薄,對用戶的供應(yīng)鏈管理處于弱勢。特色工藝相關(guān)的特色產(chǎn)品常常與器件設(shè)計(jì)、工藝制造、產(chǎn)品封裝、應(yīng)用環(huán)境密切相關(guān),因此國外半導(dǎo)體特色產(chǎn)品企業(yè)通常是IDM形態(tài),而國內(nèi)缺乏大型的IDM企業(yè),導(dǎo)致產(chǎn)品同質(zhì)化嚴(yán)重,競爭力缺乏。同時(shí)國外半導(dǎo)體特色產(chǎn)品企業(yè)大都具有悠久歷史,產(chǎn)品經(jīng)驗(yàn)豐富、人才集聚,并進(jìn)行了相關(guān)產(chǎn)品的專利布局,能響應(yīng)市場需求快速研制出新的產(chǎn)品并占領(lǐng)市場。

        五、總結(jié)

        盡管我國發(fā)展特色工藝面臨眾多挑戰(zhàn),但從前面的分析中可以看出,我們?nèi)匀挥邪l(fā)展的優(yōu)勢與潛力。我國是集成電路的市場大國,大部分市場被國外產(chǎn)品占據(jù),國產(chǎn)替代空間巨大;特色工藝產(chǎn)品與市場應(yīng)用緊密相關(guān),特殊的產(chǎn)品屬性給予了我們許多發(fā)展空間與突破口;目前復(fù)雜的國際政治與產(chǎn)業(yè)生態(tài),給自主可控芯片發(fā)展提供了改革開放40余年來前所未有的機(jī)遇;經(jīng)過幾代炎黃子孫的不懈努力,我們在特色工藝領(lǐng)域已具備加速發(fā)展的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)。在這些因素的協(xié)同作用下,相信我國特色工藝已具備最佳的發(fā)展機(jī)遇。

        (作者為電子科技大學(xué)集成電路研究中心主任)

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