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詳解我國半導體(芯片)領域未掌握的十大核心技術

日期:2021/11/23 11:20:01
摘要:詳解我國半導體(芯片)領域未掌握的十大核心技術

半導體行業是典型的“金字塔”結構,越上游的企業越少,產值越大,技術難度越高。由于起步晚、核心技術缺乏、人才短缺,我國半導體發展受到了很大的限制,由于未能掌握核心技術,時常被別人卡脖子,到目前為止,關鍵芯片領域仍依賴于進口。

2018年的中興事件,我們還歷歷在目!前不久,美國仰仗其掌握的核心半導體技術和設備,升級了對華為的制裁,企圖限制華為和我國在高科技領域的發展!

美國拿起了他們的“科技”之矛刺向了我國“缺芯”的軟肋,在給我國半導體行業敲響警鐘的同時,也讓很多人和很多企業清醒的認識到,依賴于美國技術是靠不住的,唯有掌握核心科技,擺脫技術依賴才是王道!

目前我國已經將半導體行業的發展提升到一個戰略高度,將半導體行業列為國家重點發展產業,投入了大量資金和人才,以求技術上有所突破,力爭早日走上自主研發、自給自足的道路。目前涵待突破的是以下幾大領域的核心技術。


高端光刻機

作為集成電路產業的核心裝備,光刻機被稱為“人類最精密復雜的機器”。當前全球能制造高端光刻機的只有荷蘭的ASML,制造中低端光刻機則是日本的尼康和佳能,它們市場份額超過八成。

光刻系統,它是芯片制造核心中的核心,光刻是半導體芯片生產流程中最復雜、最關鍵的工藝步驟,耗時長、成本高。半導體芯片生產的難點和關鍵點在于將電路圖從掩模上轉移至硅片上,這一過程通過光刻來實現,光刻的工藝水平直接決定芯片的制程水平和性能水平。

高端光刻機堪稱現代光學工業之花,其制造難度非常大,現在ASML的最先進的EUV極紫外線光刻機已經能夠制造5nm制程的芯片了,單臺光刻機的售價已經超過了1億美元,中國完全自主生產的光刻機目前只能達到90nm制程,差了一大截。

光刻機的研制到底難在哪?光刻機涉及系統集成、精密光學、精密運動、精密物料傳輸、高精度微環境控制等多項先進技術,是所有半導體制造設備中技術含量最高的設備。ASML為能夠在整個設備的不同部位同時獲得世界上最先進的技術,ASML的光刻機中超過90%的零件都是向外采購的,ASML在技術研發方面匯聚了世界最前沿最頂尖的科技,比如德國的機械工藝、德國頂級的蔡司鏡頭、美國的光源和計量設備等,可以說ASML的高端光刻機是“集人類智慧大成的產物”。

國際頂級廠商:ASML阿斯麥爾(荷蘭)

中國廠商:SMEE上海微電子

CPU

CPU是一塊超大規模的集成電路,是一臺計算機的運算核心和控制核心。它的功能主要是解釋計算機指令以及處理計算機軟件中的數據。中央處理器主要包括運算器(算術邏輯運算單元)和高速緩沖存儲器及實現它們之間聯系的數據、控制及狀態的總線。它與內部存儲器和輸入/輸出設備合稱為電子計算機三大核心部件。CPU依靠指令來自計算和控制系統,每款CPU在設計時就規定了一系列與其硬件電路相配合的指令系統。指令的強弱也是CPU的重要指標,指令集是提高微處理器效率的最有效工具之一。

美國的英特爾、AMD,幾乎基本占據了全球所有PC市場。國產CPU的應用領域既涵蓋了嵌入式設備、服務器設備等專業領域,也同時面對消費級民用市場。由于服務對象和應用領域的巨大分歧,不同類型的國產CPU在國人心中存在感相去甚遠,如專門針對服務器的飛騰、申威等,知名度不高。

CPU發展迅速,主頻、算力和功耗是衡量其性能的重要指標。作為后來者,中國的研制水平總是離世界先進水準差一截,如龍芯的性能似乎總跟著英特爾后面跑,龍芯是中國科學院計算所自主研發的通用CPU,采用RISC指令集,類似于MIPS指令集。不過,龍芯的研制成功助力復興號高鐵實現了100%國產,讓四代機殲20相控雷達和北斗衛星都裝上了中國芯。

在移動端的CPU領域,美國高通的地位依然不可撼動。華為海思的麒麟CPU做的已經足夠好,雖然是站在英國ARM這個巨人的肩膀上的。紫光展銳在移動端的CPU芯片上也有所斬獲。但令人氣憤的是,最近美國將對華為的制裁升級,企圖限制華為在半導體芯片領域的發展,麒麟CPU的未來還是個未知數。

國際頂級廠商:Intel英特爾(美國)、AMD(美國)

中國廠商:華為海思、紫光展銳、龍芯中科(龍芯CPU)、天津飛騰(飛騰CPU)、上海兆芯(兆芯CPU)等

EDA芯片設計軟件

目前國際上主要有三大集成電路EDA軟件公司,分別是Mentor Graphics、Cadence和Synopsys。這三家美國公司在EDA行業的市占率幾乎形成了壟斷。而目前能涵蓋整個芯片設計和生產環節的EDA提供商只有Cadence和Synopsys。

英特爾、蘋果和高通等芯片生產與設計大廠都需要向這兩家公司采購EDA軟件和相關服務。中國頂級芯片設計公司華為海思、長江存儲、紫光展銳等都要向這些美國公司購買EDA設計軟件。

國內的EDA廠商華大九天、芯禾科技、廣立微等只能提供部分EDA設計工具,無法提供覆蓋IC
設計、布線、驗證和仿真等整個產業鏈的EDA工具。而且國產EDA軟件和先進工藝的結合不好,對先進工藝的芯片支持不夠。所以,國產EDA公司的技術能力還遠無法和這些國際頂級EDA公司抗衡。

國際頂級廠商:Mentor Graphics(美國)、Cadence(美國)、Synopsys(美國)

中國廠商:華大九天、芯禾科技、廣立微等

DRAM/NAND Flash

DRAM即動態隨機存取存儲器,最為常見的系統內存。美國鎂光、韓國三星和SK海力士占據絕對壟斷地位,在DRAM市場呼風喚雨。

中國三大存儲芯片企業長江存儲、合肥長鑫、兆易創新,紛紛開始布局,投產存儲芯片,有望打破韓美日壟斷存儲芯片的局面。

長江存儲今年實現了64層基于Xtacking架構3D NAND閃存的量產,緊接著他們直接跳過業界常見的96層,成功研發出128層3D NAND閃存。

合肥長鑫于2019年實現了采用19nm工藝的8G DDR4內存的量產,并于今年將自主研發的光威弈PRO DDR4內存正式商用,推向消費者市場。

兆易創新在NOR flash國內市場占有率為第一,同時也是全球NOR flash排名前三的供應商之一,目前正逐步向NAND flash擴張,并積極布局DRAM業務。

DRAM是這幾大待突破的半導體核心技術中,最有可能大規模國產化的一項技術,值得期待。

國際頂級廠商:鎂光(美國)、三星(韓國)、SK海力士(韓國)等

中國廠商:長江存儲、合肥長鑫、兆易創新

超高射頻芯片

射頻芯片指的就是將無線電信號通信轉換成一定的無線電信號波形,
并通過天線諧振發送出去的一個電子元器件。射頻芯片架構包括接收通道和發射通道兩大部分。對于現有的GSM和TD-SCDMA模式而言,終端增加支持一個頻段,則其射頻芯片相應地增加一條接收通道,但是否需要新增一條發射通道則視新增頻段與原有頻段間隔關系而定。

中國是世界最大的手機生產國,但造不了高端的手機射頻器件,這需要材料、工藝和設計經驗的踏實積累。國內從事中低端射頻芯片的企業眾多,也占據了相當一部分市場,但在高端射頻芯片領域,仍有較大上升空間。

國際頂級廠商:Skyworks思佳訊(美國)、Qorvo威訊聯合(美國)等

中國廠商:紫光展銳、唯捷創芯、中普微等

CPLD/FPGA

CPLD是從PAL和GAL器件發展出來的器件,相對而言規模大,結構復雜,屬于大規模集成電路范圍。是一種用戶根據各自需要而自行構造邏輯功能的數字集成電路。其基本設計方法是借助集成開發軟件平臺,用原理圖、硬件描述語言等方法,生成相應的目標文件,通過下載電纜(“在系統”編程)將代碼傳送到目標芯片中,實現設計的數字系統。

FPGA即現場可編程門陣列,它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎上進一步發展的產物。它是作為專用集成電路(ASIC)領域中的一種半定制電路而出現的,既解決了定制電路的不足,又克服了原有可編程器件門電路數有限的缺點。

進入FPGA這個行業的門檻很高。過去十多年時間里,Intel、IBM、摩托羅拉、飛利浦、東芝、三星等60多家公司曾試圖涉足該領域,除Intel以167億美元收購阿爾特拉成功進軍該領域之外,其余公司紛紛折戟沉沙。目前的FPGA市場,FPGA巨頭都在美國,Xilinx,Altera,Lattice,Actel,Atmel,Avago,Cypress等,各自都有自己的獨門秘密武器。其中Xilinx是全球FPGA的霸主,千萬門級,16納米的領先者;Actel是反熔絲的先驅,宇航級的開拓者,其他任何一家的產品,都是工業級、軍工級,宇航級產品不可缺少的核心芯片,也是全世界國家從事尖端科技的短板和苦主。其中,Xilinx(賽靈思)和Altera(阿爾特拉)兩家公司占據了90%的市場份額。國內廠商在技術水平上和國外大廠的差距很大。雖然國內FPGA廠商有百家爭鳴之勢,但基本分布在中低端市場,大多是一些1000萬門級左右的FPGA,少數達到2000萬門級的FPGA雖然也有自主研發的。中國電科專用領域的3500萬門級FPGA和中國電子7000萬門級FPGA,是一次重大技術突破。

紫光同創持續引領中國FPGA產業發展,在實現國內首款千萬門級FPGA產品的量產出貨后,加速啟動研制并陸續補充完善3000萬門以下規模中低端器件的全部產品型號,其中Logos和Compact全系列器件已經量產,Logos2和Titan2系列器件將于今年全部上市量產,可以滿足國內所有中低端應用需求,市場份額覆蓋60%左右,基本能夠滿足中國電子信息產業的穩定發展需求。

國外頂級廠商:Xilinx賽靈思(美國)、Altera阿爾特拉(美國)等

中國廠商:深圳紫光同創、上海復旦微電子、京微齊力等

DSP芯片

DSP芯片即指能夠實現數字信號處理技術的芯片。DSP芯片的內部采用程序和數據分開的哈佛結構,具有專門的硬件乘法器,廣泛采用流水線操作,提供特殊的DSP指令,可以用來快速的實現各種數字信號處理算法。

DSP芯片自誕生以來得到了飛速發展,一方面得益于集成電路的發展,另一方面也得益于巨大的市場。在短短二十年時間里,DSP芯片已在信號處理、通信、雷達、圖像、軍事、儀器、自動化等眾多領域得到廣泛的應用。

目前,全球DSP芯片市場仍是巨頭壟斷,德州儀器、ADI、飛思卡爾、Motorola公司等都是這個行業的佼佼者。國產DSP芯片起步晚,
2006年中電十四所與龍芯公司合作開發國產DSP芯片。2012年它們研發的
“華睿1號”性能優于飛思卡爾公司的MPC8640D,2017年,國產DSP芯片“華睿二號”走向市場。

國外頂級廠商:TI德州儀器(美國)、ADI亞德諾半導體(美國)等

中國廠商:中電14所、中電38所、湖南進芯電子、北京中星微電子等

GPU

又稱顯示核心、視覺處理器、顯示芯片,是一種專門在個人電腦、工作站、游戲機和一些移動設備(如平板電腦、智能手機等)上圖像運算工作的微處理器。用途是將計算機系統所需要的顯示信息進行轉換驅動,并向顯示器提供行掃描信號,控制顯示器的正確顯示,是連接顯示器和個人電腦主板的重要元件,也是“人機對話”的重要設備之一。

提到GPU,最先想到的是英偉達,它占據全球GPU市場一半以上的市場份額,AMD的GPU也占有一席之地。中國的GPU企業尚未形成巨大規模,相關技術也在積極研制之中,目前國內在研究GPU的企業有上海兆芯、華為、圖芯、天數智芯,華夏芯、芯視圖、中船重工709所、中航631所等。據OFweek電子工程網編輯獲悉,中國船舶重工集團公司研究的完全具備自主知識產權的凌久GP101,刷新了我國在國產顯卡領域的空白,凌久GP101是一款高性能低功耗的,圖形處理芯片,要和歐美等先進廠商相比,還有很大的距離,它要達到世界領先水平,還有漫長的路要走。

國外頂級廠商:Imagination(英國)、高通(美國)、NVIDIA英偉達(美國)、AMD(美國)等

中國廠商:景嘉微、上海兆芯

MPU

MPU又叫微處理器或內存保護單元。MPU是單一的一顆芯片,而芯片組則由一組芯片所構成,早期甚至多達7、8顆,但目前大多合并成2顆,一般稱作北橋(North
Bridge)芯片和南橋(South Bridge)芯片。MPU是計算機的計算、判斷或控制中心,有人稱它為”計算機的心臟”。

英特爾、高通、三星、飛思卡爾、聯發科及展訊等供應商是這個市場的領導者。國產的MPU市場占有率非常小,幾乎為零,華大、華為、紫光國芯等企業在加大研發相關技術。

國外頂級廠商:Intel英特爾(英國)、高通(美國)、飛思卡爾(美國)等

中國廠商:紫光展銳、聯發科

半導體原材料

半導體制造材料主要包括硅片、電子氣體、光掩膜、光刻膠配套化學品、拋光材料、光刻膠、濕法化學品與濺射靶材等。

全球半導體材料產業依然由日、美、 韓、德等國家占據絕對主導。中國半導體材料在靶材、封裝基板、研磨液、光刻膠等細分領域產品已經取得較大突破,部分產品技術標準達到全球一流水平,但是整體水平上和國際一流水平還有較大的差距。

國外頂級廠商:美國、日本、韓國等公司

中國廠商:蘇州瑞紅、浙江金瑞泓科技、寧波江豐電子等

本文轉自:核芯產業觀察,來源:IT程序猿的科技營。

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