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国产芯片到底差在哪中国半导体产业现状

2019-01-30 23:15:43

国产芯片到底差在哪?中国半导体产业现状

还在上学时就听老师说,半导体反映了一个国家的综合实力,彼时听了这话似懂非懂也未深究,直至最近中兴事件的爆发,让我愈发觉得半导体产业的受制于人终究是一把悬在中国经济头上的达摩克利斯之剑。相信很多人只知半导体产业重要,却不懂半导体产业究竟重要在哪里,所以我想尽量用通俗的语言带大家走进半导体产业链,谈谈目前我国半导体产业的发展现状。

说到半导体,可能很多人还一头雾水,但谈及芯片相信没人不知其重要性。芯片本质上就是一片载有集成电路的半导体元件,所谓半导体其实就是一个具有单向导电性的元件,就像我们马路上的单行道,汽车只能单向通过,那这有什么好处呢?如果我们马路上不设单行道没有红绿灯那必定是混乱不堪,电路也是如此,如果没有半导体让电流按人们预想地那样去通过,整个电路也是同样杂乱无章,也就无法实现逻辑功能。这个逻辑功能又要怎么去实现呢?拿我们家里最常见的电路来说,假设一盏灯有AB两个开关去共同控制,当AB开关同时按下时灯泡就亮,只按下其中一个开关灯泡就不亮。这里灯泡的亮暗就代表信号,开关则类似于半导体结构,我们通过设计半导体电路传达信号,并将无数个这样的电路集成到一起,最终实现逻辑功能。如果还不明白的话,就把芯片比作我们的大脑,我们的大脑之所以能够处理信息就是因为神经元之间的电流交流,芯片里的半导体就相当于神经元,电路间的电流类似于神经元之间的电信号,半导体电路就是在模仿我们的大脑的运行机制。

逻辑电路

现在我们明白了芯片的运作逻辑,再聊一聊芯片的制造环节,芯片要想实现上述的逻辑功能,就要将逻辑电路刻在一块小小的硅片上。先将金属靶材溅射到硅片上使其具有导电性,再覆上一层光刻胶,接着用光刻和化学腐蚀的方法将逻辑电路图在光刻胶上刻蚀出电路,再将磷和硼掺杂到硅片上,使电路具有半导体的特性,完成这些步骤便得到一块晶圆,晶圆上载有诸多方形芯片,最后将指甲盖大小的芯片从晶圆上切下来进行封装测试,一块芯片就被完整地制作出来了。

芯片生产流程

IC设计:后起之秀,移动芯片比肩一流大厂

芯片的成功生产包括IC设计、制造和封装测试。首先是IC设计,也就是在芯片上设计电路实现逻辑功能,IC设计是芯片生产的重中之重,同时也是最难的一环,如果没有一个好的IC设计,后续的制造也就无从谈起。说到设计那就不得不提到制程,我们在看到关于芯片的文章时常常会听到28纳米、10纳米诸如此类的名词,这是对芯片制程的描述,也被称为技术节点,一款芯片的性能的优劣很大程度上取决于其制程工艺,制程工艺每一次提升,带来的都是性能的提升和功耗的降低,目前我国芯片IC设计水平在16/14纳米,而华为海思2017年推出的麒麟970制程达到10纳米,即将推出的麒麟980也将采用台积电的7纳米制程,7纳米的工艺制程是目前最先进的量产技术。但是,半导体产业的发展远远超乎人们的想象,根据摩尔定律,集成电路上可容纳的元器件的数目,约每隔个月便会增加一倍,性能也将提升一倍。7纳米的制程才刚刚实现量产,三星就宣布掌握了5纳米、4纳米、3纳米的工艺技术。细心的读者此刻就会有疑问了,那么华为海思推出了制程为10纳米的麒麟970芯片是不是就意味着海思拥有生产10纳米制程芯片的技术了呢?这里就要涉及到目前芯片产业三种主要的产业链模式:IDM、Fabless和Foundry。IDM指Intel、IBM、三星这种拥有自己的晶圆厂,将IC设计、加工、封装测试、销售集为一体,一般还拥有下游整机生产的厂商。Fabless则是有能力设计芯片架构,但没有晶圆工厂,需要找代工厂将所设计芯片的最终物理版图交给芯片加工企业进行加工制造,知名的有ARM、NVIDIA、高通、苹果和华为。Foundry则指像台积电这样的代工厂,拥有工艺技术为IC设计厂商进行代工。大家看到这里应该就明白了,华为海思其拥有的只是IC设计技术,工艺技术上还需委托给台积电进行加工。目前我国基本没有 IDM 公司,所有的 IC 设计公司都是 Fabless 模式。

全球纯IC设计公司排名 海思第七;紫光集团第十

2017年我国已有海思、展讯、中兴微电子等 11 家企业进入进入全球前50纯IC设计业者之列,其中华为海思和紫光展锐更是跻身前十。那么,前有华为海思、紫光展锐跻身IC设计领域第一梯队,后有北京君正、中兴微等后起之秀,是不是就代表我国在IC设计领域已经达到世界的先进水准呢?答案当然是否定的,我们忽略了非常关键的一点,华为海思和紫光展锐其所设计的都是移动处理器,也就是我们里所用的芯片,而在电脑端所使用的CPU(中央处理器),英特尔几乎已经垄断了全球的市场,国内相关的企业所生产CPU还远远无法达到商用量产的水准。除了功能芯片上的差距,在存储芯片方面,武汉长江存储试图发展的3D Nand Flash(闪存)的技术还处于 32 层闪存样品阶段,而三星、英特尔等全球龙头企业已开始陆续量产 64 层闪存产品。同样的,曾在A股市场风光无二的存储芯片厂商紫光国芯,其生产的内存条还属于DDR3时代的产品,新开发的DDR4产品还在验证优化中,而三星电子在2011年就已完成了第一款DDR4 DRAM规格的内存条开发,并采用30nm级工艺制造了首批样品。

制造:蓬勃发展,后程发力缩短差距

说完了设计,咱们再来谈谈制造,前文我们概述了芯片的制造流程。芯片的制造过程其实就是晶圆的生产过程,通过硅锭生产、切片、靶材溅射、光刻、刻蚀、掺杂等核心工艺制造出晶圆,再将晶圆进行切割便可得到芯片。晶圆制造工艺的优劣看“一大一小”。“一大”指的是晶圆的尺寸,目前主流的晶圆尺寸为8英寸、12英寸以及18英寸,投资一条月产5万片的 12英寸晶圆生产线约需50亿美元,而一座18英寸晶圆厂投资更是多达160亿美金,可见,生产出大尺寸的晶圆的难度有多大。而“一小”便是芯片的制程工艺,目前国际上芯片制程工艺已经达到了7纳米级别,三星在今年五月更是宣布通过重新设计晶体管底层结构,克服当前技术的物理性能极限掌握了3纳米芯片制程的工艺。反观中国,除了台湾的台积电掌握成熟的7纳米芯片制程工艺进入世界芯片先进制程第一梯队,大陆地区仅有28纳米工艺在 2015 年实现量产,且仍以 28纳米以上的制程工艺为主,甚至大量的厂商制程工艺还停留在微米级别。晶圆制造除了在工艺方面落后,在产量上也无法满足需要,加上给外资代工的厂商,2016 年中国地区晶圆制造产能仅占全球 10.8%,而消费市场占全球 33%。制造工艺的落后加上产量的不足,每年我国集成电路进口量都十分庞大,2017年的进口量达到3770亿块,进口额高达2601亿美元。

晶圆

提到限制我国晶圆制造工艺进步的因素就不得不提及半导体设备,根据 SEMI 统计,2016年我国境内半导体设备销售额为 412.3 亿美元,而目前半导体设备国产率为 5%左右,从细分的角度来看,光刻机、刻蚀机和薄膜沉积设备占据了70%以上的市场份额。当前国际上高端领域的半导体设备最小制程都已经向10纳米以下发展

国产芯片到底差在哪中国半导体产业现状

,国产化的半导体设备与之相较还有一定的差距,如上海微电子生产的光刻机的最小制程只能达到90纳米;作为国内在半导体设备领域的绝对龙头企业,北方华创在薄膜沉积设备等诸多半导体设备领域都在奋力追赶世界先进水平,公司14纳米制程的薄膜沉积设备已交付客户端进行验证,2018 年,北方华创开始布局 10纳米、 7纳米前沿关键技术研发,保持前沿技术的开发力度。除北方华创外,中微半导体的16纳米刻蚀机已经实现商业化量产并在客户的生产线上运行,纳米刻蚀机设备可以与世界最前沿技术比肩,并且还是台积电7纳米刻蚀设备供应商中唯一来自大陆的企业。在材料领域,江丰电子作为国内高纯溅射靶材行业龙头企业,产品包括铝、钛、钽和钨钛靶极溅射材料,是国内少有打破海外技术封锁的半导体材料企业。

江丰电子技术人员正在检测靶材

封测:优势环节,并购整合抢占全球市场

叙述到此,关于芯片半导体产业链的介绍只剩下封装测试这最后一个环节。通过层层加工我们终于得到了一枚小小的芯片,因为芯片上有十分精密的电路,倘若不加以保护,很容易被刮伤损坏,所以我们需要通过封装测试将生产出来的晶圆进行切割、焊线、塑封,使芯片电路与外部器件实现电气连接,并为芯片提供机械物理保护,让其易于安装到电路板上进行使用,并对封装完毕的芯片进行功能和性能测试。封装测试是我国在芯片产业中的优势环节,国内封测前三的长电科技、通富微电、华天科技均跻身世界前十的行列,我国大陆在全球半导体封装测试产业领域的销售规模也仅次于中国台湾。

半导体封装

经梳理发现,虽然华为海思和紫光展锐在半导体产业链芯片设计领域已经进入世界第一梯队,但我国在存储芯片、CPU以及智能芯片的设计,还未出现优秀的公司;晶圆制造上,我国目前的制程工艺除了中国台湾的台积电已经达到了7纳米的制程工艺外,我国大陆地区的技术节点还处于28纳米以上的阶段,落后于7纳米的世界先进水平;而在封装测试这个优势领域,通过自主研发先进封装和海外并购整合,占领的封测市场迅速扩大。

希望这次的中兴事件能够给国人敲响警钟,在为经济获得高速发展感到欣喜的同时不要忽视高精尖技术领域与世界先进水平的差距;鞭策我们的高新技术企业,芯片不是靠买就能万事大吉的;更要敦促我们的下一代,勤奋学习为祖国的科技事业添砖加瓦!

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