目前,我国还有哪些芯片核心技术亟待突破?

摘要 由于起步晚、核心技术缺少,我国半导体发展受限,尤其是核心技术方面,仍有尚未掌握的关键技术,比如:DSP芯片、高精度ADC芯片、超高射频芯片、CPU、GPU、MPU、DRAM/NAND Flash芯片、CPLD/FPGA、半导体材料等等,这些半导体核心技术仍待突破。
        近日,“中美贸易战”持续升级,美国和华为之间的博弈愈发地激烈,双方的实力和技术显示无疑。5月21日,任正非在接受媒体采访时表示,华为备胎芯片计划在早几年就开始了,美国低估了华为的芯片自研能力,芯片自主这一方面华为有实力叫板全球任何一家顶尖芯片企业。
 

        尽管如此,但国内整体芯片实力并未达到美国那样的厉害,类似华为这样的实力企业太少。半导体行业是典型的“金字塔”结构,越上游的企业越少,产值越大,技术难度越高。由于起步晚、核心技术缺少,我国半导体发展受限,尤其是核心技术方面,仍有尚未掌握的关键技术,到目前为止,关键芯片领域依赖于进口仍是现状。

        这些半导体核心技术仍待突破

        1、DSP芯片

        DSP芯片即指能够实现数字信号处理技术的芯片。DSP芯片的内部采用程序和数据分开的哈佛结构,具有专门的硬件乘法器,广泛采用流水线操作,提供特殊的DSP指令,可以用来快速的实现各种数字信号处理算法。DSP芯片自诞生以来得到了飞速发展,一方面得益于集成电路的发展,另一方面也得益于巨大的市场。在短短二十年时间里,DSP芯片已在信号处理、通信、雷达、图像、军事、仪器、自动化等众多领域得到广泛的应用。

        目前,全球DSP芯片市场仍是巨头垄断,德州仪器、ADI、飞思卡尔、Motorola公司等都是这个行业的佼佼者。国产DSP芯片起步晚, 2006年中电十四所与龙芯公司合作开发国产DSP芯片。2012年它们研发的 “华睿1号”性能优于飞思卡尔公司的MPC8640D,2017年,国产DSP芯片“华睿二号”走向市场。

        2、高精度ADC芯片

        ADC也叫模数转换器,是指将连续变化的模拟信号转换为离散的数字信号的器件。真实世界的模拟信号,例如温度、压力、声音或者图像等,需要转换成更容易储存、处理和发射的数字形式。模/数转换器可以实现这个功能,在各种不同的产品中都可以找到它的身影,在实际应用中,为了实现微型化,通常做成ADC芯片。造芯片是非常精密的工艺,通常芯片单位为纳米,一纳米也就是十万分之一毫米,这对设计、制造工艺都有非常严格、高标准的要求。仅从产品种类来说,芯片的种类就有几十种大门类,上千种小门类,如果涉及设备流程的话就更多了。

        由于系统的实际对象往往都是一些温度、压力、位移、图像等模拟信号,要使计算机或数字产品等能识别、处理这些信号,必须首先将这些模拟信号转换成数字信号,这就需要ADC。而经计算机分析、处理后输出的数字量也往往需要将其转换为相应模拟信号才能为执行机构所接受。据相关数据显示,2017年ADC芯片销售额为545亿美元,预计到2022年,全球ADC芯片市场规模可达748亿美元,市场前景非常可观。未来几年支撑ADC芯片增长的主要驱动力是5G、人工智能、物联网、汽车电子等新兴应用,这些相关的产品或技术对信号处理的需求大涨。

        全球能生产出高性价比的高精度的ADC芯片的企业不到十家,而又以美国企业为主。一款好的ADC芯片体现在高精度、低功耗、转换效率等指标上,目前制造ADC芯片的温度传感器和高精度振荡器非常紧缺,这也是国内企业的一大痛点。目前ADC芯片主要的供应商是德州仪器、亚德诺等公司,中国是全球最主要的ADC芯片需求方,但是国内能造出高精度的ADC芯片企业微乎其微,即便造出来了,性能和价格也无法跟上市场的节奏。可以这么说,在核心的ADC芯片供给率上,国产占有率几乎为零。

        3、超高射频芯片

        射频芯片指的就是将无线电信号通信转换成一定的无线电信号波形, 并通过天线谐振发送出去的一个电子元器件。射频芯片架构包括接收通道和发射通道两大部分。对于现有的GSM和TD-SCDMA模式而言,终端增加支持一个频段,则其射频芯片相应地增加一条接收通道,但是否需要新增一条发射通道则视新增频段与原有频段间隔关系而定。

        中国是世界最大的手机生产国,但造不了高端的手机射频器件,这需要材料、工艺和设计经验的踏实积累。国内从事中低端射频芯片的企业众多,也占据了相当一部分市场,但在高端射频芯片领域,仍有较大上升空间。

        4、CPU

        CPU是一块超大规模的集成电路,是一台计算机的运算核心和控制核心。它的功能主要是解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据。中央处理器主要包括运算器,算术逻辑运算单元,ALU和高速缓冲存储器及实现它们之间联系的数据、控制及状态的总线。它与内部存储器和输入/输出设备合称为电子计算机三大核心部件。CPU依靠指令来自计算和控制系统,每款CPU在设计时就规定了一系列与其硬件电路相配合的指令系统。指令的强弱也是CPU的重要指标,指令集是提高微处理器效率的最有效工具之一。

        美国的英特尔、超威半导体公司,在CPU领域占据一半以上的市场。国产CPU的应用领域既涵盖了嵌入式设备、服务器设备等专业领域,也同时面对消费级民用市场。由于服务对象和应用领域的巨大分歧,不同类型的国产CPU在国人心中存在感相去甚远,如专门针对服务器的飞腾、申威等,知名度不高。CPU发展迅速,算力和功耗是衡量其性能的重要指标。作为后来者,中国的研制水平总是离世界先进水准差一截,如龙芯的性能似乎总跟着英特尔后面跑,龙芯是中国科学院计算所自主研发的通用CPU,采用RISC指令集,类似于MIPS指令集。好消息是,2015年,中国发射首枚使用“龙芯”北斗卫星。

        5、GPU

        又称显示核心、视觉处理器、显示芯片,是一种专门在个人电脑、工作站、游戏机和一些移动设备上图像运算工作的微处理器。用途是将计算机系统所需要的显示信息进行转换驱动,并向显示器提供行扫描信号,控制显示器的正确显示,是连接显示器和个人电脑主板的重要元件,也是“人机对话”的重要设备之一。

        提到GPU,最先想到的是英伟达,它占据全球GPU市场一半以上的市场份额,AMD的GPU也占有一席之地。中国的GPU企业尚未形成巨大规模,相关技术也在积极研制之中,目前国内在研究GPU的企业有上海兆芯、华为、图芯、天数智芯,华夏芯、芯视图、中船重工709所、中航631所等。据获悉,中国船舶重工集团公司研究的完全具备自主知识产权的凌久GP101,刷新了我国在国产显卡领域的空白,凌久GP101是一款高性能低功耗的,图形处理芯片,要和欧美等先进厂商相比,还有很大的距离,它要达到世界领先水平,还有漫长的路要走。

        6、MPU

        MPU又叫微处理器或内存保护单元。MPU是单一的一颗芯片,而芯片组则由一组芯片所构成,早期甚至多达八颗,但目前大多合并成两颗,一般称作北桥芯片和南桥芯片。MPU是计算机的计算、判断或控制中心,是构成微机的核心部件,也可以说是微机的心脏,它起到控制整个微型计算机工作的作用,产生控制信号对相应的部件进行控制,并执行相应的操作。在微机中,CPU被集成在一片超大规模集成电路芯片上,称为MPU,微处理器插在主板的中央处理器的插槽中。

        英特尔、高通、三星、飞思卡尔、联发科及展讯等供应商是这个市场的领导者,据相关数据统计,2018年销售的MPU中,超过一半的的增长来自于应用在普通计算机、服务器和大型电脑中的处理器,少部分来自于嵌入式应用,有超过一半的销售是来自英特尔和AMD厂商,其余市场也基本被欧洲企业占据。国产的MPU市场占有率非常小,几乎为零,好消息是,国内的华大、华为、紫光国芯等企业正在加大研发相关技术。

        7、DRAM/NAND Flash芯片

        即动态随机存取存储器,最为常见的系统内存。DRAM 只能将数据保持很短的时间。为了保持数据,DRAM使用电容存储,所以必须隔一段时间刷新一次,如果存储单元没有被刷新,存储的信息就会丢失。

        目前,在DRAM/NAND Flash芯片市场上,英特尔、德州仪器、IBM、韩国三星和海力士占据绝对垄断地位。国内的长江存储、合肥长鑫、福建晋华是中国存储领域的三大新势力,2019年会是中国存储产业的关键年,届时有福建晋华、合肥睿力的 DRAM 技术量产,更有长江存储转进 64 层 3D NAND 的研发和生产。未来两年将有可能左右未来十年中国存储产业的命运。

        8、CPLD/FPGA

        CPLD是从PAL和GAL器件发展出来的器件,相对而言规模大,结构复杂,属于大规模集成电路范围。是一种用户根据各自需要而自行构造逻辑功能的数字集成电路。其基本设计方法是借助集成开发软件平台,用原理图、硬件描述语言等方法,生成相应的目标文件,通过下载电缆将代码传送到目标芯片中,实现设计的数字系统。FPGA即现场可编程门阵列,它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路领域中的一种半定制电路而出现的,既解决了定制电路的不足,又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。

        进入FPGA这个行业的门槛很高。过去十多年时间里,Intel、IBM、摩托罗拉、飞利浦、东芝、三星等60多家公司曾试图涉足该领域,除Intel以167亿美元收购阿尔特拉成功进军该领域之外,其余公司纷纷折戟沉沙。目前的FPGA市场, Xilinx和Altera两家公司占据了90%的市场份额。

        除了市场份额低之外,国内厂商在技术水平上和国外大厂的差距很大。虽然国内FPGA厂商有百家争鸣之势,但基本分布在中低端市场,大多是一些1000万门级左右的FPGA,少数达到2000万门级的FPGA虽然也有自主研发的。中国电科的3500万门级FPGA和中国电子7000万门级FPGA,是一次重大技术突破。

        9、半导体材料

        俗话说,“巧妇难为无米之炊”,作为制造半导体集成电路的基础,半导体材料可谓是整个制程中做关键的一环。在生产半导体芯片的材料需要二十多种,其中包括晶圆、靶材料、保护涂膜、 TAB、 焊线和封装材料等,在这块市场上,美国和日本占据了大部分的市场份额。据统计,全球十大半导体材料厂商排行,美日欧占比高达90%左右,中国仅有少数几家能生产符合市场要求的半导体材料。

        制造半导体器件对半导体材料有不同的形态要求,包括单晶的切片、磨片、抛光片、薄膜等,半导体材料的不同形态要求对应不同的加工工艺。以硅晶圆的制造为例,人们常说几寸晶圆厂,代表这硅晶圆直径越大,这座晶圆厂技术越好,目前市场上主流的12寸晶圆,基本是由那些TOP5企业提供。英特尔高层曾对笔者表示,全球能生产符合市场要求的晶圆片企业不超过十家,到了下一代18英寸晶圆片生产标准后,建造晶圆片厂成本会提高很多,投资可能超过百亿。为何晶圆技术很难突破,因为在一般情况下,晶圆体积的增加,会导致生产工艺的一致性降低,这样会增加制造成本。还有一个重要的技术,就是生产晶圆设备的先进性对良率影响很大,而国内的企业几乎是进口晶圆生产设备,这对于他们非常被动,容易被“卡脖子”。

        10、顶尖光刻机

        最后一个就是光刻机了,作为集成电路产业的核心装备,光刻机被称为“人类最精密复杂的机器”。据了解,当前全球能制造高端光刻机的只有荷兰的ASML、日本的尼康和佳能三大企业,它们市场份额超过八成。

        光刻机又名掩模对准曝光机,曝光系统,光刻系统,它是芯片制造核心中的核心,光刻是半导体芯片生产流程中最复杂、最关键的工艺步骤,耗时长、成本高。半导体芯片生产的难点和关键点在于将电路图从掩模上转移至硅片上,这一过程通过光刻来实现,光刻的工艺水平直接决定芯片的制程水平和性能水平。

        高端光刻机堪称现代光学工业之花,其制造难度非常大,现在其最先进的EUV(也叫极紫外光)光刻机已经能够制造7nm以下制程的芯片了,单台光刻机的售价已经超过了一亿美元,中国完全自主生产的光刻机只有可怜的90nm制程,差了一大截。光刻机的研制到底难在哪?并非光刻机技术原理难懂,而是光刻机的制造工艺复杂。一台先进的光刻机有五万多个零件,设计生产不容易,难点是里面的每一步都要求最先进的工艺和零件。

        总结:

        中国拥有全球最大的半导体消费市场,因核心技术缺少,中国对美国的半导体进口额超过1000亿美元,排名世界第一。中国是芯片的消耗和进口大国,2017年集成电路进口金额2601亿美元,金额位列中国进口商品之冠。不管美国如何阻拦,不可否认的是,芯片的“国产化”是未来的一大趋势,这些国内未解决的半导体核心技术均是世界级难题,其难度不亚于造“航空母舰”。

        尽管中美贸易战对芯片自主研发影响很大,也会在短期冲击很多企业的利益,但对于企业和技术人员来说,沉下心去做事方能寻求突破和发展,切勿急于求成,被市场蒙蔽了双眼,得不偿失。

        (来源:OFweek电子工程网,文章内容仅代表作者个人观点,不代表业路网对本文内容观点的赞同与支持。)