莫大康：后摩爾時代我國集成電路晶圓制程發(fā)展方向

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Gary Wu攝于貴州黃果樹壩陵河大橋

劉劍濱學(xué)長，主要研究方向為集成電路、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)化?，F(xiàn)為無錫浙江大學(xué)校友會副會長，求是緣半導(dǎo)體聯(lián)盟會員。

摘要：摩爾時代集成電路產(chǎn)業(yè)追尋更小、更密、更快的方向發(fā)展，導(dǎo)致費(fèi)用、人才、技術(shù)門檻極高，形成壟斷。集成電路產(chǎn)業(yè)正在從摩爾時代邁入后摩爾時代，產(chǎn)業(yè)發(fā)展向高度集成、分散應(yīng)用、多產(chǎn)品樣式、材料多樣性、淡化線寬和尺寸的方向發(fā)展?；诰A制程是制約我國集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展瓶頸的現(xiàn)狀，建議融合臺灣技術(shù)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(xiàn)我國集成電路產(chǎn)業(yè)的全面健康有序發(fā)展。

近年智能手機(jī)、人工智能、仿生機(jī)器人、物聯(lián)網(wǎng)、MEMS等各類行業(yè)應(yīng)用飛速發(fā)展，集成電路發(fā)展從傳統(tǒng)的追求更小、更密、更快，向定制化、異構(gòu)化、可升級、低功耗、低成本等各種差異化方向發(fā)展，集成電路產(chǎn)業(yè)正在從摩爾時代邁入后摩爾時代。認(rèn)清后摩爾時代的產(chǎn)業(yè)特點，選擇合適的發(fā)展方向，對推動我國集成電路產(chǎn)業(yè)健康有序發(fā)展，保障國家戰(zhàn)略安全具有非常重要的意義[1]。

摩爾時代集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展?fàn)顩r

1958年，美國德州儀器（TI）生產(chǎn)出第一款工業(yè)級集成電路至今近70年，全球集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展基本遵循1956年英特爾創(chuàng)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(shù)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(jī)性能，每隔18個月翻兩番。摩爾定律引導(dǎo)集成電路行業(yè)往更小、更密、更快的方向發(fā)展，也遇到了越來越高的門檻和障礙，限制了行業(yè)發(fā)展，帶來如下困境。

（1）先進(jìn)晶圓廠的建設(shè)費(fèi)用高漲，7nm及以下工藝晶圓廠的建設(shè)費(fèi)用超百億美元，極少的企業(yè)或國家能承擔(dān)此費(fèi)用。

（2）先進(jìn)工藝的流片成本高漲，7nm及以下工藝的流片費(fèi)用超千萬美元，給新產(chǎn)品的研發(fā)帶來極高成本和風(fēng)險。

（3）先進(jìn)設(shè)計、先進(jìn)工藝，需要大量高學(xué)歷、豐富經(jīng)驗的優(yōu)秀工程師，從業(yè)門檻高。

（4）產(chǎn)品具有迭代性，后進(jìn)入者會遇到專利壁壘，引發(fā)專利戰(zhàn)，限制了技術(shù)創(chuàng)新。

摩爾時代的產(chǎn)業(yè)特性使產(chǎn)業(yè)的集中度在世界范圍內(nèi)逐步提高，形成少數(shù)壟斷企業(yè)，壟斷區(qū)域，壟斷國家。2017年，全球集成電路產(chǎn)業(yè)4700億美元營收中，十大跨國公司占據(jù)80%營收，具有不可撼動的壟斷地位。細(xì)化到產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)看，集中度更為明顯：EDA設(shè)計軟件領(lǐng)域，美國Mentor、Cadence和Synopsys占據(jù)90%以上的市場份額，處于絕對壟斷地位；設(shè)計領(lǐng)域前10強(qiáng)，除了排名第4的聯(lián)發(fā)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(lián)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(jù)70%的份額；流片代工領(lǐng)域，臺灣的臺積電占據(jù)49.2%份額，韓國三星占據(jù)18%份額，美國格羅方德占據(jù)8.7%份額；封裝測試領(lǐng)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(xì)分領(lǐng)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(chǔ)材料，則是日本居于壟斷；高端設(shè)備領(lǐng)域，荷蘭ASML在光刻機(jī)領(lǐng)域絕對領(lǐng)先，其他刻蝕、注入機(jī)、沉積等設(shè)備，日本和美國具有壟斷地位。

摩爾時代集成電路產(chǎn)業(yè)的壟斷性，使得包括中國在內(nèi)的后發(fā)國家在追尋摩爾定律往更小、更密、更快的方向發(fā)展，追趕美國等先進(jìn)國家地區(qū)極其困難。此外，集成電路進(jìn)入10nm工藝后，傳統(tǒng)技術(shù)理論逐步失效，單純靠減小線寬、增加器件密度、提高運(yùn)算速度的摩爾定律遇到了瓶頸，發(fā)展滯緩[2] [3]。

后摩爾時代集成電路產(chǎn)業(yè)特性及發(fā)展趨勢

智能手機(jī)、人工智能、仿生機(jī)器人、物聯(lián)網(wǎng)、MEMS等應(yīng)用的飛速發(fā)展，對集成電路的要求復(fù)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(shù)發(fā)展提出了新的要求。摩爾定律已經(jīng)無法適應(yīng)新形勢的發(fā)展，產(chǎn)業(yè)界最近幾年提出了“超越摩爾定律”，進(jìn)入后摩爾時代，產(chǎn)業(yè)發(fā)展思路發(fā)生改變，并為后進(jìn)國家提供了彎道超車的機(jī)會[4] [5]。后摩爾時代集成電路產(chǎn)業(yè)具有如下特性。

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

（2）分散應(yīng)用，應(yīng)用場景從單一的電子信息行業(yè)，跨入包括生物醫(yī)****、化學(xué)、機(jī)械在內(nèi)的多行業(yè)，具有定制化、多品種、小批量的趨勢。

（3）多產(chǎn)品樣式，將異質(zhì)的數(shù)字和非數(shù)字功能集成到一個緊湊的系統(tǒng)中，從傳統(tǒng)摩爾時代的標(biāo)準(zhǔn)樣式，發(fā)展出SOC、SIP、PIP，3D立體封裝等異形結(jié)構(gòu)。

（4）材料多樣化，集成電路應(yīng)用材料從單一硅鍺材料，到磁性材料、壓電材料、有機(jī)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(shù)特點，后摩爾時代與摩爾時代相比，集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有如下趨勢。

（1）“超越摩爾定律”與摩爾定律，不構(gòu)成替代及競爭，兩者應(yīng)用領(lǐng)域不同，協(xié)同發(fā)展。

（2）集成電路的發(fā)展從摩爾時代單純依靠電子產(chǎn)業(yè)，轉(zhuǎn)而涉及更多橫向產(chǎn)業(yè)，如新材料、光學(xué)、生物學(xué)、熱學(xué)等，產(chǎn)業(yè)的發(fā)展從單一追求深度向同步追求廣度發(fā)展。

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

（4）后摩爾時代，大量新應(yīng)用，使得集成電路技術(shù)創(chuàng)新從追求更小、更密、更快的單一創(chuàng)新，轉(zhuǎn)向更廣泛的創(chuàng)新，得以避開傳統(tǒng)競爭領(lǐng)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(xiàn)流片，對晶圓工廠的要求大大降低，從而降低了集成電路產(chǎn)業(yè)化的門檻。

我國集成電路產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

我國集成電路產(chǎn)業(yè)誕生于六十年代，1965年第一塊集成電路誕生，發(fā)展經(jīng)歷波折。2018年，中國集成電路市場規(guī)模1.3萬億人民幣，同比增長9.3%，消費(fèi)全球?qū)⒔话氲募呻娐罚侨蛞?guī)模最大，增長最快的市場，但產(chǎn)業(yè)發(fā)展不均衡，總體落后國際先進(jìn)技術(shù)20年[6]。

從中國整個集成電路產(chǎn)業(yè)鏈來看，上游設(shè)計領(lǐng)域發(fā)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(yōu)秀企業(yè)。中游晶圓制程，擁有中芯國際、華潤上華、華虹半導(dǎo)體、上海先進(jìn)、士蘭微等一批具備一定實力的企業(yè)，目前國內(nèi)投產(chǎn)12寸線8條，最先進(jìn)制程為14nm，無論規(guī)模還是先進(jìn)程度都遠(yuǎn)落后于全球排名1的臺灣臺積電，排名第2的臺灣聯(lián)華電子以及排名第3的韓國三星，是制約我國集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸。下游IC封裝、測試領(lǐng)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(yè)，全球前十的企業(yè)其余8家都在中國臺灣。外圍EDA設(shè)計工具、精密設(shè)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(shù)據(jù)表明我國是全球舉足輕重的集成電路消費(fèi)大國和生產(chǎn)大國，但產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展不均衡，晶圓制程成為制約我國集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸[7]。

晶圓制程發(fā)展方向探究[8][9][10]

晶圓制程是制約我國集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸，在晶圓制程選擇上，傳統(tǒng)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(fēng)險。

（1）產(chǎn)能過剩的風(fēng)險

從全球晶圓廠產(chǎn)能建設(shè)情況來看，12寸晶圓廠是目前主流建設(shè)方向。圖1展示了最近10年全球12寸晶圓廠的增長情況（數(shù)據(jù)來源IC insights），從2010年的73座，增加到2017年的108座，預(yù)計2020年底，全球12寸晶圓廠將達(dá)到117座，近10年年均增長5~10座。

圖1 近10年全球12寸線數(shù)量

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

（2）投產(chǎn)周期長、風(fēng)險大、易爛尾

一條12寸線要發(fā)揮作用，從建設(shè)開始，到生產(chǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)，到批次良率穩(wěn)定，至少需要5年以上的打磨的，所以才有集成電路產(chǎn)業(yè)10年磨一劍的說法。人們要消除廠房蓋好、設(shè)備進(jìn)場、人員滿編、樣品出來，即算完工的誤區(qū)。國內(nèi)某條12寸線，從樣品出來到磨合量產(chǎn)商用，足足用了3年時間，至今良率仍遠(yuǎn)不如臺積電。

目前我國穩(wěn)定運(yùn)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(chǎn)能超過80萬/月。在建12寸晶圓廠中，一半以上是國內(nèi)企業(yè)，除了中芯國際和華虹有12寸量產(chǎn)經(jīng)驗，其他包括華力微、晉華、長鑫、紫光等都是新入企業(yè)。對于12寸晶圓廠這種投產(chǎn)周期5年以上，資金上百億，運(yùn)行精度高，需要數(shù)百名專業(yè)工程師維護(hù)的項目，眾多環(huán)節(jié)中出現(xiàn)一個紕漏，就會帶來整條線的停工或良率下降，因此風(fēng)險極高。

（3）人才缺失風(fēng)險

12寸晶圓廠對人才技術(shù)經(jīng)驗要求高，國內(nèi)在建的12寸線，將嚴(yán)重缺乏有經(jīng)驗的工藝工程師。豐富經(jīng)驗的工程師，主要集中在臺灣地區(qū)及韓國，引入較困難。

后摩爾時代集成電路產(chǎn)業(yè)特性及發(fā)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(lián)網(wǎng)、模擬電路領(lǐng)域應(yīng)用更廣，發(fā)展前景更好。

表1 2018年全球8寸晶圓產(chǎn)能前十工廠

如表1所示，中國大陸8寸晶圓領(lǐng)域并不落后，擁有中芯國際、華虹這類代表企業(yè)，是可以努力追趕成為國際領(lǐng)頭的。后摩爾時代，為了應(yīng)對下游多樣化的應(yīng)用需求，需要低成本、快速響應(yīng)、定制化的產(chǎn)品，8寸晶圓的建廠成本、晶圓成本、生產(chǎn)周期等，相較12寸晶圓具有明顯優(yōu)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(yùn)行，不宜大面積推廣。具備下列兩個條件再鋪開12寸：國內(nèi)8寸晶圓發(fā)展壯大，培育出大量有管理、技術(shù)、工藝經(jīng)驗的工程師及管理人員；在下游應(yīng)用客戶中涌現(xiàn)一大批國內(nèi)12寸晶圓用戶，為產(chǎn)能找到自主可控的出口。

（2）臺灣地區(qū)在該領(lǐng)域擁有全球73%的產(chǎn)能，擁有臺積電、聯(lián)華電子這樣的頭部企業(yè)，臺灣企業(yè)的核心價值在于擁有一大批有經(jīng)驗的工程師。目前，臺灣地區(qū)的產(chǎn)能近半數(shù)已投資到中國大陸，并帶來了近10萬的工程技術(shù)人員。發(fā)揮兩岸關(guān)系，引進(jìn)和融入臺灣人才，通過人才帶來技術(shù)，實現(xiàn)兩岸互助共贏[11]。

總結(jié)

集成電路產(chǎn)業(yè)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(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸。在晶圓制程選擇上，傳統(tǒng)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(chǎn)能過剩、投產(chǎn)風(fēng)險大、人才缺失的風(fēng)險，而看似落后的微米8寸晶圓制程反而發(fā)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(yùn)行，等國內(nèi)8寸晶圓發(fā)展壯大，培育出大量工程師及管理人員，應(yīng)用領(lǐng)域培育出12寸晶圓的用戶，再發(fā)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(fā)揮兩岸關(guān)系，融合臺灣技術(shù)與人才，實現(xiàn)兩岸互助共贏。

最后，致謝中電?？禑o錫科技有限公司程學(xué)農(nóng)院長、華潤微電子有限公司研發(fā)總監(jiān)趙海、無錫市半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(WXSIA)、江蘇省半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(JSSIA)等專家給予的探討與支持。

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