李万：把握芯片科技发展趋势促进半导体产业创新突破

把握芯片科技发展趋势促进半导体产业创新突破李万2020年08月25日 芯片是信息社会的核心基石，也是各国竞相发展的重要新兴技术和产业。在某种程度上，一个国家的芯片科技水平以及在全球分工位置，意味着该国在全球科技竞争中的地位。芯片科技发展的基本特质芯片科技与半导体产业的发展，具有明显的知识经济特征。一是基础科学为先导。从1833年法拉第在硫化银的实验中首次发现半导体现象，到1947年贝尔实验室制造出第一个晶体管，再到1958年基尔比、诺伊斯等提出“微芯片”的想法并发明了硅基集成电路，科学发现与技术发明相映成辉。今天，这种科学先导作用依然显著，从蔡少棠第四元件预言到忆阻器，从量子纠缠到量子计算，莫不如此。二是社会应用为牵引。现代计算机在二战前后被发明，与当时经济统计、弹道计算、氢弹研制等社会需要密不可分。如冯·诺依曼主持的MANIAC计算机在1951年进行首次测试，其任务就是热核爆炸，计算结果得到了1952年和1954年两次核爆的验证。今天这种应用牵引作用，更由于经济发展的智能化被千百倍放大着。三是知识资本双密集。经过一个多世纪的发展，半导体相关科技已形成诸多细分学科和领域，每年培养大量专业技术人员。半导体产业还富含隐性知识，一个半导体领域的博士从毕业到成为独当一面核心技术团队负责人，常常要在研发一线经历10—15年以上的打磨。同时，半导体行业拥有极高的资本准入门槛。据估计，最先进的3nm芯片，其设计费用约为5—15亿美元，生产线投资规模则更是高达150—200亿美元。四是政府市场双引擎。高昂的投入、快速的迭代，半导体产业“生而傲娇”，尽管它在美国发源，但唯有全球化才能达成今天的高度。半导体产业既需要市场的巨量需求，更需要政府的战略支撑。美国政府是早期半导体工业的首个大卖家，硅谷兴盛的背后，是联邦政府“有形之手”的倾力相助。日本为发展本国半导体产业，几乎倾注全国之力，组织了著名VLSI联盟。在发展极紫外光源（EUV）光刻机过程中，前台是荷兰ASML公司，后台则是美国、日本、中国台湾、韩国一众头部公司的大力支持。据估计，ASML只掌握了不到10%的核心技术，但它是8000个核心零部件的集成者。今天，芯片已经形成多种多样的系列规格。从处理信号的类型上，可分为数字芯片和模拟芯片（如射频芯片、电源管理芯片等）；从功能上，可以分为微处理器芯片（如CPU，图形处理器GPU）、存储芯片（包括动态随机存储器DRAM、非易失闪存NAND Flash等）……芯片科技和半导体产业已经成为国民经济的重要基石和主导产业之一，成为世界各国角逐的关键所在。芯片科技的发展趋势芯片一直呈现出微型化、高速化、低功耗的趋势，其背后是摩尔定律的作用发挥。近年来，随着摩尔定律的放缓，芯片的发展将可能迎来新的拐点。一是现有技术的极限。50多年来，人类已使得微观器件加工面积缩小了一万亿倍！研究认为，半导体行业大约每隔20年，就会有新的危机出现，而今正处于危机循环节点。下一步是该“延续摩尔”还是“超越摩尔”，目前还莫衷一是。二是新兴技术的突破。新架构晶体管技术（如互补场效应晶体管、垂直纳米线晶体管、负电容场效应晶体管、隧穿场效应晶体管等）、新材料晶体管技术（如第三代半导体材料、碳基纳米材料、二维半导体材料等）、新型存储芯片技术（如相变存储器、磁性存储器、阻性存储器、铁电存储器、碳纳米管存储器等）、新架构芯片技术（如存内计算、神经形态、深度神经网络、量子计算、光电集成等）快速崛起。替代的技术路线相互竞争。三是产业组织的调适。随着芯片技术发展到特大规模集成电路（ULSI） 和芯片级系统 （System on Chip），产业组织也从系统厂商主导、到IDM（集成设备制造商）、Fabless（无工厂芯片供应商）+Foundry（代工）模式、Fab-lite（轻晶圆模式）、SIP（硅知识产权）设计，再到适应Chiplet（小芯片）和异构集成的集群虚拟垂直整合（CVVI）模式。新的商业模式将带来新机遇。四是市场格局的变动。芯片市场规模已近5000亿美元，其中美国约占一半左右，远超过其他国家和地区，为中国的15倍。但包括中国在内的亚太地区一直在快速增长。现在75%以上的芯片生产线都在亚洲。可以预见，未来5—10年，将是芯片科技和半导体产业发生重要变动甚至是革命性