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    揭秘:一顆“芯”是如何煉成的
    來源:     2018-04-23 14:01:48

    2017年中國集成電路進口量高達3770億塊,同比增長10.1%;進口額為2601億美元(約合17561億元),同比增長14.6%。2017年中國貨物進口額為12.46萬億元,也就是說集成電路進口額占中國總進口額的14.1%,而同期中國的原油進口總額僅約為1500億美元。中國在半導體芯片進口上的花費已經接近原油的兩倍。

    近日,越來越多的人關注中國自主研發的芯片進展。若想煉成一顆中國“芯”,需要怎樣的步驟?

    現狀

    半導體芯片進口花費

    已接近原油兩倍

    也許不是人人都了解集成電路,但許多人聽說過摩爾定律。摩爾定律是指,當價格不變時,集成電路上可容納的元器件的數目,約每隔18個月便會增加一倍,性能也將提升一倍。在半個世紀前,由英特爾創始人之一的摩爾提出的這一推測,已經延續了50多年。

    摩爾定律揭示了集成電路領域的發展速度。在這樣的高速創新發展中,集成電路的產品持續降低成本、提升性能、增加功能。也是在這樣的高速發展中,各國集成電路技術的差距越拉越大。有業內人士表示,中國若想在主要集成電路領域追趕上頂級公司,需要的不止時間,而是整個系統性提升。

    海關總署公開信息顯示,集成電路進口額從2015年起已連續三年超過原油,且二者進口差額每年都在950億美元以上。其中,2017年中國集成電路進口量高達3770億塊,同比增長10.1%;進口額為2601億美元(約合17561億元),同比增長14.6%。2017年中國貨物進口額為12.46萬億元,也就是說集成電路進口額占中國總進口額的14.1%,而同期中國的原油進口總額僅約為1500億美元。中國在半導體芯片進口上的花費已經接近原油的兩倍。

    調查

    芯片有幾十種大門類

    上千種小門類

    芯片,是指內含集成電路的硅片,體積很小,常常是計算機或其他電子設備的一部分。芯片組,是一系列相互關聯的芯片組合。它們相互依賴,組合在一起能發揮更多作用,比如,計算機里的中央處理器(CPU)及手機中的射頻、基帶和通信基站里的模數轉換器(ADC)等,就是由多個芯片組合在一起的更大的集成電路。而集成電路是非常精密的儀器,其單位為納米。一納米為十萬分之一毫米。這就對設計、制造工藝都有非常嚴格、高標準的要求。

    芯片的種類很多,芯謀研究首席分析師顧文軍對北京青年報記者表示:“僅從產品種類來說,芯片的種類就有幾十種大門類,上千種小門類;如果涉及設備流程的話就更多了。美國是整體式、全方位處于領先地位,而我們只是在某些領域里面有所突破,并且這些領域也并非核心、高端的領域,比如中國在存儲器、CPU、FPG及高端的模擬芯片、功率芯片等領域,幾乎是沒有的。如果中國發力研發,在某些小的門類中可能會有所突破?!?/p>

    追訪

    一臺通信基站內

    有上百顆芯片

    以運營商業務為例,通信基站設備是其最主要的產品之一,而在一臺通信基站中就有上百顆芯片負責實現不同功能?!昂唵蝸碚f,基站發射并回收信號,收回信號后首先要有芯片濾波,穩定信號;然后還有芯片將這種特別小的信號放大;再有芯片進行解析、處理;然后是芯片負責傳輸、分發?;竞诵母娔X類似,可以實現各種功能,但它可以支持多個手機,因而速度更快,芯片更復雜?!鄙鲜鋈耸勘硎?。

    其中,最典型的是ADC芯片,中國目前還無法生產出可替代產品。ADC芯片是模數轉換芯片,負責將天線接收的連續的模擬信號轉換為通話或上網的數字信號。目前ADC主要依賴亞德諾、德州儀器等公司供應。

    從軟件方面來說,EDA仿真軟件是另一個典型。利用該軟件,電子設計師才可以在電腦上設計芯片系統,大量工作可以利用計算機完成,并可以實現多個產品的結合試驗等。如果沒有EDA仿真軟件,則需要人工進行設計、試驗,耗費的人力、時間等成本不計其數。目前進入我國并具有廣泛影響的EDA軟件有十幾種,基本都來自于美國。

    關注

    制造一顆芯片

    需要5000道工序

    一位芯片制造領域的專家向北青報記者介紹,一顆芯片的制造工藝非常復雜,一條生產線大約涉及50多個行業、2000-5000道工序。就拿代工廠來說,需要先將“砂子”提純成硅,再切成晶元,然后加工晶元。晶元加工廠包含前后兩道工藝,前道工藝分幾大模塊——光刻、薄膜、刻蝕、清洗、注入;后道工藝主要是封裝——互聯、打線、密封。其中,光刻是制造和設計的紐帶。

    其中許多工藝都在獨立的工廠進行,而使用的設備也需要專門的設備廠制造;使用的材料包括幾百種特種氣體、液體、靶材,都需要專門的化工工業。另外,集成電路的生產都是在超凈間進行的,因此還需要排風和空氣凈化等系統。

    有說法認為,集成電路是比航天還要高的高科技。該業內人士表示,這種說法也不無道理,“航天的可靠性估計也就4個9、5個9的樣子(X個9表示在軟件系統一年時間的使用過程中,系統可以正常使用時間與總時間之比)?,F在硅晶圓材料的純度就要6個9以上?!?/p>

    焦點

    全球芯片

    幾乎被美日歐壟斷

    根據前瞻研究院的報告顯示,目前,全球芯片仍主要以美、日、歐企業產品為主,高端市場幾乎被這三大主力地區壟斷。在高端芯片領域,由于國內廠商尚未形成規模效應與集群效應,所以其生產仍以“代工”模式為主。

    截至2015年年底的數據顯示,全球共有94家先進的晶元制造廠商,其中17家在美國,71家在亞洲(中國有9家),6家在歐洲。日本在上世紀80年代處于領先地位,但自90年代開始其全球半導體市場份額顯著下降,至2015年僅有3家日本芯片制造商位列全球排名前二十——東芝、瑞薩電子和索尼。而與此同時,東亞其他國家已成為動態隨機存取存儲器市場的主要公司。韓國三星電子和海士力目前是世界第二和第三大半導體公司。

    根據美國半導體產業協會(SIA)的最新統計數據顯示,2017年1月至2月,中國和美國的芯片市場規模份額擴大,分別為33.10%和19.73%;日本和歐洲的芯片市場份額有所下降,分別為9.29%和9.12%。中國芯片市場是全球最大、增長最快的市場,但是對外依存度過高。

    熱點

    英特爾一直是

    世界上最大芯片制造商

    自1993年1月以來,英特爾一直是世界上最大的芯片制造商。個人計算機所用的CPU處理器中,英特爾就占據了八成份額。人們耳熟能詳的奔騰、賽揚、酷睿等處理器都來自英特爾。目前,英特爾的年營收率仍然在繼續增長——無論是從PC、數據中心服務器,還是物聯網芯片。

    2016年英特爾仍是全球最大芯片供應商,全年芯片銷售額達540.9億美元,較2015年增長4.6%;市場份額達15.7%。

    而在手機芯片中,高通是另一大巨頭。目前國內除了華為、三星等手機廠商外,其余安卓手機廠商采用的全部都是高通處理器。除了購買芯片的費用外,高通還向每臺手機收取專利費用。此前,魅族就與高通對簿公堂,魅族副總裁李楠稱,有100多家手機廠商都與高通簽訂了購買專利的協議。

    亮點

    中國半導體前三

    分別是華為、紫光、中興

    而在國內,我國的半導體產業近年來也在加速發展。

    根據中國半導體行業協會統計,2017年中國集成電路產業銷售額達到5411.3億元,同比增長24.8%。其中,集成電路制造業增速最快,2017年同比增長28.5%,銷售額達到1448.1億元。設計業和封測業繼續保持快速增長,增速分別為26.1%和20.8%,銷售額分別為2073.5億元和1889.7億元。

    來自海關總署的數據顯示,2017年中國出口集成電路2043.5億塊,同比增長13.1%;出口金額為668.8億美元,同比增長9.8%。

    一份由半導體協會和工信部中國電子信息產業發展研究院公布的2017年國內十大集成電路設計/制造行業的最新排名報告顯示,在國內前十大集成電路設計企業當中,華為海思半導體以361億元銷售額排名第一;清華紫光展銳以110億元排名第二;中興微電子以76億元排名第三。隨后的還有華大半導體、智芯微電子、匯頂科技、士蘭微電子、敦泰科技(深圳)有限公司、格科微電子和中星微電子。

    財經觀察

    中國能否跳離

    美國IP核另起爐灶?

    有專家表示,我國集成電路的起步并不算晚,只比美國晚幾年。但由于其間歐美技術封鎖、國內歷史問題等多種因素,目前與歐美的差距比較大,想要在短時間內追趕有難度。

    一位從業者對北青報記者表示,從整個行業來看,美國卡的是“IP(知識產權)”,“圍繞IP的戰爭更激烈,就算你用了人家的技術,人家也有產權,你無法繞開它去解決問題?!辟Y料顯示,IP核將一些在數字電路中常用但比較復雜的功能塊,如FIR濾波器、SDRAM控制器、PCI接口等設計成可修改參數的模塊。上述人士表示,中國集成電路行業一直流行一個詞語“彎道超車”,很多人在想,能否跳離美國的IP核而另起爐灶,另外開發一整套的生態系統?但這實在太復雜了。

    多位行業研究人士表示,目前中國的集成電路是系統性落后,整體提升需要從基礎性研究和人才培養來做,需要比較久的時間,“我們需要先培養數學、物理等學科的基礎人才。這些人提上來后,再由他們培養跟其他學科交叉的人才。他們需要掌握工業設計等技術?!?/p>

    個案展示

    華為海思半導體有限公司成立于2004年,前身是創建于1991年的華為集成電路設計中心。目前,海思總部位于深圳,在北京、上海及美國硅谷和瑞典設有設計分部。其產品覆蓋無線網絡、固定網絡、數字媒體等領域的芯片及解決方案,成功應用在全球100多個國家和地區;在數字媒體領域,已推出SoC網絡監控芯片及解決方案、可視電話芯片及解決方案、DVB芯片及解決方案和IPTV芯片及解決方案。華為海思的產品在運營商業務、消費者業務等多個業務線都有應用,而普通消費者更多是因為華為手機搭載的麒麟處理器認識它,目前華為多款手機包括Mate系列、P系列及榮耀手機都有搭載。麒麟960還被外媒評為“2016最佳安卓機處理器”,表現超過高通處理器。海思總裁何庭波曾表示,“我們在開始做7納米,也在跟著業界一起看5納米這些更先進的工藝?!?/p>

    華為海思

    麒麟960被評為

    “2016最佳安卓機處理器”

    紫光展銳

    正致力研發

    國產自主可控架構的CPU

    紫光展銳則是紫光集團響應國家的集成電路發展戰略,而通過資本運作、企業布局等方式大力發展起來的。2013年12月,紫光集團收購在美國納斯達克上市的國內排名第一、世界排名第三位的通信基帶芯片設計企業展訊通信公司,進而在2014年7月完成對同為納斯達克上市公司、國內排名第二的通信芯片設計企業銳迪科微電子公司的并購。2016年,紫光控股上海宏茂微電子公司,布局集成電路封裝測試領域。同時,2016年紫光控股武漢長江存儲有限公司,并在成都、南京陸續簽約落地總投資額近1000億美元的存儲芯片與存儲器制造工廠。

    據其官網消息,2015年,紫光展銳與英特爾達成合作,開發出了基于英特爾x86架構的系統芯片并上市。目前,紫光展銳擁有5000多名員工,其中90%以上是研發人員;在全球設有16個技術研發中心。紫光展銳正致力研發國產自主可控架構的CPU。

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