中国芯片发展出路在哪？卡脖子的不止“光刻机”

芯片或集成电路（以下简称IC）对于经济增长具有显著的倍增器作用，据中国电子信息产业发展研究院副总工程师安晖在2020年中国计算机大会（CNCC）技术论坛“新变局下的IC自主研发战略”上介绍，1元产值的IC可带动100元以上的国民经济增长。除此之外，仅从实用角度看IC也是生产生活不可或缺的战略性基础物资，因而有能力的国家对于集IC的科研、产业布局十分重视，中国也不例外。但目前中国在IC领域面临着严峻挑战，能否摆脱IC领域的“卡脖子”境况对于中国的发展特别重要。为此政府、科研界、产业界等都在积极探寻中国IC的发展道路。本文是在总结CNCC上两位特邀嘉宾的报告，以及上述CNCC技术论坛的发言内容后形成的，主要目的是让大众了解中国IC事业面临的挑战和机遇，让专业人士能够找到IC事业的发力点，共同推进中国IC事业的发展。

一. IC的发展进程及面临的技术挑战

IC从20世纪60年代开始起步，一直以来基本遵循着摩尔定律在快速发展。摩尔定律是英特尔创始人之一戈登•摩尔的经验之谈，其核心内容为：单位面积的IC上可以容纳的晶体管数目大约每经过18个月便会增加一倍。另外一种说法是，处理器的性能每隔18个月翻一番，而价格下降一半。

IC的发展涉及设计、制造、应用等环节，设计又涉及电子设计自动化(EDA)软件和IP（Intelligence Property，知识产权）、结构等；制造涉及材料、装备（如光刻机等）、封装、测试等环节；应用涉及商业模式、产业生态链等。IC的发展非常迅速，在材料方面，本世纪以来，已有47种新材料进入IC制造[1]。器件结构方面则是从平面到立体，如立体栅结构的FinFET，台积电已经开始以5nm工艺量产。另外处理器经历了SSI、MSI、LSI、VLSI、多核VLSI等阶段，即将迈向第5代[2]。集成技术方面，从平面到三维集成的转变，拓展了器件密度提升的维度。光刻技术方面，从光源、镜头的材料与结构、图形传递模式多元化的创新，到极紫外光刻（EUV）技术的突破，使5nm技术的实现有了保证。商业模式方面，从早期的IDM模式，即IC设计、制造、封装和测试等环节集于一身（该模式下IC领域进入门槛高，属于少数人的游戏），逐渐发展出Foundry模式，即IC开始了设计、制造、封装的相对独立发展，给予更多玩家进入该领域的机会，整个产业发展也更加蓬勃。

当前IC发展面临诸多技术挑战，如[1]：

1. FinFET器件微缩挑战：5nm以下技术节点中，较薄的Fin引起迁移率严重退化；较高的Fin形成源漏外延质量变差，通过应变技术提高器件性能有限。

2. 器件结构：从FinFET到垂直堆叠Nano-sheet，再到Fork-sheet/CFET，以进一步优化面积利用率、提高集成密度。随着IC微缩到5 nm以下，预计FinFET将走到尽头，而垂直堆叠的环绕闸极（GAA）Nano-sheet被认为是由FinFET器件自然演变而来。为了将Nano-sheet器件的可微缩性延伸到2nm节点及以下，目前业界寄希望于Fork-sheet/CFET器件。

3. 埋入式电源线（BPR）：将Vcc和地线埋入前端工艺中，压缩标准单元面积、节省互连空间。埋入式电源线被认为是5nm及以下工艺制程的重要技术。

4. 光刻技术：EUV技术的持续改进。

5. Air Gap侧墙技术：可降低栅极寄生电容25%以上，该技术可使7nm工艺的产品在性能上甚至优于5nm工艺的产品。

6. 新的互连技术：引入新材料，采用新集成技术来降低互连RC延迟。

另外，设计工具、制造封装工艺等方面的改进也面临重大挑战。

二. 中国IC发展的瓶颈

中国IC产业处于高速成长阶段，近十年年均复合增长率超过20%。2020年上半年销售额3539亿元，同比增长16.1%。产业从过去的“大封测、小制造、小设计”逐步过渡到现在的“大设计、中封测、中制造”，这是很好的发展趋势。但中国IC产品的自给率低，2019年中国IC进口额超过3000亿美元，预计到2022年IC自给率可达到16.7%[3]。从技术角度看，目前我国在IC设计环节有所突破，但整体上和先进国家差距甚大，且越往高端差距越大。以处理器IC为例，国产芯片的占有率如下表所示[3]，产业生态令人忧虑。

我国IC产业在通用芯片领域完全无法和国际优势厂商竞争，桌面处理器市场被Intel和AMD完全垄断，服务器处理器市场Intel占比达96.7%。

在IC产业链的EDA、IP、装备、设计、制造、封装测试、掩膜制造、材料等环节上，中国在IC设计上勉强说得过去，而在其它环节均处于弱势，特别是在IP、EDA、光刻机、IC制造4个环节被卡住了脖子！

而若想打破这种受制于人的困境可谓是困难重重，其困难主要体现在以下几点：

1. 相关的软件生态庞大复杂，芯片市场化壁垒高。

2. 芯片制造产业链长，涉及130多种装备、5大类500多道工艺、7大类530种材料，一环被卡，整体就会被卡。

3. 中国还没有自主的生态，芯片的生态由别国企业掌控。

业界再传华为将合资建立芯片制造厂，实现完全自主研发

近日英国知名的媒体表示华为正与上海集成电路研发中心公司商讨合资建设芯片制造厂，芯片制造工艺如此前的传言那样将从45nm工艺起步，预计到2022年研发出20nm工艺，希望通过自主研发以快速迭代的方式缩短与海外芯片制造企业的技术差距。 目前全球最先进的芯片

4. 专利和IP壁垒，很多时候很难绕过去。

5. EDA软件风险：使用先进的EDA软件才能设计出最好的芯片，但如果最好的EDA不销售给中国，或者EDA中留有后门，后果肯定会比较严重。

6. 从科研到产业，投入巨大，科研需要积累，产业形成需要时间，这加大了芯片产业赶超的难度。尽管目前政府和企业对芯片产业十分重视，政府出台相关政策，同时政府和企业投入大量资金，但短期解决全部问题是不可能的。

7. 学科和人才培养方面，IC相关技术涉及面广，需融合电子信息、物理、化学、材料、自动工程等40多种学科，需要从业者有综合知识背景、交叉技术技能、融合创新等素质，目前的教育体系无法提供足够的支持。

三. 我国IC产业发展路在何方？

我国IC产业发展经历了多个发展阶段，目前还处于十分被动的地位，这说明发展IC产业没有所谓捷径可走，需要沉下心来一步一步将所有难关攻克。个人的一些观点如下：

1. 国家层面整体规划十分重要。由于IC涉及面广，发展IC产业是一个非常庞大的系统工程，需要整体规划。

2. 放弃全面超越的目标。全面超越是近期无法实现的目标，在产业链中形成互相制约的局面即可。

3. 寻找少量关键点重点支持和突破。在上述思路的前提下，寻找可以迅速突破的一些点位，重点投入，重点突破，形成可以互“卡”、可良性发展的局面。

4. 寻找新的技术增长点，在实现上述目标的基础上，达到局部占优。

5. 改善科研和教育体系。科研方面一方面要加强基础科学研究，另外一方面要重视技术和工程及应用，不唯论文；教育方面要重视能力训练而不是目前的知识灌输，同时要围绕IC工程系统布局相关专业和学科。培养一大批有家国情怀，有科学精神和具备科研、工程、产业能力的专业人士对于IC产业发展十分重要。

6. 做好持久竞争的准备。这是一项长期工程，需要做好持久投入的准备，长远布局，长期坚持才有可能达成目标。

7. 打击学术和产业骗子。政府加大支持力度，会引来一些滥竽充数者，需要加大识别和打击力度。

8. 要以开放的心态发展基础科研、技术和产业，积极参与国际合作。

9. 要有信心。中国有巨大的市场需求，同时已建立起现代的科研、教育、工业体系，只要自己有信心，就会有巨大的发展。

当然，个人的思路肯定存在非常大的局限，国内外很多专家都对这个话题发表过专业观点。在今年10月份刚刚召开的CCF CNCC上，就有数位国内外顶级专家学者专门就芯片话题做了精彩论述，本文中的观点很多也是引用上述专家报告中的内容。读者如果对此话题有兴趣，推荐到CNCC网站上观看，具体信息如下：

[1] IC的创新与发展，刘明，中国科学院院士、中科院微电子所。视频回放地址：https://dl.ccf.org.cn/audioVideoZx/detail.html?_ack=1&id=5149819262617600。

[2] 第四代计算机体系结构的终结与新的前进道路，John Hennessy，斯坦福大学第十任校长，图灵奖获得者。视频回放地址：https://dl.ccf.org.cn/audioVideoZx/detail.html?_ack=3&id=5149819263518720。

[3] 新变局下的IC自主研发战略，技术论坛，视频回放地址：https://dl.ccf.org.cn/audioVideoZx/detail.html?_ack=2&id=5149819278166016。

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