高芯圈 芯片半导体资讯网 王阳元院士谈中国集成电路的发展

王阳元院士谈中国集成电路的发展

作者:匿名    来源:未知   
浏览:708    发布:2021-06-28 09:57:02

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日前,一条#院士说不解决卡脖子问题死不瞑目#的话题冲上热搜榜单,网友纷纷在话题下留言致敬伟大的科学家,这位引发网友热议的院士就是微纳电子学家王阳元。

对于如何推进中国集成电路产业发展,王阳元院士在《科技导报》第3期发表的《掌握规律,创新驱动,扎实推进中国集成电路产业发展》给出了他的见解,论文论述了总结了集成电路投资、技术和市场的发展规律,分析了中国集成电路产业的现状、产业能力和产业短板,给出了今后集成电路基础研究和生产技术的发展方向。

以下内容节选自本文第一部分“集成电路产业的规律性研究”。

当前,中国集成电路产业的发展正处于机遇与挑战既同在又都有新变化的历史时期,如何抓住机遇、应对挑战,首先要清晰地认识集成电路科学、技术和产业的发展规律,才能有效地利用和配置人、财、物等各种资源,使其产生最大价值,在满足市场需求和国际竞争的博弈中沿着正确的道路高速发展。

世间万物发展皆有规律,循规者兴,罔规者怠,违规者诫,逆规者亡。社会发展与技术进步,莫不如是。

对未知事物需要探寻或预测其规律,对已知事物需要总结并践行其规律。

1958年发明的集成电路,迄今已逾甲子。在这60余年的发展轨迹中,集成电路技术及其产业显现出如下特点和发展规律。

集成电路产业具有战略性和市场性的特征

当今世界正处于“百年未有之大变局”时代,在重塑信息时代的世界格局中,集成电路扮演了举足轻重的角色。

关键的、核心的集成电路可以成就一个新兴企业乃至一个产业,也可以让这个企业或产业的前进脚步突然停止。华为的“麒麟”和相关5G产品与美国的较量即是一例。

两弹的战略性表现于“有限需求”,其“市场”应用的可能性甚微;而集成电路的战略性恰恰表现于“市场”,即产品生态链建设的深度与广度。

集成电路的生态链越深(即电子信息产品对其他产业的影响深度,系统软件和应用软件的开发深度)、越广(即涉及生产与生活的广度,使用信息产品人群的广度),其战略性的表现也愈加凸显。

集成电路的市场性源于两个方面,一是人们对信息产品不断增长的需求,二是其生产规模。

一条300 mm晶片生产线的集成电路年产量为109~1010数量级,2019年,中国共生产集成电路2.018×1011个,进口4.451×1011个,而当今世界核武器大国存储的核武器数量仅为103数量级。

如果没有庞大的市场需求和市场消化,1010数量级的集成电路产品无法维持集成电路生产线的正常运转。

就生产链而言,同具有战略性的核武器与集成电路均是各种材料在各种设备上通过不同工艺制造形成的集合,但核武器的研发与制造是不需要通过市场交易的、独立自主的封闭形态;而集成电路生产链则表现为开放的特征,即上千种材料和上百台套的设备只能实现部分自主供给,其余部分需要通过市场交换完成。

在市场交换的过程中,任何一种材料、一种设备都可能成为制约竞争者的手段,如日本的氟聚酰亚胺、氟化氢、光刻胶“断供”韩国,荷兰阿斯麦尔公司(ASML)的极紫外(EUV)曝光机不能获得出口中国的许可,台积电的工艺不能为华为代工等。

也就是说,集成电路生产链中也存在着无数具有战略性特征的环节,而集成电路产品又是无数信息产品中战略性特征的核心。

对于“要不来”“买不来”“讨不来”的关键核心技术,必须凭借举国体制的优势来攻坚克难,努力培育战略科技力量和战略储备能力;对于集成电路生产线所需的一般性材料和设备,正如习近平总书记于2020年9月11日在科学家座谈会上的讲话所说:“我们要更加主动地融入全球创新网络,在开放合作中提升自身科技创新能力。越是面临封锁打压,越不能搞自我封闭、自我隔绝,而是要实施更加开放包容、互惠共享的国际科技合作战略。”

集成电路投资具有密集性和持续性的特征

集成电路产业投资的特点是投资巨大、投资连续和长期回报。因此,集成电路生产线建设一定不能遍地开花。

 

  • 投资强度高且日趋集中

  • 以Intel、三星和台积电近年来的资本支出为例,2017年起,3个企业每年资本支出均超过100亿美元,其中三星电子的资本支出更是超过200亿美元,相当于组建一个包括航母(含舰载机)、巡洋舰、驱逐舰与核潜艇组成的中型航母战斗群的造价(150亿~200亿美元)。

这种高强度投资导致了行业日趋集中于少数企业,形成了“大者恒大、强者恒强”的局面。

2002—2003年,采用130 nm工艺的企业有26家;2016年,采用16/14 nm工艺加工的集成电路企业锐减为7家,其中包括中国的中芯国际和华虹;到2018年,具有10 nm加工能力的企业只剩下三星、台积电和Intel这3家。

加工逻辑集成电路产品的企业日趋集中 

根据Intel资料补充整理

因此,这种进入门槛极高的产业,尤其是集成电路生产线的建设,一定要在政策的指导下以及政府的规划与牵头下进行投资,低水平的重复建设只会造成资源的浪费。

世界排名前5的半导体企业,其资本支出之和占全部半导体企业资本支出的比例一直呈增长趋势。

20世纪90年代中期,该比例为25%;2010年,该比例超过50%;2012年以后,该比例超过60%,并向70%的方向发展。

其启示是,发展集成电路产业一定要将有限的资源集中使用,才能充分产生可期望的效益,一定要有统筹全局的规划和调控举措,坚决避免无视投资规律、仅凭主观愿望就匆匆“上马”不切实际的建设项目的状况,从而避免“村村点火,户户冒烟”的“小而散”现象,甚至“烂尾工程”的出现。

 

  • 投资要有持续增长的能力

 

1)建设新生产线

集成电路产业的投资不是“一锤子买卖”,不是一次投资就可以成为表现“工作业绩”的资本,更不是急于求得高额回报的短期商业行为。

决不能在技术、产品、市场、人才及设备均不成熟的条件下,就审批项目、开工建厂。

对于台积电这样的代工厂(foundry)而言,其主要投资用于建设生产线和进行工艺开发;对于Intel和三星这样的“集成器件制造商”(IDM)而言,除建设工厂和开发工艺外,其部分投资还用于产品设计和产品开发。

随着集成电路工艺水平的不断提高,自20世纪70年代至今,集成电路生产线建设的投资逐年增加。

2012年,建设一条300 mm硅片、32 nm工艺、月产35000片晶片的生产线,其工艺加工设备费用为30亿美元,工艺检测及晶片传输设备费用为2.2亿美元,超纯水、特种气体、电力及空气净化设施费用为2.4亿美元,2.2万m2厂房(不含土地费用)建设费用为0.4亿美元(仅占总投资1.1%),合计35亿美元。

2017年,建一条7 nm工艺的生产线费用达到了54亿美元;2022年,建一条5~3 nm工艺生产线的费用预计将高达200~250亿美元。

集成电路生产线的建设费用 来源:IC Insights

2)开发新工艺

厂房建成,设备就位,不等于生产线能够正常运转,还必须要在生产线上开发适应生产线运行并保证产品一定成品率的工艺。

如果每道工艺的成品率为99%,则经过N道工艺后,产品成品率就仅有0.99n。假设N=50,则最终成品率仅为60%,仍然达不到企业运转进入良性循环的要求。

为此,要对每道工序进行反复试验和调校,直至得到最佳工艺参数。这一过程需要投入大量人力和物力,是研发工艺必要的投资和成本。

当某个技术节点的工艺达到成熟并可进行量产时,工艺研发人员又需开发下一技术节点的工艺,否则,既不能满足市场需求,又有可能被竞争对手超越。

180 nm工艺的研发费用为1.39亿美元;28 nm工艺的研发费用增长5.7倍,至7.96亿美元;而14 nm工艺的研发费用进一步上升,达到24.96亿美元。

这就是集成电路产业需要持续投资的原因所在。

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