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“工藝是基礎，設計是龍頭。工藝研發模式、產品設計思路都將發生根本性變化，設計必須與工藝緊密結合。”日前在上海舉行的“第六屆中國IC設計公司成就獎”頒獎典禮上，中國半導體行業協會IC設計分會理事長魏少軍教授在題為“對中國半導體行業再上臺階的思考”的演講中指出，他根據半導體產業鏈各發展態勢的預測和對技術市場的思考做出了上述判斷。 ——“工藝技術正在走向后摩爾時代，主流器件結構將發生根本變化，平面體硅CMOS工藝走向盡頭，FinFET和FDSOI等新器件將引發一系列變化，包括產品的形態及產業環境等。工藝的高度復雜和不可預見因素及代工廠支持能力的下降，將重塑代工廠和設計企業之間的關系。” 魏少軍指出了半導體行業正在發生的幾個發展趨勢，首先是器件結構發生根本變化。目前研發和關注度最為廣泛的FinFET技術最早由UCBerkeley的華人科學家胡正明教授發明。本世紀初，在擔任臺積電CTO期間曾向公司提出發展FinFET的設想，但沒有得到重視。隨后英特爾公司接受了這一建議并投入巨資研發。“2011年英特爾宣布推出22nm的FinFET技術，并預測到2012年Q4其出貨中有25%的產品采用FinFET，但實際延遲已經超過一年，FinFET技術的復雜度超過了之前的預想。”魏少軍表示。 其次，成本越來越高。“從65nm、45nm一直發展到22nm、16nm，芯片研發成本越來越高，22nm工藝節點是一條達到盈虧平衡的產線預計投資需要高達80~100億美元，16nm工藝節點時可能達到120~150億美元。”魏少軍預測說，“電子工程專輯的早前的文章中也已經指出：將來只有少數高端芯片設計公司可以負擔昂貴的研發費用，而更少的代工廠具備制造新一代的產品的能力。所以現在只有很少的公司下定決心在22nm以下工藝節點投入，目前只有英特爾、TSMC、三星、IBM等。”高額投資將導致只有少數高端芯片設計公司可以負擔昂貴的研發費用，而更少的公司能夠擁有最先進的制造工藝。 “工藝是基礎，設計是龍頭。工藝研發模式、產品設計思路都將發生根本性變化，設計必須與工藝緊密結合。”日前在上海舉行的“第六屆中國IC設計公司成就獎”頒獎典禮上，中國半導體行業協會IC設計分會理事長魏少軍教授在題為“對中國半導體行業再上臺階的思考”的演講中指出，他根據半導體產業鏈各發展態勢的預測和對技術市場的思考做出了上述判斷。(2013年度中國IC設計公司成就獎獲獎名單和ChinaFabless2013頒獎現場精彩圖集) ——“工藝技術正在走向后摩爾時代，主流器件結構將發生根本變化，平面體硅CMOS工藝走向盡頭，FinFET和FDSOI等新器件將引發一系列變化，包括產品的形態及產業環境等。工藝的高度復雜和不可預見因素及代工廠支持能力的下降，將重塑代工廠和設計企業之間的關系。” 魏少軍指出了半導體行業正在發生的幾個發展趨勢，首先是器件結構發生根本變化。目前研發和關注度最為廣泛的FinFET技術最早由UCBerkeley的華人科學家胡正明教授發明。本世紀初，在擔任臺積電CTO期間曾向公司提出發展FinFET的設想，但沒有得到重視。隨后英特爾公司接受了這一建議并投入巨資研發。“2011年英特爾宣布推出22nm的FinFET技術，并預測到2012年Q4其出貨中有25%的產品采用FinFET，但實際延遲已經超過一年，FinFET技術的復雜度超過了之前的預想。”魏少軍表示。 其次，成本越來越高。“從65nm、45nm一直發展到22nm、16nm，芯片研發成本越來越高，22nm工藝節點是一條達到盈虧平衡的產線預計投資需要高達80~100億美元，16nm工藝節點時可能達到120~150億美元。”魏少軍預測說，“電子工程專輯的早前的文章中也已經指出：將來只有少數高端芯片設計公司可以負擔昂貴的研發費用，而更少的代工廠具備制造新一代的產品的能力。所以現在只有很少的公司下定決心在22nm以下工藝節點投入，目前只有英特爾、TSMC、三星、IBM等。”高額投資將導致只有少數高端芯片設計公司可以負擔昂貴的研發費用，而更少的公司能夠擁有最先進的制造工藝。趨勢三，先進工藝產能越來越緊張。魏少軍指出，2008年以來，一批傳統的IDM公司已經或將停止建設新的生產線，逐漸轉型為IC設計企業，預計需要外協的產能價值約為300億美元，產能需求將十分旺盛。三星、臺積電、GLOBALFOUNDRIES等企業每年投巨資擴產正是預見到未來5~10年產能緊張的前景。他認為，事實上從2012年下半年以來，先進工藝的產能已經出現供不應求的現象。我國設計企業因此而出現增長放緩的現象。“可能到了12nm工藝節點以后，芯片設計企業想找個制造點都找不到，這是很可怕的事情。” 趨勢四，通用產品逐漸成為主流。在22nm工藝節點上，每平方毫米的平均邏輯門數達到156.6萬個，在20×20mm2面積上可以集成6.26億個邏輯門，或25億只晶體管。魏少軍認為高額的制造和研發成本，將不再適合“多品種、小批量”的ASIC，而且沒有足夠的銷量就無法攤銷高額的NRE成本。所以他預測未來通用的產品逐漸成為主流，而傳統的ASIC將慢慢退出歷史舞臺，除了少數幾種數量巨大的ASSP，如移動通信終端芯片，或數字電視芯片等，其他芯片無法使用先進工藝，將慢慢消亡。“‘牧村浪潮’和國內的‘許氏循環’都在談專用-通用器件循環發展，下一輪將是通用器件主導的發展，通用、平臺化成為大趨勢。” 趨勢五，系統級封裝及多元件封裝。封裝今后將成為芯片設計的一個重要內容。 趨勢六：新型產業模式。加工成本的攀升將迫使IC設計企業在更換代工廠時越來越謹慎。因此，設計公司與代工廠的捆綁會越來越緊密。魏少軍指出這些緊密關系表現為以下幾點：高額的研發成本將要求EDA廠商更多地為設計公司提供定制服務，一對一的“貼身服務”將成為設計服務公司的策略；由于IP核的服務對象更多地集中到大企業和量大面廣的產品，IP核供應商與設計公司的關系更為緊密；系統公司越是依賴于設計公司的芯片產品，就越希望對其加強控制；基于特定合作伙伴，業務緊密捆綁，資本相互滲透的虛擬IDM逐漸浮出水平。 “隨著半導體工藝特征尺寸越來越小，IC設計對于工藝的依賴程度越來越高，同時設計軟件的作用也越來越重要。芯片設計人員對于IC設計的知識不能局限在芯片層面，還應包括軟件、系統甚至應用。”他強調說。 ——“必須從系統整機的角度重新審視芯片產品的發展策略。處理器無疑處在核心的位置，接口電路必須跟上輸入/輸出設備的創新，嵌入式軟件的作用不可忽視，3D集成將成為產品設計的重要途徑。” 魏少軍認為，從系統架構看，系統架構越來越疏松，更多輸入輸出接口整合到處理器中，還有工藝、封裝的因素，以及軟件、服務和商業模式的發展，這樣的架構影響會越來越大。再來單獨看系統架構每一部分的發展。首先是處理器，魏少軍預測未來核心數可能達到128~256顆，2020年~2025年間工藝可能走到7~5nm節點，位寬從現在的32位走向64位。 “現在還出現了一個新名詞：supercomputeronchip，單芯片超算，運算速度可達到每秒100萬億次浮點運算。未來這樣的芯片技術成本降低將可走入家庭應用，終端（計算機、手機等）市場總量在20億只/年。”他說，“此外，新的專用處理器將隨著云計算、物聯網、大數據等技術的發展而出現，同時形成新的架構如可重構處理器等，個人云個人網也將從概念成為現實，相應的，安全機制成為更大挑戰。” 再看接口電路，這一部分沒有太大挑戰，仍然向著更高、更快、更寬演進。而存儲器方面，已經出現很多年的eDRAM很快能夠實現應用，“例如英特爾Haswell處理器中，該公司可將128MB的eDRAM做到0.029μm2，17.5Mb/mm2，位單元顯著小于SRAM，甚至可以實現3D封裝。而浮柵型Flash將逐漸退出市場，工業界的主流是Charge-TrapMemory(CTM)，其他新型存儲器如ReRAM預計將于2020年能夠實現應用。在這一領域，英特爾將引領處理器和eDRAM的集成，并將進一步鞏固其在處理器領域的地位。”輸入設備方面，例如新型圖像傳感器將向著高分辨率和低照度兩個方向發展；智能天線則支持高寬帶無線接收、發送；新型觸摸屏、觸覺識別以及手勢識別、人眼跟蹤、動作跟蹤等進一步改善，各類傳感器、健康傳感器等將大量集成到終端中去。輸出設備方面，各種高分辨率、高動態范圍、高亮度、3D顯示燈新型顯示器；支持高寬帶無線傳輸的投影儀；谷歌眼鏡、三星智能手表等等都會對輸出設備產生巨大的影響。采用Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體的功率器件將是未來重要的一個發展點。 因此魏少軍預測，到2020年將擁有廣大市場的潛在產品包括單芯片超算芯片、eDRAM及輔助芯片、5GModem、新型閃存、智能觸屏控制器、4G/5G功放、單芯片基站、個人云、圖像識別、嵌入式FPGA和RF芯片等等。這些市場領域前景巨大，就看中國IC廠商是否能夠成功抓住機遇。同時魏少軍也給出了幾個發展的關鍵因素。 第一，先進制造工藝。魏少軍指出，體硅COMS平面晶體管在20nm已經走到盡頭，無法獲得等比例縮小的性能、成本和功耗優勢。而耗盡型器件可以改善器件的電學性能并延續等比例縮小，且與傳統CMOS工藝兼容，但產業鏈和生態環境亟待完善。FinFET則是未來的選擇，可以延續等比例縮小，但是知識產權的限制、工藝的復雜度都不是短期內可以克服的問題。 他表示，與CMOS器件相比，FinFET的技術優勢在于，在相同的工作電壓下，器件延遲下降約30%，意味著性能更高。換句話說，在同樣的延遲下，工作電壓可以降低20%，意味著更低的功耗。此外還具有附加成本低、低電壓工作下速度快、泄露電流小等優勢。而FDSOI技術與28nmLPBulk相比，在同樣的主頻下，功耗下降30%；相同功耗下，主頻可以提升30%。因此他認為FinFET技術和FDSOI相比，前者更適合高性能應用，后者則更適合低功耗、低漏電流應用。 第二，基于先進工藝的設計。“采用更先進的工藝已經不能獲得成本優勢，單個芯片上可以集成的晶體管數量巨大，導致系統復雜性大幅度提升，研發費用逐漸攀高，成為影響成本的關鍵因素。此外軟件成為集成電路技術的重要組成部分，低功耗成為集成電路發展技術的發展重點，芯片設計必須具備工藝知識和團隊。而最重要的是，是否具備基于新器件的設計技術，如果不會就只能前進到28nm。”魏少軍指出 第三，設計與工藝的緊密結合。魏少軍表示，“設計企業不能認為基于代工廠給出的設計接口，其設計一定成功并給出滿意的成品率。成品率問題必須在設計階段就給予足夠的重視并成為重要的設計準則。可制作性是設計公司必須面對的難題。”而即使設計成功，設計人員也不能指望很快上量。在代工廠一側，由于IP的成熟度和工藝浮動造成的成品率問題仍然需要比較長的時間解決。因此他強調，“設計團隊必須對工藝有深入的了解，并將工藝浮動的影響作為重要的設計參數在設計過程中給予考慮。所以設計企業與代工廠之間的緊密合作必不可少，設計企業必須建立強有力的工藝和產品工程隊伍，特別是優秀的可制造型設計和成品率設計專家團隊。這需要設計企業每年多支出數千萬到上億元的成本。” 第四，異質器件封裝及設計；以及第五，芯片軟件供應商。魏少軍指出，目前IC設計企業中，軟件設計人員數量已經超過芯片設計人員，但是企業對軟件的理解并沒有隨之提升，仍然只是將其作為一種賣芯片的服務。“這是本末倒置的。今后軟件的價值遠遠高于芯片，應該是以賣軟件為主，而非芯片。” ——“工藝是基礎，設計是龍頭。工藝研發模式、產品設計思路都將發生根本性變化，設計必須與工藝緊密結合。同時選對發展技術路線是關鍵，人才隊伍建設是基礎。中國半導體產業要上一新臺階，就必須有更大的思路和更有力的舉措。” 那么中國半導體產業要想再上一個臺階，究竟該如何做？魏少軍為IC設計廠商指出了幾條明路。首先是提高制造能力。“制造是基礎，其他方面再好都只是個美好愿望。中國目前制造產能僅占市場總量10%多一點，但是市場需求占全球市場的28%。然而先進的工藝制造不是某個廠商單打獨斗就能實現的，必須依賴聯合研發。”他表示，“所以接下來建立先進工藝聯合研發機制。例如2011年美國成立的Global450Consortium（G450）組織。該組織由IBM公司出資36億美元發起，聯手三星、GLOBALFOUNDRIES和臺積電，推動22nm-14nm及14nm以下半導體工藝技術研究。同時由英特爾主導，與IBM、三星、GLOBALFOUNDRIES和臺積電共同投入3.75億美元，推動450mm硅片工藝研發及產業化。”另外一個重要的舉措是芯片、軟件和整機聯動，加強嵌入式軟件研發能力。魏少軍提出，“瞄準影響國家安全和產業發展的重大戰略需求；以重大系統、重大應用為牽引，建立戰略產品目錄清單，圍繞清單產品聚集資源，集中投入，有所不為才能有所為。”他建議的戰略產品主要包括，整機方面是移動通信、計算機、互聯網、云計算、物聯網及其他具有重大帶動作用的大系統；主要器件包括CPU（含超級計算機、服務器、桌面計算機和移動終端嵌入式CPU等）、DSP、FPGA、存儲器（含DRAM、eDRAM、Flash、SRAM等）各類接口電路；主要軟件則有嵌入式操作系統、應用軟件等。同時應強化芯片、軟件與整機的聯動，包括應用牽引、系統整機引導；芯片、軟件企業早期介入整機定義；根據整機需求研發芯片、軟件；產業鏈各環節聯動。推動01、02和03三個科技重大專項相互滲透、相互支撐。 最后就是人才隊伍建設。魏少軍表示，IC產業是智力密集型產業，人才是產業發展的基礎。為此，應堅持以人為本的原則，探索新形勢下的人才隊伍建設和人才引起機制建立行之有效的激勵機制，保證產業發展所需的智力資源。“一方面，要充分利用“千人計劃”等國家引智工程，按照引進海外高層次人才的有關要求，吸引國際優秀人才到我國工作，特別要注意成建制團隊的引起，挖掘國際智力資源為我所用。另一方面，加強本土集成電路專業人才的培養，改革集成電路培養課程，注重基礎能力的培養，提升工程碩士的培養質量，加大工程博士的培養數量。” |
