1納米會是摩爾定律的終點嗎?中國晶片的機會在哪裡?

2020-11-28 電子工程專輯

在不久前召開的IC CHINA 2020（中國國際半導體博覽會）上，中國工程院院士、浙江大學微納電子學院院長吳漢明預測，「隨著工藝節點演進，摩爾定律越來越難以持續，預計將走到2025年。」YgIEETC-電子工程專輯

所謂摩爾定律，即集成電路晶片上的電路數目，每隔18個月就翻一番。隨著矽片上線路密度的增加，技術複雜性和成本越來越高，半導體工藝也走到了極限。YgIEETC-電子工程專輯

1納米會是摩爾定律的終點嗎？現有製程工藝下，也許會。除非新工藝和新材料出現突破。臺積電曾樂觀預測，在此前提下，或許到2050年，製程工藝可以達到0.1納米。最新消息是，臺積電將在2022年量產3納米工藝晶片，2024年推行2納米工藝。YgIEETC-電子工程專輯

但無論如何，那將是一個少數人的遊戲，而基於眾所周知的原因，中國在這個遊戲中暫時落後。「後摩爾時代」，中國晶片的機會在哪裡？YgIEETC-電子工程專輯

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不可承受的「AI之重」YgIEETC-電子工程專輯

「產業發展的驅動是算力，根據OpenAI預估，AI算力約每3.4個月翻倍，但算力需求增長速率是10倍/年增長，就算摩爾定律不放緩，都難以滿足日益增速的算力需求。」IC CHINA2020上，上海燧原科技有限公司創始人兼CEO趙立東如是說。YgIEETC-電子工程專輯

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AI算力雖然從2012年開始大約每3.4個月翻一倍，但依然低於算力需求的增速，圖源：OpenAIYgIEETC-電子工程專輯

摩爾定律認為，一塊晶片中可容納的電晶體數量每隔18至24個月就會增加一倍，性能也將提升一倍。自1965年摩爾提出此觀點後，晶片性能的提升基本以每5年增長10倍，每10年增長100倍的速度前進。YgIEETC-電子工程專輯

但是，製程工藝從22nm進入「後摩爾時代」，摩爾定律開始放緩，英偉達創始人黃仁勳甚至在CES2019上表示，摩爾定律每年只能增長几個百分點，晶片性能的增速已降至每10年可能只有2倍。YgIEETC-電子工程專輯

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不同工藝節點時的晶片設計成本水漲船高。據調查機構IBS估算，16納米製程開發費用達1億美元，10納米為 1.74億美元，目前主流7納米要衝上3億美元，5納米要價約4.36億美元，3納米更飆到6.5億美元。YgIEETC-電子工程專輯

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晶片不同工藝節點開發成本，圖源：IBSYgIEETC-電子工程專輯

美國半導體行業協會總裁兼執行長John Neuffer透露，美國半導體公司每年大約將五分之一的收入用於應對晶片設計成本上升的挑戰。YgIEETC-電子工程專輯

製程工藝同樣面臨挑戰，吳漢明表示，我國集成電路產業發展艱難，尤其是晶片製造工藝存在三大挑戰：光刻是基礎挑戰、新材料&工藝是核心挑戰、提升良率是終級挑戰。YgIEETC-電子工程專輯

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20納米以上還有很大空間YgIEETC-電子工程專輯

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算力和摩爾定律的矛盾顯而易見，但現狀是，先進位程工藝基本被臺積電、三星壟斷，加上今年以來複雜的國際關係，僅僅依靠工藝升級已經不能滿足算力的需求。YgIEETC-電子工程專輯

但對中國企業而言，未嘗不是件好事。吳漢明預測，「新材料、新工藝將是未來成套工藝研發的主旋律，包括光刻技術、薄膜技術在內的很多關鍵技術，進行完整的工藝集成後，形成可以商用的成套工藝。YgIEETC-電子工程專輯

2019年全球 82%的晶圓代工產能都是 20nm以上節點，20nm以下節點先進產能僅佔12%，這為企業留下了巨大的創新空間。」YgIEETC-電子工程專輯

事實上，電晶體密度更高的晶片，大多被用於手機製造，而隨著AI時代的到來，當萬事萬物都需要增加一個「大腦」時，大多數智能化產品不會像手機一樣，對單位面積內的計算速度有不可替代的需求。YgIEETC-電子工程專輯

換句話說，很多AI晶片，可以在並不需要頂尖製程工藝的前提下，通過成套工藝的創新，達到和先進位程工藝同樣的計算能力。YgIEETC-電子工程專輯

如果說臺積電和荷蘭ASML公司「鎖死」了中國通過製程工藝改良製造高端晶片的方向，那麼中國晶片必須「另闢蹊徑」。YgIEETC-電子工程專輯

「全球半導體產業經過三次轉移，而每次轉移都是因為需求發生變化，從20世紀90年代開始，隨著PC和手機相繼普及，產業鏈從韓國、中國臺灣逐漸轉移至中國大陸，等到了智能物聯網時代，輕設計廠商將成為主流。」芯原股份董事長戴偉民表示。YgIEETC-電子工程專輯

數據顯示，中國已經成為全球規模最大、增速最快的集成電路市場。John Neuffer透露，2019年，中國市場貢獻了美國半導體公司36%的收入，中國的PC、手機、電視、可穿戴設備的出口額在全球份額中均是第一位。YgIEETC-電子工程專輯

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2016年統計的美國半導體行業的公司對中國市場的依賴性，圖源：QuartzYgIEETC-電子工程專輯

國內邊緣計算晶片企業地平線創始人餘凱認為，未來自動駕駛對於車載智能算力的需求是一種機遇，新的封裝技術、軟體硬體的高度協同、面向自動駕駛人工智慧所做的創新型架構設計以及編譯器作業系統，會使人工智慧算力以指數級的「摩爾定律」向前發展，但這要求人工智慧企業要有全新的思維設計晶片。YgIEETC-電子工程專輯

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突破：Chiplet的嘗試YgIEETC-電子工程專輯

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創新之路在哪裡？新結構、新材料、新集成設計創新，是業內基本公認的三條路，但設備和材料方面，日本崛起較早，如今是市場領頭羊，中國最有可能在設計領域有所突破。YgIEETC-電子工程專輯

戴偉民認為Chiplet（芯粒）是一條可行之路。所謂Chiplet，是由Marvell創始人周秀文提出的MoChi（Modular Chip，模塊化晶片）架構，顧名思義，就是將不同工藝節點的die（裸片）通過異構的方式混裝，這樣可以大大降低企業在先進工藝製程方面的成本。YgIEETC-電子工程專輯

比如蘋果A13在16納米工藝下成本為4.98美元/10億電晶體，但在7納米工藝下成本只需2.65美元/10億電晶體。YgIEETC-電子工程專輯

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但正如前文所言，高製程的晶片設計開發成本驚人，一般企業無法承受。YgIEETC-電子工程專輯

戴偉民認為，Chiplet新形態是未來晶片重要趨勢之一。比如一塊晶片可以做到CPU用7nm工藝，I/0則用14nm工藝，這樣與完全由7nm打造的晶片比成本大約降低50%。YgIEETC-電子工程專輯

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但Chiplet的問題在於，不同晶片間互連的功耗和性能如果沒有標準，可能效果適得其反。YgIEETC-電子工程專輯

目前芯原提出IP即Chiplet，可以將ISP（圖像處理）、NPU（神經網絡處理器）、VPU（視頻處理器）、GPU（圖形處理器）等晶片形成基於不同工藝節點的Chiplet，並做到「即插即用」。YgIEETC-電子工程專輯

如此，對中國企業而言，Chiplet將大規模降低晶片設計的門檻；半導體IP授權商能升級為Chiplet供應商，提升IP的價值且有效降低晶片客戶的設計成本。YgIEETC-電子工程專輯

更重要的是，Chiplet可以更好利用中國的封裝資源，儘管在先進位程上被「卡脖子」，但中國的封裝工藝基本接近世界頂級水平。YgIEETC-電子工程專輯

「領頭羊」長電科技如今正在持續推進Chiplet的量產和2.5D/3D的封測技術開發，預計到2021年，可以實現2.5D封裝工藝，從而推動Chiplet更快落地。YgIEETC-電子工程專輯

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未來：減少試錯成本YgIEETC-電子工程專輯

2019年，我國集成電路產業規模實現7000多億元，同比增長15.8%。工業和信息化部電子信息司副司長楊旭東在IC China上表示，中國在全球市場份額中佔比接近50%。YgIEETC-電子工程專輯

儘管近年來美國開始實行「脫鉤」政策，但中國晶片產業正在迅速崛起。數據顯示，今天中國已經擁有世界17%的晶片產量。John Neuffer預計，到20世紀末，這一比例將增加到28%，尤其是在無晶圓廠和OSAT（封測代工廠）領域，中國具有明顯優勢。YgIEETC-電子工程專輯

但中國的劣勢也很明顯。2020年，美國半導體行業協會最新調研顯示，中美摩擦將改變全球IC產業格局，目前中國本土IC自給率只有14%，中國本土IC設計業的全球市佔率為15%，整體IC產業全球市佔率只有5%。相比之下，美國的各項佔比均在50%以上。YgIEETC-電子工程專輯

據上海集成電路產業投資基金管理有限公司總經理陳剛介紹，從材料、裝備、製造/封測、設計四個環節來看，科創板對於光掩模、12寸拋光片等材料領域的企業尋求二級市場資本有了一定覆蓋，但在先進工藝所需的高端材料和光刻機設備、拋光機方面，仍是空白，設計領域的EDA、CPU、FPGA、DRAM、NAND等領域也都存在空白。YgIEETC-電子工程專輯

在最為核心的半導體設備市場，中國與全球差距甚遠。2019年，中國的半導體設備國產化率為18.8%，但盛美半導體設備股份有限公司董事長王暉坦承，其中核心設備佔比很小。YgIEETC-電子工程專輯

從各國研發經費分配來看，我國與世界先進國家的差距仍然很大，尤其在基礎研究領域，大部分研發停留在試驗階段，難以產生革命性的創新。YgIEETC-電子工程專輯

吳漢明指出，中國的集成電路研發經費的總額不比英美法日少，但比例嚴重失衡，只有5%經費投入基礎研發，尤其是一些晶片製造企業，試錯成本佔了整個研發經費的84%，「我們必須要有一個基礎引導，使這種所謂試錯式研發變成實驗式研發。」YgIEETC-電子工程專輯

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