芯片困局中看曙光：“摩尔定律”将抵极限 中国的机会几何？

点击：  作者：闫江    来源：新材料在线  发布时间:2021-08-09 11:44:30

 

 北方工业大学高精尖创新研究院院长闫江

 

“当“摩尔定律”转变或消失，将会带来技术上的革命，或者开辟新的领域，这就是我们的机会。”

 

1965年的一天，英特尔公司名誉董事长戈登•摩尔在准备一份计算机储存器发展趋势的报告时，有个震惊业界的发现，芯片一般在18-24个月迭代一次，晶体管数量也将较上一代提升1倍，性能也将提升一倍。经过长期观察，这一规律被证实，这一发现被称为“摩尔定律”。

 

因为“摩尔定律”，随着晶体管数量持续增加，芯片可容纳的晶体管数量越来越有限，于是晶体管越做越小。至今，全球最顶尖的芯片制程已经达到了5纳米级别。

 

28nm、14nm、7nm、5nm…一张小小的芯片内，晶体管数量越来越多，只要相邻的晶体管互相不产生接触，制程就可以继续小下去。如今，有人认为，0.1-1nm会是摩尔定律的最终节点，再往下，生产将失去经济效益。

 

全球半导体巨头已经随着“摩尔定律”逼近了物理极限，台积电、英特尔等在抢占更顶尖的制程高地，而中国大陆的芯片制程却甚至卡在28nm的关卡。

 

如今，人们好奇，中国半导体产业（不含中国台湾地区，下同）到底“卡”在了哪？是否在后“摩尔定律”时代有新发展机会呢？

 

2009年，在国外学习工作十多年，曾在英飞凌半导体公司担任高级资深工程师的闫江回到国内，他进入了中国科学院大学微电子研究所，并被聘为北方工业大学高精尖创新研究院院长。

 

闫江对中国半导体产业的现状以及与国外的差距有着深刻的认识。他向新材料在线^®分析了国内半导体产业的困境，以及其在后“摩尔定律”时代的机会。

 

新材料在线^®：现在到处“缺芯”，芯片还被“卡脖子”，您怎么看中国半导体产业的机会？

 

闫江：“卡脖子”问题其实早就存在，但当时别人没有把手伸到你脖子上，就没有意识到这是个问题，企业依然可以很自在的活着，等到那双手掐住脖子了，才意识到这个问题的严重性。

 

我们国家很早放开半导体这个领域，这是导致我们的半导体产业比较被动的原因之一。国内的半导体技术在没有政策保护的情况下，跟国际大企业同台竞技，给国内半导体产业造成很大压力；另外，国外的产品大量的进入中国市场，所有的国内终端都能买到性价比最好的芯片，造成芯片依赖进口。

 

以手机芯片来说，国内的手机终端品牌要与苹果、三星竞争，必须让操作软件、零部件能跟的上国际品牌，而采用国内芯片，无疑没人愿意“吃螃蟹”。

 

其实我们很早就意识到，这个问题的严重性，但是这个行业是需要高投入的，而且需要长期的财力支持，所以被搁置了。

 

这几年，是中国半导体产业发展的黄金期。中美贸易摩擦，芯片被“卡脖子”，疫情影响导致芯片产业链危机。加上如今国家有足够的财力投入到这上面，这就为国内半导体产业带来了机会。

 

但是，芯片产品的开发需要周期的。把芯片开发出来，具备基本的功能，这只是从0到1的突破。但芯片要具备商业价值，就必须实现从1-100的飞跃。在大批量的生产时，其良率、可靠性、稳定性要达到商业竞争，这时候已经不是创新层面的问题了，需要很细致地去打磨，需要工匠精神。

 

良率很重要，它直接和成本捆绑。假设一张12寸的晶圆片被设计1万颗芯片，如果能切出1万颗合格的芯片，那它的成本就要被1万除，如果一个同等面积的晶圆片只有1颗芯片是合格的，它的成本就只能被1除。如果良率只有5%，就没有竞争价值，至少要到85%才能具备价值。

 

新材料在线^®：那现在中国半导体做得怎么样？

 

闫江：当国家层面开始下定决心大力发展半导体产业时，大家都轰轰烈烈地上去搞半导体。

 

半导体的生态链分三大块，设计、制造、封测。这几年，国内起来了一大批做设计的企业，大大小小的估计有两三千家，因为设计这一块的门槛相对较低，找几个有经验的海外人才，投一笔不大的资金就可以做起来了。

 

这几年国内在封测这一块的发展，从财报上看是比较好一点的，因为中低端的封装市场，国外企业很早已经放掉了，中低端封装的利润比较低，既耗工，又耗能量。比如日月光公司，选择在上海落地，利用中国大陆特殊的优惠政策，以及便宜的劳力来做中低端的封装。

 

而制造这一块主要是国家行为。如中芯国际、华力等半导体公司都是政府投的资金。制造这一块是最难的，别看有些公司财报很好，但如果把政府的资金去掉后，是没有赚钱的。

 

对于制造这一块的企业来说，如果不往高端走，就很难活下去。比如一家半导体公司，只做65nm、90nm的芯片，肯定活不下去，因为“摩尔定律”不等人。国际上先进的制程已经到达5nm了，14nm都算陈旧的技术了。

 

我所知道的国内相对比较先进的一家半导体公司，制程仍然比较落后。比如其28nm的高K金属栅芯片，良率迟迟上不去。因为几个关键工艺没有掌握好，良率可能低于50%。在半导体行业，要保持一定的良率比如70%以上，才能赚到钱，低于这个，就赚不到钱。

 

新材料在线^®：您认为我们存在的短板是什么？

 

闫江：人才是第一要素。以制造这一块来说，团队里的人员架构要非常齐备。需要有非常完善、非常强大的研发团队，需要有工艺开发、工艺整合、仿真等等一系列人才，而且要有一个强有力的领导人才带领团队。

 

第二是技术的传承与积累。传承就是上一代的芯片制造经验能够传承到下一代芯片的制造上，如90nm、65nm、45nm到28nm、14nm等，有上一代的制造经验，下一代的制造才能比较顺利，如果没做过14nm，砸钱也做不出7nm，连门槛都摸不到的。

 

我们国内就缺乏这种技术的传承，因为前面几代的技术都是“拿来”的，缺乏核心的研发团队，没有经历过真正的技术开发过程，在很多关键工艺上如外延、刻蚀、光刻工艺，不懂怎么把工艺窗口拉大，把工艺的精度、稳定性控制好。如果一个团队做过10nm的光刻工艺控制，到了7nm的时候，如果使用的同样的光刻机，他们就会懂得怎么样的改变条件去配合光刻。

 

现在的情况是我们与中国台湾地区或者国际上的大厂对标，我们就要设法知道人家是怎么做的，然后照着人家的样子来做，没有办法创造新的思路，被人牵着鼻子走，所以人才很重要。

 

而且在人才数量上来说，国际大厂的研发队伍人数以2000-3000来计算，而我们只有200-300，这就造成了数量上的差别。按道理来说，我们更落后，我们应该召集更多研发人员才对，但是现在却是研发人员数量还比不上国际大厂。

 

第三个要素是设备。国内的半导体公司难以买到国际第一流的制造设备，如阿斯麦的EVU光刻机。设备大厂开发出一台设备，一般会配套相应的工艺工程师。这个工艺工程师很厉害，对设备特别清楚，可以针对客户的要求，帮助客户开发工艺。所以，往往设备大厂配备出一定数量的工艺工程师，都流向了采购设备数量多的大客户，如英特尔、台积电等。

 

我们受控别人的地方太多。

 

新材料在线^®：现在到处“缺芯”，芯片还被“卡脖子”，您怎么看中国半导体产业的机会？

 

闫江：别人卡我们脖子的地方很多，我们却没有一项能卡别人的脖子。

 

不过，在第三代半导体上，我们可以集中精力和优势去布局。它的衬底、工艺和做衬底材料的设备都是我们自己做的。所以我们如果在第三代半导体衬底制备和装备、工艺、器件方面能集中精力和优势做的话，可能会有一些成就。

 

第三代半导体未来发展前景很好，特别是在国内的应用市场巨大，不管是电网、高铁还是新能源车，其各种功率器件都要用到。它在技术上比硅基半导体还要难一些。

 

全球大厂还没有把精力放在这上面。国际半导体主力部队目前是将主要精力放在硅基半导体方面，因为未来很长一段时间内，硅基半导体的市场主导地位是不会发生改变的。第三代半导体的产值现在相对于硅基半导体而言，还只是个小零头，所以国际主力部队只它作为边缘产品在做。我认为，如果国内集中精力攻关第三代半导体，肯定会比国外走得快，未来，就可以取得很大的话语权。

 

其实硅基半导体我个人不是很看好，大家都在谈“后摩尔定律”时代，“摩尔定律”的终点是0.1nm还是多少还没有定论，但我个人认为1nm会是最后一个节点。只要两个相邻的晶体管不碰到一起，就可以持续做小，但是一张晶圆片内，已经排了数百亿个晶体管，做得越小，难度越大。到1nm后，再往更小做，或许就失去经济效益了。

 

当“摩尔定律”走到尽头，行业就会换轨道了。但也要保证18-24个月内提供新一代产品，性能翻倍，成本降低。这个时候晶体管的集成度已经固定了，就要通过别的手段实现芯片性能翻倍，这就走到了十字路口，有很多新的机会。所以我们要先做一些前沿的探索工作。

 

另外，先进封装也可能会是未来的一个方向。比如3D封装，人们利用3D封装技术把多颗芯片叠加在一起，同样可以实现芯片性能的提升。传统是在PCB板上分布放置芯片，导致功耗、速度受到影响，现在3D封装在一起，功耗、速度、面积都会发生很大变化，也可以实现24个月性能翻一番的目标。

 

但我们也不能把硅基半导体都放弃了，那样就更“卡脖子”了。

 

新材料在线^®：未来半导体产业将如何发展？

 

闫江：未来有很多变数，我们有幸能见证“摩尔定律”的转变或消失，这个会带来很多技术上的革命，或者开辟新的领域，这就是我们的机会，我们要抓住。

 

我们在3D封装、第三代半导体或者其他技术上，要有自己独特的创新。国家在科研领域投入了太多的钱了，但产业几乎没有出来原创性的东西。传统的东西不要跟了，没意义，我们应该尝试在新的领域开辟出一片天地，打造自己的制高点，与别人抗衡。

 

从产业培育的角度来说，怎么样去做应该好好想想。现在大家有点一窝蜂，比如在设计板块，大家就盯着几个中低端的产品，“硬骨头”没有人愿意“啃”。以射频前端芯片为例，国内几个厂家做的都是低端的产品，整个射频芯片95%市场是由国外占据，人家放开那5%的小口子是利润很薄的，所以才给了国内厂家机会，结果大家在中低端产品的红海里面厮杀。

 

现在是国产半导体发展的黄金期，这给了国内半导体产业很大的国产替代机会，但国内的公司应该以建立更高的发展目标，走向国际，而不是只吃国内的“软饭”。

 

我觉得我们浪费了很多的时间窗口、很多的资源，上述提到的某些领域，我们可以提前布局，集中精力去做，比如功率器件，我们找一些能够切入的点，在这些领域扎根后，成长为参天大树。

 

我比较担忧的是，眼下国内半导体产业阳光、雨水、化肥都充足，站远处看，郁郁葱葱，走近一看，杂草丛生。

 

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