芯片或集成電路（以下簡(jiǎn)稱(chēng)IC）對(duì)于經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)具有顯著的倍增器作用，據(jù)中國(guó)電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究院副總工程師安暉在2020年中國(guó)計(jì)算機(jī)大會(huì)（CNCC）技術(shù)論壇“新變局下的IC自主研發(fā)戰(zhàn)略”上介紹，1元產(chǎn)值的IC可帶動(dòng)100元以上的國(guó)民經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)。除此之外，僅從實(shí)用角度看IC也是生產(chǎn)生活不可或缺的戰(zhàn)略性基礎(chǔ)物資，因而有能力的國(guó)家對(duì)于集IC的科研、產(chǎn)業(yè)布局十分重視，中國(guó)也不例外。但目前中國(guó)在IC領(lǐng)域面臨著嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，能否擺脫IC領(lǐng)域的“卡脖子”境況對(duì)于中國(guó)的發(fā)展特別重要。為此政府、科研界、產(chǎn)業(yè)界等都在積極探尋中國(guó)IC的發(fā)展道路。本文是在總結(jié)CNCC上兩位特邀嘉賓的報(bào)告，以及上述CNCC技術(shù)論壇的發(fā)言?xún)?nèi)容后形成的，主要目的是讓大眾了解中國(guó)IC事業(yè)面臨的挑戰(zhàn)和機(jī)遇，讓專(zhuān)業(yè)人士能夠找到IC事業(yè)的發(fā)力點(diǎn)，共同推進(jìn)中國(guó)IC事業(yè)的發(fā)展。

一、IC的發(fā)展進(jìn)程及面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)

IC從20世紀(jì)60年代開(kāi)始起步，一直以來(lái)基本遵循著摩爾定律在快速發(fā)展。摩爾定律是英特爾創(chuàng)始人之一戈登?摩爾的經(jīng)驗(yàn)之談，其核心內(nèi)容為：?jiǎn)挝幻娣e的IC上可以容納的晶體管數(shù)目大約每經(jīng)過(guò)18個(gè)月便會(huì)增加一倍。另外一種說(shuō)法是，處理器的性能每隔18個(gè)月翻一番，而價(jià)格下降一半。

IC的發(fā)展涉及設(shè)計(jì)、制造、應(yīng)用等環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)又涉及電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）軟件和IP（IntelligenceProperty，知識(shí)產(chǎn)權(quán)）、結(jié)構(gòu)等；制造涉及材料、裝備（如光刻機(jī)等）、封裝、測(cè)試等環(huán)節(jié)；應(yīng)用涉及商業(yè)模式、產(chǎn)業(yè)生態(tài)鏈等。IC的發(fā)展非常迅速，在材料方面，本世紀(jì)以來(lái)，已有47種新材料進(jìn)入IC制造。器件結(jié)構(gòu)方面則是從平面到立體，如立體柵結(jié)構(gòu)的FinFET，臺(tái)積電已經(jīng)開(kāi)始以5nm工藝量產(chǎn)。另外處理器經(jīng)歷了SSI、MSI、LSI、VLSI、多核VLSI等階段，即將邁向第5代。集成技術(shù)方面，從平面到三維集成的轉(zhuǎn)變，拓展了器件密度提升的維度。光刻技術(shù)方面，從光源、鏡頭的材料與結(jié)構(gòu)、圖形傳遞模式多元化的創(chuàng)新，到極紫外光刻（EUV）技術(shù)的突破，使5nm技術(shù)的實(shí)現(xiàn)有了保證。商業(yè)模式方面，從早期的IDM模式，即IC設(shè)計(jì)、制造、封裝和測(cè)試等環(huán)節(jié)集于一身（該模式下IC領(lǐng)域進(jìn)入門(mén)檻高，屬于少數(shù)人的游戲），逐漸發(fā)展出Foundry模式，即IC開(kāi)始了設(shè)計(jì)、制造、封裝的相對(duì)獨(dú)立發(fā)展，給予更多玩家進(jìn)入該領(lǐng)域的機(jī)會(huì)，整個(gè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展也更加蓬勃。

當(dāng)前IC發(fā)展面臨諸多技術(shù)挑戰(zhàn)，如：

1.FinFET器件微縮挑戰(zhàn)：5nm以下技術(shù)節(jié)點(diǎn)中，較薄的Fin引起遷移率嚴(yán)重退化；較高的Fin形成源漏外延質(zhì)量變差，通過(guò)應(yīng)變技術(shù)提高器件性能有限。

2.器件結(jié)構(gòu)：從FinFET到垂直堆疊Nano-sheet，再到Fork-sheet/CFET，以進(jìn)一步優(yōu)化面積利用率、提高集成密度。隨著IC微縮到5nm以下，預(yù)計(jì)FinFET將走到盡頭，而垂直堆疊的環(huán)繞閘極（GAA）Nano-sheet被認(rèn)為是由FinFET器件自然演變而來(lái)。為了將Nano-sheet器件的可微縮性延伸到2nm節(jié)點(diǎn)及以下，目前業(yè)界寄希望于Fork-sheet/CFET器件。

3.埋入式電源線（BPR）：將Vcc和地線埋入前端工藝中，壓縮標(biāo)準(zhǔn)單元面積、節(jié)省互連空間。埋入式電源線被認(rèn)為是5nm及以下工藝制程的重要技術(shù)。

4.光刻技術(shù)：EUV技術(shù)的持續(xù)改進(jìn)。

5.AirGap側(cè)墻技術(shù)：可降低柵極寄生電容25%以上，該技術(shù)可使7nm工藝的產(chǎn)品在性能上甚至優(yōu)于5nm工藝的產(chǎn)品。

6.新的互連技術(shù)：引入新材料，采用新集成技術(shù)來(lái)降低互連RC延遲。

另外，設(shè)計(jì)工具、制造封裝工藝等方面的改進(jìn)也面臨重大挑戰(zhàn)。

二、中國(guó)IC發(fā)展的瓶頸

中國(guó)IC產(chǎn)業(yè)處于高速成長(zhǎng)階段，近十年年均復(fù)合增長(zhǎng)率超過(guò)20%。2020年上半年銷(xiāo)售額3539億元，同比增長(zhǎng)16.1%。產(chǎn)業(yè)從過(guò)去的“大封測(cè)、小制造、小設(shè)計(jì)”逐步過(guò)渡到現(xiàn)在的“大設(shè)計(jì)、中封測(cè)、中制造”，這是很好的發(fā)展趨勢(shì)。但中國(guó)IC產(chǎn)品的自給率低，2019年中國(guó)IC進(jìn)口額超過(guò)3000億美元，預(yù)計(jì)到2022年IC自給率可達(dá)到16.7%［3］。從技術(shù)角度看，目前我國(guó)在IC設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)有所突破，但整體上和先進(jìn)國(guó)家差距甚大，且越往高端差距越大。以處理器IC為例，國(guó)產(chǎn)芯片的占有率如下表所示［3］，產(chǎn)業(yè)生態(tài)令人憂慮。

我國(guó)IC產(chǎn)業(yè)在通用芯片領(lǐng)域完全無(wú)法和國(guó)際優(yōu)勢(shì)廠商競(jìng)爭(zhēng)，桌面處理器市場(chǎng)被Intel和AMD完全壟斷，服務(wù)器處理器市場(chǎng)Intel占比達(dá)96.7%。

在IC產(chǎn)業(yè)鏈的EDA、IP、裝備、設(shè)計(jì)、制造、封裝測(cè)試、掩膜制造、材料等環(huán)節(jié)上，中國(guó)在IC設(shè)計(jì)上勉強(qiáng)說(shuō)得過(guò)去，而在其它環(huán)節(jié)均處于弱勢(shì)，特別是在IP、EDA、光刻機(jī)、IC制造4個(gè)環(huán)節(jié)被卡住了脖子！

而若想打破這種受制于人的困境可謂是困難重重，其困難主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

1.相關(guān)的軟件生態(tài)龐大復(fù)雜，芯片市場(chǎng)化壁壘高。

2.芯片制造產(chǎn)業(yè)鏈長(zhǎng)，涉及130多種裝備、5大類(lèi)500多道工藝、7大類(lèi)530種材料，一環(huán)被卡，整體就會(huì)被卡。

3.中國(guó)還沒(méi)有自主的生態(tài)，芯片的生態(tài)由別國(guó)企業(yè)掌控。

4.專(zhuān)利和IP壁壘，很多時(shí)候很難繞過(guò)去。

5.EDA軟件風(fēng)險(xiǎn)：使用先進(jìn)的EDA軟件才能設(shè)計(jì)出最好的芯片，但如果最好的EDA不銷(xiāo)售給中國(guó)，或者EDA中留有后門(mén)，后果肯定會(huì)比較嚴(yán)重。

6.從科研到產(chǎn)業(yè)，投入巨大，科研需要積累，產(chǎn)業(yè)形成需要時(shí)間，這加大了芯片產(chǎn)業(yè)趕超的難度。盡管目前政府和企業(yè)對(duì)芯片產(chǎn)業(yè)十分重視，政府出臺(tái)相關(guān)政策，同時(shí)政府和企業(yè)投入大量資金，但短期解決全部問(wèn)題是不可能的。

7.學(xué)科和人才培養(yǎng)方面，IC相關(guān)技術(shù)涉及面廣，需融合電子信息、物理、化學(xué)、材料、自動(dòng)工程等40多種學(xué)科，需要從業(yè)者有綜合知識(shí)背景、交叉技術(shù)技能、融合創(chuàng)新等素質(zhì)，目前的教育體系無(wú)法提供足夠的支持。

三、我國(guó)IC產(chǎn)業(yè)發(fā)展路在何方？

我國(guó)IC產(chǎn)業(yè)發(fā)展經(jīng)歷了多個(gè)發(fā)展階段，目前還處于十分被動(dòng)的地位，這說(shuō)明發(fā)展IC產(chǎn)業(yè)沒(méi)有所謂捷徑可走，需要沉下心來(lái)一步一步將所有難關(guān)攻克。個(gè)人的一些觀點(diǎn)如下：

1.國(guó)家層面整體規(guī)劃十分重要。由于IC涉及面廣，發(fā)展IC產(chǎn)業(yè)是一個(gè)非常龐大的系統(tǒng)工程，需要整體規(guī)劃。

2.放棄全面超越的目標(biāo)。全面超越是近期無(wú)法實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)，在產(chǎn)業(yè)鏈中形成互相制約的局面即可。

3.尋找少量關(guān)鍵點(diǎn)重點(diǎn)支持和突破。在上述思路的前提下，尋找可以迅速突破的一些點(diǎn)位，重點(diǎn)投入，重點(diǎn)突破，形成可以互“卡”、可良性發(fā)展的局面。

4.尋找新的技術(shù)增長(zhǎng)點(diǎn)，在實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)的基礎(chǔ)上，達(dá)到局部占優(yōu)。

5.改善科研和教育體系。科研方面一方面要加強(qiáng)基礎(chǔ)科學(xué)研究，另外一方面要重視技術(shù)和工程及應(yīng)用，不唯論文；教育方面要重視能力訓(xùn)練而不是目前的知識(shí)灌輸，同時(shí)要圍繞IC工程系統(tǒng)布局相關(guān)專(zhuān)業(yè)和學(xué)科。培養(yǎng)一大批有家國(guó)情懷，有科學(xué)精神和具備科研、工程、產(chǎn)業(yè)能力的專(zhuān)業(yè)人士對(duì)于IC產(chǎn)業(yè)發(fā)展十分重要。

6.做好持久競(jìng)爭(zhēng)的準(zhǔn)備。這是一項(xiàng)長(zhǎng)期工程，需要做好持久投入的準(zhǔn)備，長(zhǎng)遠(yuǎn)布局，長(zhǎng)期堅(jiān)持才有可能達(dá)成目標(biāo)。

7.打擊學(xué)術(shù)和產(chǎn)業(yè)騙子。政府加大支持力度，會(huì)引來(lái)一些濫竽充數(shù)者，需要加大識(shí)別和打擊力度。

8.要以開(kāi)放的心態(tài)發(fā)展基礎(chǔ)科研、技術(shù)和產(chǎn)業(yè)，積極參與國(guó)際合作。

9.要有信心。中國(guó)有巨大的市場(chǎng)需求，同時(shí)已建立起現(xiàn)代的科研、教育、工業(yè)體系，只要自己有信心，就會(huì)有巨大的發(fā)展。
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