國產高端芯片量產在即，中國解決“芯”痛還要多久？
早在2019年第四季度，國產14nm工藝芯片就實現小批量量產，到今年3月良品率已經達到90%-95%。
今年6月下旬，中國電子信息產業發展研究院電子信息研究所所長溫曉君在接受媒體采訪時表示，國產14nm芯片明年底可以實現量產，國產芯片已經迎來最好的時刻。
7月初，中科院計算技術研究所副所長包云崗博士在接受觀察者網采訪時也表示，國產28nm芯片有望在今年底量產，國產14nm芯片將在明年底實現規模化量產。
振奮人心的消息相繼傳來，痛了多年的中國“芯”，是否有能力在中高端市場站穩腳跟了？離解決“芯”痛還有多久？
14nm芯片量產意味著什么？
作為現代電子信息技術產業高速發展的源動力，芯片已廣泛滲透及融合到國民經濟和社會發展每個領域，是數字經濟、信息消費乃至國家長遠發展的重要支撐。
然而，我國核心處理器芯片在全球市場份額至今仍不到?1%，電子產品嚴重依賴從美國、韓國等國家和地區進口處理器芯片，面臨重大“卡脖子”風險。
據統計，在2019年上半年，整個半導體銷售市場規模約為2000億美元，其中65%芯片采用14nm制程工藝，25%左右采用10nm和12nm，采用7nm的僅10%左右。
其中，14-12nm能滿足大量高端芯片需求，比如5G、人工智能、新能源汽車、臺式電腦的CPU、高速運算、基頻、高端消費電子產品；智能手機已經進入應用5nm芯片的時代，14nm制程應用已經不多。
目前，國產14nm領域的設備、工藝、封裝、材料等各技術工藝環節都已經有系統部署，均在按部就班進行迭代升級。公開信息顯示，2019年第四季度，國產14nm工藝芯片實現小批量量產，到了今年3月良品率已經達到90%-95%，同時已經完全有能力應對下游大規模量產的需要。
▲圖/圖蟲
如果14nm芯片能規模化量產，就意味著有能力應對國內下游產業大規模需求，這顯然會是國產芯片里程碑式的進步。
包云崗表示，14nm是當下應用最廣泛、最具市場價值的制程工藝，在AI芯片、高端處理器以及汽車等領域都具有很大的發展潛力，其中主要應用包含高端消費電子產品、高速運算、低階功率放大器、基頻、AI、新能源汽車等。
更重要的是，國產14nm規模量產不僅將為我國攻堅制程更高端的芯片技術積淀經驗，也將為國產芯片自給率在2025年達70%奠定有力基礎。
更直接來說，搞定28nm與14nm芯片，將進一步推動全球集成電路產能向中國大陸轉移，同時為國產芯片制造產業鏈帶來新機遇。并且，除了那些少數極高端芯片外，中國大部分芯片安全就有了保障。
28nm芯片還有價值嗎？
14nm芯片量產突破在即，28nm還能有所作為嗎？
在很多人看來，芯片工藝是越先進越好。事實確實如此，但市場急需的往往不是先進芯片，而是成熟工藝芯片產能。
包云崗表示，比起14nm制程工藝的突破，國產28nm芯片規模量產同樣意義非凡。
28nm工藝是集成電路制造產能中劃分中低端與中高端的分界線。在當前的芯片種類里，除了對功耗要求比較高的CPU、GPU、AI芯片外，其余的工業級芯片都是用的28nm以上的技術，比如電視、空調、汽車、高鐵、火箭、衛星、工業機器人、電梯、醫療設備、智能手環以及無人機等等。
“由于集成電路制造還是以中低端產能為主，當前我國向中高端邁進的需求非常迫切。而一旦完全掌握了28nm技術，就意味著市場上絕大部分的芯片需求都不會被卡脖子了。”包云崗說，28nm的優勢也比較明顯。在成本幾乎相同的情況下，使用28nm工藝制程可以給產品帶來更加良好的性能。
例如與40nm工藝相比，28nm柵密度更高、晶體管的速度提升了約50%，每次開關時能耗減少了50%。由此，綜合考慮成本和技術因素，28nm制程在未來較長一段時間將成為中端主流工藝節點。
去年，國務院發布了《新時期促進集成電路產業和軟件產業高質量發展若干政策的通知》，其中提到對28nm及以下的晶圓廠/企業加大稅費優惠支持力度，增加“中國鼓勵的集成電路線寬小于28nm（含），且經營期在15年以上的集成電路生產企業或項目，第一年至第十年免征企業所得稅”等內容。
在市場應用方面，包云崗稱，國產28nm芯片國內市場廣闊。目前，國內芯片制造企業產能已基本全線利用，至少達到了98%。這是最近五年來產能利用率最高的一年。而隨著數字經濟快速發展，中國正在全力開展新基建工程，對芯片的需求十分旺盛。
雖然與5nm、7nm相比，28nm的工藝還有一定差距，但在5G、新能源汽車、特高壓、大數據中心、人工智能、工業互聯網等國家大力發展的領域中已經屬于成熟工藝，不論在成本還是在芯片功耗、功能與性能三大指標上，都是性價比最高的工藝制程。
就拿今年全球最緊缺的智能家電、智能汽車領域芯片來說，這部分芯片基本都只需要8英寸晶圓、28/14nm等成熟工藝。
根據調研機構IC insights發布的《2020-2024年全球晶圓產能》報告，2019年，10nm以下先進制程的芯片產能占總產能的4.4%，而大于28nm的成熟制程產能則占52%。因此，加快國產28nm芯片布局，不僅有利于在這一領域站穩腳根，而且在芯片國產替代和新基建大潮下大有可為。
包云崗認為，國內已經具備28nm技術節點規模量產能力。在集成電路各產業鏈環節，有些企業研發已經取得了不俗成就，有些企業的產品生產線上已經得到具體應用。與此同時，國內在一些細分領域還實現了顯著突破，比如在介質刻蝕領域已達到全球先進水平。
國產芯片制造：在困境中尋求迭代與創新
2019年國內集成電路產業的產值超過7500億元人民幣，2020年則達到了8848億元。而在整個產業發展過程中，芯片制造行業取得的進步最為明顯。
回顧過去，中國半導體產業曾經遺憾地錯過一個黃金年代，目前國際半導體行業巨頭幾乎都在上世紀七八十年代起步，用漫長時間和巨量人才投入才換來現在的技術積累。
一方面，近年來，中國集成電路市場的迅速發展，推動了整個產業的進步與技術革新。隨著產品應用領域的專業化和細分化，國內在集成電路制造領域的技術水平不斷實現突破，比如在先進與特色工藝的研發和產業化等方面取得了顯著進展。這使得中國大陸的芯片制造與國際領先技術的差距越來越小。
另一方面，全球集成電路產能向中國大陸轉移，將為國內集成電路產業實現跨越發展奠定重要基礎。目前，國內外多家廠商都在大陸規劃建設新增產能。而在諸多新增晶圓廠逐步建設完成后，中國大陸將在降低成本、擴大產能、地域便利性等方面具備更強有力的保障及支持。顯然，這對國內集成電路產業的整體發展及完善，起到極為重要的促進作用。
近年來，中國正在不斷出臺產業政策，以市場化運作的方式推動集成電路產業的發展。比如2020年8月，國務院發布了《新時期促進集成電路產業和軟件產業高質量發展的若干政策》，進一步明確了對集成電路產業尤其是制造業的支持。
盡管一系列支持措施提供了有利的發展環境，但實現這些突破也還是不容易。包云崗表示，國產14nm芯片攻克了許多技術難題，包括刻蝕機、薄膜沉積等關鍵裝備實現從無到有，并批量應用在大生產線上；后道封裝集成技術成果全面實現量產；拋光劑、濺射靶材等上百種關鍵材料，通過大生產線考核進入批量銷售等等。這些成果基本覆蓋了我國集成電路全產業鏈體系，扭轉了之前工藝技術全套引進的被動局面。
縱觀全球，原本只有美國有結構完整的計算機產業，英國、韓國、德國、法國等都只是各有所長。但現在除了美國之外，中國也已具備了構建全產業的潛力。而單從代工環節情況來看，擁有14nm工藝技術的國家和地區只有美國、中國臺灣、韓國和中國大陸。
公開信息顯示，今年4月，國內已經實現7nm芯片試產，取得了階段性成果。如果進展順利，今年底或明年初時即可以實現7nm芯片批量生產。
不過，在5nm芯片工藝研發方面，國內依然面臨不少困難。一方面，美國的限制一直未能出現根本性的解除，導致國內依然難以獲得頂級水平的光刻機。另一方面，5nm芯片本身也是一個巨大的技術挑戰，難度要高出7nm很多。
但即使面臨多項壓力、困難，國內也已經啟動了5nm芯片工藝研發，力求在2021年底之前先打通完整工藝流程，再向實驗生產階段邁進。
后發制人，還需下苦力
現在，國內技術在滿足做大量普通芯片方面并不存在卡脖子，所謂的卡脖子是在頂級芯片領域被卡了脖子。但要實現突破，想要后發制人，還需要下苦力。
溫曉君坦言，我國14nm技術蓬勃發展，并交出了不俗的成績單，但是想要后發制人，實現追趕，也并不是一朝一夕能夠完成的。
一方面，集成電路產業是資金超密集、換代特頻繁、人才極尖端的全球前沿產業之一，技術難度高、試錯成本高、排錯難度大。業內領先廠商在14nm上已經有多年的生產經驗，產線折舊已經完成，我國企業在成本上與其他廠商競爭并沒有優勢。因此，在技術追趕上我們和世界第一流的代工企業存在著代差。
另一方面，從日、韓、臺等國家和地區集成電路產業發展歷程看，后發國家和地區趕超不是一蹴而就，需要有自主發展的決心、艱苦奮斗的恒心、趕超成功的信心，更要有強大持續的資金、迭代演進的技術、素質達標的人才、產用聯動的市場，集聚資本、技術、人才、市場四大要素合力，才可能實現成功的趕超發展。
溫曉君表示，14nm芯片量產以后，后續擴大產能還需要做好資金支持，包括光刻機、清洗設備、拋光儀器等所需設備不僅價格昂貴，且在使用過程中需要耗費大量的水和電；其次，需要在原材料、元器件等供應商層面上做好整合工作，提前做好客戶導入，確保產能得到充分利用。
分析人士認為，由于支撐新一代芯片技術的新材料制造需要整個芯片供應鏈的支持，還需要包括光刻機在內的先進設備和生產工具的支持，中國要邁向高端芯片制造仍有挑戰，需要給產業和人才發展的時間。
另有不少業內人士指出，依據國際歷史經驗看，通過軟件的調試也可以改變芯片的特性。比如，讓國內通訊運營商、設備提供商以及通訊方案服務商結合當下芯片產業的變化，努力通過“軟硬件結合”的模式創新服務方案、設備架構，以適應時代的變化發展。
▲圖/新華社發
包云崗則提供了另外一種思路。他表示，當中低端工藝能成為穩定的現金流來源，再去攻克高端工藝也許更有把握。國內也許應該分配足夠的資源來提升中低端工藝的服務能力，加大投入完善中低端工藝的生態，從設備、材料、單元庫、EDA、IP等都積累起來并打磨好，從而力爭在國際上形成市場競爭力。
“中低端工藝對于國內企業已基本不存在大的技術壁壘，但這部分的收入卻和臺積電等企業差距巨大。這是生態的差距，是服務能力的差距。相比研制先進工藝的投入，完善中低端工藝的投入要小得多，但收益卻可能會更顯著。”他認為，根據國內的流片經歷來看，芯片制造企業的服務能力的確還有很大提升空間。如果能進一步提高服務意識和服務能力，那將會吸引一大批鐵桿客戶形成互信，從而加速技術的迭代優化。
國產中高端芯片未來可期
目前，我國已將芯片制造技術提升到國家戰略地位，從而支持2030年國家先進制造目標的實現。按照計劃，我國今年本土芯片供應占比將提升至40%，到2025年，將進一步提升至70%。
在國際形勢風云變幻、數字經濟日新月異、產業轉型升級愈發緊迫以及新基建大潮來臨等情況下，我國正在尋求刺激芯片顛覆性新技術發展的途徑，包括向整個芯片行業提供廣泛的激勵措施，以及從目前的硅片芯片躍升至使用新材料制造的“第三代”芯片。
上海交通大學副校長、中國科學院院士毛軍發在南京舉行的2021世界半導體大會上表示，中國可以通過“異構集成”或單獨制造組件集成，來保持芯片行業領先地位。“異構整合是后摩爾定律時代行業的新方向，這為中國在集成電路行業彎道超車提供機會。”
據毛軍發介紹，芯片現有兩條主要發展路線，一是延續摩爾定律，二是繞道摩爾定律。如今摩爾定律正面臨各種挑戰，而繞道摩爾定律有很多途徑，異構集成電路就是其中之一。
使用新的芯片材料和異構集成的方式被視為最有可能產生顛覆性創新的兩個領域。下一代芯片即第三代芯片的新材料包括碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)。
包云崗則認為，芯片作為未來工業真正的明珠，不僅是全球化最徹底的產業，也是全球最高級別的創新協作體系。因此，芯片產業需要建立一個全球創新的協作體系，以及清晰意識到芯片產業發展的規律：當前的自主研發是為了更好地融入全球市場，而不是脫離全球市場另起爐灶。
無論是市場需求龐大、政策持續利好，還是技術創新另辟蹊徑，截止到目前，中國半導體市場上已經涌現出中芯國際、韋爾股份、卓勝微、三安光電、北方華創、聞泰科技、華潤微、兆易創新、中環股份等一批市值達千億人民幣的企業，逐步構建起中國芯片制造的技術生態和世界影響力。
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