中科大副院長(cháng)、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(gè)微末之間的小玩意，在眼下的智能化、信息化時(shí)代，從來(lái)沒(méi)有像現在這么重要，更是撐起了一個(gè)龐大的市場(chǎng)。

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

　　不過(guò)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(chǎng)需求而成為全球最大的芯片消費國，但繁榮背后卻有一個(gè)殘酷的事實(shí)：我國國產(chǎn)芯片的自給率不到30%，產(chǎn)值不足全球的7%，市場(chǎng)份額更是不到10%，也就是說(shuō)中國“芯”90%以上依賴(lài)進(jìn)口。截至2016年底，中國芯片的進(jìn)口金額達到1.3萬(wàn)億人民幣左右，而同期的原油進(jìn)口不到0.7萬(wàn)億。中國在芯片進(jìn)口上的花費已經(jīng)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(shí)微電子研究中心(IMEC)聯(lián)合主辦的“名家芯思維”——2017年設計方法學(xué)國際研討會(huì )在南京舉辦。

　　本次活動(dòng)邀請到IEEE fellow Giovanni De Micheli、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)林福江教授、浙江大學(xué)韓雁教授、南京大學(xué)王中風(fēng)教授、香港科技大學(xué)教授Patrick Yue 和Synopsys亞太區產(chǎn)品總監謝仲輝先生，圍繞主題“IC設計方法學(xué)”的進(jìn)行主題分享，圓桌論壇環(huán)節探討了IC設計技術(shù)革新、發(fā)展趨勢，以及發(fā)展中遇到的一些問(wèn)題。

　　會(huì )議期間我們聽(tīng)到了兩個(gè)小故事。

　　不過(guò)卻是兩個(gè)很無(wú)奈的故事。

　　故事一：做4G芯片差點(diǎn)破產(chǎn)這是一家做芯片FIB失效修改的廠(chǎng)商講的故事。說(shuō)有一個(gè)客戶(hù)原來(lái)是做2G/3G基礎設備的，后來(lái)聽(tīng)說(shuō)4G是個(gè)大趨勢且很快就會(huì )到來(lái)，就轉頭開(kāi)了一個(gè)廠(chǎng)，雄心勃勃的進(jìn)軍4G芯片產(chǎn)業(yè)，準備搶占橋頭堡。

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

　　聽(tīng)說(shuō)，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(gè)故事是韓雁教授講的。說(shuō)有一個(gè)朋友，原來(lái)開(kāi)了一家首飾加工廠(chǎng)，生意不錯。后來(lái)，在政府的要求和鼓勵下就辦了個(gè)芯片封裝廠(chǎng)。

　　然而，這個(gè)封裝廠(chǎng)利潤簡(jiǎn)直寥寥，一直在慘淡經(jīng)營(yíng)中不可自拔。

　　據他說(shuō)：“我加工一件首飾能賺幾塊甚至十幾塊錢(qián)，但是我封裝一個(gè)芯片才賺幾分錢(qián)甚至幾厘錢(qián)!你說(shuō)，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(lǐng)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(xué)教授/博導、浙江大學(xué)—美國UCF大學(xué)ESD聯(lián)合實(shí)驗室常務(wù)副主任韓雁說(shuō)：“我國高端射頻芯片的開(kāi)發(fā)面臨困境，這里有一個(gè)顯而易見(jiàn)的惡性循環(huán)：因為工藝落后——客戶(hù)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(lái)說(shuō)，這個(gè)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(guān)廠(chǎng)商嚴重缺乏流片驗證而無(wú)法升級，最終又會(huì )讓國內的芯片工藝遲遲得不到提高。

　　目前，芯片產(chǎn)業(yè)的流片費用動(dòng)輒幾百萬(wàn)元甚至上千萬(wàn)元，這樣的費用對任何一家公司來(lái)說(shuō)都是難以企及的高價(jià)，由不得不慎重(一般來(lái)說(shuō)，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(guò)程漫長(cháng)，從研發(fā)到流片需要數年時(shí)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(chǎng)家很難有生意。

　　既然國內晶圓代工廠(chǎng)沒(méi)有生意，自然就生存艱難。盡管近年來(lái)有紫光、中芯國際、華力微等重點(diǎn)企業(yè)異軍突起，但無(wú)論從工藝還是經(jīng)驗來(lái)看，距離國際一線(xiàn)廠(chǎng)商還有很長(cháng)的路要走。

　　如此的循環(huán)，長(cháng)此以往，將對我們的芯片制造產(chǎn)業(yè)帶來(lái)極大的限制和阻礙。

　　國內芯片加工工藝粗糙不穩定從1971年開(kāi)始，芯片制造工藝經(jīng)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(jìn)展順利。

　　盡管10nm工藝已經(jīng)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(shuō)的第一個(gè)故事背后的真實(shí)場(chǎng)景，令人無(wú)奈。

　　光刻技術(shù)是芯片制造產(chǎn)業(yè)的核心，決定著(zhù)芯片的元件特征尺寸。伴隨半導體產(chǎn)業(yè)“摩爾定律”的延續，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(shù)。不過(guò)技術(shù)最先進(jìn)、性能最穩定的光刻機設備100%被歐美國家壟斷，且嚴禁技術(shù)轉讓。

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

　　由于缺乏精密的國產(chǎn)加工設備，國內芯片制造設備都需要從美國進(jìn)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(chǎn)品的生產(chǎn)、不能研發(fā)指標非常先進(jìn)的芯片。

　　專(zhuān)用芯片才是未來(lái)新的增長(cháng)點(diǎn)

　　一直以來(lái)，關(guān)于通用芯片和專(zhuān)用芯片的爭論就從來(lái)沒(méi)有停止過(guò)。雖然從通用性和可修改性來(lái)說(shuō)，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(zhuān)用芯片才是未來(lái)新的增長(cháng)點(diǎn)。

　　國家“千人計劃”特聘專(zhuān)家、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)微電子學(xué)院副院長(cháng)林福江說(shuō)：“功耗是(芯片產(chǎn)業(yè))現在最大的問(wèn)題，哪一款芯片能把功耗降下來(lái)，它的壽命就能延長(cháng)，競爭力自然就上來(lái)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(shí)候需要加入很多預留的模塊，所以功耗會(huì )很高，同時(shí)賣(mài)的也貴。但專(zhuān)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(jìn)去。

　　“雖然專(zhuān)用芯片的靈活性不高，但因為是專(zhuān)門(mén)設的，很多東西已經(jīng)硬化、塊化，所以它的速度快、功耗低，相應的價(jià)格也低，賣(mài)的便宜。

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

　　浙江大學(xué)教授韓雁也持同樣觀(guān)點(diǎn)，她說(shuō)：“專(zhuān)用芯片比通用芯片體積(面積)小、功耗低，大批量生產(chǎn)時(shí)成本低。尤其是面向數字模擬混合電路的話(huà)，只能做專(zhuān)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(xué)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(jiǎn)單：做硬件賺錢(qián)少，工資低!

　　摩根士丹利在年初的一份調查中宣稱(chēng)，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(chǎn)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(chǎng)手上，缺乏核心技術(shù)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(jì)斐然，不過(guò)她也有自己的擔憂(yōu)。

　　韓雁說(shuō)：“因為做軟件的成本低(有時(shí)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(kāi)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(guò)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(shuō)現在是智能硬件的時(shí)代，畢竟IOT物聯(lián)網(wǎng)、手機/通訊、自動(dòng)駕駛、消費電子等對傳感器、芯片的依賴(lài)性極大，但現在很多人不愿做IC設計、不愿意學(xué)微電子，也不愿意做設備硬件，轉而學(xué)那些時(shí)髦的、能賺快錢(qián)的專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域，讓人痛心疾首。

　　“只能說(shuō)有些學(xué)生眼光不夠長(cháng)遠，心態(tài)略顯浮躁吧!”林福江表示無(wú)奈。

　　不過(guò)，從就業(yè)形勢上看，很多學(xué)生不愿意做硬件，也能被軟件業(yè)接納。這說(shuō)明軟件業(yè)仍然沒(méi)有飽和，作為社會(huì )需要，也可以理解，無(wú)需勉強。

　　芯片產(chǎn)業(yè)很多人不愿意動(dòng)手這是不對的

　　總的來(lái)說(shuō)，核心芯片技術(shù)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(shí)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)節之后、進(jìn)入批量化和商業(yè)化生產(chǎn)之前，必須要經(jīng)過(guò)數次甚至數十次的實(shí)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(dòng)手能力不強，甚至可以說(shuō)很弱。

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

　　對未來(lái)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(gè)很關(guān)鍵的突破口。

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

　　總結：全情投入、加強團結芯片產(chǎn)業(yè)才有前途

　　讓我們再看一下文章開(kāi)頭第二個(gè)故事的疑問(wèn)：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(xué)教授韓雁的答案是：為了國家的芯片產(chǎn)業(yè)不再受制于人，我們需要奉獻！

　　韓雁說(shuō)：“我想這也算是IT人對社會(huì )、對人類(lèi)的貢獻吧!正是有了我們的努力，才能讓大家用上越來(lái)越好、越來(lái)越便宜的各種電子產(chǎn)品，讓大家的生活質(zhì)量越來(lái)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(lái)推動(dòng)我國在2030年之前從技術(shù)上趕超世界領(lǐng)先企業(yè)。其中，從事各類(lèi)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(jìn)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(chǎn)業(yè)從垂直整合(比如英特爾一個(gè)廠(chǎng)什么都做)，到現在分工越來(lái)越細，規模也必將會(huì )越來(lái)越大。因此，只有全社會(huì )各個(gè)領(lǐng)域、各個(gè)環(huán)節之間共同團結努力，國內的芯片產(chǎn)業(yè)才能有前途。