​张波:后摩尔时代的特色工艺及中国发展机遇

半导体行业观察 · 半导体行业观察·2019-07-12 11:31

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日前在第二届中国(成都)电子展集成电路产业发展高峰论坛上,电子科技大学集成电路中心主任、博导张波教授做了“后摩尔时代的特色工艺及中国发展机遇”的主题报告演讲,小编以张波教授的演讲为基础,对特色工艺的发展以及中国的机遇做了本文的分析。

正文:

半导体的发展工艺离不开摩尔定律,英特尔一直将摩尔定律作为其发展的技术原则,很长一段时间英特尔一直采用Tick-Tock这样的战略,即为一年工艺一年架构,延续着两年翻一番的集成电路发展。然而当摩尔定律到了极限该怎样?摩尔定律仍需要不断发展,工艺也需要继续前进。

张波教授在会上讲到,回顾过往,半导体的发展路线呈现三维发展的态势,一个是尺寸依赖的先进工艺,另一个是非尺寸依赖的特色工艺,再就是先进封装技术。其中非尺寸依赖的特色工艺,如eNVM,RFCMOS,SOI,MEMS,GaN,SiC等也被业界称为后摩尔定律(More than Moore)。

半导体发展路线图

在说后摩尔定律之前,让我们先来回顾下什么是摩尔定律。

摩尔定律(Moore’s law): 集成电路 上可容纳的 晶体管 数目,约每隔两年便会增加一倍。

什么是后摩尔定律(More than Moore)?白皮书是这样解释的:“器件价值或者性能的提升,不完全靠尺寸缩小,而是通过功能的增加”。

XFAB理解的后摩尔定律是:“Intergrating analog function into CMOS -based specialty technologies enables cost-optimized ang value-added system solutions”。翻译过来的意思是:将模拟功能集成到基于CMOS的专业技术中,可实现成本优化的增值系统解决方案。

“摩尔定律在指引半导体产业发展的过程中无疑是举足轻重的,尺寸的不断减小对于数字领域的存储器和微处理器等会带来革命性的变化。但是模拟电路领域并非如此。很多应用,比如RF器件、功率管理系统、生物芯片、传感器及MEMS等在半导体世界也有自己的一方天地。将CMOS技术与模拟/混合技术向结合无疑会为消费者带来更多的价值。”X-Fab的市场与销售副总裁ThomasHartung说。

张波教授阐述道,非尺寸依赖的特色工艺,意味着建厂与维护成本低,且工艺相对成熟、产品研发投入相对较少。然而XFAB的开放式平台显示出特色工艺的平台繁多,种类繁多,其中安森美的MOSFETs就有2504种,多种特色工艺平台共存。

X-FAB的开放平台技术一览

为什么说中国发展特色工艺有机遇?

据IHS、新时代证券研究所数据显示,2017年全球前十大功率半导体分立器件厂商占据了60.60%的市场份额。据IC insights数据分析,2017年全球前十大模拟芯片厂商销售了约330亿美元,占据了接近61%的市场份额;而2018年模拟芯片市场分布显示,2018年全球前十大模拟芯片厂商销售了361亿美元,占据了60%的市场份额。

2017年功率半导体分立器件市场分布

2017年模拟芯片市场分布

2018年模拟芯片市场分布

由上述数据可以看出特色工艺产品尚无垄断企业,再加之特色工艺应用强相关,且无垄断企业。这些足以给中国发展特色工艺带来了机遇。

中国是制造大国, 改革开放40年来,我国建立了门类齐全的现代工业体系,工业经济的实力远远壮大并跃升为世界第一制造大国,也是世界上唯一拥有完整的制造业体系、产品和产业链的大国,世界银行统计数据显示,2017年中国制造业增加值为3.59万亿美元,占全世界的28.57%,是美国和德国制造业增加值的综合,遥遥领先于世界其他国家。

中国也是集成电路应用大国, 自2012年起至今,中国的集成电路消耗占全球的50%以上。

全球集成电路消耗占比情况

中国还是集成电路进口大国, 根据中国海关总署公布的数据显示,2018年全年,中国进口集成电路4176亿个,其中处理器及控制器约1189亿个,存储器约398亿个,放大器295个,集成电路进口均价50.75美元,总金额高达3120.58亿元(约合人民币2.1万亿元),占我国进口总额的14%左右。其中CPU 的价格更是昂贵无比,一个Core i9-9900K的价格约4099元,Core i7-9700K的价格约为3099元。

总体来看,特色工艺产品,国产替代空间巨大,有市场空间,我们是否有产业基础?

近些年,中国不少厂商布局特色工艺,例如上海华虹宏力与华虹无锡布局8英寸、12英寸,华润微电子和杭州士兰微集成电路更是有6英寸、8英寸以及12英寸的工艺,另外还有CEC上海积塔半导体特色工艺生产线及芯恩(青岛)集成电路有限公司等等。可见特色工艺产品的公司不在少数。

中国特色工艺产业基础一览

那么中国在建的特色工艺产品线是否产能过剩?张教授的答案是:不会

2018年台积电的300mm晶圆产能1200万片,200mm晶圆产能1100万片,200mm较2013年增长540万片。前面提到这些大陆全部企业的产能可能没有一个台积电的产能多。

中美贸易战以及2017-2018年市场缺货行情的推动下,5G、AIoT以及汽车领域的发展给中国特色工艺的发展产生了很大的机遇。但是有机遇的同时也面临着不少挑战,为什么国际大厂能够迅速占领市场,我们差在哪里呢?这可以归结为以下几点:

一是我国相关企业产品体系单薄。二是特色工艺所相关的特色产品常常是工艺、产品与应用密切相关。三是纵观全球排名前十的模拟芯片厂商,国外特色工艺企业常常是IDM形态,而且是老牌企业,历史悠久,经验丰富,且人才济济。

前十大模拟IC厂商

张波教授最后总结到:“虽然有上述的挑战,但是我们也有优势,中国是集成电路的市场大国,特色工艺产品与市场应用是密切相关的,我国自主可控芯片的生态环境,我们的特色工艺经过几代炎黄子孙的不懈努力,所有这些因素的协同作用下,中国特色工艺发展是有机遇的。”

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