|
來源: 澎湃新聞 ·“中國集成電路產品的發展有自身特點，以中低端為主，高端產品不是太多，但也不是沒有。”在魏少軍看來，我們已經有了相當可觀的產業規模，也有了完整的產品體系，下一步的發展是從追趕到并行，并在部分領域逐漸實現領跑。 ·除了新器件、新材料、新工藝持續往前發展，魏少軍認為，未來集成電路發展有兩條新路徑：一是芯片架構的創新，另一條路是采用微納系統集成的方式使得產品能夠異軍突起。 
歐亞科學院院士、清華大學和北京大學雙聘教授魏少軍在上海集成電路大師講堂演講。 “中國集成電路設計業的發展是不容忽視的一大亮點”。8月30日，2022“海聚英才”上海集成電路大師講堂第二期“設計篇”在上海集成電路設計產業園開講。歐亞科學院院士、清華大學和北京大學雙聘教授魏少軍在演講中回溯了集成電路設計業發展的歷史，并介紹了當下中國集成電路設計業發展的最新進展與挑戰。在他看來，破解半導體微縮瓶頸的方法除了新器件、新材料、新工藝持續往前發展還有芯片架構創新以及采用微納系統集成兩種新路徑。 上海集成電路“大師講堂”系列活動（第二期）由上海市人才辦、市經濟信息化委、市發展改革委、市科委等部門聯合主辦，旨在匯聚英才、吸引資源共同打造世界級集成電路產業集群。 “半導體、微電子、集成電路”三者的區別 “我經常會被人問到，你們從事集成電路的人，一會說半導體，一會說微電子，一會說集成電路，這三個詞到底是不是一回事？” 魏少軍以三個名詞的科普開始了自己的演講。他解釋，這三個詞并不是一回事。半導體講的是一種材料，集成電路是構筑在半導體材料上的一種器件，微電子則是在半導體材料上構建集成電路的方法和工藝。雖然各有不同，但大家平時很少嚴格區分，原因在于很難把三者絕對割裂。 上世紀50年代，科學家致力于發展的是半導體，有了半導體專業；到了80年代，如何在半導體上構建集成電路更受關注。由于對工藝、方法、技術了解不多，因此這一時期集中精力掌握微電子相關知識，于是成立了微電子所、微電子學院、微電子專業；2020年以后，“我們看到我們最終實際上要實現的是集成電路的產品。我們對半導體材料和微電子技術的了解，目標是要構建集成電路。”因此，2020年12月底，集成電路正式被設置為一級學科。一批高校也相繼成立集成電路學院。 “從半導體、微電子到集成電路三部曲，最終我們還是把它聚焦到集成電路產品上。”魏少軍表示，集成電路設計永遠站在產品開發的第一線。所謂集成電路設計，從技術角度看，是指從應用出發，抽取出相應的設計規格，設計工程師利用各種設計工具完成電路設計，再交由集成電路制造廠制造出集成電路產品。集成電路設計的另一道含義是指商業模式。在EDA、IP、設計服務、裝備材料等支撐下，依托集成電路制造、封測，最終實現集成電路產品服務于客戶。 集成電路設計崛起受益于代工模式 追溯集成電路設計業的快速發展，其得益于產業分工的細化，尤其是與其相輔相成的代工企業的崛起。 1984年，全球首家Fabless（無晶圓IC公司，主要是設計公司）企業賽靈思成立，開創了芯片設計業的先河。但芯片設計的快速崛起始于1987年臺積電成立。 “設計公司的產品需要找工廠加工，但之前都是一些非專業的加工，碰到了很多麻煩，產品有了問題后兩者會扯皮，到底是制造的問題，還是設計的問題。臺積電出臺的標準化讓所有設計公司有章可循，只要按照它的標準來做設計保證能成功，不成功就賠錢。” 由于晶圓制造成本快速飆升，而Fabless資產輕、初始投資規模小、對市場需求反應快速、轉型相對靈活等特點使得其備受青睞。到1990年前后，高通、英偉達、聯發科等大量Fabless公司成立，Fabless迅速崛起。數據顯示，1994年-2010年，集成電路設計業處于井噴期，收入的年均復合增長率達21.66%，同期IDM（集芯片設計、制造、封測等多個環節于一體）的年均復合增長率為4.7%。2010年-2021年，集成電路設計業收入的年均復合增長率降至10%，但仍高于同期IDM的4.5%。2010后，Fabless進入穩定發展期，2021年占比升至31.6%。 魏少軍表示，這表明設計+代工的商業模式展示了非常強的生命力。對于代工廠而言，設計公司生產訂單的填充使得代工廠具備規模效應，攤薄單位成本，進而能獲取更多設計公司的生產訂單。對于設計公司而言，代工廠的生產成本降低，也就降低了設計公司的進入門檻，進而催生了更多設計公司。 中國芯片設計業已具可觀規模 就中國而言，近年來芯片設計業的發展之快有目共睹。據介紹，2021年，中國芯片設計企業已超2800家，全行業銷售預計為4586.9億元，同比增長20.1%。2021年中國已有400余家設計企業年銷售額超過1億元，兩三家企業超過100億元，相當一批企業超過了10億元。 從集成電路設計的區域銷售情況來看，長江三角洲地區占據半壁江山，京津環渤海地區、珠江三角洲地區緊隨其后；去年所有銷售規模進入前10的城市設計業銷售增速都超過了60%，其中增速最高的城市是濟南，增速達到了193.9%。 從2021年的發展來看，消費類電子占到較大分量，通信占比略微下降。但通信在集成電路發展中一直占有非常重要的歷史地位，魏少軍認為隨著關鍵技術突破以后，中國在通信、計算機電子方面的發展指日可待。 “中國集成電路產品的發展有自身特點，以中低端為主，高端產品不是太多，但也不是沒有。”在魏少軍看來，我們已經有了相當可觀的產業規模，也有了完整的產品體系，下一步的發展是從追趕到并行，并在部分領域逐漸實現領跑。 魏少軍表示，集成電路設計的最終目標是集成電路產品，與用戶的關系非常緊密，因此要緊緊與客戶聯系，理解他們的應用，了解他們的需求，以創新為動力驅動發展，“中國的應用如果要走到世界前列，芯片設計人員必須站在時代潮頭，勇當弄潮兒，才能引領產品發展。” 集成電路設計業的挑戰與破題 經過多年發展，集成電路設計業當下有哪些新的發展趨勢，又面臨哪些挑戰？ 魏少軍介紹，在尺寸微縮技術下，單個芯片上可以集成的晶體管數量是天文數字，比如5納米工藝下，一個平方毫米上可以集成大約1.1支晶體管，系統復雜度極其高。 但一方面，集成電路集成度在不斷提升，應用領域在拓展；另一方面，今天的半導體微縮技術已經逼近物理極限，未來必然會受到限制。此外，芯片設計還面臨速度、功耗、靈活性、軟硬件協調配合應用的困境。 除了新器件、新材料、新工藝持續往前發展，魏少軍認為，未來集成電路發展有兩條新路徑：一是芯片架構的創新，另一條路是采用微納系統集成的方式使得產品能夠異軍突起。 其中，應用定義軟件、軟件定義芯片，帶來了全新計算模式，是架構上的創新。所謂軟件定義芯片，是將軟件劃分成可以在基元（即多功能的計算單元）陣列上運行的子任務，按照任務依賴關系將子任務逐塊映射到基元陣列上運算。這類基元陣列架構可以通過編程的方式改變芯片連接和芯片功能。 至于系統集成，魏少軍解釋說，2.5D封裝是若干個芯片并排排列在中介層上，通過中介層上的硅穿孔、再分布層、微凸點等，實現芯片與芯片，芯片與封裝基板間更高密度的互聯；而3D封裝是將各芯片直接堆疊，可以把不同工藝設計的芯片集成在一起。 魏少軍表示，利用架構創新和系統集成創新兩種新路徑研發的超高性能近存計算芯片，即便使用成熟制造工藝，仍可實現優于主流先進工藝CPU/GPU 1-2個數量級的能量效率，目前已經完成相應技術驗證。 |
