近期，某国产芯片制造厂表示，明年有望实现关键技术突破，具备14nm量产的能力，相比之下，此前的14nm产线多为本土量产能力与海外技术设备的结合，而这一次，中国将有机会突破全产线、全供应链的国产化。
中国工程院院士、浙江大学微纳电子学院院长 吴汉明
中国工程院院士吴汉明指出，后摩尔时代，产业技术发展趋缓，但另一方面，对于中国，创新的空间和追赶机会正在增加。最近国内的企业在装备上投入了不少资源，使得我们的装备也有一些开始进入大生产线的能力，像包括刻蚀、CVD、热处理、CMP、清洗机等等，开始进入芯片制造大生产线。
这意味着中国国产芯片发展迎来黄金时期。过去已经有本土制造企业实现了14nm芯片的量产，在国际贸易多变的当下，如果这一次能实现完全的自主可控，对中国半导体产业的意义是非常大的。
以28nm为分界线，芯片制造分为先进和成熟两种工艺，制程越小，意味着单颗芯片所集成的晶体管数量越多，工艺也越先进。14nm属于先进工艺芯片，但相比于半导体竞争的焦点——3nm、5nm来说，它仍然是一种成熟的技术。
当下，越来越多的业内人发现，一些相对成熟的芯片正成为产业需求的焦点，在物联网兴起、半导体产业转移、摩尔定律趋缓的背景之下，这一次14nm芯片若能自主量产，它的产业意义，远大于学术、技术意义。
14nm芯片国产化必要且紧迫
从应用上看，14nm芯片主要用于高端消费电子产品、人工智能芯片、应用处理器、车载电子等，这类芯片正在电子领域大量流通。国际上，2015年格罗方德公司在实现14nm的量产，2017年联华电子实现量产。本土企业也具备一定量产能力，2019年，国产代工厂中芯国际实现14nm芯片的量产。
吴汉明认为，当前芯片制造工艺面临三大挑战，第一，图形转移的挑战，当下主要先进工艺都是用波长193nm的光源，曝光出20nm-30nm的图形，现在集成电路的光刻工程师却能用波长193nm的光源曝光出数十纳米的图形，突破了光学的限制。
第二，新材料的挑战。芯片的性能提升主要依赖新材料和新工艺。至今，大约有铜、锗等64种材料陆续进入芯片制造，每一种材料都需要数千次工艺实验。
第三，提升良率的挑战，吴汉明指出，这也是所有芯片制造企业的终极挑战，只有量产且通过一定良率的工艺才能被称为成熟的成套工艺。
目前集成电路产业链的总体分为四大块：设计、IP和EDA技术架构、装备材料、芯片制造。吴汉明指出，“放眼中国的集成电路产业链建设，光刻机、检测等装备是主要需要攻关的方向。”
对于14nm芯片，国内是有能力量产的，虽然国产能力正受到国际贸易波动的限制，但是可以说中国对14nm的量产技术已经掌握。将14nm芯片完全国产化的任务，是必要又迫切的。
以工业互联网、物联网为场景的芯片需求持续增长
在物联网兴起的背景下，半导体产业正在发生转移。
当连接不只在人与人之间，人类生产、生活领域的各种物品都能实现联网，并与人连接起来，人类社会将出现什么样革命性的变化。人们对物联网时代的预想正在成为现实，而这当中，工业、汽车、医疗设备的开发，将激发大量基础元器件的需求，这些元器件将成为供应链中不可或缺的关键一环。
宏观来看，万物互联、物联网的爆发，正在代替原有以手机为中心的移动互联网时代，芯片作为基础元器件，它的供给侧正悄然发生变化，这种变化之下，产业对14nm的需求将会非常大。
从产业上看，智能硬件成本的下降，应用的适配，让智能终端正规模化、普遍化地进入个人和家庭生活，物联网也进入了产业增长期。数据显示，人均持有智能终端数量在2010年是1.84个，至2020年增长到6.58个。
从消费者需求端和购买意愿来看，中国拥有庞大的智能硬件市场，在2020年，中国物联网市场规模已经超过万亿元，根据IDC数据，在2024年中国物联网市场支出预计将达到3000亿美元。
政策上看，国家正推进传统产业数字化的进程，包括《工业互联网创新发展行动计划（2021-2023年）》、《5G应用“扬帆”行动计划（2021-2023年）》，以及《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》里也都提出了对物联网发展的要求。而在实际应用场景中，自动化、智能化的流水线，以水利系统智慧城市的建立会需要大量的物联网设备，从而激发对基础元器件的需求。
中国是芯片的需求大国，占全球芯片需求量的45%。从半导体产业的数据上看，以工业互联网、物联网为场景的芯片增速上涨。
14nm芯片正成为需求焦点
在物联网时代的所有芯片中，14nm芯片正在成为需求的焦点。
物联网被大量应用在汽车、工业等制造业中，这些场景对芯片的工艺要求并不高，但对性价比、可靠性要求很高，这恰恰是14nm能满足的。例如，汽车芯片，需要长期验证、高可靠性、适应各种极端条件，但是并不需要芯片像搭载手机里一样，必须微缩至5nm、7nm。
物联网所需的芯片用量远远大于消费电子，而且对芯片的制程和工艺要求比手机低很多。为了研制下一代手机芯片，国际大厂在制程上追赶5nm、3nm，将摩尔定律逼至极限，但一些车用、工业用的芯片甚至只需要14nm、28nm、45nm工艺水平，它对性价比的要求是更高的，对芯片适配业务、适应场景的能力要求也更高。
当前，这一波大规模的全球芯片短缺潮，自去年下半年来，疫情以及随之而来的自然灾害，日本工厂火灾、美国暴雪、东南亚封国等，正在让全球芯片供应了承受很大的压力，首先是供给端开始收缩，上下游之间的沟通效率降低、代工厂转单速度变慢，又逢2020年下半年电子产业的需求开始复苏。
这些现象恰恰在车用、工业用的芯片中表现十分突出。去年下半年，车用芯片首先开始告急，然后发展到工业芯片、家居行业的芯片，半导体供应链上，从代工、涉及到封装都进入了短缺状态。这种全线紧张的局面在芯片历史上几乎从未有过，而缺货的产品，很多是依赖于14nm工艺的芯片。
吴汉明认为，芯片产业面临的主要挑战是产业链太长、太宽，它必然依赖于全球的流通和全球化的正是因为这种流通，使得集成电路才能沿着摩尔定律发展到当今欣欣向荣的状态。
摩尔定律趋缓促使 14nm芯片成为高端芯片主流
14nm的重要性并非只在产业实践中体现。当下，行至极限的摩尔定律也在告诉我们这样一个事实：
摩尔定律是半导体产业的基本规律，即单位面积芯片上的晶体管数量每两年能实现翻番。摩尔定律延伸的结果是，芯片的成本在几十年内降低了百万倍，给社会经济带来巨大的效益。
吴汉明认为，整个集成电路产业技术发展最核心的四个要点，就是体积小、功能多、耗电小和成本低。
吴汉明指出，上世纪70年代，晶体管价格1美元/个，这个价格如今能购买上万个晶体管，如今一部手机中的芯片，加起来有百亿级规模的晶体管，若回到上世纪70年代，同样一部手机要花费百亿美元。
吴汉明表示，从晶体管的不断增加来看，产业仍然在遵循着摩尔定律，但是从单位成本来看，在2014年左右，芯片工艺演进至28nm时，100万晶体管的价格大约是2.7美分，当演进到20nm时，价格反而涨到2.9美分，晶体管的涨价现象，已经违背了当初的摩尔定律。从经济的角度来看，这是摩尔定律正在趋缓的表现。
当前，为了研制下一代手机芯片，国际大厂在制程上追赶5nm、3nm，将摩尔定律逼至极限，但一些车用、工业用的芯片甚至只需要14nm、28nm、45nm工艺水平。
从2020年全世界的集成电路的产品来看，采用10nm节点以下的品类只占17%，83%的产品都采用相对成熟的技术节点，应该高度重视相对成熟的工艺技术。
根据相关统计数据，在2019年上半年，半导体销售的市场规模约为2000亿美元，其中65％芯片采用14nm制程工艺。可以说14nm仍将是绝大多数中高端芯片的主流制程，是当前最具市场价值的制程工艺之一。
吴汉明指出，后摩尔时代的产业技术发展趋缓，创新空间和追赶机会大，我们一定要重视本土化和产能（至少增长率要高于全球平均增长率），树立产业技术导向的科技文化。因此希望有个举国体制下新型市场经济体系的公共技术研发平台建设。
未来，物联网的崛起、产业的转移、摩尔定律的趋缓，意味着产业可以用14nm满足一般性的芯片需要，重新降维设计产品，国产芯片制造产业链将出现新的发展机遇。
来源：经济观察报头条号
回顶部