魏少軍：集成電路領域幾個值得關注的動向
2015-12-01 18:08:04 n2015中國集成電路產業促進大會上，清華大學教授、核高基重大專項技術總師魏少軍博士從五個方面詳細闡述了全球集成電路產業的狀態、值得關注的動向以及未來半導體公司的發展趨勢等。
1、集成電路產業步入成熟期
全球半導體產業進入成熟期，顯著的四個標志在于風險投資大幅下降，IPO公司數量減少，上市公司數量減少，同行激烈競爭加劇，技術、市場、人才等資源相大企業集中的趨勢愈發明顯，強強聯合成為新常態。
全球半導體產業并購正在加劇，不少領域已形成2-3家企業壟斷的局面。截至現在，全球 半導體產業并購金額達1021億美元，而中國半導體參與的并購項目僅有62.85億美元。這輪并購與以往不同的地方在于，除收益增長、典型的產業邏輯、戰 略擴展、投資整合外，中國因素成為影響并購的主要動因之一。
平面體硅工藝技術遭遇挑戰，FinFET技術以其特有的架構和工藝得到了行業認可。工藝節點以65nm、32/28nm、16/14nm、7nm的大節點和45/40nm、22/20nm、10nm的“小”節點現象持續發展下去。
今年是摩爾定律發現五十周年紀念，加州理工工程學和應用科學名譽教授卡弗·米德說過，“摩爾定律不是一個物理定律，它是人類本性的一個定律，人們知道什么在物理上是可能實現的，而且對之深信不疑。戈登和我一起共事，摩爾定律徹底改變了我們的生活。“
摩爾定律對于科技的變化是數量級的，具有一定的社會意義。前英特爾公司高級主管比爾·戴維德說過，“由于摩爾定律，我們將會重建所有的物質性基礎設置。”摩爾定律過去數十年一直支持微電子技術過去50年中按照2n的速度快速發展。
IBM最近公布7nm工藝測試芯片，這顆芯片的推出告訴我們價格的發展和科學技術的發展仍然強勁。那么摩爾定律還能持續多久？
胡
正明教授認為，“企業為了掌握更高的市場份額、擊敗競爭對手，必須要拼命把產品性能翻一番甚至兩番，這些都是可以理解的，也正是它們的努力使得電子產業取
得了如此的高速發展。...然后，沒有哪一種指數增長是可以一直延續下去的。...但那可能是更好的結果。與其燦爛無比的又一閃而逝，穩定而緩慢的增長顯
然是更好的。”
在延續摩爾定律的方向上有 5nm光刻技術，在拓展摩爾定律的方向上有異質器件系統集成技術，如果你是做芯片封裝的會非常關注，如何將異質器件封裝到一起。在后CMOS技術上，世界 首枚分子級晶體管問世，進入亞納米尺度后，晶體管的工作原理將發生根本性變化。在碳納米管晶體管上，IBM研究人員發明了移動電子的技術，有助于半導體產 業急需生產更快、效能比更高、集成度更高的芯片。
2、半導體技術持續進步
目前主要代工廠的工藝進步節點如下圖
過去40年中，CPU總是采用最先進的
工藝，保證摩爾定律長期有效，對持續提升CPU的性能和能量效率至關重要。工藝技術進步一代，性能提升40％，功耗下降50%，能量效率提升2.8X；現
行CPU架構下，進一步提升能效的途徑除了采用多核和眾核架構外，工藝仍然是決定性因素。
目前半導體存儲器DRAM正面臨兩大挑戰，一方面電荷量下降，可靠性變差，另一方面在 容量增加的同時，刷新功耗上升。半導體存儲器領域呈現了幾大新技術：STT-MRAM技術的挑戰在于如何降低臨界電流密度；3D NAND Flash對于提高容量、提升儲存效率大有好處；最令人振奮的便是英特爾和美光推出的Xpoint技術，采用PCM，具體材料組成未知，具有非揮發性，速 度比DRAM稍慢，但比NAND Flash快1000倍，可用于CPU的二級緩存，由于不需刷新，功耗大幅降低，密度極高（二層可達128Gb），對計算機將產生深遠影響，不僅影響硬件 架構，而且將影響到軟件的編程模式。
目前工藝技術已邁入10nm量級，集成電路亟待架構創新。專用集成電路面臨嚴峻挑戰，一顆芯片研發投入高達1.5～2億美元，需要銷售3000萬顆以上才能收回成本。可重構計算被公認為是兼具高能量效率和高靈活性的突破性集成電路技術，未來將成為可重構計算芯片的主流。
3、系統整機公司強化集成電路產品研發
經過多年的分工合作發展后，系統整機廠商正在重新開始自研核心芯片，這一變化將對全球 集成電路產業生態的發展產生深遠的影響。從圖表中可看出，蘋果6.15億美元的研發投入獲得69.82億美元的產出，華為2.57億美元的投入，獲取 21.68億美元的產出。這極大的鼓勵了其它系統整機廠商投入到芯片研發中來，并通過自行研制核心芯片，最大限度的保證其整機的競爭力。
系統整機自研芯片的占比從2010年的不足4％到2020年的14%，相當一部分半導體廠商逐漸轉型，逐漸向整機廠商靠攏。中國目前消費芯片主要來自于國外廠商，從2014年的1/3，到2020年后，這一數據占比將下降至50%。
4、全球集成電路產業可能進入新一輪調整
WSTS報告指出，2015年上半年全球半導體銷售額1671億美元，同比增長
3.6%。由于市場需求疲軟，2015年7月全球半導體市場銷售額比2014年7月時下滑0.9%；并較今年6月的279.9億美元降低0.4%。由此預
測2015年很可能成為芯片市場地成長、或零成長，甚至是衰退的一年。從地區市場來看，中國、亞太地區與美洲地區的年銷售量增加，但歐洲（-12.5%）
與日本（-13.3%）卻大幅衰退，部分原因是受到貨幣貶值的影響。
IC Insights預測2015年全球IC市場衰退1%，主要產品銷售情況不容樂觀：
1）PC市場增長出現大幅下調，預計2015年生產數量將下滑8.7%；
2）智能手機與平板電腦在內的市場增長都已向下調整。在iPhone 6與iPhone 6 Plus強勁表現的帶動下，蘋果的iPhone仍為最大亮點，其單位增長率或者平均售價都上漲強勁。不過高端安卓智能手機表現不佳，中國智能手機市場普遍疲軟；
3）可穿戴設備的產業規模持續增長。然后在2019年以前，用于可穿戴設備的處理、感應與通信芯片的營業額將只占整體半導體營業額的1%；
4）DRAM
仍然是整個半導體行業的主要增長動力。繼2014年增長32%后，2015年DRAM營業額有望增加3.8%。但Gartner預測由于新的需求成長局限
性以及技術遷移持續演進，2016年市場將出現過度供給或需求不足的狀況。2016年DRAM產業營業額可能下滑17.4%，到2017年將再減少7%。
5）強勢美元導致全球IC市場銷售額下降3個百分點；
6）今年以來以美元計價的IC平均單價下降5%。
——Gartner、WSTS、WSC、IC insights報告
中國集成電路產業1-9月統計數據顯示，中國集成電路產業銷售額為2540.5億元， 同比增長19.5％。其中，設計業銷售額為941.3億元，同比增長26.1％；制造業銷售額605.7億元，同比增長24.6％；封裝測試業銷售額 993.5億元，同比增長11.2％。
5、對幾個基礎問題的思考
基礎材料方面更加重視多學科融合及協同，以“電子＋材料＋物理“共同發展的形勢協同進 步。在器件結構上聚焦亞納米尺度，體硅平面結構已經終結，3D結構將是硅基終極技術，亞納米尺度晶體管將是全新的材料和全新的工作機理。在電路架構，變結 構集成電路將以軟硬件雙編程、軟件定義芯片為主。
半導體存儲器將一路沿著BiCS技術演進，3D-NAND、Xpoint和Re-RAM都是未來可關注的存儲器技術，以Cross-Point架構，重視材料、應力、散熱等方面。
工藝、設計上將更加關注企業間的緊密合作，現如今“中芯國際＋高通”，“華為＋聯發科”都是業內的典范。
6、總結
從全球范圍看半導體已經成為成熟產業，并購將是未來幾年的投資主流，中國已經加入這一
大潮且有所作為；摩爾定律還在延續，但遇到諸多挑戰；整機企業再次青睞芯片研發，必將引發芯片設計業和制造業新一輪的調整；全球集成電路產業將進入調整
期，我國也不能幸免；集成電路的發展需要電子、材料、物理等多學科融合和協作，器件、電路、材料等多種基礎技術盼望突破；擁有戰略的判斷力、戰略的預見
力、戰略定力和戰略的執行力是中國半導體產業贏得發展的關鍵。
來源：集微網
【建言“十三五”】魏少軍：半導體產業應超前布局，切忌戰略動搖、“翻烙餅”！
集成電路技術將長期有效
今年是摩爾定律50年，我們應該認真思考一下為什么摩爾定律可以持續發展50年的背后原因和摩爾定律對電子信息產業及經濟社會的深刻影響。事實上，最近一段時間，對摩爾定律到底還能延續多長時間有很多爭論。
從技術發展的角度看，現行的硅基CMOS技術很可能在走向亞納米級的時候就將走到它的盡頭，但這不意味著摩爾定律就走到了頭。即使硅基CMOS從特 征尺寸上不再向前發展，也不意味著CMOS技術就退出歷史舞臺，它還會很長時間扮演著舉足輕重的作用。有一種觀點認為即使CMOS走到盡頭，也不是因為技 術原因，而是經濟的原因，但并不是說CMOS技術的經濟性不存在了，而只是說CMOS技術由于經濟性不再前行。作為前期投入數千萬美元形成的以CMOS為 主的基礎設施，其生命力依然十分強壯。
從延續摩爾定律(More Moore)角度看，盡管摩爾定律在放慢前進節奏，從以前的18~24個月進步一代，逐漸放慢到36~48個月進步一代，但從技術的角度看，進步步伐并沒 有放慢。例如，TSMC、Samsung、Intel甚至Global Foundries都已經清晰地規劃出10nm和7nm的發展路線，比利時IMEC和Cadence已經對5nm量級的混合光刻技術進行了深入研究，提出 了解決的方案。
從拓展摩爾定律(More than Moore)角度看，多元件IC(MCO)技術已經逐漸成熟，利用系統級封裝技術將芯片和各類異質器件組裝在一起，形成更高價值的系統解決方案已經成為下一步發展的重點。今年ITA擴圍協議已經將MCO列入免稅的范疇。
從后CMOS(Beyond CMOS)角度看，分子級晶體管、碳納米管晶體管都提出了非硅晶體管的概念，有望在亞納米量級繼續延續摩爾定律。另一方面，集成電路技術以其廣泛的使用范 圍、巨大的用量和耗費巨資建立的基礎設施，也不是容易被輕易放棄的。從技術的角度看，現在還沒有找到能夠替代現行CMOS的其它技術。
因此集成電路技術將長期有效這一戰略判斷應該堅持。
半導體產業將進入調整期
從全球角度看，集成電路產業已經進入成熟期，主要表象包括風險投資不再青睞半導體，幾乎沒有新的上市半導體公司，已經上市的半導體企業數量在減少。 相反，產業整合力度在加大。今年以來半導體領域的國際并購風起云涌，總金額已經超過1000億美元，是過去2年總和的兩倍多。我國也開展了國際并購，但總 體規模還比較小，不到全行業的5%。這是第一個特點。
第二個特點是全球半導體產業加速向中國大陸轉移。除了中國加大對外并購的原因，《國家集成電路產業發展推進綱要》(以下簡稱《綱要》)的發布對全球 同行震動很大，相當一部分國際企業都在思考如何能夠在中國大力發展集成電路產業的浪潮中有所作為。近期UMC在廈門，PowerChip在合肥，TSMC 在南京的建廠舉動都反映了這一點，相信后續還會有相當一部分企業考慮在中國的發展。
全球半導體產業在經過過去幾年的穩步發展之后，很可能在“十三五”期間迎來一個調整期。今年下半年以來，全球產業發展放緩已經成為一個共識，悲觀的 看法是2015年很可能出現持平，甚至衰退。這一方面是由于PC、手機等大宗電子產品的發展出現飽和，缺少新的發展題材，另一方面也是產業發展到一段時間 后必然出現的現象，產業界不應因此而悲觀。正如前面分析的，半導體仍然是一個不可替代的技術，現在的調整是未來大發展的前奏。這一輪調整的突出特點一是中 國的崛起，二是先進產能的建設加速。可以預見這輪產業調整后，整體工藝技術節點會向前邁進一大步，先進技術節點的產能將成為競爭焦點，也勢必淘汰一批落后 的產能。
發展集成電路發展集成電路是必然選擇
堅信我們戰略的判斷力。集成電路是電子信息產業的基礎和核心。我國作為電子信息產業大國，要強化我們的核心和基礎，就必須大力發展集成電路。這個判 斷不能動搖。事實上，集成電路對我國來說不僅是國家安全和國防安全的基石，更是電子信息產業安全的保障。在沒有可以替代現行半導體的技術和未來20年仍然 需要集成電路這一基本事實的前提下，堅定信心、下定決心發展集成電路是我們的不二選擇。
提升我們的戰略預見力。集成電路的發展雖然一直沿著摩爾定律前行，但是技術路線的選擇也會呈現出多樣性。提升戰略預見性，搶先一步看清未來的發展路 徑是在競爭中贏得發展先機的關鍵。不僅在技術上、產品上要有預見性，在產業發展模式等方面也需要預見性。尤其是在全球競爭格局下，能夠通過產業布局、產業 生態的建設上超前一步，是我國半導體產業在未來發展中贏得主動權的關鍵。
保持我們的戰略定力。隨著技術和產業的發展，各種方案、各種意見都會出現。尤其是高額投資帶來的高風險也會引發爭論，導致決策者的猶豫，干擾我們對 《綱要》的實施。特別是全球半導體產業將進入調整期，勢必引發我們大力發展集成電路制造業的擔憂。殊不知國際上半導體制造業的發展從來都是在調整期加大投 入，在上升期獲得利潤。我們以往在半導體上的投資都沒有趕上這一節奏，現在趕上了，切忌動搖。戰略上的搖擺是最可怕的，發展中最忌諱的是“翻烙餅”，所以 要有定力，要有“咬住青山不放松”的堅定信念。
強化我們的戰略執行力。說一千道一萬，產業發展是實實在在的事情，沒有執行力，一切都無從談起。現在《綱要》確定的目標和任務都十分清晰，要堅定不 移地按照《綱要》指引的方向去努力，不能打折扣。執行力不足是我們現在面臨的最大挑戰。一方面，由于技術和產業在不斷變化，各種誘惑下執行力會打折扣，另 一方面，在各種利益的誘惑下，執行時動作會變形、會走樣。因此執行力是我們實現《綱要》目標的根本能力，必須強化。
（作者魏少軍，系清華大學微電子所所長）
