芯片有多重要?

就像社会的“神经系统”

芯片是“何方神圣”?为何如此重要?广东省半导体产业研究院黎子兰博士表示，“它实际上起到了现代社会神经系统的作用，如果把社会比喻为人，芯片就负责思考、感知、通讯，甚至控制着一部分的能源，比如功率芯片控制了电能、电压、交流、直流等，因此对现代社会非常关键”。

黎子兰表示，未来所有的产业发展方向，相当部分是由半导体芯片支撑实现的，“比如物联网、5G、汽车电子、人工智能AI、AR、VR、区块链都需要半导体芯片”，他表示，以汽车和手机为例，电子产品在汽车中分布广泛，汽车电子占汽车成本的比例逐年提升。有资料显示，汽车电子占整车的成本达30%以上，未来随着电动汽车和无人驾驶技术的成熟，汽车电子所占的成本将达到50%以上，成为汽车智能化的关键部分。智能手机基本上是由芯片和显示屏等部件组成，“中国生产了全球77%的手机，并且拥有多家领先品牌，作为优势产业，却只有3%的芯片是国产”。

未来的电动汽车对半导体的需求激增，功率半导体首当其冲，目前基本依赖进口

有资料显示，2017年中国芯片的进口额高达2600亿美元，超过原油位列进口产品第一，但国产芯片仅占国内市场份额10%左右。

国产芯片和发达国家的芯片

差距有多大?

全球电子产业生态系统

“国产芯片和发达国家的差距是多方面的、立体的”，黎子兰向南都记者表示，中国的电子产品制造业仅次于美国，但是电子产品的芯片却严重依赖进口。“不论是芯片的设计、生产设备，还是制造材料、制造工艺等都存在很大差距”，黎子兰说。

芯片的设计离不开设计软件即EDA，全球前三大的EDA企业都是美国企业，有数据显示，美国的设计公司在市场占比高达69%。设备上，全球最重要的半导体设备光刻机是荷兰生产，但设备所需的部分核心零部件是美国厂商生产。硅片是制作集成电路的重要材料，通过对硅片进行光刻、离子注入等手段，可以制成集成电路和各种半导体器件。日本在半导体生产材料上优势明显，有资料显示，世界前两名集成电路用硅片制造商是日本信越和SUMCO，占全球60%以上;这两家企业生产的大尺寸硅片(200毫米和300毫米)占全球的70%以上，形成绝对垄断和极高的技术壁垒。
 

我们离“中国芯”有多远?

我们离“中国芯”还有多远?黎子兰表示，华为的麒麟芯片很了不起，但是半导体芯片行业覆盖面广，细分领域多，光有一个麒麟芯片，或是某个点的突破是不够的，需要很多方面，大家共同的努力。“如果有一天，我们能够生产出很多的芯片和产品，别人不得不用的时候，中国的芯片就崛起了，如果能够做到你中有我，我中有你，大家都离不开的时候，‘中国芯’就到来了”。

“全球半导体芯片产业竞争最终比拼的是创新的效率，”黎子兰分析道，“如果你的产品性能只有其他产品的一半，还停留在上一个技术阶段，就卖不动了”。

发展半导体产业是产业转型升级的必经之路，“目前人工智能很重要的一个企业是半导体芯片企业英伟达，因为人工智能对计算能力要求非常高”，黎子兰说，但半导体产业关联广泛，“目前我国与发达国家在各领域都存有差距，全面追赶上有一定挑战”。

如何实现“中国芯”?黎子兰表示，首先要进行合作，半导体行业是全球顶尖专家几十年的共同结晶，没有任何一个国家在全产业链都做到完全自主，求创新、求突破，首先要寻求合作。然后是创新，“创新是最有用的，在创新中做出全新的或更强的产品，别人的产品才可能基于我们的产品和技术”，黎子兰说，“创新几乎是唯一的道路”。
 

未来半导体的发展趋势

半导体芯片涉及不同的材料和功用，根据未来应用的方向，分成很多种类型，最大的类别是数字电路，还有诉求多元、功能为王的类别，包括模拟电路、分离电路、光电等。

“数字电路的主旋律是微缩，对于数字电路，器件越小，数目越多，开关速度越快。而数字电路从一个技术代演进到另一个技术代，大概只花两年时间，”2004年左右最先进的工艺尺寸是65纳米，现在最先进的技术已达10纳米，“红细胞是7000纳米，而半导体器件最核心的特征尺寸已经达到10纳米，数字电路微缩是对设备和工艺的极限挑战”，黎子兰说。

微缩：数字电路的主旋律

器件的微缩还导致结构向三维方向发展，这是数字电路的第二个趋势。“三种重要的数字芯片Logic、DRAM和FLASH，特征都是三维，今天三星推出的最新产品是96层，这实在太了不起了”，黎子兰表示。1965年英特尔创始人之一高登·摩尔曾表示，芯片的晶体管数目每两年翻一番。“摩尔定律其实是对数字电路微缩规律的总结”，黎子兰说，“至今摩尔定律已问世50多年，意味着至少翻了25次方，一个芯片上的晶体管数量最多超过100亿颗，可以实现非常强大的功能。”

高登·摩尔(Intel创始人之一)曾表示，芯片的晶体管数目每两年翻一番

另外一类是诉求多元、功能为王的第一、二、三代半导体，包括模拟电路、分离电路、光电等。“因为应用广泛，这一块对经济的重要性不亚于数字电路，在很多方面都起到重要作用”，黎子兰表示。新的材料可以大幅提高原有产品的性能，或实现原来无法实现的功能。第三代半导体材料(如GaN)在光电显示、电力电子、RF器件等方面极具潜力和前景。Si功率器件已到极限，第三代半导体刚兴起，所使用的GaN功率器件品质因子是Si的1130倍，“GaN功率器件将带来电力电子的革命”，黎子兰说。

“未来会超越摩尔定律，提高性能和实现新的功能”，黎子兰表示，从以往单纯追求微缩，开始转变为实现新的不同功能，“例如在microLED显示、通讯基站和雷达电子等领域，通过材料、器件结构等创新实现更加庞大和先进的功能，这是半导体芯片创新的重点，也是机遇，而且对设备的要求没有那么夸张”，例如，从九十年代商业蓝光LED出现开始，GaN材料开始引起公众关注，应用越来越广泛。“但数字芯片和其他类型的芯片不是分离发展，另外一个重要趋势就是将它们在系统级别进行更强的整合”。

“总而言之，半导体芯片的未来是微缩、超越微缩和融合”，黎子兰表示。