后摩爾時代我國集成電路晶圓制程發展方向 | 技術專欄

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Gary Wu攝于貴州黃果樹壩陵河大橋

劉劍濱學長，主要研究方向為集成電路、物聯網技術應用及產業化。現為無錫浙江大學校友會副會長，求是緣半導體聯盟會員。

摘要：摩爾時代集成電路產業追尋更小、更密、更快的方向發展，導致費用、人才、技術門檻極高，形成壟斷。集成電路產業正在從摩爾時代邁入后摩爾時代，產業發展向高度集成、分散應用、多產品樣式、材料多樣性、淡化線寬和尺寸的方向發展?；诰A制程是制約我國集成電路產業發展瓶頸的現狀，建議融合臺灣技術與人才，集中資金和人力主攻8寸晶圓制程，對12寸晶圓制程采取緊盯策略，實現我國集成電路產業的全面健康有序發展。

近年智能手機、人工智能、仿生機器人、物聯網、MEMS等各類行業應用飛速發展，集成電路發展從傳統的追求更小、更密、更快，向定制化、異構化、可升級、低功耗、低成本等各種差異化方向發展，集成電路產業正在從摩爾時代邁入后摩爾時代。認清后摩爾時代的產業特點，選擇合適的發展方向，對推動我國集成電路產業健康有序發展，保障國家戰略安全具有非常重要的意義[1]。

摩爾時代集成電路產業發展狀況

1958年，美國德州儀器（TI）生產出第一款工業級集成電路至今近70年，全球集成電路產業發展基本遵循1956年英特爾創始人戈登?摩爾提出的摩爾定律：集成電路上所集成的電路的數目，每隔18個月就翻一番；微處理器的性能每隔18個月提高一倍，而價格下降一倍；用一美元所能買到的計算機性能，每隔18個月翻兩番。摩爾定律引導集成電路行業往更小、更密、更快的方向發展，也遇到了越來越高的門檻和障礙，限制了行業發展，帶來如下困境。

（1）先進晶圓廠的建設費用高漲，7nm及以下工藝晶圓廠的建設費用超百億美元，極少的企業或國家能承擔此費用。

（2）先進工藝的流片成本高漲，7nm及以下工藝的流片費用超千萬美元，給新產品的研發帶來極高成本和風險。

（3）先進設計、先進工藝，需要大量高學歷、豐富經驗的優秀工程師，從業門檻高。

（4）產品具有迭代性，后進入者會遇到專利壁壘，引發專利戰，限制了技術創新。

摩爾時代的產業特性使產業的集中度在世界范圍內逐步提高，形成少數壟斷企業，壟斷區域，壟斷國家。2017年，全球集成電路產業4700億美元營收中，十大跨國公司占據80%營收，具有不可撼動的壟斷地位。細化到產業鏈各環節看，集中度更為明顯：EDA設計軟件領域，美國Mentor、Cadence和Synopsys占據90%以上的市場份額，處于絕對壟斷地位；設計領域前10強，除了排名第4的聯發科（中國臺灣），排名第5的海思（中國大陸），排名第9的展銳（中國大陸），排名第10的聯永科技（中國臺灣），其余6家Broadcom、Qualcomm、NAVIDIA、AMD、Xilinx、Marvell全部是美國公司，美國公司占據70%的份額；流片代工領域，臺灣的臺積電占據49.2%份額，韓國三星占據18%份額，美國格羅方德占據8.7%份額；封裝測試領域，前三名則分別是臺灣的日月光，美國的安靠，中國大陸的長電科技，該細分領域中國臺灣居于壟斷地位，中國大陸緊跟其后；集成電路基礎材料，則是日本居于壟斷；高端設備領域，荷蘭ASML在光刻機領域絕對領先，其他刻蝕、注入機、沉積等設備，日本和美國具有壟斷地位。

摩爾時代集成電路產業的壟斷性，使得包括中國在內的后發國家在追尋摩爾定律往更小、更密、更快的方向發展，追趕美國等先進國家地區極其困難。此外，集成電路進入10nm工藝后，傳統技術理論逐步失效，單純靠減小線寬、增加器件密度、提高運算速度的摩爾定律遇到了瓶頸，發展滯緩[2] [3]。

后摩爾時代集成電路產業特性及發展趨勢

智能手機、人工智能、仿生機器人、物聯網、MEMS等應用的飛速發展，對集成電路的要求復雜化。集成電路要求定制化、集成化、可升級、低功耗、低成本，甚至需要植入生物體等，而非簡單的更小、更密、更快，都對集成電路的技術發展提出了新的要求。摩爾定律已經無法適應新形勢的發展，產業界最近幾年提出了“超越摩爾定律”，進入后摩爾時代，產業發展思路發生改變，并為后進國家提供了彎道超車的機會[4] [5]。后摩爾時代集成電路產業具有如下特性。

（1）高度集成，在單顆集成電路上實現整個系統功能，包括電源、處理器、存儲器、傳感器、無源元件、有源器件、發射器和接收器等。

（2）分散應用，應用場景從單一的電子信息行業，跨入包括生物醫藥、化學、機械在內的多行業，具有定制化、多品種、小批量的趨勢。

（3）多產品樣式，將異質的數字和非數字功能集成到一個緊湊的系統中，從傳統摩爾時代的標準樣式，發展出SOC、SIP、PIP，3D立體封裝等異形結構。

（4）材料多樣化，集成電路應用材料從單一硅鍺材料，到磁性材料、壓電材料、有機材料，甚至生物材料等新材料。

（5）淡化對線寬和尺寸的追求，不再盲目追求高成本的小納米線寬和大晶園尺寸。

基于上述技術特點，后摩爾時代與摩爾時代相比，集成電路產業發展具有如下趨勢。

（1）“超越摩爾定律”與摩爾定律，不構成替代及競爭，兩者應用領域不同，協同發展。

（2）集成電路的發展從摩爾時代單純依靠電子產業，轉而涉及更多橫向產業，如新材料、光學、生物學、熱學等，產業的發展從單一追求深度向同步追求廣度發展。

（3）摩爾時代，集成電路應用單一，主要是計算和存儲，個別龍頭企業可壟斷全行業；而后摩爾時代，應用場景劇增及碎片化，應用差異大，需要眾多差異性的企業。

（4）后摩爾時代，大量新應用，使得集成電路技術創新從追求更小、更密、更快的單一創新，轉向更廣泛的創新，得以避開傳統競爭領域的專利障礙。

（5）后摩爾時代，可以在門檻相對較低的微米尺寸以及較小尺寸的晶圓上實現流片，對晶圓工廠的要求大大降低，從而降低了集成電路產業化的門檻。

我國集成電路產業現狀

我國集成電路產業誕生于六十年代，1965年第一塊集成電路誕生，發展經歷波折。2018年，中國集成電路市場規模1.3萬億人民幣，同比增長9.3%，消費全球將近一半的集成電路，是全球規模最大，增長最快的市場，但產業發展不均衡，總體落后國際先進技術20年[6]。

從中國整個集成電路產業鏈來看，上游設計領域發展較好，擁有世界排名第5的華為海思，排名第9的展銳，以及中興微電子、華潤矽科、士蘭微等一大批優秀企業。中游晶圓制程，擁有中芯國際、華潤上華、華虹半導體、上海先進、士蘭微等一批具備一定實力的企業，目前國內投產12寸線8條，最先進制程為14nm，無論規模還是先進程度都遠落后于全球排名1的臺灣臺積電，排名第2的臺灣聯華電子以及排名第3的韓國三星，是制約我國集成電路產業發展的瓶頸。下游IC封裝、測試領域，我國則具備一定實力，長電科技世界排名第3，華天排名第6，封測能力全球第二，除了兩家大陸封測企業，全球前十的企業其余8家都在中國臺灣。外圍EDA設計工具、精密設備、材料等方面，中國大陸及臺灣則落后較多，追趕困難。

上述數據表明我國是全球舉足輕重的集成電路消費大國和生產大國，但產業鏈發展不均衡，晶圓制程成為制約我國集成電路產業發展的瓶頸[7]。

晶圓制程發展方向探究[8][9][10]

晶圓制程是制約我國集成電路產業發展的瓶頸，在晶圓制程選擇上，傳統摩爾時代追求更小、更密、更快，小納米的12寸晶圓制程，但目前具有較大風險。

（1）產能過剩的風險

從全球晶圓廠產能建設情況來看，12寸晶圓廠是目前主流建設方向。圖1展示了最近10年全球12寸晶圓廠的增長情況（數據來源IC insights），從2010年的73座，增加到2017年的108座，預計2020年底，全球12寸晶圓廠將達到117座，近10年年均增長5~10座。

圖1 近10年全球12寸線數量

按照目前單線產能5萬片/月計算，2020年全球12寸晶圓產能將達到海量的600萬片/月。12寸晶圓目前主要用于標準工藝生產，主要集中在處理器（CPU、GPU）、存儲器等領域，服務少數大客戶，容易出現周期性波動。韓國三星近10余年通過逆操作，在產能過剩期反向加大產能投資，獲得了絕對的霸主地位，但三星周期性的經歷巨虧，需要政府輸血的行為，并不具備可復制性。2009-2017年，全球關閉了92條線，其中就包括了9條最先進的12寸線，產能過剩風險是12寸線面臨的最大風險，值得政府及投資人警惕。

（2）投產周期長、風險大、易爛尾

一條12寸線要發揮作用，從建設開始，到生產運轉，到批次良率穩定，至少需要5年以上的打磨的，所以才有集成電路產業10年磨一劍的說法。人們要消除廠房蓋好、設備進場、人員滿編、樣品出來，即算完工的誤區。國內某條12寸線，從樣品出來到磨合量產商用，足足用了3年時間，至今良率仍遠不如臺積電。

目前我國穩定運行的12寸晶圓廠有12座，除了中芯國際的3座，其他皆為外資。2019年，有15座12寸晶圓廠在建，投資額合計4400億元，在建產能超過80萬/月。在建12寸晶圓廠中，一半以上是國內企業，除了中芯國際和華虹有12寸量產經驗，其他包括華力微、晉華、長鑫、紫光等都是新入企業。對于12寸晶圓廠這種投產周期5年以上，資金上百億，運行精度高，需要數百名專業工程師維護的項目，眾多環節中出現一個紕漏，就會帶來整條線的停工或良率下降，因此風險極高。

（3）人才缺失風險

12寸晶圓廠對人才技術經驗要求高，國內在建的12寸線，將嚴重缺乏有經驗的工藝工程師。豐富經驗的工程師，主要集中在臺灣地區及韓國，引入較困難。

后摩爾時代集成電路產業特性及發展趨勢表明，看似落后的微米工藝，8寸晶圓制程反而在傳感器、物聯網、模擬電路領域應用更廣，發展前景更好。

表1 2018年全球8寸晶圓產能前十工廠

如表1所示，中國大陸8寸晶圓領域并不落后，擁有中芯國際、華虹這類代表企業，是可以努力追趕成為國際領頭的。后摩爾時代，為了應對下游多樣化的應用需求，需要低成本、快速響應、定制化的產品，8寸晶圓的建廠成本、晶圓成本、生產周期等，相較12寸晶圓具有明顯優勢，因此未來需求更大。建議采用如下策略。

（1）集中資金和人力主攻8寸晶圓制程，對12寸晶圓制程采取緊盯策略，試點運行，不宜大面積推廣。具備下列兩個條件再鋪開12寸：國內8寸晶圓發展壯大，培育出大量有管理、技術、工藝經驗的工程師及管理人員；在下游應用客戶中涌現一大批國內12寸晶圓用戶，為產能找到自主可控的出口。

（2）臺灣地區在該領域擁有全球73%的產能，擁有臺積電、聯華電子這樣的頭部企業，臺灣企業的核心價值在于擁有一大批有經驗的工程師。目前，臺灣地區的產能近半數已投資到中國大陸，并帶來了近10萬的工程技術人員。發揮兩岸關系，引進和融入臺灣人才，通過人才帶來技術，實現兩岸互助共贏[11]。

總結

集成電路產業正在從摩爾時代邁入后摩爾時代，晶圓制程成為制約我國集成電路產業發展的瓶頸。在晶圓制程選擇上，傳統摩爾時代追求的更小、更密、更快，小納米12寸晶圓制程具有產能過剩、投產風險大、人才缺失的風險，而看似落后的微米8寸晶圓制程反而發展前景更好。本文建議（1）集中資金和人力主攻8寸晶圓制程，對12寸晶圓制程采取緊盯策略，試點運行，等國內8寸晶圓發展壯大，培育出大量工程師及管理人員，應用領域培育出12寸晶圓的用戶，再發展小納米12寸晶圓制程也將比較順利。（2）臺灣是全球集成電路晶圓制程的高地，發揮兩岸關系，融合臺灣技術與人才，實現兩岸互助共贏。

最后，致謝中電?？禑o錫科技有限公司程學農院長、華潤微電子有限公司研發總監趙海、無錫市半導體行業協會(WXSIA)、江蘇省半導體行業協會(JSSIA)等專家給予的探討與支持。

參考文獻： 

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[2]張百尚,商惠敏.國內外芯片產業技術現狀與趨勢分析[J].科技管理研究,2019,39(17):131-134. 

[3]王一鳴.集成電路芯片產業分工模式的新演進與模塊化研發[J].科學管理研究,2019,37(03):65-69. 

[4]賴凡,徐學良,蔡明理.試析“超越摩爾定律”的技術[J].微電子學,2012,42(05):706-709.

[5]孫玲,黎明,吳華強,周鵬,黃森,張麗佳,潘慶,李建軍,張兆田.后摩爾時代的微電子研究前沿與發展趨勢[J/OL].中國科學基金:1-8.

[6]李傳志.我國集成電路產業鏈:國際競爭力、制約因素和發展路徑[J].山西財經大學學報,2020,42(04):61-79. 

[7]劉建麗,李先軍.當前促進中國集成電路產業技術突圍的路徑分析[J].財經智庫,2019,4(04):42-57+142. 

[8]張競揚.7nm半導體的制程技術分析[J].集成電路應用,2017,34(02):47-50.

[9]馬鈺婷.從英特爾10納米出貨看芯片產業發展[J].上海信息化,2019(06):40-44. 

[10]雷瑾亮,張劍,馬曉輝.集成電路產業形態的演變和發展機遇[J].中國科技論壇,2013(07):34-39. 

[11]劉劍濱.地方應用型本科高校產教融合發展路徑探索[J].教育現代化,2019,6(68):107-111.

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