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芯片:现代工业的“粮食”

芯片是半导体元件产品的统称,是集成电路的载体,由晶圆分割而成,半导体、集成电路是芯片的基础。随着全球信息化、网络化的迅速发展,芯片在国家经济、国防安全等方面的地位也越来越重要,全球各个国家政府企业均积极开展芯片技术的相关部署。美国政府于2012年3月启动《国家制造创新网络& #40;NNMI& #41;》计划,并于2014年12月成立下一代电力电子制造创新机构,致力于生产新一代的半导体材料;2015年将“企业研发税收抵免”政策由周期性变为永久性以鼓励企业加强对半导体技术的研发,并颁布《国外伪冒商品阻止法案》打击伪冒半导体产品;同年国会成立“半导体核心工作组”,专为联邦政府不断增加的半导体研发投资提供政策支持等。英国政府2015年成立“化合物半导体中心”,旨在加速化合物半导体材料和器件研发的商业化;2017年第一个化合物半导体集群品牌CS Connected被引入,目的是构建下一代复合半导体技术。日本政府于2016年实施为期五年的有助于实现节能社会的新一代半导体研究开发的“GaN功率元件开发项目”。韩国知识经济部在2011年开始部署名为“系统IC2015事业”的系统集成电路新培育计划,直到2016年,仍在执行名为“系统集成半导体基础技术开发事业”的计划,力图补齐韩国半导体产业发展的短板。

各大企业也积极开展芯片技术的研究。芯片设计软件是芯片制造的关键工具,目前芯片的结构设计主要依靠EDA(电子设计自动化)软件实现。EDA软件设计目前主要集中于Cadence& #40;美国铿腾电子科技& #41;、Mentor Graphics& #40;美国明导国际& #41;、ALTIUM& #40;澳大利亚ALTIUM公司& #41;、Synopsys& #40;美国新思科技& #41;、Magma Design Automation& #40;美国微捷码& #41;等几家软件设计公司,美国占据主导地位。在芯片设计环节,高通公司2014年推出专门针对车载娱乐讯息系统的处理器-骁龙602A,并在2016年与奥迪公司合作向部分车型提供用于车载信息娱乐系统的汽车级芯片;2017年初发布5G基带X50,10月基于骁龙X50 5G调制解调器芯片组在28GHz毫米波频段上实现首个正式发布的5G数据连接,2018年12月推出了下一代物联网专用蜂窝技术芯片组9205LTE调制解调器,支持低功耗广域连接的物联网应用,基于该全新调制解调器的解决方案,预计将于2019年商用上市。NVIDIA公司于2014年推出新的GPU芯片TeslaP100;2016年在GTC2017大会上正式发布迄今为止最强大的“核弹”-旗舰计算卡Tesla V100;2018年发布首款为机器人设计的AI芯片Jetson Xavier,并启动首批Xavier自主机器处理器,致力于借助AI从各个方面提升驾驶体验。英特尔公司2015年公布了3款新的Quark芯片以及配套软件和技术规范;2017年7月推出了新一代Xeon服务器芯片,性能大幅提升并可接受培训和推理任务;CES 2019上,英特尔透露正在与Facebook密切合作准备推出Nervana神经网络处理器NNP-I,其是采用英特尔10nm的SoC。在芯片制造环节,较大规模的半导体晶圆代工厂主要有韩国三星集团以及美国格罗方德半导体股份有限公司。三星集团于2017年宣布一个直至4nm完整的芯片工艺演进路线图,并计划在2018年实现7nm工艺量产,2019年研发出6nm和5nm工艺,到2020年实现量产4nm工艺芯片;同年12月开发出全球最小的动态随机存取记忆体(DRAM)芯片;2018年10月,三星已开始使用7nm制造工艺生产芯片,并在2019年上半年实现量化生产,2019年下半年有望采用6nm技术批量生产芯片,同时将完成4nm技术工艺的开发;在2019年 “三星晶圆代工论坛”(SFF)上,公布3nm工艺预计将在2021年量产。格罗方德半导体公司在2016年推出业内首个22nm FD-SOI工艺平台;2017年宣布在中国成都建立12英寸晶圆制造基地;同年开发出光纤硅芯片自动对准解决方案,能够在降低成本的同时改善300mm晶圆性能;在2017年的国际电子元件会议上,格罗方德公布了有关其7nm制成的详细资讯;2019年宣布已经使用其12nm FinFET工艺成功制成了高性能的3D Arm芯片,将为计算应用带来新的性能和能源效率。而在芯片的封装测试环节,大多较大的芯片制造厂商均有独立的芯片封装测试部门。
  目前我国在圆晶代工、封装测试等技术要求相对不高的环节与国外差距逐渐减小,近年来我国在一直不断努力推进芯片技术的研发。2000年国务院印发《鼓励软件产业和集成电路产业发展的若干政策》;2008年将“核高基”(核心电子器件、高端通用芯片、基础软件产品)和“极大规模集成电路制造装备及成套工艺”分别列入国家科技重大专项并开始实施;2011年国务院发布《进一步鼓励软件产业和集成电路产业发展的若干政策》提出逐步制定国内行业标准的研究开发目标;2014年颁布《国家集成电路产业发展推进纲要》,指出不仅要打造从半导体设备、IC设计、晶圆代工、封装测试等IC完整产业链,甚至是系统平台服务的产业链;2015年国务院发布《中国制造2025》指出要突破关系国家信息与网络安全及电子整机产业发展的核心通用芯片,提升国产芯片的应用适配能力;2016年7月国务院颁布《“十三五”国家科技创新规划》,规划中要重点加强极低功耗芯片以及第三代半导体芯片等的研发。在国家政策的支持下,国内研究机构及各大企业积极开展芯片技术的研发。在EDA软件设计环节,中国科学院计算机研究所2002年设立“中国科学院电子辅助设计(EDA)中心”,面向全国提供集成电路设计等所需要的EDA软件及技术支持;2013年中科院EDA中心研发出纳米可制造性设计与分析设计技术& #40;DFM& #41;。在芯片设计环节,华为2016年1月发布全球首款搭载ARM Cortex-A73 CPU和Mali-G71八核GPU的芯片麒麟960;2017年9月发布全球首款人工智能手机芯片麒麟970;2018年在巴塞罗那发布全球首款5G商用芯片-巴龙Balong5G01,率先突破了5G终端芯片的商用瓶颈;华为在2019全联接大会上重磅发布了全球最快的AI训练集群Atlas 900,旨在加速科学研究与商业创新的智能化进程;同年在IMT-2020(5G)峰会的IMT-2020(5G)推进组测试的华为海思的巴龙5000芯片,已经率先完成了从室内到外场的SA/NSA全部网络测试;2019年华为在中国北京与德国柏林IFA 2019同步发布两款最新麒麟芯片——麒麟990和麒麟990 5G,麒麟990在5G、AI等方面实现了全方位升级。阿里巴巴在2015年与中天微系统合作开发面向物联网各细分领域的云芯片架构;2018年4月阿里巴巴达摩院宣布研发一款神经网络芯片-Ali-NPU,将运用于图像视频分析、机器学习等人工智能推理计算;2019云栖大会上阿里发布了含光 800AI 芯片,并称这是全球最高性能 AI 推理芯片。在芯片制造环节,我国目前具有规模的圆晶代工厂主要为中芯国际集成电路制造有限公司,中芯国际集成电路制造有限公司于2014年制造出28纳米Qualcomm骁龙410处理器;2017年9月中芯长电与Qualcomm宣布10纳米硅片超高密度凸块加工技术认证;12月中芯国际与Efinix& #40;TM& #41;推出首款Quantum& #40;TM& #41;可编程加速器芯片产品;中芯国际14nm芯片将在2019年上半年量产,下一步将全力攻关10纳米、7纳米芯片生产工艺。在芯片封装测试环节,长电科技、通富微电、华天科技等三大国内企业的技术水平和海外基本同步。在我国台湾地区,台积电2012年投资80亿美元建设芯片生产线,2017年10月宣布在台南科学园区建设全世界首座采纳3nm工艺的芯片工厂,2018年5月完成7nm工艺芯片量产;5nm芯片组的测试产品已在2019年准备完毕,计划2020年达到5nm量产,且3nm研发工厂已成功通过环评,并正式宣布启动2nm工艺的研发,这是第一家宣布开始研发2nm工艺的公司。