作为现代电子信息技术产业高速发展的源动力，芯片已广泛渗透及融合到国民经济和社会发展每个领域，是数字经济、信息消费乃至国家长远发展的重要支撑。然而，我国核心处理器芯片在全球市场份额比例至今仍不到 1%，电子产品严重依赖从美国、韩国等国国家和地区进口处理器芯片，面临重大“卡脖子”风险。
当前，在数字信息化全面发展、国际形势发生新变化以及新冠疫情导致芯片产能整体性不足等情况下，芯片产业生态国产化的呼声越来越高。基于此，国家已相继多次出台和完善集成电路产业的利好政策，相关国产化设备和材料的市场需求在节节攀升，同时自主芯片制造企业的投入热情及攻坚克难意志不断加强。
多位行业人士预判，国产28nm和14nm芯片将分别于今年底和明年实现规模量产。消息一出，便振奋了整个半导体市场。那么，其规模量产意味着什么？会给产业链中的企业带来哪些机遇？将在新基建中扮演怎样的角色？中国芯片产业以后该如何协同发展？带着这些问题，观察者网近日采访了中科院计算技术研究所副所长包云岗博士，分析新形势下国产中高端芯片的机遇与挑战。
图片中科院计算技术研究所副所长包云岗博士
国产芯片制造技术进步明显
数据显示，2019年国内集成电路产业的产值超过7500亿人民币，2020年则达到了8848亿元。而在整个产业发展过程中，集成电路制造行业取得的进步最为明显。据包云岗博士介绍，经过多年耕耘布建，目前国内集成电路产业已从高速发展阶段向高质量发展转型，已经具备14nm、28nm等先进制程工艺技术，并能在短期内实现规模量产。这将进一步推动全球集成电路产能向中国大陆转移，同时为国产芯片制造产业链带来新机遇。
一方面，近年来，中国集成电路市场的迅速发展，推动了整个产业的进步与技术革新。随着产品应用领域的专业化和细分化，国内在集成电路制造领域的技术水平不断实现突破，比如在先进与特色工艺的研发和产业化等方面取得显著了进展。这使得中国大陆的芯片制造与国际领先技术的差距越来越小。
另一方面，全球集成电路产能向中国大陆转移，将为国内集成电路产业实现跨越发展奠定重要基础。目前，国内外多家厂商都在大陆规划建设新增产能。而在诸多新增晶圆厂逐步建设完成后，中国大陆将在降低成本、扩大产能、地域便利性等方面具备更强有力的保障及支持。显然，这对国内集成电路产业的整体发展及完善，起到极为重要的促进作用。
毫无疑问，集成电路是国民经济和社会发展的战略性、基础性、先导性产业，是电子信息产业的核心。近年来，中国正在不断出台产业政策，以市场化运作的方式推动集成电路产业的发展。比如2020年8月，国务院发布了《新时期促进集成电路产业和软件产业高质量发展的若干政策》，进一步明确了对集成电路产业尤其是制造业的支持。由此，国内集成电路产业发展及制造技术进步还有很大想象空间。
14nm芯片助力产业换“芯”升级
在眼下集成电路产业发展形势下，国产芯片制造的快速进步振奋人心。2019年第四季度，国产14nm工艺芯片实现量产，到了今年3月良品率已经达到90%-95%，同时已经完全有能力应对下游大规模量产的需要。目前，国产14nm领域的设备、工艺、封装、材料等各技术工艺环节都已经有系统部署，均在按部就班进行迭代升级。多位行业人士预测，国产14nm芯片各个环节会快速得到完善，明年实现规模量产的可能性很大。
当然，要实现这些突破并不容易。包博士表示，国产14nm芯片攻克了许多技术难题，包括刻蚀机、薄膜沉积等关键装备实现从无到有，并批量应用在大生产线上；后道封装集成技术成果全面实现量产；抛光剂、溅射靶材等上百种关键材料，通过大生产线考核进入批量销售等等。这些成果基本覆盖了我国集成电路全产业链体系，扭转了之前工艺技术全套引进的被动局面。
此外，他还认为，中国半导体产业曾经遗憾地错过一个黄金年代，目前国际半导体行业巨头几乎都在上世纪七八十年代起步，用漫长时间和巨量人才投入才换来现在的技术积累。但纵观全球，只有美国有结构完整的计算机产业，英国、韩国、德国、法国等都只是各有所长。但现在除了美国之外，中国也已具备了构建全产业的潜力。而单从代工环节情况来看，拥有14nm工艺技术的国家和地区只有美国、台湾、韩国和中国大陆。
在市场应用方面，智能手机已经进入应用5nm芯片的时代，14nm制程应用已经不多。但一段时间内，14nm仍然会成为国内绝大多数中高端芯片的主要制程。数据统计，2019年上半年，整个半导体销售市场规模约为2000亿美元。其中，65%芯片采用14nm制程工艺，25%左右采用10nm和12nm，仅10%左右的芯片采用7nm。
对此，包博士表示，14nm是当下应用最广泛、最具市场价值的制程工艺，在AI芯片、高端处理器以及汽车等领域都具有很大的发展潜力，其中主要应用包含高端消费电子产品、高速运算、低阶功率放大器、基频、AI、新能源汽车等。更重要的是，国产14nm规模量产不仅将为我国攻坚制程更高端的芯片技术积淀经验，也将为国产芯片自给率在2025年达70%奠定有力基础。
28nm芯片在新基建中大有可为
比起14nm制程工艺的突破，国产28nm芯片规模量产同样意义非凡。据包博士介绍，28nm工艺是集成电路制造产能中划分中低端与中高端的分界线。在当前的芯片种类里，除了对功耗要求比较高的CPU、GPU、AI芯片外，其余的工业级芯片都是用的28nm以上的技术，比如电视、空调、汽车、高铁、火箭、卫星、工业机器人、电梯、医疗设备、智能手环以及无人机等等。
“由于集成电路制造还是以中低端产能为主，当前我国向中高端迈进的需求非常迫切。而一旦完全掌握了28nm技术，就意味着市场上绝大部分的芯片需求都不会被卡脖子了。”包博士说，28nm的优势也比较明显。在成本几乎相同的情况下，使用28nm工艺制程可以给产品带来更加良好的性能。例如与40nm工艺相比，28nm栅密度更高、晶体管的速度提升了约50%，每次开关时能耗减少了50%。由此，综合考虑成本和技术因素，28nm制程在未来较长一段时间将成为中端主流工艺节点。
正因如此，国务院去年发布了《新时期促进集成电路产业和软件产业高质量发展若干政策的通知》，其中提到对28nm及以下的晶圆厂/企业加大税费优惠支持力度，增加对"中国鼓励的集成电路线宽小于28nm（含），且经营期在15年以上的集成电路生产企业或项目，第一年至第十年免征企业所得税"等内容。
在市场应用方面，包博士称，国产28nm芯片国内市场广阔。目前，国内芯片制造企业产能已基本全线利用，至少达到了98%。这是最近五年来产能利用率最高的一年。而随着数字经济快速发展，中国正在全力开展新基础建设工程，对芯片的需求十分旺盛。虽然与5nm、7nm相比，28nm的工艺还有一定差距，但在5G、新能源汽车、特高压、大数据中心、人工智能、工业互联网等国家大力发展的领域中已经属于成熟工艺，不论在成本还是在芯片功耗、功能与性能三大指标上，都是性价比最高的工艺制程。
根据调研机构IC insights发布的《2020-2024年全球晶圆产能》报告显示，2019年，10nm以下先进制程的芯片产能占总产能的4.4%，而大于28nm的成熟制程产能则占52%。因此，加快国产28nm芯片布局，不仅有利于在这一领域站稳脚跟，而且在芯片国产替代和新基建大潮下大有可为。包博士指出，国内已经具备28nm技术节点完规模量产能力。在集成电路各产业链环节，有些企业研发已经取得了不俗成就，有些企业的产品生产线上已经得到具体应用。与此同时，国内在一些细分领域还实现了显著突破，比如在介质刻蚀领域已达到全球先进水平。
提高业务能力可加速技术迭代
芯片是通信信息产业的核心，应用前景巨大。对于国产芯片是否可以满足包括5G通讯在内的通讯设备性能方面的需求，包博士表示，国产14nm芯片可以满足5G通信、高性能计算等领域的大部分需求。此外，国内也在积极开发7nm等先进工艺制程芯片，未来将有效缓解高端芯片代工领域的对外依存状况。
但芯片毕竟是硬件，只有在软件层面充分调动芯片的性能，才可以体现芯片的价值。依据国际历史经验看，通过软件的调试也可以改变芯片的特性。对此，包博士指出，“国内通讯运营商、设备提供商以及通讯方案服务商，也需要清楚当下芯片产业的变化，努力通过‘软硬件结合’的模式创新服务方案、设备架构，以适应时代的变化发展。”今年4月，国内已经实现7nm芯片试产，取得了阶段性成果。如果进展顺利，今年底或明年初时即可以实现7nm芯片批量生产。
不过，在5nm芯片工艺研发方面，国内依然面临不少困难。一方面，美国的限制一直未能出现根本性的解除，导致国内依然难以获得顶级水平的光刻机。另一方面，5nm芯片本身也是一个巨大的技术挑战，难度要高出7nm很多。但在面临多项压力、困难下，国内也已经启动了5nm芯片工艺研发，力求在2021年底之前先打通完整工艺流程，再向实验生产阶段迈进。
至于芯片制造企业是不是应该把所有资源都投入去研制更先进工艺？包博士提示，国内也许应该分配足够的资源来提升中低端工艺的服务能力，加大投入完善中低端工艺的生态，从设备、材料、单元库、EDA、IP等都积累起来并打磨好，从而力争在国际上形成市场竞争力。当中低端工艺能成为稳定的现金流来源，再去攻克高端工艺也许更有把握。
“中低端工艺对于国内企业已基本不存在大的技术壁垒，但这部分的收入却和台积电等企业差距巨大。这是生态的差距，是服务能力的差距。相比研制先进工艺的投入，完善中低端工艺的投入要小得多，但收益却可能会更显著。”根据国内的流片经历来看，芯片制造企业的服务能力的确还有很大提升空间。如果能进一步提高服务意识和服务能力，那将会吸引一大批铁杆客户形成互信，从而加速技术的迭代优化。
国产中高端芯片未来可期
对于整个集成电路产业以及与芯片密切相关的数字通信、电子产业的看法，包博士认为，芯片作为未来工业真正的明珠，不仅是全球化最彻底的产业，也是全球最高级别的创新协作体系。现在，国内技术在满足做大量普通芯片方面并不存在卡脖子，所谓的卡脖子是在顶级芯片领域被卡了脖子。但要实现突破，芯片产业需要同时具备充足的资本和技术储备，建立一个全球创新的协作体系，以及清晰意识到芯片产业发展的规律：当前的自主研发是为了更好地融于全球市场，而不是脱离全球市场另起炉灶。
此外，除了我国芯片产业自身的奋力发展，其他相关领域如数字化、通讯以及电子产业，一定程度上也需要重新定义产业发展方向。在5G通讯快速发展的当下，相关产业要努力融于全球化产业体系，主动增加国际体系对国内产业的依赖性，从而提升自身话语权。
比如在开发通信产业方面，华为在4月举办的全球分析师大会上所传递出战略：华为将“优化产业组合、增强产业韧性”开发相关软件场景。从中可见，在当前“软硬件结合”的产业体系中，这样的战略将保证华为继续融于全球通讯体系。
对于国内集成电路产业发展现状及形势走向，包博士表示：一方面是因为当前国际形势，使得中国下定决心大力发展集成电路产业，另一方面也是未来智能物联网时代将会使芯片需求扩大一个数量级，甚至每年达到上千亿颗的需求。但国内的芯片基础较差是一个既定事实，必须承认。面对这样的事实，如何去做、去满足需求，才是可以真正体现中国企业家精神的地方。
毫无疑问，集成电路产业是资金密集、换代频繁、人才尖端的全球前沿产业之一，技术难度高且试错成本大。从美、日、韩、台等国家和地区集成电路产业发展历程看，后发国家和地区赶超不会一蹴而就，需要有自主发展的决心、艰苦奋斗的恒心、赶超成功的信心，更要有强大持续的资金、迭代演进的技术、素质达标的人才、产用联动的市场。最终，集聚资本、技术、人才、市场四大合力要素，国产中高端芯片才可能成功实现赶超发展。
就国内目前的发展状况而言，在国际形势风云变幻、数字经济日新月异、产业转型升级愈发紧迫以及新基建大潮来临等情况下，国产中高端芯片的应用需求及前景势必十分广阔。另外，随着5G和AIoT时代到来，尤其是在智慧城市、自动驾驶、安防物联网等领域各项产品日趋丰富，芯片也逐渐专注于针对特殊场景的开发及优化，从而使得专用芯片即将迎来“百花齐放”时代。因此，在庞大的市场空间下，国产中高端芯片未来可期、大有可为！
