中科大副院長、浙大教授：國內高端IC芯片破局已刻不容緩

　　ICCSZ訊 芯片，這么個微末之間的小玩意，在眼下的智能化、信息化時代，從來沒有像現在這么重要，更是撐起了一個龐大的市場。

　　數據顯示，2016全球芯片市場達到3397億美元，同比增長1.5%。而2017年預計將超過4000億美元，漲幅高達10%以上。

 

　　不過令人窘迫的是，在這么大的蛋糕面前，盡管我國已消化了近1/3市場需求而成為全球最大的芯片消費國，但繁榮背后卻有一個殘酷的事實：我國國產芯片的自給率不到30%，產值不足全球的7%，市場份額更是不到10%，也就是說中國“芯”90%以上依賴進口。截至2016年底，中國芯片的進口金額達到1.3萬億人民幣左右，而同期的原油進口不到0.7萬億。中國在芯片進口上的花費已經接近原油的兩倍。

　　做芯片的不如做項鏈的？

　　10月23日，工業(yè)和信息化部人才交流中心(MIITEC)和比利時微電子研究中心(IMEC)聯合主辦的“名家芯思維”——2017年設計方法學國際研討會在南京舉辦。

　　本次活動邀請到IEEE fellow Giovanni De Micheli、中國科學技術大學林福江教授、浙江大學韓雁教授、南京大學王中風教授、香港科技大學教授Patrick Yue 和Synopsys亞太區(qū)產品總監(jiān)謝仲輝先生，圍繞主題“IC設計方法學”的進行主題分享，圓桌論壇環(huán)節(jié)探討了IC設計技術革新、發(fā)展趨勢，以及發(fā)展中遇到的一些問題。

 

　　會議期間我們聽到了兩個小故事。

　　不過卻是兩個很無奈的故事。

　　故事一：做4G芯片差點破產這是一家做芯片FIB失效修改的廠商講的故事。說有一個客戶原來是做2G/3G基礎設備的，后來聽說4G是個大趨勢且很快就會到來，就轉頭開了一個廠，雄心勃勃的進軍4G芯片產業(yè)，準備搶占橋頭堡。

　　為了做好，他前后投入了80%的身家來研發(fā)4G芯片。結果，快把家底賠進去了也沒搞出來。最后實在撐不住，只好回頭又做起了3G設備，終于挽回了差點破財破家的慘淡結局。

　　聽說，他媳婦也總算同意他睡床上了。

 

　　故事二：做芯片的不如做項鏈的這個故事是韓雁教授講的。說有一個朋友，原來開了一家首飾加工廠，生意不錯。后來，在政府的要求和鼓勵下就辦了個芯片封裝廠。

　　然而，這個封裝廠利潤簡直寥寥，一直在慘淡經營中不可自拔。

　　據他說：“我加工一件首飾能賺幾塊甚至十幾塊錢，但是我封裝一個芯片才賺幾分錢甚至幾厘錢!你說，高科技體現在哪里?”

　　對啊，既然做芯片的不如做項鏈的，那為什么還有人堅持做下去呢?(文末將有答案)

　　國內高端芯片領域的困境

　　眾所周知，高端IC芯片復雜程度高，國內目前連4G芯片都做不了，絕大多數都還是2G/3G計算級別。

　　浙江大學教授/博導、浙江大學—美國UCF大學ESD聯合實驗室常務副主任韓雁說：“我國高端射頻芯片的開發(fā)面臨困境，這里有一個顯而易見的惡性循環(huán)：因為工藝落后——客戶到國外流片——國內工藝缺乏流片驗證提升——工藝更加落后。”

　　具體來說，這個循環(huán)就是：由于國內芯片加工制造工藝落后，導致很多設計公司紛紛選擇到國外流片，因此造成國內相關廠商嚴重缺乏流片驗證而無法升級，最終又會讓國內的芯片工藝遲遲得不到提高。

　　目前，芯片產業(yè)的流片費用動輒幾百萬元甚至上千萬元，這樣的費用對任何一家公司來說都是難以企及的高價，由不得不慎重(一般來說，普通芯片最多半年流片一次，而高端芯片如10nm或像麒麟970一樣的AI芯片等，由于研發(fā)過程漫長，從研發(fā)到流片需要數年時間)。因此，國內很多芯片設計公司為提高成功率，紛紛選擇去國外或合資企業(yè)流片。英特爾、富士通、Tower Jazz、GlobalFoundries、三星、臺積電、MagnaChip等等，往往是業(yè)內的首選，從而造成內地廠家很難有生意。

　　既然國內晶圓代工廠沒有生意，自然就生存艱難。盡管近年來有紫光、中芯國際、華力微等重點企業(yè)異軍突起，但無論從工藝還是經驗來看，距離國際一線廠商還有很長的路要走。

　　如此的循環(huán)，長此以往，將對我們的芯片制造產業(yè)帶來極大的限制和阻礙。

　　國內芯片加工工藝粗糙不穩(wěn)定從1971年開始，芯片制造工藝經歷了10微米、6微米、3微米、1.5微米、1微米、800納米、600納米、350納米、250納米、180納米、130納米、90納米、65納米、45納米、32納米、22納米、14納米，一直到目前主流的10納米高端工藝。而更高一級的 7nm(GlobalFoundries公司)近期也傳出進展順利。

　　盡管10nm工藝已經成為高端芯片加工的標志，但國內工藝大多還依然停留在微米級別(0.18um、0.35um等)，也使得大部分硬件設備用的也都還是微米級芯片。這也是我們所說的第一個故事背后的真實場景，令人無奈。

　　光刻技術是芯片制造產業(yè)的核心，決定著芯片的元件特征尺寸。伴隨半導體產業(yè)“摩爾定律”的延續(xù)，極紫外光刻(Extreme Ultraviolet Lithography, EUVL)被公認為是最具潛力的下一代光刻技術。不過技術最先進、性能最穩(wěn)定的光刻機設備100%被歐美國家壟斷，且嚴禁技術轉讓。

　　目前國內光刻機最多可做到28nm，另外13nm技術正在研發(fā)中。但是，國際上已經實現了10nm，而7nm技術也即將研發(fā)成功。這就是差距。

　　由于缺乏精密的國產加工設備，國內芯片制造設備都需要從美國進口，這就要受到他們“出口限制令”的制約，比如不能用于軍事產品的生產、不能研發(fā)指標非常先進的芯片。

　　專用芯片才是未來新的增長點

　　一直以來，關于通用芯片和專用芯片的爭論就從來沒有停止過。雖然從通用性和可修改性來說，通用芯片具有很大優(yōu)勢，但從針對性和功耗等方面考慮，專用芯片才是未來新的增長點。

　　國家“千人計劃”特聘專家、中國科學技術大學微電子學院副院長林福江說：“功耗是(芯片產業(yè))現在最大的問題，哪一款芯片能把功耗降下來，它的壽命就能延長，競爭力自然就上來了，功耗是所有芯片現在最大的瓶頸。

　　“通用芯片要考慮到通用性和修改的靈活性，在設計的時候需要加入很多預留的模塊，所以功耗會很高，同時賣的也貴。但專用芯片因為是有明確目的和用途，所以才設計之初就把很多東西直接加進去。

　　“雖然專用芯片的靈活性不高，但因為是專門設的，很多東西已經硬化、塊化，所以它的速度快、功耗低，相應的價格也低，賣的便宜。

　　“也就是說，在達到相同的性能下通用芯片勢必要消耗更多資源，而專用芯片就不需要，因此未來發(fā)展專用芯片將是必然趨勢。”

　　浙江大學教授韓雁也持同樣觀點，她說：“專用芯片比通用芯片體積(面積)小、功耗低，大批量生產時成本低。尤其是面向數字模擬混合電路的話，只能做專用芯片，不能用通用芯片。”

　　就業(yè)形勢下的硬件之殤

　　“現在大多數學生都不太愿意做硬件，而更愿意轉行去做軟件!”

　　這恐怕是很多高校、科研院所的普遍現象，原因很簡單：做硬件賺錢少，工資低!

　　摩根士丹利在年初的一份調查中宣稱，一家成功的半導體企業(yè)往往能夠獲得40%甚至更高的利潤率，而電腦、電子產品和其他硬件行業(yè)的利潤率往往甚至不足20%。

　　顯然，這一數據在國內并不準確，因為國內的利潤率遠遠達不到40%。畢竟高端芯片設計、架構等握在英特爾、ARM、高通這些巨頭手里，而加工制造工藝在三星、英特爾、臺積電等大廠手上，缺乏核心技術和精密工藝的國內芯片企業(yè)，利潤率可想而知。

　　韓雁教授一直致力于做基礎硬件，自嘲自己是“做磚頭”而別人是蓋樓。雖然工作成績斐然，不過她也有自己的擔憂。

　　韓雁說：“因為做軟件的成本低(有時候甚至可以在家辦公而不需要租辦公室)，因此相對的利潤就大，開出的工資也高。

　　“而做硬件的恰恰相反，受制于硬件設備巨大的購置成本和測試、流片等工序的巨額支出，在過高的成本壓力下，工資自然高不到哪去。”

　　林福江教授對此也深有感觸：“雖然說現在是智能硬件的時代，畢竟IOT物聯網、手機/通訊、自動駕駛、消費電子等對傳感器、芯片的依賴性極大，但現在很多人不愿做IC設計、不愿意學微電子，也不愿意做設備硬件，轉而學那些時髦的、能賺快錢的專業(yè)領域，讓人痛心疾首。

　　“只能說有些學生眼光不夠長遠，心態(tài)略顯浮躁吧!”林福江表示無奈。

　　不過，從就業(yè)形勢上看，很多學生不愿意做硬件，也能被軟件業(yè)接納。這說明軟件業(yè)仍然沒有飽和，作為社會需要，也可以理解，無需勉強。

　　芯片產業(yè)很多人不愿意動手這是不對的

　　總的來說，核心芯片技術由五大元素組成，這五元素分別包括：系統(ASIC)、通訊(RFIC)、建模(MDL)、微波(MMIC)和模擬(AMS)，其中建模是核心元素。

　　在這五大元素中，實測分析建模是射頻芯片設計基礎中的基礎。任何芯片在設計環(huán)節(jié)之后、進入批量化和商業(yè)化生產之前，必須要經過數次甚至數十次的實測分析，盡量找出設計中的BUG，找出不合理之處，才能有效的降低成本和提高流片成功率。

　　但目前的情況是，跟理論知識相比，國內很多人的動手能力不強，甚至可以說很弱。

　　林福江說：“(在射頻芯片的設計中)，國內很多人不愿意動手，這是不對的。只有理論不行，還要多學技能多動手，我們的動手能力需要不斷增強。”

　　對未來芯片發(fā)展走向，林福江教授認為，“芯片單位面積上可以容納元器件數量的極限值”將是一個很關鍵的突破口。

　　“這個極限值是和芯片最小尺寸相關的，現在器件的最小尺寸已經到三納米了，已經是極限了。尺寸小，器件也小了，最小尺寸已經到了極限，從分子往上就是單電子、單原子。”林福江說，“在達到極限值之后，未來的芯片技術將要朝著哪個方向發(fā)展，現在還不好說。”

　　總結：全情投入、加強團結芯片產業(yè)才有前途

　　讓我們再看一下文章開頭第二個故事的疑問：既然做芯片的不如做項鏈的，那為什么還有人堅持做下去呢？

　　浙江大學教授韓雁的答案是：為了國家的芯片產業(yè)不再受制于人，我們需要奉獻！

　　韓雁說：“我想這也算是IT人對社會、對人類的貢獻吧!正是有了我們的努力，才能讓大家用上越來越好、越來越便宜的各種電子產品，讓大家的生活質量越來越高。”

　　據我國2014年宣布的一項政策計劃表明，政府將拿出1000億~1500億美元來推動我國在2030年之前從技術上趕超世界領先企業(yè)。其中，從事各類芯片設計、裝配以及封裝的企業(yè)都能夠得到政府扶持。不僅如此，2015年我國政府又進一步提出了新的目標：要在10年之內，把芯片自制率提升到70%。

　　芯片產業(yè)從垂直整合(比如英特爾一個廠什么都做)，到現在分工越來越細，規(guī)模也必將會越來越大。因此，只有全社會各個領域、各個環(huán)節(jié)之間共同團結努力，國內的芯片產業(yè)才能有前途。